С.А. Рябов Металлорежущие станки и промышленные роботы. Программа, методические указания и задания на контрольные работы

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Металлорежущие станки при высокой производительности, точности и универсальности являются основным видом технологического оборудования для размерной обработки деталей. В связи с этим перед станкостроителями стоит важнейшая задача, заключающаяся в создании высокопроизводительного оборудования, станочных систем, автоматизированного производства, имеющих высокую степень точности и надежности. При изучении дисциплины "Металлорежущие станки и промышленные роботы" студенты должны научиться проводить анализ современных конструкций станков и их технологических возможностей, разрабатывать техническое задание на проектирование или модернизацию оборудования, решать основные задачи, связанные с проектированием оборудования, знать особенности проектирования промышленных роботов, станочных систем и автоматических линий. Студенты также должны уметь проводить испытания станков, знать основы исследования станков, методы и технологии ремонта и восстановления узлов и деталей металлорежущих станков.

Изучение дисциплины базируется на знаниях студентами конструктивных особенностей, технологических возможностей настройки и наладки оборудования машиностроительного производства, а также на фундаментальных знаниях в области математики, физики, вычислительной техники, материаловедения, сопротивления материалов, теоретической механики, теории резания металлов, деталей машин, транспортных и загрузочных устройств и др.

Программа составлена согласно учебному плану Минвуза РСФСР специальности 1201 "Технология машиностроения", типовой программе "Металлорежущие станки и промышленные роботы", утвержденным учебно-методическим объединением по специальностям автоматизированного машиностроительного производства 21 февраля 1989 г., методическим указаниям и заданиям на контрольные работы по дисциплине "Металлорежущие станки и промышленные роботы", разработанным в ВЗМИ.

2. ВЫПИСКА ИЗ УЧЕБНОГО ПЛАНА

Изучение дисциплины "Металлорежущие станки и промышленные роботы" студентами заочного обучения специальности "Технология машиностроения" предусматривается в 5 семестре. При изучении

дисциплины студенты выполняют две контрольные работы, курсовой проект и сдают экзамен.

3. ПРОГРАММА КУРСА Тема 1. Проектирование металлорежущих станков

Исходные данные для проектирования. Основные задачи конструктора при проектировании станка. Содержание основных этапов проектирования: технического предложения, эскизного, технического и рабочего проектов. Технико-экономические требования к новой модели станка. Оптимизация проектных решений [2, 13, 15].

Тема 2. Разработка кинематической схемы станка Методика разработки кинематической схемы станка. Выбор диа-

пазона регулирования, знаменателя ряда частоты вращения и числа ступеней. Графоаналитический метод определения передаточных отношений. Структурная сетка передаточных отношений и график частоты вращения шпинделя. Определение числа зубьев групповых передач. Определение мощности привода, модуля зубчатых колес, диаметров валов и степени точности зубчатых колес [1, 2, 3, 7, 13, 15].

Тема 3. Привод главного движения Требования к приводу. Составные элементы привода. Ступенчатое

регулирование скорости. Приводы с бесступенчатым и смешанным ре-

гулированием [1, 2,3,7,13,15].

Тема 4. Шпиндельные узлы Основные требования. Типовые конструкции шпиндельных узлов.

Тип опор шпиндельных узлов и выбор их для станков различного назначения. Выбор типа, класса точности и величины радиального зазоранатяга для опор качения. Конструкция и расчет гидростатических и гидродинамических подшипников. Подшипники с воздушной смазкой

[1,2,3,7,9,13,15].

Тема 5. Привод подач Исходные данные. Выбор электродвигателя. Способы регулирова-

ния скорости. Основные типы тяговых устройств, их конструкции и расчет. Привод малых перемещений [2, 9, 13, 15].

Тема 6. Базовые детали и направляющие Назначение и предъявляемые требования. Конструктивные формы

и материалы базовых деталей. Расчет базовых деталей на жесткость и термостойкость. Классификация направляющих. Направляющие смешанного трения, жидкостного трения и направляющие качения. Защита направляющих [1, 2, 7, 9, 13, 15].

Тема 7. Динамика станков Виды колебаний в станках и причины их возникновения. Показа-

тели динамического качества станка. Динамическая и упругая системы станка. Рабочие процессы. Статические и динамические характеристики элементов и систем станка. Аналитическое и экспериментальное определение динамических характеристик. Критерии устойчивости. Ам- плитудно-фазочастотные характеристики. Устойчивость динамической системы станка при резании. Вынужденные колебания при резании и способы снижения их уровня [2, 6].

Тема 8. Испытание и исследование станков Основные виды испытаний станков. Натурный и машинный экспе-

римент при исследовании станков. Построение математических моделей. Активные и пассивные методы экспериментальных исследований. Методы экспертных оценок [2, 1,9].

Тема 9. Эксплуатация и ремонт станков Правила эксплуатации. Организация ремонта. Износ и способы его

контроля. Восстановление деталей. Модернизация станков [2, I].

