Разработка конструкции и технология изготовления приспособления для обработки крупногабаритных деталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Развитие материальной культуры общества неразрывно связано с совершенствованием техники производства и орудий труда, для изготовления которых требуется применение различных материалов. Среди многих материалов особая роль принадлежит чёрным металлам, представляющим собой сплав железа с углеродом и другими элементами. В настоящее время нет такой отрасли народного хозяйства, где не применяются чёрные металлы. Промышленность, строительная индустрия, сельское хозяйство и оборона нашей страны требуют огромного количества чёрных металлов. Поэтому чёрная металлургия является основой всей промышленности страны. Широкое применение чёрных металлов объясняется высокими их механическими свойствами, большим распространением исходного сырья - железных руд в недрах земли и экономичностью переработки железных руд в чугун и сталь.

Все виды продукции из чёрных металлов получают путём предварительной выплавки чугуна из руд в доменных печах с последующим переделом его в сталь или непосредственным изготовлением из него изделий с помощью литья.

Прямое получение железа из руд хотя и возможно, но экономически невыгодно по сравнению с двухступенчатым способом получения чёрных металлов, то есть доменное производство ещё долгие годы будет основной базой чёрной металлургии страны. Это обязывает неуклонно совершенствовать и развивать технику и технологию доменного производства.

Засыпные устройства доменных печей предназначены для загрузки шихты и равномерного её распределения по окружности колошника, а также для предотвращения выхода колошникового газа через колошник в атмосферу.

Конуса и воронки засыпных устройств отливают из износоустойчивой стали. Контактные поверхности наплавляют твёрдым сплавом и тщательно шлифуют так, чтобы зазор не превышал 0,02 мм, добиваясь плотного прилегания контактных поверхностей во избежание продувов запылённого газа[7].

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1.1 Обоснование разработки работы

Создание надежных агрегатов и устройств с высокими технико-экономическими показателями связано с неуклонным повышением требований к точности и качеству изготовления деталей. Поэтому необходимо развивать и совершенствовать технологические методы механической обработки деталей, особенно чистовые и отделочные операции, удельный вес которых в общей трудоёмкости изготовления деталей непрерывно возрастает.

В настоящее время, когда подразделения переходят на самоокупаемость, перед обществом стоят главные задачи: снижение себестоимости выпускаемой продукции и повышение качества технического уровня изделий.

Контактные поверхности конусов и чаш наплавляются порошковой лентой марки ПЛ-Нп-500Х40Н40С2ГРЦ-Б-С, предназначенной для дуговой механизированной наплавки открытой дугой износостойкого никель-карбидохромового сплава на поверхность деталей, работающих в условиях абразивного и газоабразивного видов изнашивания при нормальных и повышенных температурах[7].

К контактным поверхностям предъявляются высокие требования:

Зазор между поверхностями не более 0,02 мм.

Отклонение угла наклона контактной поверхности не более 5 ?.

Шероховатость поверхности не выше Ra 0,8 мкм.

Высокая твёрдость наплавленной поверхности.

Межремонтный период засыпного аппарата - 1 год.

Наплавка производится в котельно-монтажном цехе «ССМ-ТЯЖМАШ» на установке У-125М для автоматической наплавки плавящимся электродом под флюсом или открытой дугой рабочих поверхностей конусов и чаш засыпных аппаратов твёрдыми сплавами.

Машина изготовлена по проекту ОКБ института электросварки АН УССР им. О.Е. Патюна г. Киев.

Габариты: Длина - 9820 мм;

Ширина - 13950 мм;

Высота - 11790 мм;

Общий вес - 178,622 т.

Техническая характеристика установки У-125М:

Грузоподъёмность манипулятора при расстоянии 2000 мм

от центра тяжести груза до оси вращения - 50 т.

Максимальный диаметр чаши - 5600 мм.

Максимальный диаметр конуса - 5200 мм.

Максимальная высота наплавляемого изделия - 4000 мм.

Число оборотов вращения планшайбы манипулятора: 0,235; 0,0905; 0,064; 0,037; 0,024; 0,0106; 0,0101; 0,038 об/мин.

Число оборотов наклона планшайбы манипулятора - 0,039 об/мин.

Время наклона планшайбы манипулятора на 900 - 6,6 мин.

Скорость перемещения каретки - 6 м/мин; 11 - 41 м/час.

Скорость перемещения рабочей площадки - 2 м/мин.

