Аннотация

Дипломный проект посвящен совершенствованию операции подготовки прутков круглого сечения к обработке на станках-автоматах.

Проект содержит анализ состояния вопроса, разработку компоновки станка, конструкции и расчеты зажимного механизма, силовой и резцовой головок, экономическое обоснование и анализ экологичности.

Графическая часть содержит 10,5 листов формата А1, расчетно-пояснительная записка 87 с., 2 приложения, список литературы из 7 наименований.

Введение

В условиях современного машиностроения подготовка заготовок к обработке играет важную роль. На ВАЗе из прутков круглого сечения изготавливается большая номенклатура деталей. Большое значение имеет срок службы цанговых патронов в токарных автоматах, так как после операции отрезки на торцах прутков остаются заусенцы, которые царапают цанговые патроны зажимных механизмов. Данная проблема вызывает необходимость предварительной обработки торцов прутка с целью удаления заусенцев.

В дипломном проекте совершенствуется операция подготовки прутков к последующей обработке на токарных автоматах путем разработки станка для обработки фасок на прутках.

1 Анализ состояния вопроса. Недостатки существующего процесса. Задачи дипломного проекта

В автоматно-токарных цехах ВАЗа изготавливается большая номенклатура деталей из заготовок в виде прутков. Эти прутки подаются и закрепляются в зоне обработки с помощью цанговых механизмов. Заусенцы, образующиеся на торце прутков в процессе их предварительной отрезки, царапают подающие и закрепляющие поверхности цанги, существенно снижая срок службы цангового механизма.

Изложенная ситуация вызывает необходимость предварительной обработки торцов прутка с целью удаления заусенцев.

В связи с этим задачами дипломного проекта являются:

1 Ввести в технологический процесс операцию снятия фасок на прутках круглого сечения.

2 Разработать общую компоновку и основные узлы специального станка для снятия фасок на прутках.

3 Оценить экономическую эффективность предлагаемых нововведений.

4 Выполнить анализ экологичности разрабатываемых конструкций.

2 Разработка конструкции станка для обработки фасок на прутках круглого сечения

2.1 Разработка компоновки станка

В процессе операции отрезки, выполняемой на отрезном станке, на торце прутков круглого сечения появляются заусенцы, которые царапают подающие и закрепляющие поверхности цанги, что приводит к существенному снижению срока службы цангового механизма токарного автомата. Предлагается дополнительная обработка фасок прутка после операции отрезки.

Станок (чертеж 04.36.616.00.000.СБ) предназначен для токарной обработки фасок на торцах пруткового материала круглого сечения длиной от одного до четырех метров. Прутки изготовлены из конструкционных сталей. Станок может использоваться в производствах, где по технологическому процессу есть необходимость снятия фаски на торцах пруткового материала перед запуском его в обработку на токарных прутковых автоматах.

Станок состоит из следующих агрегатов и узлов:

- агрегат «головка силовая» 1 (чертеж 04.36.616.01.000.СБ), которая обеспечивает ускоренную рабочую подачу режущего инструмента в зону обработки и позволяет реализовать оптимальные скорости резания;

- агрегат «станина» 2, которая выполняет функции: несущую силовую по восприятию всех нагрузок от технологического процесса и связующую межагрегатную для образования единого комплекса - «станка»;

- механизм «механизм зажима» 3 (чертеж 04.36.616.03.000.СБ), который обеспечивает позиционирование заготовок-прутков круглого сечения и зажим для удержания от сил резания при обработке фасок;

- узел «резцовая головка» 7 (чертеж 04.36.616.07.000.СБ), которая позволяет производить обработку фасок на всем диапазоне прутков;

- узел «ограждение», который обеспечивает условия безопасной работы на станке и формирует направленное движение стружки в тару;

- узлы «упор» 5 и «привод упора» 6 обеспечивают осевое позиционирование заготовок-прутков;

- агрегат «гидропневмооборудование» обеспечивает работу механизмов станка по циклограмме;

- агрегат «электрооборудование» предназначен для создания безопасных условий работы на станке в соответствии с циклограммой.

Станина 2 и рельсы 10 установлены на бетонированной площадке. Подвижные опоры 4 установлены на рельсах 10 и предназначены для удержания обрабатываемого прутка. Стойки 11 используются в качестве накопителя прутков.

Установка прутка в зажимной механизм происходит следующим образом: упор осевой ориентации прутка 5 принимает вертикальное положение, ось прутка-заготовки совмещается с осью шпинделя силовой головки 1, после этого пруток продвигается вдоль оси до касания в упор осевого базирования прутка 5, происходит зажим прутка, потом упор убирается в исходное горизонтальное положение. Упор 5 управляется приводом упора 6: при повороте рукоятки привода упора 6 в горизонтальное положение упор 5 принимает вертикальное положение. Центрирование и зажим заготовки происходит с помощью призм 2, которые соединены с механизмом зажима 3.

Резцовая головка 7 прикреплена к планшайбе 12. В резцовой головке установлено два резца, которые оснащены неперетачиваемыми сменными четырехгранными пластинами из твердого сплава Т5К10.

При работе на станке кожух 8 обязательно должен быть закрыт.

Порядок работы на станке

Оператор загружает в накопитель заготовок прутки для обработки фасок. Визуально определяет, что прутки соответствуют требованиям: длина 1000…4000 мм, круг диаметров 16…80 мм.

Оператор проверяет соответствие наладки на данный диаметр резцовой головки и механизма зажима, перегружает пруток из накопителя на транспортные ролики, устанавливает упор осевой ориентации прутка, совмещает ось прутка-заготовки с осью шпинделя силовой головки. После этого оператор продвигает пруток вдоль оси до касания в упор осевого базирования прутка, зажимает пруток, подает команду с пульта - «зажим», убирает упор в исходное положение. Включает «автоматический цикл» нажатием кнопки «пуск». Дальнейшая работа происходит без участия оператора. После завершения одиночного цикла появится светосигнал на пульте управления, приглашающий оператора к завершению технологического процесса. Оператор переключает режим работы станка на «наладку», перемещает пруток назад вдоль оси до исходного положения и управляя с пульта осуществляет выгрузку обработанного прутка. На этом этапе цикл работы завершен и станок готов к повторению циклов.

