Расчет и проектирование станков

Оглавление
Исходные данные
Определение расчетных параметров
1.Назначение станка и его компоновка с указанием основных узлов и их назначением, рабочими и установочными движениями
2.Выбор структуры формулы и ее обоснование
3.Расчет характеристик групповой передачи и их корректировка
4.Построение структурной сетки
5.Проверка диапазонов регулирования групповых передач
6.Построение графика частот вращения шпинделя, и его обоснование
7.Разработка кинематической схемы
8.Определение передаточных отношений передач
9.Определение минимально допустимых чисел зубьев зубчатых колёс
10.Определение числа зубьев зубчатых колёс
Z4+ Z5 = Z6+ Z7 ; ( 1 )
11.Расчёт фактических частот вращения шпинделя и их отклонений от стандартных
12.Определение минимально допустимых межцентровых расстояний валов
13.Проверочный расчёт выбранного модуля зубчатых колёс
14.Расчёт размеров колёс
Определим делительные диаметры зубчатых колес:
15.Расчёт скорости вращения колёс и выбор степени точности их изготовления
16.Определение мощности и крутящего момента на шпинделе в зависимости от заданных параметров режимов резания
17.Выбор материала колёс и их термообработки
18.Компоновка привода в поперечном сечении (свёртка)
19.Расчёт наиболее нагруженного вала на жёсткость
20.Схема шпиндельного узла (вылет, пролёт между опорами, усилия резания и усилия на ведомом колесе)
21.Расчёт реакций опор
22.Расчёт шпинделя на жёсткость
23.Выбор подшипников шпинделя
24.Выбор способа и механизма переключения одного из блоков колёс
25.Расчёт усилия переключения блока
26.Выбор способа фиксации положения блока
27.Расчёт фиксирующего устройства на прочность
Литература

Рис.10. Графическое определение сил, действующих на вал и подшипники.
;
;
;
.
;
.
Расчёт шпинделя на жёсткость
Рис. 11. Схема нагружения шпинделя.
Угол наклона оси шпинделя Ө и прогиб вала y в расчетном сечении для нашей схемы нагружения определяют по формулам:
;
;
Допускаемый прогиб вала: [y] = 0,011 см, допускаемый угол наклона оси вала: 0,001рад при зубчатых колесах. Условия выполнены, следовательно, шпиндель в отношении жесткости спроектирован верно.

Выбор подшипников шпинделя
Основными критериями работоспособности подшипников качения, применяемых в шпиндельных узлах станков, являются: точность вращения, радиальная и осевая несущая способность, быстроходность, момент трения, нечувствительность к перекосам.
Основными подшипниками, определяющими геометрическую точность шпинделя, являются радиальный двухрядный роликоподшипник № 3182122 класса точности А и радиально-упорные шарикоподшипники № 46215 класса точности В.
Для предотвращения от осевых смещений шпиндель зафиксируем двумя шайбами, привернутыми к поперечной стенке станины и охватывающими радиально-упорные шарикоподшипники. Зазор в этих подшипниках регулируем подшлифовкой промежуточных колец.
Регулирование зазора в переднем подшипнике производим подтягиванием гайки, расположенной в средней части шпинделя.
Хорошая работа подшипников определяется отсутствием люфта в 0,01 мм и повышенного нагрева при наибольшем числе оборотов.
Подшипник третьей опоры шпинделя не оказывает решающего влияния на точность и служит опорой, поддерживающей хвостовик шпинделя.
Устанавливаем следующие подшипники: хвостовик поддерживает – радиальный шарикоподшипник № 310 (50х110х27, 2000 об/мин, класс точности Н) , средняя опора - два радиально-упорных шарикоподшипника № 46215 (75х130х25, 2000 об/мин, класс точности В), опора на конусе шпинделя – радиальный роликоподшипник № 3182122 (110х170х45, 2000 об/мин, класс точности А).
