С.А. Рябов Металлорежущие станки и промышленные роботы. Методические указания к выполнению курсового проекта

10

Рекомендации по конструкции колес, выбору материала, шероховатости поверхности и точности обработки, сопряжению колес с валом даны в работах [1, 15], а по их смазке - работах [3, 4, 8].

Результаты расчета необходимо представить в табличной форме (мощность и крутящий момент на валах, модуль и ширина зубчатого венца колеса, материал с соответствующими допускаемыми изгибами и контактным напряжением).

При выполнении КП целесообразно проводить расчет зубчатых передач на ЭВМ.

11. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ ВАЛОВ И ИХ ОПОР

Расчет валов коробок скоростей и подач имеет особенности, обусловленные конструктивными и кинематическими разновидностями коробок скоростей и подач, а также их назначением. Эти особенности, которые должны быть учтены при составлении расчетных схем, установлении критериев работоспособности и расчета, а также при определении размеров валов и их конструкций, следующие:

1.Наличие зубчатых колес и их блоков, вводимых в зацепление путем осевого перемещения, что обусловливает передачу одним и тем же валом различных крутящих моментов. Расчеты в этом случае необходимо проводить при нескольких включениях. При более высоких скоростях валы зубчатые колеса и др. элементы передач будут недогружены, размеры их существенно больше тех, которые необходимы по условиям прочности и жесткости, а материал недоиспользован.

2.Небольшое отношение их длины к диаметру e/d ≤ 12,

3.Валы проектируют ступенчатыми по длине, это диктуется условиями сборки. Разность диаметров ступеней принимают минимальной. Длины посадочных мест и ступеней вала определяются ступицами насаживаемых деталей и шириной колец подшипников. Концы валов выполняют цилиндрическими по ГОСТ 13060-71 или реже конически-

ми по ГОСТ 12081-71 [1, 15, 7].

Основные этапы проектирования и расчета валов

1.Проводят выбор материала валов и его термообработку. Основными материалами для изготовления валов и осей являются углеродистые и легированные стали, применение и марки которых указаны в литературе [31, с.196].

11

2.Предварительно рассчитывают диаметры валов на основе зависимостей между диаметром, крутящим моментом и условным допускаемым напряжением при кручении или допускаемым углом закручивания вала [28, 32, 31]. Полученные значения округляют до ближайшего стандартного числа по ГОСТ 6636-69.

3.Выполняют эскизы валов.

4.Вычерчивают продольную и поперечную компоновку коробки

передач.

5.Проводят проверочный расчет наиболее нагруженных валов0,

вкотором:

-строят пространственную схему действия сил на рассчитываемый вал;

-строят расчетную схему вала;

-определяют реакции опор вала в двух плоскостях;

-строят эпюры изгибающих моментов в двух плоскостях и определяют суммарный изгибающий момент;

-строят эпюры крутящего момента;

-вычерчивают конструкторский эскиз вала и находят опасные сечения;

-определяют напряжения в опасных сечениях;

-определяют запасы прочности для опасных сечений по нереальным и касательным напряжениям.

В результате расчета уточняются размеры вала и действительные запасы прочности. Валы привода главного движения, по которым проходит основной поток мощности, требуют проверки на выносливость.

Расчет ведется по длительно действующим нагрузкам, повторяемость которых должна быть не менее 103-104 циклов за весь срок службы [7, 28, 31].

Расчет валов на жесткость производят только в том случае, когда их деформации могут нарушить нормальную работу зубчатых передач

иподшипников. Это обычно наблюдается при больших отношениях

длины вала к его диаметру (e/d ≤ 12). Допускаемые значения величины прогиба и угла наклона оси вала под зубчатыми колесами и на опорах приведены в литературе [28, 7, 32].

В качестве опор валов современных металлорежущих станков используют подшипники качения, методика расчета и выбора которых стандартизована [23, 32, 28, 31].

Подшипники скольжения применяют в качестве опор высокооборотных шпинделей и тихоходных валов приводов подач и вспомо-

12

гательных двигателей. Рекомендации по их конструированию, расчету, выбору материалов и смазке можно найти в работах [1, 29, 15, 13].

Определение опорных реакций валов, расчеты на жесткость и другие расчеты целесообразно выполнять на ЭВМ.

12. КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ

При проектировании шпиндельных узлов (ШУ) исходной информацией являются тип, основной параметр и класс точности станка, данные о номенклатуре и размерах режущих инструментов и оснастки, устанавливаемых в шпинделе, частоты вращения шпинделя, предельный момент резания.

