Модернізація приводу головного руху верстата моделі 1341 з безступінчатим зміною частоти

Міністерство освіти і науки України

Донецький Національний Технічний Університет

Механічний факультет

Кафедра "Металорізальні верстати та системи"

Курсовий проект

За курсом "металообробки"

на тему: "Модернізація приводу головного руху верстата моделі 1341 з безступінчатим зміною частоти обертання шпінделя"

Виконала ст. гр. МС-04н

Лукичева Є.А.

Консультант Молчанов А.Д.

Нормоконтролер Молчанов А.Д.

Донецьк - 2008

Реферат

Курсовий проект: 24 с., 5 табл., 5 рис., 2 додатки.

Об'єкт дослідження - коробка швидкостей токарно-револьверного верстата.

У курсовому проекті обрано нового електродвигун, що дозволило відмовитися від коробки швидкостей. Спроектовані передачі та проведено розрахунок найбільш навантаженого валу. Вибрані підшипники кочення, а також обрані і розраховані шпонкові з'єднання. Виконані креслення модернізованого приводу головного руху, загального вигляду токарно-револьверного верстата (прототипу), кінематична схема.

Верстат, ВАЛ, ПЗ Д підшипників, шпиндель, Е ЛЕКТРОДВІГАТЕЛЬ

Зміст

Введення

1. Загальна характеристика модернізованого станка

2. Обгрунтування заміни і вибір нового приводу

3. Проектування зубчастої передачі

3.1 Перевірочний розрахунок фактичних згинальних напружень

3.2 Перевірочний розрахунок фактичних контактних напружень

3.3 Вибір і розрахунок шпонок

4. Визначення навантажень, що діють на шпиндель

4.1 Наближений розрахунок шпинделя

4.2 Перевірочний розрахунок шпинделя на втомне опір

5. Проектування вузлів підшипників кочення

5.1 Вибір підшипників кочення

5.2 Розрахунок підшипників кочення

6. Розрахунок прогину на кінці шпинделя

7. Розрахунок динамічних характеристик приводу

8. Визначення системи змащення

Висновок

Список використаної літератури

Введення

У сучасному верстатобудуванні спостерігається тенденція на підвищення рівня автоматизації виробничих процесів. У виробництво все більше впроваджується автоматизоване обладнання, яке працює без безпосередньої участі людини або значно полегшує працю робітника. Це дозволяє значно скоротити трудомісткість виробничого процесу, знизити собівартість продукції, що випускається, збільшити продуктивність праці. Тому головне завдання інженерів - розробка автоматизованого обладнання, розрахунок його основних вузлів і агрегатів, виявлення найбільш оптимальних технічних рішень та впровадження їх у виробництво.

Метою даного курсового проекту є модернізація коробки швидкостей токарно-револьверного верстата моделі 1341, тобто удосконалення характеристик вже існуючого обладнання шляхом застосування в якості джерела механічної енергії двигуна має широкий діапазон варіювання частоти обертання.

1. Загальна характеристика модернізованого станка

Токарно-револьверний верстат моделі 1341 призначений для обробки деталей складної конфігурації, що вимагають послідовного застосування різноманітного інструменту. На верстаті можна робити чорнове і чистове обточування зовнішніх поверхонь, свердління, зенкування, розгортання отворів, нарізування різьблення мітчиками, плашками, різьбовими головками, різцем по копіру. Наявність револьверної головки з горизонтальною віссю повороту і зсуву осей голівки щодо шпинделя дозволяє використовувати верстат для розточування внутрішніх отворів, зовнішньої проточки кільцевих пазів, підрізування торців, відрізки деталей. Як заготовок на верстаті 1341 застосовуються прутки і штучні заготовки. Оброблюваний пруток пропускається через отвір шпинделя і закріплюється цанговий патроном. Штучні заготівлі закріплюються в кулачковому патроні, навернені на передній кінець шпинделя. Ріжучі інструменти закріплюються в державках, що встановлюються в 16-позиційної револьверної голівці. У верстаті відсутній бічний поперечний супорт, а револьверна головка має подовжню і кругову (поперечну) подачі, тому вісь обертання голівки розташована нижче осі шпинделя і паралельна їй. На відміну від більшості токарно-револьверних верстатів, верстат моделі 1341 має такі пристрої, що дозволяють використовувати його більш ефективно:

- Командоаппарат, автоматично включає при повороті револьверної головки в кожну наступну позицію встановлену частоту обертання шпинделя і величину подачі супорта;

- Гідравлічний механізм подачі і затиску прутка;

- Копірних лінійку для обробки конічних і фасонних поверхонь;

- Різьбонарізні пристрій.