Выбор способа и механизма переключения одного из блоков колёс
Выбираем однорукояточный селективный (с избирательным переключением) механизм переключения, который позволяет установить выбранную скорость, минуя промежуточные, так как он обеспечивает меньшие потери времени.

Рис. 12. Механизм переключения скоростей
Для переключения шпинделя на выбранную скорость вращения рукоятку 3 необходимо повернуть на себя, а лимб 1 — вправо или влево, установив цифру выбранного числа оборотов шпинделя против стрелки-указателя, а затем возвратить рукоятку 3 в первоначальное положение. При этих операциях блоки зубчатых колес коробки скоростей перемещаются и устанавливаются в положениях, соответствующих выбранному числу оборотов шпинделя.
Работа механизма заключается в следующем. На оси 17 рукоятки 3 насажен зубчатый сектор 18 (показан пунктиром), перемещающий рейку 13. На рейке заштифтована вилка 16, которая охватывает шейку детали 10, заштифтованной на валике 11г свободно перемещающемся в продольном направлении. На правом конце валика 11 насажены два диска 14, а левый конец валика связан шпонкой с коническим зубчатым колесом 5, сцепленным с коническим зубчатым колесом 9. Хвостовик колеса 9 посредством фиксирующего кольца 19 жестко соединен с лимбом 1.
В дисках 14 просверлены отверстия, каждое из которых соответствует положению блоков зубчатых колес для того или иного числа оборотов шпинделя. В эти отверстия входят штифты 7, которые сидят в отверстиях, просверленных в торцах реек 6 и 5. Рейки свободно перемещаются в продольном направлении и поворачивают при этом сцепленные с ними зубчатые колеса 4.
Таким образом, при повороте рукоятки 3 (на себя) зубчатый сектор 18 перемещает рейку 13 и, следовательно, диски 14 вправо, при этом величина перемещения дисков рассчитана так, чтобы они полностью освободились от находящихся в их отверстиях штифтов 7.
При повороте лимба 1 поворачиваются и диски 14. Когда цифра, отвечающая выбранной скорости, займет положение против стрелки-указателя, соответствующее сочетание отверстий дисков 14 окажется против штифтов 7. При повороте рукоятки 3 в первоначальное положение диски 14 переместятся влево. При этом те штифты 7, которые заняли положение не против отверстий, упираясь в торцы дисков, перемещают рейки 6 влево, а рейки 5 вправо или наоборот. Это перемещение передается системе валов, связанных с блоками зубчатых колес, и устанавливает последние в тех положениях, которые отвечают выбранной скорости шпинделя.
При обратном движении рукоятки 3 специальный палец, перемещаемый кулачком, приходит в соприкосновение с конечным выключателем 15, который включает электродвигатель и приводит во вращение шпиндель станка. Пружины 12, заложенные в торцы реек 5 и 6, облегчают (смягчают) переключения.
Расчёт усилия переключения блока
Чтобы уяснить, какие силы действуют на детали механизма переключения, приведем принципиальную схему данного механизма.
Рис. 13. Принципиальная схема переключения коробки скоростей.
Поворот рукоятки 3 «на себя» вызывает перемещение при помощи зубчатого сектора 18 рейки 13, а через нее вилки 16 вправо вместе с дисками 14. Это выводит из контакта (освобождает) пару штифтов 7 (А и Б), взаимно связанных друг с другом через рейки 5 и 6 и зубчатое колесо 4 и входящих в соответствующие отверстия диска 14. При повороте лимба 1 и установке против стрелки-указателя соответствующей цифры на лимбе диски поворачиваются так, что против штифтов Л и Е оказываются либо отверстия, либо сплошная поверхность торца диска. Поворотом рукоятки 3 «от себя» диски установятся на свое место, а штифты А и Б займут одно из трех положений, показанных на рис. 13 и поставят при помощи вилки передвижной блок зубчатых колес в одно из трех возможных положений. Так как в коробке скоростей имеются три двойных зубчатых блока, то для их перемещения необходимы три вилки и, следовательно, три пары штифтов А и Б.