Процесс проектирования ШУ можно разбить на ряд этапов:

1.Выбор основных критериев работоспособности: точности, жесткости, виброустойчивости ШУ, допускаемой температуры нагрева опор.

Значения этих характеристик устанавливают на основании требований стандартов, рекомендаций отраслевых НИИ и т.п. [8, 17, 26]. В ряде случаев при разработке специальных станков они могут оговариваться техзаданием.

2.Выбор типа опор.

При допустимой погрешности формы обрабатываемых поверхностей более 1 мкм целесообразно использовать опоры качения с погрешностью от 0,5 до 2 мкм, эксплуатирующиеся при постоянно высокой частоте вращения шпинделя; рекомендуется применять многоклиновые гидродинамические подшипники. Для высокоскоростных станков, работающих при переменной частоте вращения и допустимой погрешности формы обрабатываемых поверхностей ≤ 1 мкм, шпиндель следует установить на гидростатических подшипниках.

Выбор опор шпинделя можно провести по рекомендациям, приведенным в литературе [14, 17, 19, 26, 27].

3. Определение конструктивной формы шпинделя.

Проводится в зависимости от типа и назначения станка, требований к точности условий его работы, способа крепления инструмента или обрабатываемой заготовки. Форма шпинделя зависит от расположения и закрепления приводных элементов и конструкции опор. Передний конец шпинделя выполняется при строгом соблюдении соответствующих ГОСТов [26, 19, 27, 14].

13

4. Выбор материала шпинделя.

Как правило, шпиндели металлорежущих станков изготавливают из среднеуглеродистой конструкционной и высоколегированной сталей с соответствующей термообработкой [14, 27].

5. Эскизное проектирование.

При этом производится уточнение диаметров шеек, окончательный выбор подшипников. Одновременно выбирают конструкцию устройства крепления режущего инструмента [19, 273], корректируют диаметр отверстия шпинделя, устанавливают присоединительные размеры приводного элемента.

6. Расчетная часть.

Составляют расчетную схему шпинделя, выбирают величину предварительного натяга подшипников, проводят оптимизацию межопорного расстояния, определяют величину прогиба переднего конца шпинделя [14, 26, 27, 19, I7].

Для сокращения трудоемкости КП эти расчеты необходимо выполнять на ЭВМ.

Если фактическое межопорное расстояние, полученное при компоновке узла, существенно отличается от расчетного оптимального значения, то необходимо ввести соответствующие изменения в компоновку узла.

Если полученные значения прогиба не удовлетворяют требованиям точности обработки [24], необходимо повысить радиальную жесткость шпиндельного узла.

Этого можно достигнуть двумя способами:

1.Заменить подшипники в опорах.

2.Увеличить диаметр шейки шпинделя в передней опоре.

Первый способ применим для шпинделей с диаметром более 60 мм, второй дает больший эффект для шпинделей диаметром мень-

ше 50-60 мм.

Завершив расчет на жесткость, приступают к расчету шпинделя на точность вращения в радиальном направлении [19].

Быстроходные шпиндели (nшп > 10000 мин-1) и шпиндели высокоточных металлорежущих станков рекомендуется проверять на виброустойчивость. Частоты собственных колебаний шпинделя должны быть равны или больше удвоенной вынужденной частоты колебаний, собственные и вынужденные частоты колебаний определяются по уравнениям, приведенным в литературе [24].

14

Расчеты жесткости и виброустойчивости шпиндельных узлов целесообразно выполнять на ЭВМ с использованием методов, общих для расчета многоопорных упругих балок [27].

13. РАСЧЕТ ТЯГОВОГО УСТРОЙСТВА ПРИВОДА ПОДАЧ

В зависимости от назначения станка, его конструкции и габаритных размеров применяют различные виды тяговых устройств:

винт-гайка, зубчато-реечные передачи, червячно-реечные передачи, кулачковые механизмы, электромеханические тяговые устройства, устройства микроперемещений и др.

Расчет тягового устройства связан с определением тяговой силы, необходимой для преодоления сил сопротивления, и дальнейшим расчетом передачи на жесткость, износостойкость, долговечность и др., а также определением потерь на трение.

Методики расчета передач, наиболее часто применяемых в станкостроении, приведены в литературе [16, 21, 28, 14, 27, 31].

Методы повышения долговечности и нагрузочной способности передач приведены в литературе [14].

14. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИДРОПРИВОДА СТАНКА

Порядок разработки гидроприводов станков

1.По данным о режимах работы станка и циклограмме его работы составляют циклограмму работы исполнительных органов гидропривода.