10) Скорость подъёма (опускания) рабочей площадки - 2,48 м/мин.

11) Скорость подъёма (опускания) продольной балки - 0,262 м/мин.

12) Скорость выдвижения (задвижения) секции рабочей

площадки - 2,9 м/мин.

Механическая обработка конусов и чаш засыпных аппаратов доменных печей производится на территории металлургического комбината ПАО «Северсталь» в ремонтно-механическом цехе №-1 «ССМ-ТЯЖМАШ» на токарно-карусельном станке модели 1580Л.

Техническая характеристика станка приведена в таблице 1.1 с указанием основных параметров и размеров.

Таблица 1.1 - Основные параметры и размеры токарно-карусельного станка

№ п/п	Наименование	Значение
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31.	Основные размеры по ГОСТ 44-93 Наибольший диаметр обрабатываемой заготовки, мм Наибольшая высота обрабатываемой заготовки (от зеркала планшайбы по «Коломенский ЗТС»), мм Наибольшая масса обрабатываемой заготовки, кг Высота сечения хвостовой части резца, мм Диаметр планшайбы стола, мм Рабочий ход ползунов, мм Рабочий ход салазок суппортов, мм Угол установки верхних суппортов к вертикали, град. Конус для крепления инструмента в расточном шпинделе токарно-фрезерного суппорта по ГОСТ 15945-82 Наибольшее усилие резания на суппортах, кН: при работе «на прижим» при работе на «отжим» Наибольшее суммарное усилие резания двумя суппортами, кН Наибольший момент резания на планшайбе, кН*м Количество ступеней привода планшайбы Пределы частот вращения планшайбы в токарном режиме, об/мин Пределы частот вращения планшайбы в расточно-фрезерном режиме, об/мин Пределы вертикальных и горизонтальных подач, мм/мин: а) левые салазки и ползун правого токарного суппорта б) правые салазки и ползун правого токарного суппорта Ускоренное перемещение салазок суппортов и ползунов, мм/мин Пределы частот вращения шпинделя токарно-фрезерного суппорта, об/мин Наибольший момент резания на шпинделе токарно-фрезерного суппорта, Н*м Минимальный диаметр отверстия, в которое можно ввести ползун, мм Количество гнёзд в магазине токарно-фрезерного суппорта Габаритные размеры станка (вместе с отдельно расположенными агрегатами и электрооборудованием), мм: длина х ширина х высота Масса станка (вместе с отдельно расположенными агрегатами и электрооборудованием), кг Класс точности станка по ГОСТ 44-93 Поворотная фрезерная головка: Посадочный диаметр фрезы по ГОСТ 24359-80, мм Наибольший допускаемый момент резания на шпинделе, Н*м Конус для крепления инструмента в шпинделе по ГОСТ 15945-82 Приспособление для выверки заготовки, шт. Максимальная величина подъёма, мм Максимальная грузоподъёмность, кг	8000 4200 140000 63 7100 2500 4435 + 30… - 15 50АТ6 (конусность 7:24) 100 80 160 400 4 0,18…19 0,14…0,00125 0,1…1000 1,0…1000 2250 2,5…390 1100 440 2 12200х15700х11570 264000 Н 128,57 1100 50 АТ6 (конусность 7:24) 8 2,5 20000
32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49.	Характеристика электрооборудования: Род тока питающей сети Частота, Гц Напряжение, при котором обеспечивается безаварийная работа станка, В Род тока электроприводов станка Напряжение, В: цепей управления цепей местного освещения Мощность электродвигателя привода планшайбы, кВт Мощность электродвигателя привода шпинделя токарно-фрезерного суппорта, кВт Характеристика систем управления станком Тип системы: а) токарно-фрезерный суппорт (левый) б) токарный (правый) Число управляемых координат: а) в следящем режиме б) в режиме индикации Дискретность задания и измерения линейных перемещений Х, Z, мм Дискретность отсчёта линейных и круговых перемещений Х, Z, С, мм (град.) Диапазон шага резьбы, соосной с осью вращения планшайбы, мм Диапазон шага резьбы, нарезаемой расточным шпинделем, мм Коррекция размеров инструмента по длине и радиусу Коррекция частоты вращения планшайбы и величины подачи Коррекция кинематической погрешности привода Диагностика неисправностей Объём памяти ЗУ для хранения УП не менее, кбайт	переменный трехфазный ± 2% ± 10% переменный, постоянный 110; 24 220 132 25 ЧПУ, контурно-позиционная УЦИ Х, Z Х; Z; С 0,001 0,001 1…100 1…20 имеется имеется имеется имеется 32

В ремонтном комплексе определилась потребность в изготовлении установки для черновой обработки деталей засыпных аппаратов доменных печей при годовой программе выпуска 3-х конусов и 3-х чаш с наименьшими затратами на механическую обработку.