2.2 Разработка конструкции и расчет зажимного механизма

Для установки заготовок на металлорежущие станки применяют станочные приспособления. Применение станочных приспособлений позволяет получать высокие технико-экономические показатели. За счет применения станочных приспособлений значительно возрастает производительность труда. Также применение станочных приспособлений позволяет обоснованно снизить требования к квалификации станочников основного производства в среднем на разряд, объективно регламентировать длительность выполняемых операций и расценки, расширить технологические возможности оборудования.

Зажимной механизм (чертеж 04.36.616.03.000.СБ) состоит из гидроцилиндра 1, ползуна 2, рычага 3, оси 4, планки 5, плиты 6, прокладки 7, крышки 8, планки 9, прокладки 10, корпуса 11, винтов, колец и шайб.

Зажим прутка происходит следующим образом: шток гидроцилиндра 1 при перемещении вниз увлекает за собой плечо рычага 3, а второе плечо перемещает ползун 2 в левую сторону, тем самым, зажимая и центрируя заготовку в призме. Разжим происходит в обратном порядке: при движении штока вверх рычаг 3 поворачивается по часовой стрелке, ползуны расходятся.

Зажимной механизм предупреждает перемещение заготовки относительно опор станочных приспособлений, обеспечивает позиционирование заготовок прутков круглого сечения и зажима для удержания от сил резания при обработке фасок. Сила закрепления Р_з определяется из условия равновесия силовых факторов, действующих на заготовку. При расчете силы закрепления Р_з учитываются силы резания, реакции опор, соответствующие моменты.

Рассмотрим расчетную схему закрепления прутка (рис.2.1).

Пруток с диаметром D_З установлен в призмах с углом а нагружен моментом М.

Рис.2.1 Схема закрепления прутка

Расчет силы закрепления производится по методике ([2], табл. 8 на с.83).

Сила закрепления определяется по формуле (2.1)

, (2.1)

где К - коэффициент запаса, который определяется по формуле

, (2.2)

где К₀ = 1,5 - коэффициент гарантированного запаса;

К₁ = 1,2 - коэффициент, учитывающий увеличение сил из-за случайных неровностей на обрабатываемой поверхности;

К₂ = 1 - коэффициент, характеризующий увеличение сил резания вследствие затупления режущего инструмента;

К₃ = 1,3 - коэффициент, характеризующий постоянство силы закрепления в зажимном механизме.

Значение коэффициента запаса, рассчитанное по формуле (2.2),

.

Так как в результате расчета значение коэффициента запаса К меньше 2,5, то принимаем К = 2,5.

В формуле (2.1) М - крутящий момент, который определяется по формуле

, (2.3)

где Р_z = 961 Н - тангенциальная составляющая силы резания;

r = 0,02 м - радиус прутка.

Значение момента, рассчитанное по формуле (2.3),

(Н.м).

В формуле (2.1) D_з = 0,04 м - диаметр прутка; f₁ = f₂ = 0,2 - коэффициенты трения соответственно в местах контакта прутка с опорами и зажимным механизмом; = 140 - угол призмы.

Значение силы закрепления, рассчитанное по формуле (2.1),

(Н).

Рассмотрим расчетную схему (рис.2.2)

Рис.2.2 Схема рычажного механизма

Значение силы на приводе можно найти из соотношения

, (2.4)

где Р_З = 6017 Н - сила закрепления;

a = 60 мм и b = 120 мм - плечи рычага.

Значение силы на приводе рассчитывается по формуле

; (2.5)

Значение силы на приводе, рассчитанное по формуле (2.5),

(Н).

Рассмотрим принципиальную схему гидроцилиндра (рис. 2.3).

Рис. 2.3 Принципиальная схема гидроцилиндра

Площадь поршня гидроцилиндра находится по формуле

, (2.6)

где D - диаметр поршня, мм.

Принимаем D = 50 мм, тогда значение площади поршня гидроцилиндра, рассчитанное по формуле (2.6),

(мм²).

Активная площадь поршня в штоковой полости определяется по формуле

, (2.7)

где D = 50 мм - диаметр поршня;

d - диаметр штока, мм.

Принимаем диаметр штока d = 32 мм.

Значение активной площади поршня в штоковой полости, рассчитанное по формуле (2.7),

(мм²).

Необходимо определить усилие, действующее на активную площадь А₂ при наличии противодавления в штоковой полости.

Усилие, действующее на активную площадь А2 определяется по формуле

, (2.8)

где р₂ - противодействие в штоковой полости;

А₂ = 1159 мм² - активная площадь поршня.

Принимаем противодействие в штоковой полости p₂ = 0,5 МПа.

Значение усилия, рассчитанное по формуле (2.8),

 (Н).

Рабочее давление определяется на основе уравнения

, (2.9)

где F₁ - рабочее усилие, Н;

F = 3008,5 Н - сила на приводе.

Формула для определения рабочего давления имеет вид

. (2.10)

Значение рабочего давления, рассчитанное по формуле (2.10),

(МПа).

Рабочее усилие (усилие на штоке гидроцилиндра) рассчитывается по формуле

; (2.11)

(Н).

2.3 Разработка конструкции и расчет силовой головки

Силовая головка обеспечивает ускоренную рабочую подачу режущего инструмента в зону обработки и позволяет реализовать оптимальные скорости резания.

Силовая головка состоит из муфты 1, крышек 2, 4, корпуса 3, пиноли 5, шпинделя 6, фланцев 7, 9, втулок 8, 12, кронштейна 10, плиты 11, командоаппарата 50, упора 51, электродвигателя 52, колец, гаек, винтов, болтов, шпилек, подшипников.

Вращение шпинделя 6 осуществляется электродвигателем 52 через муфту 1, которая передает вращение через шлицевое соединение. Быстрое и медленное перемещение пиноли 5 с подшипниками обеспечивается гидросистемой. В начале цикла при подаче рабочей жидкости в правую канавку пиноль 5 вместе с подшипниками перемещается влево. Командоаппарат 50 отслеживает это перемещение. По окончании обработки подается сигнал на отвод. Жидкость подается в другую канавку, пиноль 5 возвращается в исходное положение.