Тема 10. Автоматизация проектирования металлорежущих станков Основные принципы использования ЭВМ для выполнения проектных работ. Использование ЭВМ для проектирования кинематических схем, шпиндельных узлов и механизмов подачи станков. Оптимизация проектных решений. Системы автоматизированного проектирования

станков [13,4,12].

4.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ

При изучении тем, связанных с расчетом и конструированием обо-

рудования и его узлов и механизмов, студент должен знать ответы на следующие вопросы:

1.Как проводится разработка технического задания на проектиро-

вание?

2.Какова последовательность проектирования оборудования?

3.Как проводится построение и анализ структурной схемы оборудования?

4.Как проводится выбор структуры приводов главного движения

иподач оборудования?

5.Каково служебное назначение рассматриваемого узла и механизма, какие требования к нему предъявляются?

6.Какие исходные данные необходимы для проектирования данного узла или механизма?

7.Какие существуют виды конструктивного оформления данного узла или механизма и в чем заключаются достоинства и недостатки каждого из них?

8.Из каких материалов изготавливаются основные детали узла или механизма?

9.Какие расчеты необходимы для проектирования данного узла или механизма и в чем состоит их методика?

При изучении темы "Динамика станков" студенты должны четко представлять: чем определяется динамическое качество станка; какие критерии определяют устойчивость системы. При изучении темы "Испытание и исследование станков" студенты должны знать, как проводится испытание станков на холостом ходу и под нагрузкой, проверка геометрической и кинематической точности станков, испытания станков на жесткость и виброустойчивость, проверка станка на шум.

При изучении вопросов исследования станков необходимо уделить внимание постановке экспериментальных исследований, обработке результатов эксперимента, построению математических моделей.

При изучении темы "Эксплуатация и ремонт станков" студенты должны уделить внимание вопросам, касающимся правил эксплуатации оборудования, приемки станка в ремонт, дефектации деталей, структуры и состава ремонтного цикла, технологии и организации ремонта оборудования.

5. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1

Разработка кинематики привода главного движения металлорежущего станка

Исходные данные:

Вид оборудования; структура привода; диапазон регулирования привода Rv; МАХ и MIN значения частот вращения шпинделя (nmax и nmin); мощность и число оборотов двигателя привода главного движения (Nдв, nдв об/мин); при ступенчатом регулировании частот вращения - число скоростей привода Z и знаменатель геометрической прогрессии ряда частот вращения шпинделя φ.

Последовательность выполнения работы:

1.Исходя из вида оборудования и исходных данных (Rv; nmax; nmin; Z; φ), проводят выбор структуры привода.

2.Для выбранной структуры привода главного движения вычерчивают кинематическую схему привода.

3.Для данной кинематической схемы строят структурную схему и график чисел оборотов.

4.По графику чисел оборотов определяют передаточные отношения передач графоаналитическим методом, при этом необходимо учитывать пределы передаточных отношений из-за ограничений радиальных габаритов передач

14 ≤i ≤ 2

5.По передаточным отношениям передач определяют числа зубьев каждой шестерни и колеса в передаче аналитическим или табличным методами [1,3].

6.Вычерчивают кинематическую схему привода.

6. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №2 Проектирование и расчет шпиндельного узла

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

Значения этих характеристик оговариваются техническим заданием на проектирование, которое выдается студенту преподавателем.

Последовательность выполнения работы: 1. Выбор типа опор

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

Выбор опор шпинделя можно провести по рекомендациям, приведенным в литературе [5, 7, 13, 15].

2. Определение конструктивной формы шпинделя Конструктивная форма шпинделя зависит от типа и назначения

станка, требований к точности, условий его работы, способа крепления инструмента или обрабатываемой детали. Форма шпинделя зависит также от расположения и закрепления приводных элементов и конструкции опор. Передний конец шпинделя выполняется при строгом соблюдении соответствующих ГОСТов [5, 7, 13, 15, 18].

3. Выбор материала шпинделя Как правило, шпиндели металлорежущих станков изготавливают

из среднеуглеродистой, конструкционной и высоколегированной стали с соответствующей термообработкой [5, 13].

При выборе материала для шпинделей станков нормальной точности исходят из того, что модуль упругости для всех сталей практически одинаков, и применяют конструкционную сталь марок 45, 50, 40Х с поверхностной закалкой до твердости НКС 48 - 56. Для шпинделей сложной формы, когда труден индукционный нагрев, шпиндель изготовляют из сталей 50Х, 40ХГР и применяют объемную закалку до НКС 56 - 60. В наиболее ответственных случаях для прецизионных станков, в особенности при опорах жидкостного трения, применяют стали 20Х, 18ХГТ, 12ХНЗА с цементацией и закалкой до твердости НКС 56 - 60 или азотируемые стали марок 38ХМЮА, 38ХВФЮА с доведением их твердости до НКС 63 - 68.

Полые шпиндели большого диаметра иногда выполняют литыми из серого чугуна СЧ 21 -40.