2.Разрабатывают принципиальную гидросхему станка с учетом автоматизации управления.

3.Определяют параметры и режим работы исполнительных органов гидропривода; выбирают элементы гидросхемы.

4.Определяют потери в гидроприводе станка.

5.Проводят расчет параметров и выбор насосной станции.

6.Проводят тепловой расчет и, в случае необходимости, динамический расчет гидропривода.

7.Компонуют гидроаппаратуру на станке и составляют монтажную схему.

Рекомендации по выбору элементов гидросхемы станка приведены в литературе [6, 21, 30, 33].

15

Методика предварительного расчета гидравлической системы станка приведена в литературе [21].

Конструкции, области применения и технические данные насосов, гидродвигателей, аппаратов для контроля регулирования и направления потока рабочей жидкости, а также гидроэлементов, широко применяемых и станкостроении, приведены в литературе [30]. Здесь также описаны специальные узлы гидропривода для комплектации станков с ЧПУ и промышленных роботов, гидросистемы станков основных типов.

15. КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЁТ НАПРАВЛЯЮЩИХ

В станках нормальной точности в большинстве случаев применяется направляющие смешанного трения (НСТ). На первом этапе конструирования НСТ выбирают материалы пар трения. При этом необходимо учитывать назначение станков, условия работы направляющих, основные характеристики станков, их точность и степень автоматизации.

Рекомендуемые материалы пар трения для НСТ различных узлов станков приведены в литературе [14, т.1, с.192, табл.17]. После выбора материала выбирают конструктивную форму направляющих [27, с.202, табл.20] и основные размеры [14, с.204-25, табл.21, рис. 55]. Для направляющих скольжения кругового движения рекомендуется литера-

тура [14, с.206-207, табл.22].

Важнейшим условием нормальной работы НСТ является наличие между их сопряженными поверхностями зазоров определенной величины. Для их осуществления и поддержания в процессе эксплуатации станка применяют прижимные и регулировочные планки и клинья. Их конструкция и основные размеры приведены в литературе [14,

с.208-212, табл.23-26].

При конструировании накладных направляющих необходимо основываться на рекомендациях ЭНИМСа по выбору конструкций, способов крепления, материалов и методов упрочнения накладных стальных и чугунных направляющих скольжения для станин, стоек, поперечин и др. [11].

Отдельные вопросы конструирования накладных направляющих изложены в литературе [33, с.212-218].

На следующем этапе конструирования НСТ выбирается система смазки и марка масла [14, с.191-200]. Требования износостойкости,

16

точности перемещения и экономичности являются при этом определяющими.

Расчет НСТ состоит из следующих этапов [14, с.250-267]:

1.Составление расчетной схемы. При выполнении этого этапа необходимо учесть все действующие нагрузки.

2.Определение суммарных давлений, действующих на каждую грань направляющих. Для этого составляется шесть уравнений статики, решая которые совместно, находят искомые суммарные силы.

3.Определение среднего удельного давления и сравнение расчетных значений с допускаемыми.

4.Определение максимального удельного давления и сравнение

сдопускаемыми.

Вслучае превышения максимальных расчетных удельных давлений допустимых значений необходимо изменить либо материал пар трения, либо форму и конструктивные размеры направляющих. Конструкции направляющих станков отдельных типов и устройств для защиты направляющих приведены в литературе [14, с.218-249].

Ввысокоточных станках, станках с ЧПУ и обрабатывающих центрах наибольшее распространение получили направляющие качения (НК). Их конструкция выбирается исходя из условий работы проектируемого узла.

Методика конструирования ПК, расчетные зависимости, примеры выполнения конструкций приведены в литературе [33, с.344-437].

Расчет и проектирование гидростатических, гидродинамических, аэростатических направляющих приведены в литературе [14, с.297-338; 27].

16.РАЗРАБОТКА СБОРОЧНОЙ ЕДИНИЦЫ ОРИГИНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ

Впроекте предусматривается конструкторская разработка, выполненная полностью студентом, объемом не менее одного листа формата А1. Предполагается, что конструкция должна быть оригинальная, спроектированная заново. В процессе курсового проектирования для этого необходимо критически проанализировать существующие конструкции, провести поиск новых технических решений путем проработки специальной литературы, журнальных статей, провести патентный поиск.

17

Не допускается чисто масштабная переработка конструкции или заимствование известной конструкции без существенной переработки.

В качестве темы самостоятельной работы может быть предложена не только конструкция, но и элементы исследовательской работы, в том числе теоретические исследования.