Точность обработки на станке определяется в значительной мере точностью вращения шпинделя, передающего движение закрепленному в нем инструменту. В связи с этим к силовой головке предъявляются следующие основные требования:

1. Точность вращения - характеризуется биением переднего конца шпинделя. Для разрабатываемого специального станка для обработки фасок на прутках круглого сечения точность вращения назначается с учетом требуемой точности обрабатываемой на станке детали.

2. Жесткость - определяется правильностью положения шпинделя под действием рабочих сил. Слишком большие деформации шпинделя неблагоприятно отражаются на точности обработки и на работоспособности опор шпинделя и его привода.

Указанные требования обеспечиваются правильным выбором материала шпинделя.

Так как основным требованием для шпинделя является достаточная жесткость, зависящая от модуля упругости материала шпинделя. В связи с тем, что модуль упругости различных сталей практически одинаков, нет оснований применять для шпинделей легированные стали, поэтому в качестве материала для изготовления шпинделя в станке для обработке фасок используется среднеуглеродистая конструкционная сталь 45 с последующим улучшением (закалка высоким отпуском до твердости HRC 22-28).

Выбор конструкции шпиндельного узла.

В шпиндельном узле станка для обработки фасок на прутках круглого сечения одна опора делается плавающей, а другая жестко закреплена. При нагреве шпиндельного узла может произойти его удлинение, что повлечет за собой затяжку подшипника и его быстрый износ. Плавающая опора смещается вдоль оси шпиндельного вала и предотвращает заклинивание подшипника.

В зависимости от скоростного коэффициента выбирается тип подшипников и схема шпиндельного узла.

Скоростной коэффициент определяется по формуле

; (2.12)

где K_V - скоростной коэффициент, зависящий от схемы шпиндельного узла;

d - диаметр под передней опорой, мм;

n - максимальная частота вращения шпинделя, об/мин.

Значение скоростного коэффициента, рассчитанное по формуле (2.12),

.

В соответствии с рекомендациями [6] принимаем схему шпиндельного узла (рис. 2.4).



Рис. 2.4 Схема шпиндельного узла

Выбор точности подшипников шпиндельного узла.

Для шпинделей металлорежущих станков требуются подшипники, обеспечивающие высокую точность и стабильность положения оси вращающегося шпинделя.

При изготовлении высококачественных подшипников трудно сделать абсолютно точные поверхности качения и поверхности дорожек, по которым движутся тела качения. При работе подшипника возникают биения, которые, в свою очередь, воздействуют на шпиндель и обрабатываемую поверхность. Необходимо определить класс точности подшипников и сборку их в шпиндельном узле, для этого рассмотрим две схемы установки подшипников и примем наилучший вариант.

Рис. 2.5 Схема установки подшипников

На рис. 2.5 показана схема биения подшипников, биение направлено в противоположные стороны (наихудший вариант). Из [7] (для данного аналога типа станка D_наиб = 80 мм) выбираем величину биения конца шпинделя, принимаем мкм. Из [6] известно, что биение подшипников формирует приблизительно 1/3 погрешности вращения шпинделя, мкм.

; (2.13)

где - отношение длины вылета к длине между опорами (чертеж 04.36.616.01.000.СБ ),

.

- требуемое биение передней опоры, мкм.

Значение биения в передней опоре, рассчитанное по формуле (2.13),

(мкм).

Биение в задней опоре рассчитывается по формуле

; (2.14)

( мкм).

Так как подшипника с биением мкм нет, то рассмотрим следующую схему.

Рис. 2.6 Схема установки подшипников

На рис. 2.6 показана специальная сборка подшипников в шпиндельном узле, так что биение подшипников в передней и задней опоре направлены в одну сторону.

По табл. 9 [6] для диаметров подшипников d_a= 55 мм, предварительно принимаем 2 класс точности подшипника мкм. Для d_в = 50 мм предварительно принимаем 4 класс точности подшипника мкм.

Биение переднего конца шпинделя можно рассчитать по формуле

; (2.15)

где - количество подшипников в опоре =2, =2 .

(мкм);

Так как , то условие выполняется.

Для подшипника диаметром d_a= 55 мм в передней опоре принимаем 2 класс точности подшипника. Для подшипника диаметром d_в= 50 мм принимаем 4 класс точности подшипника.

Произведем проверочный расчет шпинделя. Рассмотрим схему приложения сил на него (рис. 2.7).



Рис. 2.7 Схема сил, действующих на шпиндельный вал

Проверочный расчет вала произведен в программном пакете APM WinMachine.

Крутящий момент, действующий на вал, рассчитывается по формуле

, (2.16)

где N = 3000 Вт - мощность электродвигателя, Вт;

щ - угловая скорость вращения, рад/с.

В формуле (2.16) угловая скорость рассчитывается по формуле

, (2.17)

где n = 950 об/мин - частота вращения вала.

(об/мин);

Значение крутящего момента, рассчитанное по формуле (2.16),

 (Нм).

Исходные данные, необходимые для расчета: Р_x = 733 Н, Р_y = 278 H, Р_z = 964 Н - составляющие силы Р; М_кр = 30 Нм.

На рис. 2.8 - 2.16 приведены результаты проверочного расчета вала в программном пакете APM WinMachine.

Момент изгиба, Н.м
Длина вала, мм

Рис. 2.8 Момент изгиба вертикальный

Момент изгиба, Н.м
Длина вала, мм

Рис. 2.9 Момент изгиба горизонтальный

Момент кручения, Н.м
Длина вала, мм

Рис. 2.10 Момент кручения

Напряжение, МПа
Длина вала, мм

Рис. 2.11 Напряжения

Перемещение, мм
Длина вала, мм

Рис. 2.12 Перемещения вертикальные

Перемещение, мм
Длина вала, мм

Рис. 2.13 Перемещения горизонтальные

Угол изгиба, град
Длина вала, мм

Рис. 2.14 Угол изгиба вертикальный

Угол кручения, град
Длина вала, мм

Рис. 2.15 Угол кручения

Коэффициент запаса
Длина вала, мм

Рис. 2.16 Усталостная прочность

Перемещения вала составляют 0,0009 мм. Это меньше допустимого, равного 0,09 мм [5]. Угол изгиба в левой опоре , в правой . Эти значения допустимы, т.к. для радиальных шарикоподшипников допустимый угол изгиба равен [6]. Минимальное значение коэффициента запаса равно 18 при допустимом 1,5 … 2,5 [9]. Проанализировав результаты расчета приходим к выводу, что данный вал удовлетворяет условию прочности.