2. Обгрунтування заміни і вибір нового приводу

У базовій моделі верстата 1341 в якості приводу головного руху використовується електродвигун типу АТ-51-4, потужністю 5,5 кВт і коробка швидкостей, що містить зубчасті передачі, електромагнітні муфти та пересувної двухвенцовий зубчастий блок, за допомогою якого проводиться включення одного з двох діапазонів чисел оборотів шпинделя. Таким чином, управління верстатом неможливо без постійного безпосередньої участі робітника, що суперечить сучасним поняттям про технологічності виробництва.

Підвищити ефективність обробки на верстаті 1341 можна шляхом заміни існуючого приводу на електродвигун постійного струму для головного руху, сконструйований відповідно до новітніх тенденцій в області. Новий електродвигун повинен володіти необхідною для здійснення всіх можливих видів обробки потужністю і мати діапазон регулювання частоти обертання не вже, ніж зазначений у технічних характеристиках верстата.

Найбільша потужність при токарній обробці необхідна при роботі на максимальній швидкості різання. Згідно даних "Довідника технолога-машинобудівника" швидкість різання виникає при найменших глибині різання ( ) І подачі ( ). У цьому випадку в якості матеріалу заготівлі приймаємо конструкційну вуглецеву сталь, а матеріал ріжучої частини різця твердий сплав Т15К6 зі стійкістю Т = 25-30 хвилин.

Швидкість різання визначається за формулою:

(Коефіцієнти і показники ступеня визначаються залежно від виду обробки, матеріалу заготівлі та ріжучої частини).

Сила різання визначається за формулою:

Споживана при цьому потужність визначається за формулою:

Маючи вихідні дані для вибору нового двигуна, приймаємо електродвигун моделі MP 112 SM.

Таблиця 1 - Параметри електродвигуна моделі MP 112 SM.

Для передачі крутного моменту з ротора електродвигуна на шпиндель використовуємо циліндричних прямозубих зубчасту передачу.

Тоді спрощена кінематична схема проектованого приводу головного руху буде мати вигляд:

3. Проектування зубчастої передачі

Передачу, що використовується для передачі моменту на шпиндель, приймаю з передавальним числом U = 1, тому що діапазон частот обертання не потребує регулювання.

Приймаю:

Визначимо основні розміри коліс передачі:

- Діаметр ділильного кола

;

- Діаметр окружності западин

;

- Діаметр окружності виступів

;

- Міжцентрова відстань

;

- Ширина зубчастого вінця

Приймаються

.

Приймаю ступінь точності передачі - 7.

Приймаю матеріал зубчастої передачі ст.45 з ХТО - загартування ТВЧ, її властивості:

Передачу необхідно перевірити на відповідність по згинальних і контактним напруженням.

3.1 Перевірочний розрахунок фактичних згинальних напружень

Перевірка міцності полягає у визначенні фактичних контактних і згинальних напружень і в порівнянні їх з допустимими.

Фактичні напруги вигину в небезпечних перерізах підстави зубів шестерень визначають за формулою:

Фактичні напруження згину в небезпечному перерізі зуба колеса визначають за формулою:

Величина окружного зусилля розраховується так:

Приймаю для розрахунку мінімальну частоту обертання ( ), Тому що при цьому окружна швидкість буде максимальною.

.

.

3.2 Перевірочний розрахунок фактичних контактних напружень

Фактичні контактні напруги на робочих поверхнях зубів, визначають за формулою:

,

де - Коефіцієнт, що залежить від числа зубів шестерні і передавального числа, для прямозубих ;

- Коефіцієнт навантаження, ;

- Для прямозубих передач.

Порівнюючи допускаються величини напружень з розрахованими, отримуємо:

< ;

< ;

< .

Отже, міцність зубчастої передачі забезпечується.

3.3 Вибір і розрахунок шпонок

З відомих способів з'єднання деталей з валом найбільш поширений спосіб з'єднання - це з'єднання за допомогою врізних призматичних шпонок. Розміри поперечного перерізу шпонки вибирають залежно від діаметра валу.