Для решения этой задачи было принято решение о модернизации карусельного станка модели 1580Л, проектировании и изготовлении установки для обдирки конусов и чаш. Реализация этого проекта позволила без значительных инвестиций, с коротким сроком окупаемости, данный проект внедрить в производство.

Существующая до использования предложенного к рассмотрению устройства технология обработки контактных поверхностей конусов и чаш предусматривала грубую обработку с использованием специального устройства электроконтактной обработки (ЭКО), подвешивающегося на правый суппорт станка и чистовой обработки - шлифовальной головки с алмазным кругом на левом суппорте станка.

Недостаток данной технологии состоял в том, что на первой операции подготовки контактной поверхности к окончательной шлифовке использовалось устройство ЭКО, которое требовало очень больших затрат электроэнергии (рабочий ток до 3000А, а при обработке наплавленных участков всплески до 4000…5000А) и питьевой воды для охлаждения.

Ещё одним недостатком использования ЭКО являлось и то, что качество получаемой поверхности получалось недостаточным, так как правый горизонтальный суппорт станка, на который подвешивалось устройство, не может разворачиваться влево от вертикальной оси на необходимые углы обработки (32° и 28°), а только на 16°. Несовпадение направлений движения правого суппорта относительно обрабатываемой поверхности приводило к тому, что рабочий круг ЭКО «врезался» в обрабатываемую поверхность краем рабочего круга и получалась поверхность в виде гребешков см.рисунок 1.1 высотой до 3 мм, что в дальнейшем увеличивало время чистовой обработки, а из-за отсутствия на правом суппорте станка синхронности вертикальной и горизонтальной подач управление устройством ЭКО требовало постоянного внимания и высокой квалификации станочника.

Новая технология обработки наплавленных поверхностей конусов и чаш предусматривает использование на операции грубой обработки (обдирки) специального устройства, отличающегося тем, что оно устанавливается на правой колонне станка, головная часть которого перемещается правым суппортом шарнирной тягой параллельно обрабатываемой поверхности, а рабочий круг «развёрнут» перпендикулярно движению обрабатываемой поверхности см рисунок 1.2.

В качестве рабочего круга применены специальные круги «Norton» и «Sleep», используемые на шлифовальных станках в прокатных цехах.

Использование устройства позволило в несколько раз снизить время обработки, исключить большие затраты электроэнергии и технической воды, повысить качество подготовки поверхности под окончательную обработку.

Рисунок 1.1 - Обработка конусов и чаш устройством ЭКО

Рисунок 1.2 - Обработка по новой технологии

1.2 Цель и задачи работы

Целью работы является модернизация обдирочно-шлифовальной головки соответственно и карусельного станка модели 1580Л для обработки деталей засыпных аппаратов - это позволит решить техническую проблему по обработке чаш и конусов, и в свою очередь приведёт к экономии финансовых средств предприятия.

Для этого необходимо в процессе стадии разработки проекта решить основные задачи:

- разработать привод обдирочно-шлифовальной головки. Правильный выбор типа привода имеет существенное значение при проектировании головки. Самым распространенным типом привода является привод с клиноремённой передачей. Данная передача должна обеспечивать шлифовальному кругу скорость вращения 2670 мин-1;

- рассчитать и спроектировать шпиндельный узел обдирочо-шлифовальной головки, произвести ориентировочный расчет и конструирование приводного вала. Исходя из диаметра вала и его конструкции подобрать подшипники, проверить на долговечность. Составить расчетную схему вала, определить изгибающие моменты в плоскостях при кручении, определить коэффициент запаса усталостной прочности в опасном сечении опоры.