Произведем расчет режимов резания.

При назначении элементов режимов резания учитывается характер обработки, тип и размеры инструмента, материал его режущей части, материал и состояние заготовки.

Производится обработка фасок на прутках, изготовленных из конструкционной стали, резцами, которые оснащены неперетачиваемыми сменными четырехгранными пластинами из твердого сплава Т5К10.

Скорость резания рассчитывается по формуле

. (2.18)

Значения коэффициентов С_V, x, y, и m ([2], табл.17, с.269):

С_v = 420;

х = 0,15;

у = 0,20;

m = 0,20;

Т = 60 мин - среднее значение стойкости при одноинструментной обработке;

t = 4 мм - глубина резания.

Подача s определяется по формуле

, (2.19)

где а = 0,1 мм - толщина среза;

= 60 - главный угол в плане.

Значение подачи, рассчитанное по формуле (2.19),

(мм/об).

Коэффициент К_V является произведением коэффициентов, учитывающих влияние состояния поверхности К_ПV, материала инструмента К_ИV, материала заготовки К_MV Значения коэффициентов определяются из ([2], табл.1-6, с.261- 263)

K_ПV = 0,9;

К_ИV = 0,65.

Коэффициент, учитывающий материал заготовки, рассчитывается по формуле

, (2.20)

где К_Г = 1 - коэффициент, характеризующий группу стали по обрабатываемости, выбирается по ([2], табл.2, с.262);

n_V =1 - показатель степени, выбирается из ([2], табл.2, с.262).

МПа - временное сопротивление на разрыв обрабатываемого материала.

Значение коэффициента, учитывающего материал заготовки, рассчитанное по формуле (2.20),

.

Значение коэффициента К_V

.

Значение скорости резания, рассчитанное по формуле (2.18),

(м/мин).

Произведем расчет сил резания.

Силу резания принято раскладывать на составляющие силы, направленные по осям координат станка (тангенциальную P_z, радиальную P_y и осевую P_х). Эти составляющие рассчитываются по формуле

, (2.21)

где t = 4 мм - глубина резания;

s = 0,12 мм/об - подача;

V = 135 м/мин - скорость резания.

В формуле (2.21) постоянная С_р и показатели степени x, y, n для расчетных условий обработки для каждой из составляющих силы резания выбираются из ([2], табл.22, с.273).

Для тангенциальной составляющей силы резания P_z значения постоянной и показателей степени

С_р = 300;

х = 1,0;

у = 0,75;

n = - 0,15.

Для радиальной составляющей силы резания P_у значения постоянной и показателей степени

С_р = 243;

х = 0,9;

у = 0,6;

n = - 0,3.

Для осевой составляющей силы резания P_х значения постоянной и показателей степени

С_р = 339;

х = 1,0;

у = 0,5;

n = - 0,4.

В формуле (2.21) поправочный коэффициент К_р представляет собой произведение ряда коэффициентов, учитывающих фактические условия резания

. (2.22)

В формуле (2.22) численные значения коэффициентов выбираются из ([2], табл.9,10 и 23, с.264, 265, 275).

Коэффициент К_мр определяется по формуле

, (2.23)

где МПа - временное сопротивление разрыв обрабатываемого материала;

n = 0,75 - показатель степени при обработке резцами.

Значение коэффициента К_мр, рассчитанное по формуле (2.23),

.

Для тангенциальной составляющей силы резания P_z значения поправочных коэффициентов

= 0,94;

К _р = 1;

К _р = 1;

К_{r p} = 0,87.

Значение поправочного коэффициента для тангенциальной составляющей силы резания, рассчитанное по формуле (2.22),

.

Для радиальной составляющей силы резания P_у значения поправочных коэффициентов

= 0,77;

К _р = 1;

К _р = 1;

К_{r p} = 0,66.

Значение поправочного коэффициента для радиальной составляющей силы резания, рассчитанное по формуле (2.22),

.

Для осевой составляющей силы резания P_х значения поправочных коэффициентов

= 1,11;

К _р = 1;

К _р = 1;

К_{r p} = 1.

Значение поправочного коэффициента для осевой составляющей силы резания, рассчитанное по формуле (2.22),

.

Значения тангенциальной, радиальной, осевой составляющих силы резания, рассчитанные по формуле (2.21),

(Н);

(Н);

(Н).

Произведем расчет мощности резания.

Мощность резания рассчитывается по формуле

, (2.24)

где P_z = 961 Н - тангенциальная составляющая силы резания;

V = 135 м/мин - скорость резания.

Значение мощности резания, рассчитанное по формуле (2.24),

(кВт).

2.4 Разработка конструкции и расчет резцовой головки

Резцовая головка позволяет производить обработку фасок на всем диапазоне прутков.

Резцовая головка состоит из корпуса 1, в котором расположены два резца 3. Резцы 3 оснащены неперетачиваемыми сменными четырехгранными пластинами из твердого сплава Т5К10.

Перед работой станка необходимо настроить резцовую головку на требуемый диапазон диаметров: установить резцы на резцедержатель и, прижимая к опорным торцам, закрепить винтами, установить калибр требуемого диапазона в центральное отверстие резцовой головки и вращением винта подвести упор резцедержателя до легкого касания в поверхность калибра, зажать. То же самое повторить со вторым резцедержателем.

Рассмотрим геометрию резца (рис.2.17).

Назначим главный угол в плане = 60, вспомогательный угол в плане ₁ = 30.

Главными геометрическими параметрами режущего клина являются передний угол и задний угол . Значения углов и зависят от условий резания, в том числе от свойств обрабатываемого и режущего материала, режима резания и других факторов.

Рис. 2.17 Геометрия режущего клина

Значение переднего угла рассчитывается по формуле проф. М.Н. Ларина

, (2.25)

где - временное сопротивление на разрыв обрабатываемого материала, МПа;

С = 0,25 - коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала и материала режущего инструмента, выбирается из ([4], табл.1),

х = - 8 - показатель степени, зависящий от обрабатываемого материала и материала режущего инструмента, выбирается из ([4], табл.1).

Значение переднего угла, рассчитанное по формуле (2.25),

.

