Курсовая работа: Разработка электромеханического привода подачи станка модели 6С12Ц

Курсовая работа: Разработка электромеханического привода подачи станка модели 6С12Ц

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Механический факультет

Кафедра Металлорежущие станки и инструменты

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: «Металлообрабатывающее оборудование»

на тему: «Разработка электромеханического привода подачи станка модели 6С12Ц»

Выполнил

студент гр. МС 05-н Плетенец А.В

Консультант Молчанов А.Д.

Нормоконтролер Мирошниченко А.В

Донецк 2008г.

реферат

Курсовой проект: 42 страницы, 14 рисунков, 8 таблиц, 6 источников, 3 приложения.

В курсовом проекте необходимо спроектировать коробку подач вертикально-фрезерного станка модели 6С12Ц определить область применения данного типа станков, задаться режимами резания, провести кинематический расчет привода, провести силовой расчет привода.

В графической части привести общий вид станка, кинематическую схему развертку коробки подач.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Характеристика и назначение вертикально-фрезерных станков

2 Выбор предельных режимов резания и электродвигателя     

2.1 Размеры заготовок и инструментов

2.2 Выбор предельных режимов резания

2.3 Предварительное определение мощности электродвигателя движения подачи

3. Определение диапазона скорости вращения двигателя подач

4. Расчет и разработка кинематической схемы привода станка

5. Передача винт-гайка качения

5.1 Выбор винта

5.2 Выбор гайки

5.3 Способы смазывания шарико-винтового механизма и защиты от загрязнений

5.4 Расчет передачи винт-гайка качения

6. Расчет передачи зубчатым ремнем

6.1 Расчет передачи

6.2 Расчет вала

6.3 Выбор шпоночных соединений

6.4 Проверочный расчет подшипников вала

7. Расчет динамических характеристик привода подач

8. Система смазки

Заключение

Перечень ссылок

введение

Основной задачей инженера является проектирование оборудования, способного обеспечить максимальную производительность и экономичность. Чаще всего таких результатов можно добиться минимизировав участие человека в процессе производства, то есть автоматизируя оборудование.

Главной задачей данного курсового проекта является спроектировать коробку подач для фрезерного станка с бесступенчатым регулированием. Расчет включает в себя выбор передачи винт-гайка качения, выбор электродвигателя, соединительной муфты, опор, кинематический и динамический расчеты привода.

Желательным условием работы является получение коробки подач по качествам превосходящей коробку подач станка – прототипа (больший диапазон подач, меньшие габариты).

1. Характеристика и назначение вертикально фрезерных станков

Станки вериткально-фрезерной подгруппы предназначены для обработки плоскостей, пазов различного профиля, фасонных деталей, а с применением делительных головок зубчатых колес методом единичного деления и винтовых канавок. Обработка деталей производится торцовыми, пальцевыми, концевыми фрезами. Согласно заданию в качестве базового станка принимаю станок модели 6С12Ц. Станок используется в условиях единичного и серийного производства. Достаточная мощность привода и диапазон скоростей скоростей и подач позволяет вести обработку как быстрорежущими фрезами, так и фрезами, оснащенными пластинками из твердого сплава.

Главное движение на фрезерных станках – вращение фрезы, движение подачи – перемещение стола с заготовкой. Фреза закрепляется в шпинделе при помощи оправки, имеющей конический хвостовик с конусностью 7:24 и шомпола. Заготовка закрепляется на столе при помощи различных приспособлений.

Основные характеристики вертикально-фрезерных консольных станков:

- размеры стола, задаваемого его номером;

- наибольшее перемещение стола в вертикальном, горизонтальном и поперечном направлениях;

- пределы изменения частоты вращения и подач.

2. ВЫБОР ПРЕДЕЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

2.1 Размеры заготовок и инструментов

Размеры заготовок и инструментов, подлежащих обработке на универсальных станках, определяют из экономических соображений, связывая их с одной из размерных характеристик станка. В таблице 2.1 приведены ориентировочные значения предельных размеров заготовок и инструмента, которые принимаются при проектировании универсальных станков.

Таблица 2.1 ‑ Рекомендуемые значения предельных размеров

Ширина стола=320;

=0,8*320=256мм

=0,2*320=64мм

2.2 Выбор предельных режимов резания

Выбор предельных режимов резания, которые должны осуществляться на станке, рассчитывают при выполнении различных видов работ и на основе анализа полученных результатов.