- спроектировать станочную систему механической обработки конусов и чаш, разработать структуру производства и построить циклограмму работы комплекса. Создание станочной системы является основным фактором повышения производительности труда, она обеспечит стабилизацию технологического и производственного процессов;

- разработать технологический процесс изготовления направляющей левой с использованием станков с ЧПУ, провести анализ технологичности конструкции детали, выбрать заготовку и рассчитать припуска на механическую обработку, разработать технологический процесс обработки детали, для обработки выбрать оборудование, универсальные приспособления, режущий и измерительный инструменты, подобрать режимы резания, произвести техническое нормирование операций, разработать управляющую программу для станков с ЧПУ. Направляющая левая - это часть обдирочно-шлифовальной головки;

- рассчитать и сконструировать комплект машинно-ручных метчиков для нарезания метрической резьбы в отверстиях направляющей левой, рассчитать элементы метчиков, геометрические параметры, число канавок, основные углы, конструктивные размеры.

- определить единовременные затраты: на проектирование, капитальные вложения, расходы на сборку и наладку, рассчитать снижение затрат за счёт снижения себестоимость детали после модернизации станка, определить показатели экономической эффективности проекта. Определить показатели технического уровня на основе типовой классификации показателей качества с использованием метода парных сравнений до и после модернизации, определить уровень качества технической системы. В результате внедрения представить выгодное конструктивное решение, выбрать технически необходимые и экономически оправданные решения;

- определить безопасность и экологичность проекта, провести анализ условий труда, меры по обеспечению безопасных и здоровых условий труда, рассчитать защитный кожух абразивного круга, определить меры по обеспечению безопасности персонала в условиях чрезвычайной ситуации по охране окружающей среды.

Настоящая работа посвящена модернизации с дальнейшим проектированием обдирочно-шлифовальной головки и модернизации карусельного станка модели 1580Л.



2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Описание работы шлифовальной головки

В выпускной квалификационной работе рассмотрено проектирование привода обдирочно-шлифовальной головки для обработки конусов и чаш доменных печей. Принципиальная схема представлена на рисунке 2.1. Поэтапно произведено конструирование ременной передачи, выбор подшипников, шпонок.

Устройство представляет собой специальное приспособление для грубой зачистки поверхностей деталей шлифовальным кругом, плоскость вращения которого расположена перпендикулярно обрабатываемой поверхности.

Устройство состоит из четырёх основных частей:

- плиты опорной с подпирающей снизу скобой;

- плиты выдвижной с поворотной частью на рабочем конце;

- шлифовальной головки с шарнирной частью на рабочем конце;

- шарнирной тяги.

Плита опорная представляет собой сварную конструкцию, которая постоянно находится на направляющих правой колонны станка. Снизу плита опорная подпирается винтом скобы, которая также постоянно закреплена на направляющих колонны станка и также не снимается со станка после окончания обработки. На опорной плите выполнен поперечный паз «Ласточкин хвост», по центру которого проходит ходовой винт с трапециидальной резьбой.

Вращение винта выполняется вручную ключом трещоточным через зубчатую передачу с правой стороны плиты опорной.

По поперечному пазу плиты опорной оси ходового винта перемещается плита выдвижная со шлифовальной головкой, расположенной на поворотной части, отклоняющейся от вертикальной оси червячной передачей, находящейся с обратной стороны выдвижной плиты. Фиксация поворотной плиты выполняется болтами по круговому Т - образному пазу.

На поворотной плите выполнен продольный выступ в виде «Ласточкиного хвоста», по которому пинолью правого суппорта через шарнирную тягу перемещается шлифовальная головка.

Шлифовальная головка состоит из сварного корпуса-кронштейна, шпиндельного узла шлифовального круга, электродвигателя, клиноремённой передачи и кожухов.

По центру корпуса приварена специальная оправка - держатель с зубчатой полумуфтой, за которую присоединяют шлифовальную головку к пиноли правого суппорта при наладке для обработки контактной поверхности у чаш.

Техническая характеристика абразивно-шлифовальной головки:

1) Количество оборотов шлифовального круга 2670 об/мин.

2) Максимальная окружная скорость шлифовального круга 69,9 м/сек.

3) Шлифовальный круг «Slip», «Norton» а) 500х76х305;

б) 500х76х203.

4) Минимальный диаметр шлифовального круга при внутреннем диаметре 305 мм 430 мм.

5) Максимальное перемещение выдвижной плиты 1200 мм.

6) Перемещение выдвижной плиты ручное.

7) Перемещение выдвижной плиты на 1 оборот ключа 3 мм.

8) Вертикальное перемещение плиты опорной винтом скобы 200 мм.

9) Рабочий ход шлифовальной головки 650 мм.

10) Угол разворота шлифовальной головки относительно вертикальной оси ± 40°.