Малюнок 1 - шпонкових з'єднань

Довжина шпонки l на (5 ... 10) мм менше довжини маточини l _ст, робоча довжина шпонки

Ширина шпонки b визначена і дорівнює 10 мм, а так як на роторі електродвигуна шпонковий паз виготовлений на заводі-виробнику.

Виберемо стандартні шпонки і їх розміри наведемо в таблиці.

Таблиця 2 - Розміри призматичної шпонки

Обрана шпонка перевіряється на зминання:

,

де

- Момент передається шпонкою;

- Діаметр вала;

- Висота шпонки;

- Робоча довжина шпонки;

- Допустиме напруження зминання.

.

Застосовуємо шпонки призматичні за ГОСТ 23360-78.

4. Визначення навантажень, що діють на шпиндель

Основними навантаженнями, що діють на шпиндель, є зусилля у зубчастих зацеплениях, а також крутні моменти. Визначимо сили, що діють в передачі.

Прямозубих циліндричних передача:

- Окружна сила:

;

Рисунок 2 - Схема докладання зусиль до проміжного валу з боку зубчастих передач

- Радіальна сила:

;

Рисунок 3 - Розрахункова схема і епюри згинальних моментів

Знайдемо реакції опор в вертикальній площині:

Знайдемо реакції опор в горизонтальній площині

Сумарні моменти:

Сумарні реакції:

4.1 Наближений розрахунок шпинделя

Перше небезпечне перетин прийнято під шестернею, так як там концентратор напруги - шпонковий паз.

Друге небезпечне перетин прийнято на галтельном переході до буртику від посадкового ділянки під колесом, концентратор напруги - жолобник.

Еквівалентні напруги:

.

Напруги для матеріалу вала - стали 40Х:

Так як умови виконуються, то можна вважати, що міцність валу достатня.

4.2 Перевірочний розрахунок шпинделя на втомне опір

Матеріал валу - сталь 40Х.

Повні коефіцієнти запасу опору втоми:

5. Проектування вузлів підшипників кочення

5.1 Вибір підшипників кочення

При виборі підшипників кочення виходять з конкретних умов експлуатації редуктора.

Для вала 1 приймаємо: шарикопідшипник радіально-упорний - 310, підшипник роликовий радіально-упорний - 7310.

Для валу 2 приймаємо підшипники роликові радіально-наполегливі - 7317.

Для вала 3 приймаємо підшипники роликові радіально-упорні - 7230.

Для вала 4 приймаємо підшипники кулькові радіальні - 228.

Таблиця 3 - Характеристики підшипників

5.2 Розрахунок підшипників кочення

Для обраних підшипників кочення визначимо по каталогу величину динамічної З вантажопідйомності, а також користуючись ескізом навантаження опор валу визначимо довговічність найбільш навантаженого підшипника.

Визначимо приведену навантаження на підшипник:

,

де

- Радіальне навантаження на підшипник;

- Коефіцієнти приведення, ;

- Коефіцієнт кільця, ;

- Коефіцієнт безпеки, ;

- Температурний коефіцієнт, .

Рисунок 4 - Схема навантаження опор валу силами

Визначимо приведену навантаження, що діє на кожен з підшипників:

Розраховуємо довговічність більш навантаженого підшипника:

де

- Динамічна еквівалентна навантаження;

- Частота обертання кільця;

- Довговічність;

- Величина, що залежить від форми кривої втоми, .

Так як фактична довговічність підшипника перевищує раніше розраховане значення 43200 годин, то даний підшипник підходить для роботи на вихідному валу.

Мастило підшипників вибираємо [4, с.16] - мастильний матеріал: масло індустріальне 40А ГОСТ 21150-75 (розбризкуванням з ванни редуктора).

6. Розрахунок прогину на кінці шпинделя

Використовуючи програму для розрахунку "SHPIND -1" отримано значення прогину, що становить y = 0.023мм.

Допустиме значення прогину визначається як

.

Так як умова виконується, то можна вважати що жорсткість шпинделя забезпечена.