Глубину резания и подачи выбирают из нормативных документов [1] и в зависимости от работ, которые предполагается выполнять на станке. Как правило, расчет ведут по основной (ведущей) операции, для которой спроектирован станок. В нашем случае это фрезерование торцовой фрезой, при котором возникают наибольшие силы резания.

Выбор предельных скоростей резания для расчета характеристик универсальных станков производят при следующих условиях [3]:

Для фрезерных станков наибольшую скорость резания  определяют при условии обработки

-    стальной заготовки с =500 МПа фрезой наименьшего диаметра;

-    материал режущей части ‑ пластинка из твердого сплава Т15К6.

-    подача на зуб фрезы, стойкость, глубина резания и ширина фрезерования берутся минимальными.

При определении минимальной скорости резания :

-    глубину резания, подачу на зуб, ширину фрезерования, диаметр фрезы и стойкость принимают максимальными;

-    материал фрезы - быстрорежущая сталь; материал заготовки - легированная сталь с = 750 МПа.

В качестве расчетной принимают ширину фрезерования

,

,

где ,  - наибольшая и наименьшая ширина фрезерования;

,  - наименьший и наибольший диаметр фрезы.

При фрезерной обработке, где материал режущей части фрезы твёрдый сплав, для наибольшей скорости резания Vmax имеем [1]:

где

СV=332, m=0.2, y=0.4, x=0.1, р=0, u=0.2, q=0.2 коэффициент и показатели степени.[1.стр.262]

tMIN=0,5 мм – минимальный припуск.

SZMIN=0.09 мм/зуб – минимальная подача на зуб.

Т=180 минут – стойкость инструмента.

Кv произведение ряда коэффициентов.

Кv =КmvКиvКпv

Кmv=Кг - коэффициент, учитывающий качество обрабатываемого материла.

Киv=1,0 коэффициент, учитывающий качество материала инструмента

Кпv=1,0 коэффициент, отражающий состояние поверхности заготовки.

Таким образом:

Кv =КmvКиvКпv=1,511,0=1,5

Z=6, DMIN=63мм – параметры режущего инструмента

ВMIN=0,75*60=45мм – ширина фрезерования

Рассчитываем скорость:

м/мин.

При фрезерной обработке, где материал режущей части фрезы быстрорежущая сталь, для наименьшей скорости резания Vmin имеем:

Где СV=41, m=0.2, y=0.4, x=0.1, р=0, u=0.15, q=0.25 коэффициент и показатели степени.[1,стр.262]

tMAX=3 мм – максимальный припуск.

SZMАХ=0,3 мм/зуб – максимальная подача.

Т=240 минут – стойкость.

Кv =Кmv*Киv*Кпv=.

Z=26, DMАХ=250мм – параметры режущего инструмента

ВMАХ=1.0*250=250мм – ширина фрезерования

Рассчитываем скорость:

м/мин.

Проведём расчет составляющих сил резания по следующей формуле:

Для силы Рz , при материале режущей части резца – твердый сплав, имеем:

t=0.5 мм – припуск.

Sz=0.09 –подача, мм/зуб.

 – частота вращения шпинделя, об/мин.

Ср=825, x=1.0, y=0.75, u=1.1, q=1.3, w=0.2 – коэффициент и показатели степени.

Кмр= - поправочный коэффициент, учитывающий влияние качества обрабатываемого материала на силовые зависимости.

Z=10, DMIN=100мм – параметры режущего инструмента

ВMIN=0,8*100=80мм – ширина фрезерования

Рассчитываем составляющую Рz :

 Н.

Для силы Рz , при материале режущей части резца – быстрорежущая сталь, имеем:

t=3 мм – припуск.

Sz=0,3 –подача, мм/зуб.

 – частота вращения шпинделя, об/мин.

Ср=82,5, x=0,95, y=0.8, u=1.1, q=1.1, w=0

Кмр=

Z=26, D=250мм – параметры режущего инструмента

В=250мм ширина фрезерования

Рассчитываем составляющую Рz :

 Н.

2.3 Предварительное определение мощности электродвигателя движения подачи

Мощность, потребляемую на подачу, определяют по формуле

,

где  - КПД цепи подачи;

 ‑ эффективная мощность подачи, кВт

где  ‑ тяговая сила подачи, кгс;

Vs=Sz*z*13=0.3*26*13=94.6 ‑ скорость подачи, мм/мин.