4. Предварительный выбор основных размерных параметров шпиндельного узла

Базовым, во многом определяющим работоспособность шпиндельного узла и влияющим на все остальные размеры является диаметр шейки под передний подшипник. Минимальный диаметр шейки можно найти из расчета шпинделя на кручение по пониженным допускаемым напряжениям. Максимальный диаметр ограничивается размерами последней ступени переднего конца шпинделя, которые определяются габаритами устанавливаемого инструмента и оснастки. При пинольном исполнении шпиндельного узла максимальное значение диаметра шейки должно быть согласовано с размерами гильзы. Диаметр шейки под задний подшипник принимают меньше на 3 - 4 ступени размерного ряда подшипников, применяемых в шпиндельных узлах. Выбор минимального диаметра шейки должен быть увязан с размерами отверстия шпинделя для размещения устройств крепления инструмента или оснастки.

Кроме указанных конструктивных ограничений на диаметральные размеры шпинделя накладываются также и критериальные ограничения. Верхнее зависит от максимально допустимого значения частоты вращения подшипников и наибольшей допустимой температуры их нагрева, а нижнее - от жесткости узла [5].

Кроме диаметров шеек шпинделя необходимо также определить межопорное расстояние l и вылет шпинделя а. Для современных шпиндельных узлов рекомендуются следующие соотношения:

dl = 4 ÷5; da ≤1 ÷5; al = 2,5 ÷3,5,

где d - средний диаметр шпинделя без учета фланца

Указанные соотношения размеров обычно обеспечивают нужную точность вращения шпинделя.

5. ЭСКИЗНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

При разработке эскизной компоновки шпиндельного узла производится окончательный выбор подшипников и уточнение диаметров шеек. Одновременно выбирают конструкцию устройства крепления режущего инструмента, корректируют диаметр отверстия шпинделя, устанавливают присоединительные размеры приводного элемента.

Эскизная компоновка обычно прочерчивается в упрощенном виде.

6. РАСЧЕТ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА

Шпиндели, как правило, рассчитывают на жесткость, лишь для тяжело нагруженных шпинделей производят поверочный расчет на прочность.

Основным видом деформации шпинделя, влияющим на точность работы станка, является изгиб.

Для расчета составляют расчетную схему, которая зависит от вида и качества подшипников в опорах и действующих на шпиндель сил

[1,5,13].

В результате расчета определяют прогиб конца шпинделя и сравнивают с допустимой величиной прогиба yдоп [1, 5, 13, 18].

Рекомендуется пользоваться зависимостью yдоп и расстоянием между опорами l

yдоп=(0,0001÷ 0,0002)l.

7. ОКОНЧАТЕЛЬНАЯ ПРОРАБОТКА ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА

В этой части работы выбирают систему смазки, уплотнения, способ постановки подшипников в корпус, метод создания предварительного натяга, способы стопорения гаек, посадки элементов, сопрягаемых со шпинделем [1, 5, 13, 18, 20].

После решения этих вопросов выполняют эскиз шпиндельного уз-

ла.

8.КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

8.1.Задание на курсовой проект. Исходные данные для проекти-

рования.

Тема курсового проекта выдается преподавателем кафедры МСиИ студентам заочного обучения на установочном занятии.

Предпочтение отдается темам, при разработке которых используется производственный опыт и навыки. При выдаче задания студентам заочного обучения учитывается специфика их работы. Тема проекта может быть определена и по профилю работ, выполняемых кафедрой.

Руководитель проекта устанавливает конкретное содержание проекта и перечень выполняемых работ, которые оформляются в виде задания. Задание является официальным документом, в соответствии с ко-

торым студент выполняет курсовой проект и представляет его к защите комиссии.

Задание на проект должно предусматривать разработку основных узлов станка, определяющих его производительность, точность, надежность и долговечность (привод главного движения и подач, шпиндельные узлы, тяговые устройства приводов подач, приводы быстрых и малых перемещений и их механизмы, суппорты, столы, делительные механизмы, механизмы периодического движения, направляющие, механизмы автоматической смены инструментов и обрабатываемых деталей, средства защиты и компенсации износа деталей станка и инструмента и т.д.), и отражать вопросы художественной отработки узлов и машины в целом.

В задании конкретизируется решение основных выше указанных задач. Характеризуется объект производства и технические требования к нему, перечисляются конструктивные особенности и характеристики узлов, в том числе оригинального, который следует разработать в проекте, требования, предъявляемые к ним, особенности проектируемого станка. В задании должны быть указаны объем и содержание проекта, расчетно-исследовательские задачи, решаемые студентом, а также приведен перечень основной литературы и руководящих материалов, на основе которых проектируется станок, выполняется оригинальная часть проекта, дается анализ, вариантность конструктивных решений или обоснование конструкций.

Из задания должно быть ясно основное содержание проекта и его оригинальной части.

8.2. Объём и содержание курсового проекта Курсовой проект состоит из взаимно связанных частей:

-графической части, отражающей конструкторские разработки проекта;

-расчетно-пояснительной записки.

8.2.1. Графическая часть Объем графической части проекта - 4 листа формата А1 (ГОСТ

2301-68). Конкретное содержание графической части определяется его темой. Однако при распределении материала по листам следует придерживаться определенного соотношения:

-кинематические, гидравлические, пневматические или электрические схемы -1 лист;

-свертка и развертка либо коробки скоростей, либо коробки подач -1 лист;