7. Розрахунок динамічних характеристик приводу

Завдання розрахунку. Привід подачі верстата при обробці деталі навантажений крутним моментом, який внаслідок особливостей кінематики процесу різання, змінності припуску на деталі і фізико-механічних властивостей її матеріалу змінюється в часі. У результаті в ньому виникають крутильні коливання, що зумовлюють динамічні навантаження, поява згинальних коливань, зниження продуктивності обробки, зменшення довговічності верстата, а в деяких випадках і втрату стійкості його динамічної системи. З метою забезпечення необхідної якості верстата динамічні характеристики приводу розраховують при його проектуванні і проводять коригування конструкції.

Складання розрахункової схеми приводу. Уявімо, що конструкція приводу розроблена відповідно до кінематичної схемою. Необхідно зробити його динамічний розрахунок і аналіз.

Рис. 5 Кінематична схема приводу головного руху для динамічного розрахунку.

Визначаємо моменти інерції всіх обертових елементів приводу. Момент інерції (кг × м ²⁾ деталі, що є суцільним тілом обертання, визначається по залежності

де r - щільність матеріалу деталі, кг / м ^3; d і l - діаметр і довжина деталі, м.

Деталі довжиною до 1,5-2 їх діаметра приймають як зосереджених мас. У розглянутій конструкції це ротор електродвигуна, блоки зубчастих коліс, муфти. Вали є розподіленими масами. При довжині валу до 300 мм до моментів інерції що знаходяться на ньому зосереджених мас приєднують третину моменту інерції вала. Моменти інерції муфт розрахуємо як зубчастих коліс:

де d, D - радіус вершин і радіус западин зубчастого колеса;

h - ширина маточини або зубчастого вінця.

Всі обчислені моменти інерції заносимо в таблицю 10.

Таблиця 4 - Моменти інерції елементів приводу головного руху.

Знаходимо крутильне податливість елементів приводів. Зубчасті муфти і муфти фрикційного дії не враховуються. Крутильне податливість для суцільних валів:

де G - модуль пружності другого роду (8 × ¹⁰ 10 МПа), D - діаметр валу.

Крутильне податливість для шліцьових валів:

де d - внутрішній діаметр шліців; l - розрахункова довжина, шляхом використання якої враховується нерівномірність розподілу крутного моменту вздовж маточини зубчастого колеса, насадженого на шліцеві вал з зазором:

з натягом:

Крутильні податливість зубчастої передачі обумовлюється не тільки вигином і контактної деформацією її зубів, а й додатковим поворотом коліс, який є наслідком деформації опор і вигину валів. Складова крутильного податливості пари зубчастих коліс, обумовлена ​​згинальної і контактної деформацією їх зубів,

де k - коефіцієнт, для прямозубих коліс рівний 6, для косозубих - 3,6; a - кут зачеплення передачі, b - ширина зубчастого вінця, d - ділильний діаметр.

Деформація опори вала складається з пружної деформації підшипника кочення до деформації стиків між поверхнями внутрішнього кільця підшипника і валу, а також зовнішнього кільця та отвори в корпусі.

Деформація роликового підшипника (м):

де. d. - Внутрішній діаметр підшипника, м; Р - навантаження на опору, Н; до - коефіцієнт: для роликового підшипника нормальної серії до = 0,52, для підшипника широкої серії до = 0,33, для підшипника з короткими роликами до = 0,65 , для дворядного роликопідшипника к = 0,4; для підшипників з попереднім натягом значення до слід зменшити в 2 рази.

Сумарна деформація стиків між поверхнями кілець підшипника, валу і корпусу:

де b, D - ширина і зовнішній діаметр підшипника, м.

Вектор переміщення k-го зубчастого колеса, обумовленого деформацією опор валу,

Переміщення d _k і d _{k +1} обумовлені сумарними прогинами y _k і y _{k +1} валів у перерізах, де розташовані зубчасті колеса:

,

де D _k і D _{k +1} переміщення зубчастих коліс передачі, викликані деформаціями опор валів.

Вектор відносного переміщення зубчастих коліс передачі:

Крутильні податливість зубчастої передачі (рад / Н × м), викликана вигином валів і деформацією опор і приведена до k - тому колесу:

де Y _к - кут повороту зубчастих коліс передачі, M - крутний момент Нм, d ^t і d ^r - тангенціальна і радіальна складові відносного переміщення пари зубчастих коліс.