Тяговую силу можно определить по следующим формулам.

Для столов фрезерных станков

где  ‑ составляющая силы резания в направлении подачи, кгс;

‑ составляющая сил резания, прижимающая каретку суппорта или стола к направляющим, кгс;

 ‑ масса перемещаемых частей, кг;

 ‑ приведенный коэффициент трения на направляющих;

 ‑ коэффициент, учитывающий влияние опрокидывающего момента.

Для столов фрезерных станков =1,4 и =0,2;

Масса перемещаемых частей определяется приблизительно по формуле:

,

где Gc=80 кг – приведенная масса стола станка;

к=0,2-0,5 коэффициент, учитывающий обьем пустот в обрабатываемой заготовке;

Vз=a*b*c=1,25*0,32*0,4=0,16 м3 объем обрабатываемой заготовки;

=7800 кг/м3 плотность обрабатываемого материала.

 кг

кгс

Определим эффективную мощность подачи:

 кВт

КПД цепи подачи приближенно определим по формуле:

,

где КПД передачи винт-гайка качения;

КПД подшипниковой пары;

КПД пары зубчатых колес;

i=8 количество подшипниковых пар

z=8 - количество пар зубчатых колес

Мощность, потребляемая на подачу:

, кВт.

3. Определение диапазона скорости вращения двигателя подач

Частота двигателя рассчитывается по формуле:

,

где  ‑ скорость подачи, согласно паспорту станка (табл. 3.1), мм/мин,

р=6мм шаг винта передачи винт-гайка качения,

i передаточное число механизма подачи.

Табл.3.1. Механика привода подач станка 6С12Ц

Рассчитаем передаточные числа согласно кинематической схеме механизма подач:

Определим максимальную частоту вращения двигателя, которая необходима для быстрого перемещения органов станка:

- для продольной и поперечной подач

, об/мин

- для вертикальной подачи

, об/мин

Рассчитаем необходимый момент на валу двигателя по формуле [3]:

,

где N – мощность двигателя, кВт

n частота вращения двигателя, об/мин

 Н*м

Принимаю двигатель 1G . 5 100–0EC 4 . 6VV1 с параметрами [2] (табл. 3.2)

nN PN M N IN nmec h J

мин 1 кВт Н*м % A мин –1 кг/м 2 кг

1410 1.24 7.5 61 4.3 5 7000 0.011 33

4. Расчет и разработка кинематической схемы привода станка

Расчет диапазонов регулирования привода

Определяем диапазон регулирования привода:

.

Определяем диапазон регулирования двигателя:

.

.

Определяем диапазон регулирования выходного звена при постоянной мощности:

.

Для обеспечения бесступенчатого регулирования частоты вращения шпинделя при постоянной мощности знаменатель ряда передаточных отношений передач коробки скоростей φ1 принимаю равным RдР. Требуемое число ступеней коробки скоростей:

.

СИЛОВОЙ РАСЧЕТ ПРИВОДА СТАНКА

Расчетный крутящий момент на любом валу привода подач станка равен:

 Н·м,

где Nдв – номинальная мощность главного электродвигателя, кВт;

η КПД механизма от вала электродвигателя до рассматриваемого вала;

n частота вращения вала на предельных режимах резания, мин-1.

На первом валу:

 Н·м,

5. ПЕРЕДАЧА ВИНТ-ГАЙКА КАЧЕНИЯ

Свойства передачи. Передача винт — гайка качения обладает свойствами, позволяющими применять ее как в приводах подач без отсчета перемещений (универсальных станков, силовых столов агрегатных станков), так и в приводах подач и позиционирования станков с ЧПУ. Для передачи характерны высокий коэффициент полезного действия (0,8—0,9), небольшое различие между силами трения движения и покоя, незначительное влияние частоты вращения винта на силу трения в механизме, полное отсутствие осевого зазора. Недостатками являются высокая стоимость, пониженное демпфирование, отсутствие самоторможения.