11) Рабочая скорость перемещения шлифовальной головки на 1 оборот планшайбы станка 1…5.

На рисунке 2.1 представлена принципиальная схема исполнительного механизма

Рисунок 2.1 - Принципиальная схема исполнительного механизма:1 - планшайба станка; 2 - правая колонна станка; 3 - траверса; 4 - правый суппорт станка; 5 - конус доменной печи; 6 - плита опорная; 7 - плита выдвижная; 8 - шлифовальная головка; 9 - тяга

2.2 Расчёт и проектирование привода шлифовальной головки

2.2.1 Разработка и описание кинематической схемы привода

Кинематическая схема привода вращения абразивного круга: вращение от электродвигателя передается на ведущий шкив, затем по клиноременной

передаче на ведомый шкив. Ведомый шкив передает вращение на вал, на котором установлен абразивный круг.

Исходные данные:

1) Количество оборотов шлифовального круга 2670 об/ мин.

2) Максимальная окружная скорость шлифовального круга 69,9 м/ сек.

3) Наружный диаметр шлифовального круга 500 мм.

4) Внутренний диаметр шлифовального круга 305 мм.

5) Толщина круга 76 мм.

6) Вращающий момент на валу головки 102,5 Нм.

На рисунке 2.2 представлена кинематическая схема исполнительной машины

Рисунок 2.2 - Кинематическая схема исполнительной машины: 1 - электродвигатель; 2 - клиноремённая передача; 3 - абразивный круг

2.2.2 Энергокинематический расчёт привода

Определение общего коэффициента полезного действия привода[12]

Для определения общего КПД привода необходимо установить источники потери мощности на основе анализа кинематической схемы привода.

В данном приводе к ним относятся:

1) ременная передача - 1;

2) подшипники - 1 пара.

Значения КПД для каждого источника потери мощности находим по справочнику [4]:

Определяем КПД передачи:

ОБЩ=рем.·п/ш; % (2.1)

ОБЩ=рем.·п/ш = 0,95 · 0,99 = 0,94 %

Подбор электродвигателя осуществляется по потребной мощности:

Рp = Рим/ОБЩ, кВт (2.2)

где Рим - мощность на валу исполнительного механизма, кВт.

Рим= Т· щ = Т · р ·n / 30, кВт, (2.3)

где n- количество оборотов круга, мин-1.

n = 60 · х / р ·D,мин-1, об/мин (2.4)

где х - частота вращения круга, м/с;

D -диаметр шлифовального круга, м;

n = 60 · 69,9 / 3,14 · 0,5 = 2 670 мин-1;

Рим= Т· р ·n / 30 = 102,5 · 3,14 ·2 670 / 30 = 28 000 Вт = 28 кВт;

Рp = 28 / 0,94 = 29,79 кВт.

При выборе должно соблюдаться условие Рэл.лв> Рp (быть ближайшим большим по мощности).

Для данного привода может использоваться три электродвигателя из таблицы 2.1[12].

Таблица 2.1 - Выбор электродвигателей трёхфазных асинхронных серии 4А

Тип двигателя	Рэд., кВт	Nэд., мин-1
4А180М2У3	30	2945
4А200М4У3	30	1470
4А200L6У3	30	980

Для выбора электродвигателя с определённой частотой вращения необходимо сравнить общее передаточное число привода, которое даёт

применение каждого из электродвигателей с общим передаточным числом, которое даёт применение заданных типов передач.

Для заданной кинематической схемы справедливо: uрем= 1…4

Передаточные отношения:

u01 = 2945 / 2670 = 1,1;

u02 = 1470 / 2670 = 0,6;

u03 = 980 / 2670 = 0,4.

Для нашей установки предпочтительно выбрать электродвигатель с 2 945 мин-1, то есть серии 4А180М2У3 ТУ16-510.810-81, имеющий минимальные габариты среди электродвигателей мощностью 30 кВт. Исполнение

электродвигателя - на лапах, диаметр вала электродвигателя d = 48мм, длина выходного вала L = 110 мм.

Кинематический расчет привода:

Разбивка общего передаточного числа по ступеням:

Так как выбрали первый электродвигатель, то общее передаточное число uо=1,1.