Значение заднего угла рассчитывается по формуле проф. М.Н. Ларина

, (2.26)

где а = 0,1 мм - толщина среза.

Значение заднего угла, рассчитанное по формуле (2.26),

.

Под совокупным воздействием сил и температур во время обработки заготовки резцом происходит пластическое деформирование режущего клина, что существенным образом меняет геометрию режущего клина резца.

Для оценки формоутойчивости режущего клина воспользуемся формулой Т.Н. Лоладзе

, (2.27)

где HR = 50 - твердость по Роквеллу;

МПа - временное сопротивление на разрыв обрабатываемого материала;

- максимальное касательное напряжение, МПа.

В формуле (2.27) максимальное касательное напряжение определяется по формуле

, (2.28)

где P_z = 961 Н - тангенциальная составляющая силы резания;

= 2,5 - передний угол;

l₁ =1 мм - длина контакта стружки с передней поверхностью;

P_N - нормальная составляющая силы резания, Н, которая определяется по формуле

; (2.29)

(Н).

В формуле (2.28) b - ширина среза, мм, которая определяется по формуле

, (2.30)

где t = 4 мм - глубина резания;

= 60 - главный угол в плане.

Значение ширины среза, рассчитанное по формуле (2.30),

(мм).

Значение максимального касательного напряжения, рассчитанное по формуле (2.28),

(МПа);

Значение n_т, рассчитанное по формуле (2.27),

.

Так как n_т > 1, то формоустойчивость резца достаточная, то есть резец не теряет геометрию клина в процессе обработки.

3 Экономическая часть. Технико-экономическое обоснование разработки

3.1 Расчет технико-экономических показателей

В экономической части ведется расчет технико-экономических показателей проектируемого технологического проекта, производится их сравнительный анализ с показателями базового варианта, определяется экономический эффект от предложенных в проекте технических решений.

Основными экономическими данными для экономического анализа базового и проектируемого вариантов являются данные: годовой объем производства деталей; трудоемкость операции (штучное время); себестоимость получения заготовки; вид, тип, марка оборудования, его габариты, мощность, цена; вид оснастки, инструмента и их ориентировочная стоимость.

В табл. 3.1 приведена краткая характеристика сравниваемых вариантов.

Таблица 3.1 Краткая характеристика сравниваемых вариантов

Базовый вариант	Проектируемый вариант
Изготовление деталей из прутка без предварительной операции обработки торцов прутков	Изготовление деталей из прутка с предварительной операцией обработки торцов прутков
Тип производства - массовое	Тип производства - массовое
Форма оплаты труда - повременно-премиальная	Форма оплаты труда - повременно-премиальная
Нормальные условия труда	Нормальные условия труда. Изменения: - увеличение количества рабочих; - увеличение срока службы цангового патрона

Исходные данные для экономического обоснования сравниваемых базового и проектного вариантов приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2 Исходные данные для экономического обоснования сравниваемых вариантов

№ п/п	Показатели	Услов.обозн./ един.измер.	Значение показателей	Источник информации
			базовый	проектный
1	2	3	4	5	6
1	Годовая программа выпуска	Пг, шт	420000	420000	задание
2	Норма штучного времени на операцию, в т.ч. машинное время	Тшт, мин Тмаш, мин	0,8 0,65	0,3 0,7 0,2 0,55	Расчет Расчет
3	Часовая тарифная ставка: -рабочего оператора -наладчика	Сч, руб Счнал, руб	23,43 27,54	23,43 27,54	Данные кафедры «ЭО и УП»
4	Коэффициент доплат до часового, дневного и месячного фондов	Кд	1,4	1,4	- // -
5	Коэффициент доплат за проф. мастерство (начиная с 3-го разряда)	Кпф	1,16	1,16	- // -
6	Коэффициент выполнения норма (Для ВАЗа Кв.н.=1)	Кв.н.	1	1	- // -
7	Коэффициент доплат за ночные и вечерние часы	Кн	1,1	1,1	- // -
8	Коэффициент премирования (Для ВАЗа Кпр=1,2)	Кпр	1,2	1,2	- // -
9	Коэффициент отчислений на социальные нужды	Кс	0,356	0,356	- // -
10	Годовой эффективный фонд времени работы: – оборудования (при 3 сменной = 5960 ч.) – для рабочих	Фэ, час Фэ.р., час	5960 1731	5960 1731
11	Цена единицы оборудования	Цоб, руб	989000	989000 732000	Данные предприятия или прейскурант цен
12	Условная мощность электродвигателя	Му, кВт	3,5	3 3,5
13	Коэффициент одновременной работы электродвигателей (0,8…1,0)	Код	0,9	0,9
14	Коэффициент загрузки электродвигателей по мощности (0,7…0,8)	Км	0,7	0,7
15	Коэффициент загрузки электродвигателей по времени (0,5…0,85)	Кв	0,8	0,8
16	Коэффициент потерь электроэнергии в сети завода (1,04…1,08)	Кп	1,07	1,07
17	Тариф оплаты за электроэнергию	Цэ, руб/кВт	1,1	1,1	Данные кафедры «ЭО и УП»
18	Коэффициент полезного действия станка (0,7…0,95)	КПД	0,8	0,8 0,8	Паспорт станка
19	Цена единицы инструмента	Ци, руб	1653	1550 1653
20	Выручка от реализации изношенного инструмента по цене металлолома (20% от цены)	Вр.и., руб	330,6	310 330,6
21	Коэффициент случайной убыли инструмента (1,1…1,2)	Куб	1,1	1,1 1,1
22	Стойкость инструмента	Ти, час	1	1 4 1
23	Цена единицы приспособления	Цп, руб	63800	120500 63800
24	Коэффициент, учитывающий затраты на ремонт приспособления (1,5…1,6)	Кр.пр.	1,5	1,5
25	Выручка от реализации изношенного приспособления (20% от цены)	Вр.пр., руб	12760	24100 12760
26	Физический срок службы приспособления (3…5 лет)	Тпр, лет	0,3	5 5
27	Расход на смазочно-охлаждающие жидкости (400…600) руб. на один станок в год	Нсм, руб	500	0 500
28	Площадь, занима-мая одним станком	Sуд, м2	12	10 12
29	Коэффициент, учитывающий дополнительную площадь (1,5…3,0)	Кд.пл.	2	2
30	Стоимость эксплуа-тации 1 м2 пло-ади здания в год	Ц э.пл., руб/м2	4500	4500
31	Норма обслужива-вания станков од-ним наладчиком (10…20 станков)	Нобсл., ед	20	20 20
32	Специализация: – оборудование (универсальное, специальное) – инструмент (универсальный, специальный)		Спец.	Спец. Спец.
33	Материал детали (заготовки)		сталь	сталь сталь
34	Масса детали	Мд, кг	15,7	15,7
35	Вес отходов	Мотх, кг	6,28	0,12 6,28
36	Цена 1 м3 материала	Цм, руб	38	38
37	Цена 1 м3 отходов	Цотх, руб	1,2	1,2