5.1 Выбор винта

Устройство и размеры передачи. Передача состоит из винта 1 (рис. 4.1), гайки 2, шариков 3 и устройств для возврата шариков (на рисунке не показаны). Обычно применяют передачи с наиболее технологичным полукруглым профилем резьбы. Для снижения контактных напряжений предусматривают rв=rг=(1,03...1,05)r1. Предварительный натяг, повышающий точность и жесткость передачи, создают осевыми проставками между гайками, винтами, сдвоенной дифференциальной гайкой.

За номинальный размер передачи принимают диаметр d0 условного цилиндра, на котором расположены центры шариков. Размеры передачи по ГОСТ 25329 — 82 приведены в табл. 4.1.

Рис. 5.1. Схема передачи винт-гайка качения.

Для заданного шага р=6мм выбираю винт с d0=40 мм.

Табл. 5.1. Основные и присоединительные размеры винтов.

5.2 Выбор гайки

Принимаю передачу с двумя гайками, снабженными зубчатыми венцами. В шарико-винтовой механизм входят винт 2 (рис. 4.2), две гайки 4 и 6, комплект шариков 5, корпус 1.

Устройства для возврата шариков 3 выполнены в виде вкладышей, вставленных в три окна каждой гайки. Вкладыши соединяют два соседних витка винтовой канавки, сдвинуты друг относительно друга в осевом направлении на один ее шаг и разделяют шарики в каждой гайке на три циркулирующие группы. Для тонкого регулирования натяга гайки снабжены зубчатыми венцами на фланцах, которые входят во внутренние зубчатые венцы корпуса. На одном фланце число зубьев на единицу больше, чем на другом. Если венцы обоих фланцев вывести из корпуса, повернуть гайки в одну сторону на одинаковое число зубьев (на неравные углы) и снова соединить зубчатые венцы, можно благодаря небольшому осевому сближению профилей резьбы гаек создать заданный натяг.

В этом механизме, как и в других с возвратом шариков через вкладыши, рабочее число шариков в одном витке

расчетное число шариков в одном витке

где  = 0,7...0,8 — коэффициент, учитывающий погрешности изготовления резьбы винтового механизма.

Рис. 5.2. Передача с двумя гайками, снабженными зубчатыми венцами.

5.3 Способы смазывания шарико-винтового механизма и защиты от загрязнений

Для смазывания шарико-винтового механизма применяют жидкий или пластичный смазочный материал. Масло типа индустриального подводится к корпусу, в котором установлены гайки. Используется смазывание следующих видов: капельное, порционное, циркуляционное, масляным туманом. Пластичный смазочный материал типа солидола применяется, когда при использовании жидкого возникают затруднения; в небольшом объеме его закладывают в винтовые канавки гайки. Эффективны масла с противозадирными присадками, особенно в связи с тем, что в каналах возврата имеет место трение скольжения.

Для предохранения винтов от загрязнения применяют защитные устройства в совокупности с устройствами уплотнения и очистки. Защитные телескопические трубки с уплотнениями, имея значительные габариты, могут быть использованы только при увеличении длины винта. Гармоникообразные меха хорошо защищают винт и не занимают много места. Короткие винты могут быть защищены стальными лентами, свернутыми в спираль,

Хорошо очищает винт охватывающая его фетровая или войлочная втулка с резьбой по внутренней поверхности (рис. 4.3 a), однако при изнашивании она хуже выполняет свои функции. При использовании втулки из нейлона возникает меньшая сила трения в контакте с винтом и втулка меньше шаржируется твердыми частицами.

Скребки-щетки, предназначенные для очистки винта (рис. 4.3 б, в), следует устанавливать так, чтобы их можно было заменять без разборки узла в целом.

Резьбовые кольца из синтетического материала, жестко соединенные с гайкой, уплотняют шарико-винтовой механизм у противоположных ее торцов и хорошо очищают винт, однако эти свойства ухудшаются при износе колец. В устройстве, изображенном на рис. 4.4 а), у каждого торца гайки помещено по два кольца (рис. 4.4 б, в), изготовленных из фторопласта и имеющих на внутренней поверхности винтовой профиль (рис. 4.4 г) . Кольцо 3, называемое неподвижным, с помощью упора 1, входящего в имеющийся на нем паз, удерживается от поворота относительно гайки 4. Кольцо 2 увлекается вращающимся винтом передачи до тех пор, пока оно не войдет в контакт с неподвижным кольцом. Благодаря этому у торца гайки, где винт ввинчивается в нее, возникает контакт с натягом между винтовыми профилями колец и винта. При изменении направления его вращения такой же контакт возникает у противоположного торца гайки. Износ колец не влияет на качество работы устройства. Для отвода загрязнений в кольцах предусмотрены наклонные пазы.