Всі розраховані крутильні податливості заносимо в таблицю 11.

Таблиця 5. Крутильні податливість елементів приводу.

Багатоступеневу розрахункову схему замінюють лінійної. При этом моменты инерции вращающихся масс, податливости приводят к одному валу, обычно к валу электродвигателя:

,

где ( к — передаточное отношение передач от вала I к валу с номером k+1)

Число степеней свободы и частот собственных колебаний системы равно числу имеющихся в ней инерционных элементов.

,

Если частота возмущающих воздействий не больше максимальной частоты вращения элементов привода, высшими собственными частотами колебаний системы можно пренебречь и упростить ее, сведя к двухмассовой, имеющей две или три собственные частоты. Методика этого преобразования следующая. Систему с n степенями свободы разбивают на парциальных систем, среди которых выделяют системы первого типа с номерами l , равными 1,3,5,..., m - 1, и второго типа с номерами 2,4,6,..., m .

Квадраты собственных частот парциальных систем первого типа:

,

второго типа:

, 1/рад.

8. Определение системы смазки

Индивидуальная схема служит для подвода смазочного материала к одной смазочной точке, централизованная к нескольким точкам.

В нераздельной схеме нагнетательное устройство присоединено к смазочной точке постоянно, в раздельной оно подключается только на время подачи смазочного материала.

В проточной системе жидкий или пластичный материал используется один раз.

В циркуляционной системе жидкий материал подается повторно.

В системах дроссельного дозирования объем смазочного материала, подаваемого к смазочной точке регулируется дросселем.

В системах объемного дозирования могут регулироваться не только доза, но и частота подачи.

В комбинированных системах могут быть предусмотрены объемное и дроссельное регулирование одно- и двухматериальные питатели.

Системы с жидким смазочным материалом в зависимости от способа его подачи к поверхностям трения могут быть разбрызгивающими, струйными, капельными, аэрозольными.

Для модернизированного узла выбираю местную импульсно-циркуляционную смазку контактирующих поверхностей, а для подшипников - местную смазку пластичным материалом типа "солидол" раз в течение 4 месяцев эксплуатации.

Висновок

В результате проделанной работы был произведена модернизация привода главного движения токарно-револьверного станка модели 1341, выбор и расчет параметров отдельных его элементов: подшипников качения, служащих опорами валов и зубчатых колес. Были разработаны компоновочная схема и чертеж привода с указанием его основных элементов.

В приложении А пояснительной записки выполнен чертеж общего вида токарно-револьверного станка модели 1341, где указаны его основные элементы и габаритные размеры, а также показана кинематическая схема привода.

В приложении Б пояснительной записки выполнен сборочный чертеж привода главного движения, где указаны его основные элементы и габаритные размеры.

Список використаної літератури

1. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 2/Под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. – М.: Машиностроение, 1985. 496 с.

2. Кочергин И. А. Конструирование и расчет металлорежущих станков и станочных комплексов. Курсовое проектирование: Учеб. Посібник для вузів. – Мн.: Выш. шк., 1991. – 382 с.

3. Методичні вказівки до виконання курсового проекту з деталей машин. "Вибір електродвигуна та визначення вихідних даних для розрахунку приводу". Автори: Оніщенко В. П., Ісадченко В. С., Недосекін В. Б., - Донецьк: ДонНТУ,2005. – 36 стор.

4. Методичні вказівки до виконання курсового проекту з деталей машин. Розділ 3. Проектування валів та їх опор на підшипниках кочення/ Автори: О. В. Деркач, О. В. Лукінов, В. Б. Недосєкін, Проскуряков С. В. – Донецьк: ДонНТУ,2005. – 106 с.

5. Детали и механизмы металлорежущих станков. Під ред. Д. Н. Решетова. Т. 2 М., "Машиностроение", 1972, стр. 520.

6. Методичн і вказівки докурсового проекту з деталей машин Розділ 2,3 . (для студентів напрямку "Інженерна механіка"). Автори: В.С. Ісадченко,П.М. Матеко, В.О. Голдобін, – Донецк: ДонНТУ, 2005 г. – 36 с.

7. М.Н. Иванов "Детали машин". – М.:Высш.шк.,1991. – 383с.:ил.

8. Металлорежущие станки .Под ред. В.Э.Пуша. – М.:Машиностроение, 1985.