Расчет по сравниваемым вариантам необходимого количества оборудования и коэффициентов его загрузки изготовлением заданной проектом годовой программы выпуска деталей, расчет необходимой для изготовления годовой программы деталей численности рабочих операторов произведен в табл.3.3.

Таблица 3.3 Расчет необходимого количества оборудования и коэффициентов загрузки

№ п/п	Показатели	Расчетные формулы и расчет	Значение показателей
			Базовый	Проект.
1	Расчетное количество оборудования по изменяющимся операциям технологического процесса	; ; ;	0,93	0,35 0,82
2	Принятое количество оборудования	Расчетное количество округляется до ближайшего большего целого	1	1 1
3	Коэффициент загрузки оборудования	; ; ;	0,93	0,35 0,82

Расчет по вариантам прямых и сопутствующих капитальных вложений произведен в табл.3.4

Таблица 3.4 Расчет капитальных вложений (инвестиций)

№ п/п	Показатели	Расчетные формулы и расчет	Значение показателей
1	Прямые капиталь-ные вложения в технологическое оборудование	;	732000
2	Сопутствующие капитальные вложения:
2.1	Затраты на проектирование	, где Тпр - трудоемкость проектирования (час), Зчас - часовая зарплата конструктора, технолога	9805
2.2	Затраты на доставку и монтаж оборудования, руб	, где Кмонт=0,1…0,25 - коэффициент расходов на монтаж	146400
	ИТОГО сопутствующие капитальные вложения		156205
3	Общие капитальные вложения		888205

Поэлементный расчет технологической себестоимости сравниваемых операций приведен в табл.3.5.

Таблица 3.5 Расчет технологической себестоимости сравниваемых вариантов

№ п/п	Показатели	Расчетные формулы и расчет	Значение показателей
			Баз. вар	Проек.вар.
1	2	3	4	5
1	Основные материалы за вычетом отходов	, где КТ.З=1,05…1,06 - коэффициент транспортно-заготовительных отходов	618,9	618,8
2	Основная заработная плата
2.1	Рабочих-операторов - повременщиков (для ВАЗа)	где Чр - численность рабочих; Кз - коэффициент загрузки	0,65	0,57 0,24 =0,8
2.2	Рабочих-наладчиков		0,01	0,02
	Итого основная заработная плата	; ;	0,66	0,82
3	Отчисления на социальное страхование	; ;	0,23	0,29
4	Затраты на содержание и эксплуатацию оборудования
4.1	Затраты на текущий ремонт оборудования	где Кр=0,3 - коэффициент затрат на	0,74	0,57 0,07 =0,64
		текущий ремонт
4.2	Расходы на технологическую энергию		0,03	0,02 0,01 =0,03
4.3	Расходы на инструмент		15,76	13,32 1,10 =14,4
4.4	Затраты на содержание и эксплуатацию приспособлений	, где Нпр - количество приспособлений	0,62	0,03 0,02 =0,05
4.5	Расходы на смазочные, обтирочные материалы, охлаждающие жидкости	; ;	0,001	0,001
4.6	Расходы на содержание и эксплуатацию производствен-ной площади	; ; ;	0,24	0,21 0,07 =0,28
	Итого расходы на содержание и эксплуатацию оборудования		17,40	15,50

Калькуляция себестоимости составлена в табл.3.6.

Таблица 3.6 Калькуляция себестоимости обработки детали по вариантам технологического процесса, руб.

№ п/п	Статьи затрат	Значения, руб	Отклонения
		Баз., руб	Пр., руб
1	Материалы за вычетом отходов	618,90	618,80	0,10
2	Основная заработная плата рабочих	0,66	0,82	-0,16
3	Начисления на заработную плату	0,23	0,29	-0,06
4	Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования	17,40	15,50	1,90
	Итого Технологическая себестоимость	637,19	635,41	1,78
5	Общецеховые накладные расходы ; ;	1,42	1,72	-0,30
	Итого цеховая себестоимость ; ;	638,61	637,12	1,49
6	Заводские накладные расходы ; ;	1,75	2,00	-0,25
	Итого заводская себестоимость	640,40	639,12	1,3
7	Внепроизводственные расходы	32,02	31,94	0,08
	Всего полная себестоимость	672,40	671,06	1,34

3.2 Расчет показателей экономической эффективности проектируемого варианта

Ожидаемая прибыль (условно-годовая экономия) от снижения себестоимости обработки детали определяется по формуле

, (3.1)

где С_{полн.баз} = 672,40 руб. и С_{полн.пр} = 671,06 руб. - полная себестоимость базового и проектного вариантов соответственно;

П_г = 420000 шт - годовая программа выпуска деталей.

Значение ожидаемой прибыли, рассчитанное по формуле (3.1),

(руб).

Налог на прибыль рассчитывается по формуле

, (3.2)

где К_нал = 0,24 - коэффициент налогообложения.

Значение налога на прибыль, рассчитанное по формуле (3.2),

(руб).

Чистая ожидаемая прибыль определяется по формуле

; (3.3)

(руб).

Расчетный (ориентировочный) срок окупаемости капитальных вложений (инвестиций) определяется по формуле

, (3.4)

где К_общ = 888205 руб - общие капитальные вложения.

Значение ориентировочного срока окупаемости, рассчитанное по формуле (3.4),

(лет).

Расчетный срок окупаемости инвестиций принимается за горизонт расчета (Т).

Учитывая фактор времени, необходимо дисконтировать получаемую прибыль по формуле

, (3.5)

где Е- норма дисконта (процентная ставка на капитал).

t - 1-ый, 2-ой и т.д. шаг получения прибыли в процентах принятого горизонта расчета (принимаем за 1 шаг 1 год).