Рис. 5.3. Устройства для предохранения шарико-винтового механизма от загрязнения

5.4 Расчет передачи винт-гайка качения

Исходные данные и цель расчета. Передача винт — гайка качения выходит из строя в результате усталости поверхностных слоев шариков, гайки и винта, потери устойчивости винта, износа элементов передачи и снижения точности. Возможными причинами выхода ее из строя являются: слишком большая нагрузка на винт, низкая расчетная долговечность, значительный относительный перекос винта и гайки, неудовлетворительная защита от загрязнений. Цель расчета передачи состоит в определении номинального диаметра винта d0 и в подборе по каталогу такой передачи, которая удовлетворяла бы всем требованиям к работоспособности.

Исходные данные для расчета передачи — длина винта, его наибольшая расчетная длина, способ установки винта на опорах, ряд значений осевой нагрузки на передачу, ряд частот вращения винта (гайки). Крутящий момент на ходовом винте, Н*м:

,

где М — крутящий момент на валу двигателя;

 — КПД цепи от двигателя к винту;

i — передаточное отношение этой цепи.

Н*м

Окружная сила на радиусе резьбы, Н:

Осевая сила, действующая на винт, Н:

где — угол подъема резьбы;

р=arctgf — угол трения (f—коэффициент трения качения, f=(57...85)*10-5).

Н

Предельно допустимая нормальная статическая нагрузка на один шарик. Эту нагрузку (Н) определяют по зависимости:

где — коэффициент, зависящий от допустимого контактного напряжения на поверхности шарика (при = 2500; 3000; 3500 и 3800 МПа соответственно = 20; 35; 55 и 70; для обычно применяемой передачи = 70);

d1=0,6t=0,6*6=3,6мм – диаметр шарика.

Н

Статическая грузоподъемность передачи. Статическая грузоподъемность С0—это предельно допустимая осевая нагрузка на винт, в результате действия которой возникает общая остаточная деформация тел качения, гайки и винта в наиболее нагруженной зоне контакта, равная 0,0001 диаметра тела качения:

,

где и=8 — число витков в гайке;

 — угол контакта шарика с винтом и гайкой;

=0,7...0,8 — коэффициент, учитывающий погрешности изготовления резьбы винтового механизма

=107360 Н

Расчет силы предварительного натяга. Предварительный натяг, повышая осевую жесткость передачи, увеличивает момент холостого хода и снижает ее долговечность, Поэтому сила предварительного натяга должна быть выбрана обоснованно.

За минимально допустимую силу натяга PНmin (Н), отнесенную к одному шарику, принимают такую силу, которая обеспечивает сохранение предвари- тельного натяга в винтовой передаче при действии продольной силы Q:

,

где  - рабочее число шариков в одном витке

Н

Наибольшая допустимая сила натяга, отнесенная к одному шарику, при которой сохраняется статическая прочность механизма, Н:

В зависимости от требуемой жесткости передачи, ее долговечности, допускаемого нагрева винта и особенностей измерительного преобразователя перемещений силу натяга выбирают чаще всего =2*34=68 Н.

Расчет передачи на динамическую грузоподъемность. Динамической грузоподъемностью передачи С называют такую постоянную осевую нагрузку, которую должен выдержать шарико-винтовой механизм в течение 106 оборотов.

Поскольку в процессе работы станка на винтовую передачу действуют разные по значению, направлению и времени воздействия нагрузки, а частота вращения винта не остается постоянной, методика выбора передачи по динамической грузоподъемности требует определения эквивалентной нагрузки и эквивалентной частоты вращения. Если в шарико-винтовой механизм входят две гайки, эквивалентную нагрузку находят для каждой из них.

Пусть на передачу со стороны первой гайки действуют осевые нагрузки Q1(1), Q2(1),…,Qk(1) при соответствующих частотах вращения винта (гайки) n1(1), n2(1),…, nk(1), в течение интервалов времени t1(1), t2(1),…, tk(1) (табл.4.2).

Тогда силы, действующие на первую гайку передачи,

,

где РН — сила предварительного натяга в шарико-винтовом механизме.

В этом случае вторая гайка нагружена силами