Исследовательская часть проекта может быть посвящена вопросам точности, жесткости, долговечности, виброустойчивости, производительности, надежности и другим вопросам, которые служат для оценки конструкции, метода обработки или для обоснования выбора конструктивных параметров и новых узлов и механизмов.

Разработка оригинальных узлов и самостоятельные исследования имеют цель развить у студентов способность к творческой работе, привить навык к анализу конструкции и самостоятельному конструированию.

Тема оригинальной части проекта определяется руководителем проекта.

17. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ СМАЗКИ И ОХЛАЖДЕНИЯ

Расчетно-пояснительная записка должна содержать обоснование принятой системы смазки, расчет количества масла, выбор насоса с указанием рабочих параметров (для смазки под давлением).

Приступая к разработке системы смазки, необходимо определить места смазки, способ смазки и требуемые режимы согласно рекомендациям, приведенным в литературе [33].

Количество масла для смазки определяется на основе уравнения теплового баланса. По расчетному количеству масла находят производительность насоса, а затем выбирают насос [9]. При проектировании системы смазки следует широко использовать различные нормализованные элементы: насосы, лубрикаторы, маслораспределители, фильтры, маслоуказатели и др. [3].

Система охлаждения станков включает в себя насос, резервуаротстойник, фильтр, трубопровод, направляющие и отводящие устройства.

В курсовом проекте при проектировании системы охлаждения решают следующие вопросы: определяют количество охлаждающей жидкости, объем резервуара, выбирают насос. Рекомендации по проектированию изложены в литературе [33].

18

18. ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ ПРИ КУРСОВОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ

Сложные или неоднократно повторяющиеся однотипные расчеты деталей станков требуют больших затрат времени. Поэтому такие расчеты целесообразно выполнять на ЭВМ. Кафедра "Металлорежущие станки и инструменты" располагает программами проектирования

ирасчета различных узлов и деталей металлорежущих станков. Обязательным расчетом в проекте является расчет шпиндельного узла. Сведения о библиотеке программ и процедуре выполнения расчетных работ можно получить у руководителя проекта.

При использовании ЭВМ в расчетно-пояснительную записку включают исходные данные с расчетной схемой и результаты расчетов, которые должны быть оформлены в виде графиков, эпюр, таблиц или представлены машинной распечаткой с соответствующими пояснениями для ее расшифровки. Блок-схема и распечатка программы приводятся в приложении к расчетно-пояснительной записке. В случае необходимости результаты расчетов на ЭВМ могут быть подвергнуты корректировке до стандартных значений на основании ГОСТов, нормалей

ит.п.

19.ПРИМЕНЕНИЕ СТАНДАРТОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СТАНКОВ

Встанкостроении стандартизацией охвачено большинство основных параметров МРС, размеры ряда узлов, деталей и их элементов (двигатели, подшипники, крепежные изделия, концы шпинделей и т.д.). ЕСКД устанавливает единый порядок разработки и оформления чертежей и текстовой документации.

Соблюдение государственных общесоюзных стандартов (С) является законом не только для каждого конструктора, но и для каждого студента. Значительная часть С, используемых при курсовом проектировании, приведена в литературе [1, 2, 3, 19, 32].

20.ПОРЯДОК КОНСУЛЬТИРОВАНИЯ И ЗАЩИТЫ ПРОЕКТА

День и часы консультаций устанавливаются преподавателем в удобное для студентов время, один-два раза в неделю. Посещение консультаций обязательно.

19

Особое внимание на консультации оказывается планированию работы над проектом, поэтапному выполнению проекта, анализу допущенных ошибок и поиску методов обоснования конструктивных решений.

По окончании работы над проектом студент представляет его руководителю проекта, который направляет его на защиту в специальную комиссию кафедры. Срок защиты проекта указывается в задании и может быть изменен только с разрешения заведующего кафедрой.

При защите проекта члены комиссии могут задавать вопросы как по существу выполнения работы, так и по различным разделам курса лекций, на базе которых выполняется проект.

Обязательное условие успешной защиты проекта - четкое представление о работе конструкции и ее отдельных узлах, наличие анализа и вариантности решений, правильное обоснование выбора отдельных конструктивных элементов.

При определении дифференциальной оценки за проект комиссия учитывает: выполнение проекта в срок; посильное обоснование выбора конструкции для заданного объекта производства на базе анализа и вариантности решения; содержание и характер оригинальной части проекта; художественную отработку деталей, узлов и станка в целом; оформление расчетно-пояснительной записки и графической части проекта; характеристику работ студента при выполнении проекта.