Рассчитываются шаги.

Первый шаг

(руб).

Второй шаг

(руб).

Третий шаг

(руб).

Определяется срок окупаемости (период возврата) капитальных вложений (Т_ок) последовательным суммированием дисконтированных доходов (Д_{общ.диск.}) и подсчета времени до тех пор, пока сумма доходов не окажется равной сумме инвестиций.

. (3.6)

Общий дисконтируемый доход за два шага составит

Д_{общ.диск}= Д₁ + Д₂; (3.7)

Д_{общ.диск} = 356440 + 297033 = 653473 (руб).

Для полного покрытия капитальных вложений не хватает

Р_п.к = К_общ - Д _{общ. диск}; (3.8)

Р_п.к = 888205 - 653473 = 234732 (руб).

; (3.9)

(год).

Таким образом, срок окупаемости Т_ок составит

Т_ок = 2 + 0,8 = 2,8 (год).

Определяется расчетный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений по формуле

; (3.10)

.

Е_расч Е (0,36 0,2), значит проект эффективен.

Вывод

В дипломном проекте проведено экономическое обоснование внедрения станка для обработки фасок на прутках круглого сечения перед последующей обработкой на токарных автоматах. В результате нововведения капитальные вложения составили 888205 рублей, срок службы патрона в токарном автомате увеличился с 0,3 года до 5 лет, что привело к снижению себестоимости одной детали на 1,34 рубля. Годовой экономический эффект составил 427728 рублей, срок окупаемости - 2,8 года, следовательно, проект эффективен.

4 Охрана труда и экологическая безопасность проекта

4.1 Описание оборудования и выполняемых операций

Процесс обработки прутков происходит на станке для обработки фасок на прутках круглого сечения.

Оператор загружает в накопитель заготовок прутки для обработки фасок. Визуально определяет, что прутки соответствуют требованиям: длина 1000…4000 мм, круг диаметров 16…80 мм. Устанавливает призмы на требуемый диаметр прутка, настраивает резцовую головку, включает электропитание в шкаф, подготавливает пульт к управлению «станком». Проверяет положение переключателя числа оборотов шпинделя, правильность наладки работы командоаппарата управления движением пиноли (головки силовой), работу блокировок, обеспечивающих безопасные условия работы на станке: невозможность включения вращения шпинделя при открытом кожухе резцовой головки; при положении упора не в «исходном», т.е. не убран вниз; при отсутствии сигнала о зажиме прутка. Убедившись в наличии блокировок оператор переходит к контролю работы станка на холостом ходу в режиме «одиночного автоматического цикла». Цикл завершается возвращением пиноли силовой головки в «исходное» положение, остановкой вращения шпинделя и режимом механического зажима. После окончания автоматического цикла оператор переводит переключатель «режима работы» в положение «наладка». На этом пробные испытания завершаются и можно переходить к работе станка под нагрузкой, т.е. с обработкой фасок на реальных заготовках. Оператор проверяет соответствие наладки на данный диаметр резцовой головки и механизма зажима, перегружает пруток из накопителя на транспортные ролики, устанавливает упор осевой ориентации прутка, совмещает ось прутка-заготовки с осью шпинделя силовой головки. После этого оператор продвигает пруток вдоль оси до касания в упор осевого базирования прутка, зажимает пруток, подает команду с пульта - «зажим», убирает упор в исходное положение. Включает «автоматический цикл» нажатием кнопки «пуск». Дальнейшая работа происходит без участия оператора. После завершения одиночного цикла появится светосигнал на пульте управления, приглашающий оператора к завершению технологического процесса. Оператор переключает режим работы станка на «наладку», перемещает пруток назад вдоль оси до исходного положения и управляя с пульта осуществляет выгрузку обработанного прутка. На этом этапе цикл работы завершен и станок готов к повторению циклов.

4.2 Опасные и вредные производственные факторы разрабатываемого объекта

В течение рабочего дня могут возникнуть опасные и вредные производственные факторы. Произведем анализ источников механических травм, источников шума, вибраций, излучений, условий микроклимата в помещении.

При разработке проекта завода наряду с максимальной механизацией и автоматизацией трудовых процессов, внедрением наиболее высокопроизводительного оборудования значительное внимание было уделено созданию условий для здорового и безопасного труда.

Параллельно с обеспечением высокой производительности труда осуществлено снижение тяжести труда. Работа автоматизированных линий с полной автоматизацией процессов сокращает до минимума ручные работы и позволяет создать благоприятные условия для рабочих.

На заводе широко используются грузонесущие и толкающие конвейера. Из одного цеха в другой грузы перевозятся в специальной унифицированной таре с помощью электро- и автопогрузчиков. В цех, в котором находится станок для обработки фасок на прутках круглого сечения, прутки подвозятся в таре с помощью автопогрузчиков.

Шум

Вопросы борьбы с шумом в настоящее время играют большую роль на производстве.

Шум на производстве наносит большой ущерб организму человека, снижает производительность труда. Утомление рабочих и операторов из-за сильного шума приводит к увеличению числа ошибок при работе, способствует возникновению травм. Нередко и в повседневной жизни человек подвергается воздействию шума недопустимо высокого уровня. Поэтому борьба с шумом является важной задачей.

Часто возникает необходимость защиты не только от шума, но и от инфра- и ультразвука.

Шумом является всякий нежелательный для человека звук. В качестве звука человек воспринимает упругие колебания, распространяющиеся волнообразно. Звуковые волны возникают при нарушении стационарного состояния среды вследствие воздействия на нее какой-либо возмущающей силы. Частицы среды при этом начинают колебаться относительно положения равновесия, причем скорость таких колебаний (колебательная скорость V), значительно меньше скорости распространения волны (скорости звука C). Шум распространяется тремя путями: по воздуху, через пол, через ограждения.

Область слышимых звуков ограничивается не только определенными частотами (20 - 20000 Гц), но и определенными предельными значениями звуковых давлений и их уровней.

В технической акустике применена логарифмическая шкала, каждому делению которой соответствует изменение шума в 10 раз. Эта логарифмическая величина называется уровнем интенсивности шума. По характеру спектра шумы бывают широкополосные и тональные. По временным характеристикам шумы подразделяются на постоянные, непостоянные, колеблющиеся, прерывистые, импульсные.