Рис. 14. Два возможных положения одной пары штифтов.
Усилие руки человека по эргономическим требованиям не должно превышать Р = 50-100H.
Все составляющие механизма свободно ходят по валам, коэффициент трения минимален. У нас две вилки участвуют в перемещении одного блока, две зубчато-реечные передачи. КПД этих передач возьмем 0,98-0,99.
Если длина рукоятки l = 300 мм, а радиус зубчатого сектора R = 100 мм, следовательно по правилу плеча: усилие, которое передается зубьям рейки:
С этим усилием вилка первая передвигает диски. Вращение дисков происходит от лимба, передача усилия идет через коническую передачу.
Чтобы сдвинуть вилку, которая соединена с блоком зубчатых колес, необходимо вернуть диски в исходное положение, при этом диск нажимает на один из стержней, но так как стержень представляет собой зубчатую рейку конец которой выполнен в виде штифта с пружиной, развивающей усилие в Р=50-100 Н, усилия в вполне хватит. При условии, если все детали будут исполнены с достаточной степенью точности и хорошо смазаны.
Выбор способа фиксации положения блока
В принятом механизме у нас, можно сказать, двойная фиксация положения блока. Первая – это фиксация положения стержня в диске. Но диск может сместиться вдоль оси, для этого нужен механизм фиксации рукоятки. Рассмотри механизм фиксации рукоятки.
Рукоятка во включенном положении удерживается за счет пружины и шарика, при этом шип рукоятки входит в паз кольца.
Рис. 15. Механизм фиксации рукоятки.
Расчёт фиксирующего устройства на прочность
Рассчитаем шип рукоятки на срез.
Размеры шипа: длина l = 6 мм, ширина b = 6 мм, высота h = 6 мм.
В машиностроении при расчете выступов, шипов, штифтов, болтов, шпонок и т. п. принимают:
;
где - расчетное напряжение среза, возникающее в сечении рассчитываемой детали;
Q – поперечная сила;
Аср – площадь среза;
- допускаемое напряжение на срез, зависящее от материала и условий работы конструкции;
,
где — предел текучести материала. Для Стали 20 .
Поперечную силу возьмем, если заела вилка, если рабочий дернул рукоятку: Q = 500 Н.
;
.
Шип выдержит нагрузки и более 500 Н.
Литература
Анурьев В. И. «Справочник конструктора-машиностроителя», т.1, 2. – 5-е издание – М.: «Машиностроение», 1980.
Кучер И.М. Металлорежущие станки – Л.: Машиностроение, 1969. – 720 с.
Чернов Н. Н. «Металлорежущие станки» - М.: «Машиностроение», 1965.
Решетов Д.Н. Детали и механизмы металлорежущих станков – М.: Машиностроение, т. 1 и 2, 1972.
Справочник технолога машиностроителя. В 2-х т. Т1 / Под ред. А.Г. Косиловой, А.Г. Суслова, А.М. Дальского, Р.К. Мещерякова – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 2001. – 912 с., ил.
Пуш В.Э. Конструирование металлорежущих станков – М.: Машиностроение,1987. – 390 с.
Перель Л.Я., Фролов А.А. Подшипники качения – М.: Машиностроение, 1992. – 543 с
«Обработка металлов резанием: Справочник технолога» - А. А. Панов, В. В. Аникин, Н. Г. Бойм и др. – М.: «Машиностроение», 1988.
Палей М.А., Романов А.Б., Брагинский В.А. Допуски и посадки – Л.: Политехника, т. 1и 2, 1991.
П. Ф. Дунаев «Конструирование узлов и деталей машин» - 2-е издание – М.: «Высшая школа», 1978.
В. Н. Кудрявцев «Детали машин» - Л.: «Машиностроение», 198
2