В зависимости от уровня и характера шума, его продолжительности, а также от индивидуальных особенностей человека шум может оказывать па него различное действие.

Шум, даже когда он невелик (при уровне 50-60 дБА), создает значительную нагрузку на нервную систему человека, оказывая на него психологическое воздействие. Это особенно часто наблюдается у людей, занятых умственной деятельностью. Слабый шум влияет на людей по-разному. Это зависит от возраста, состояния здоровья, вида труда, физического и душевного состояния человека в момент действия шума. Степень вредности какого-либо шума зависит также от того, насколько он отличается от привычного шума. Неприятное воздействие шума зависит и от индивидуального отношения к нему. Шум, который производит сам человек, его не беспокоит, а небольшой посторонний шум может вызвать сильный раздражающий эффект.

Существуют заболевания, такие как гипертоническая и язвенная болезни, неврозы, в ряде случаев желудочно-кишечные и кожные заболевания, которые связаны с перенапряжением нервной системы в процессе труда и отдыха. Отсутствие необходимой тишины, особенно в ночное время, приводит к преждевременной усталости, а часто и к заболеваниям. В этой связи необходимо отметить, что шум в 30 40 дБА в ночное время может явиться серьезным беспокоящим фактором. С увеличением уровней до 70 дБА и выше шум может оказывать определенное физиологическое воздействие на человека, приводя к видимым изменениям в его организме. Под воздействием шума, превышающего 85 90 дБА, в первую очередь снижается слуховая чувствительность на высоких частотах.

Сильный шум вредно отражается на здоровье и работоспособности людей. Человек, работая при шуме, привыкает к нему, но продолжительное действие сильного шума вызывает общее утомление, может привести к ухудшению слуха, а иногда и к глухоте, нарушает процесс пищеварения, происходят изменения объема внутренних органов.

Шум, воздействуя на кору головного мозга, оказывает раздражающее действие, ускоряет процесс утомления, ослабляет внимание и замедляет психические реакции.

Очень часто сильный шум в условиях производства может способствовать возникновению травматизма, так как на фоне этого шума не слышно сигналов транспорта, автопогрузчиков и других машин.

Вредные последствия шума зависят от силы и продолжительности его действия. Патологические изменения, возникшие под влиянием шума, рассматривают как шумовую болезнь.

Звуковые колебания могут восприниматься не только ухом, но и непосредственно через кости черепа (так называемая костная проводимость). Уровень шума, передаваемого этим путем, на 20--30 дБ меньше уровня, воспринимаемого ухом. Если при невысоких уровнях передача за счет костной проводимости мала, то при высоких уровнях она значительно возрастает и усугубляет вредное действие на человека.

Для снижения вредного влияния шума и вибрации применяются средства индивидуальной защиты, такие как: от шума - «беруши», от вибрации - механизированный инструмент, гасящий вибрацию.

Загрязнение воздуха рабочей зоны

Одним из необходимых условий здорового и высокопроизводительного труда является обеспечение чистоты воздуха и нормальных метеорологических условий в рабочей зоне помещений, т.е. в пространстве высотой до 2 м над уровнем пола или площадки, где находятся рабочие места. Устранение воздействия таких вредных производственных факторов, как газов и паров, пыли, избыточной теплоты и влаги, и создание здоровой воздушной среды, являются важной задачей, которая должна осуществляться комплексно, одновременно с решением основных вопросов производства.

Атмосферный воздух в своем составе содержит (% по объему): азота -- 78,08; кислорода -- 20,95; аргона, неона и других инертных газов -- 0,93; углекислого газа--0,03; прочих газов -- 0,01. Воздух такого состава наиболее благоприятен для дыхания.

Наряду с химическим составом важно, чтобы воздух имел определенный ионный состав. В воздухе содержатся отрицательные и положительные ионы, которые по подвижности разделяют на легкие и тяжелые. Тяжелые ионы образуются в результате оседания легких ионов на различные частицы: пылинки, капли тумана и т. п. В незагрязненном воздухе преимущественно находятся легкие ионы, а в загрязненном - тяжелые. На жизнедеятельность организма человека благотворное влияние оказывают отрицательные ионы кислорода воздуха.

Воздух рабочей зоны редко имеет приведенный выше химический состав, так как многие технологические процессы сопровождаются выделением в воздух производственных помещений вредных веществ - паров, газов, твердых и жидких частиц.

Пары и газы образуют с воздухом смеси, а твердые и жидкие частицы вещества -- дисперсные системы -- аэрозоли, которые делятся на пыль (размер твердых частиц более 1 мкм), дым (менее 1 мкм) и туман (размер жидких частиц менее 10 мкм). Пыль бывает крупно- (размер частиц более 50 мкм), средне- (50 -- 10 мкм) и мелкодисперсной (менее 10 мкм).

Поступление в воздух рабочей зоны того или иного вредного вещества зависит от технологического процесса, используемого сырья, а также промежуточных и конечных продуктов. Пары выделяются в результате применения различных жидких веществ, например, растворителей, ряда кислот, бензина, ртути и т. д., а газы - чаще всего при проведении технологического процесса.

Причины выделения пыли на предприятиях машиностроения могут быть самыми разнообразными. Пыль образуется при дроблении и размоле, транспортировании измельченного материала, механической обработке хрупких материалов, отделке поверхности (шлифовании, глянцевании), упаковке и расфасовке и т. п. Эти причины пылеобразования являются основными, или первичными. В условиях производства может возникать и вторичное пылеобразование, например, при уборке помещений, движении людей и т. п. Такое выделение пыли иногда бывает весьма нежелательным (в электровакуумной промышленности, приборостроении).

Вредные вещества проникают в организм человека главным образом через дыхательные пути, а также через кожу и с пищей. Большинство этих веществ относится к опасным и вредным производственным факторам, поскольку они оказывают токсическое действие на организм человека. Эти вещества, хорошо растворяясь в биологических средах, способны вступать с ними во взаимодействие, вызывая нарушение нормальной жизнедеятельности. В результате их действия у человека возникает болезненное состояние отравление, опасность которого зависит от продолжительности воздействия, концентрации (мг/м¹) и вида вещества.