Определение частот вращения и моментов на валах:

n1 = nэл = 2 945 мин-1;

n2 = n1 / uрем. = 2945 / 1,1 = 2 677 мин-1. (2.5)

Моменты на валах находятся по формуле:

Тi = Ni / I, Н/м (2.6)

где N_i - мощность на соответствующем валу, найденная с учетом КПД элементов привода, Вт;

w_i - угловая скорость вала, с^-1.

----------------------------------------------------------------------------------------------------w_i = p·--n_i / 30, с^-1. (2.7)

Определяем угловую скорость:

----------------------w₁ = 3,14·2945 / 30 = 308,4 с^-1;

----------------------w₂ = w₁ / u_рем. = 308,4 / 1,1 = 280,4 с^-1.

Определяем мощность на валах:

N_i = N_i-1 ·h_i-1,I, Вт; (2.8)

N₁ = N_эл. = 30 · 10³ = 30 000 (Вт);

N₂ = N_эл·h_рем. ·_пш. = 30 000 · 0,95 · 0,99 = 28 200 (Вт).

Определяем моменты на валах:

Т₁ = N₁ / w₁ = 3 000 / 308,4 = 97,3 (Нм); (2.9)

Т₂ = N₂ / w₂ = 28 200 / 280,4 = 100,5 (Нм).

2.2.3 Проектирование ременной передачи

Расчёт начинаем с выбора сечения ремня по заданному номинальному моменту.

Исходные данные:

1) Мощность, N1 = 30 кВт.

2) Частота вращения вала, n1 = 2 945 мин-1.

3) Частота вращения ведомого вала, n2 = 2 677 мин-1.

При Т1 = 97,3 Нм по таблице 5.6 [19] рекомендуется выбрать сечение «Б» клинового ремня с площадью поперечного сечения F = 138 мм2

Выбираем диаметр D1 ведущего шкива Dmin = 125 мм. Для обеспечения большей долговечности ремня выбираем шкив на 1-2 номера больше:

Принимаем: D1min = 180 мм.

Находим диаметр D2 ведомого шкива при относительном скольжении = 0,015 [6]:

D2 = i·D1·(1- ) = 1,1 · 180 ·(1- 0,015) = 195 мм. (2.10)

Ближайшее стандартное значение:D2 = 200 мм.

Уточняем передаточное отношение ic учётом :

i = D2 / D1 · (1- ) = 200 / 180 · 0,985 = 1,13 . (2.11)

Пересчитываем:

n2 = n1 / i = 2 945 / 1,13 = 2 606 мин-1. (2.12)

Расхождение с заданным( при допускаемом расхождении до 3%):

n2 = (2 670 - 2 606) · 100% / 2 606 = 2,5 %

1,27 3 .

Принимаем: D1 = 180 мм; D2 = 200 мм.

Определяем межосевое расстояние а [6]:

амин= 0,55(D1 + D2) + h, мм, (2.13)

где h = 10,5 мм.

амин = 0,55(180 + 200) + 10,5 = 219,5 мм.

а - по прорисовке: а = 500

амакс.= 2(D1 + D2), мм; (2.14)

амакс.= 2(180+ 200) = 760 мм;

асред.= (219,5 + 760) / 2 = 489,75 мм. (2.15)

Принимаем: а = 500 мм.

Расчётная длина ремня определяется:

Lр =2а + / 2(D1 + D2) + (D1 - D2)2 / 4а, мм; (2.16)

Lр = 2 · 500 + 3,14 / 2(180 + 200) + (200 - 180)2 / 4 · 500 = 1 597,1 мм.

Выбираем ближайшую по стандарту длину ремня: L = 1 600 мм.

Вычисляем:

Dср. =0,5(D1 + D2) = 0,5(200 + 180) = 190 мм. (2.17)

Определяем новое значение «а» с учётом стандартной длины L по формуле:

а = 0,25[L - Dср.+ (L - Dср.)2 - 2(D2 - D1)2], мм; (2.18)

а = 0,25[1600 - 3,14 · 190 + (1600 - 3,14 · 190)2 - 2(200 - 180)2] = 501,5 мм.

Угол обхвата меньшего шкива:

1 = 180 - 60(D2 - D1) / а = 180 - 60 · (200- 180) / 501,5 = 177,6, (2.19)

при [б] ? 120°.

Скорость:

V = 0,5·1 ·D1 = 0,5 · 308,4 · 180· 10-3 = 27,7 м/с. (2.20)

V = 0,5 · 1 · D1 = 0,5 · 308,4 · 180 · 10-3 = 27,7 м/с. (2.21)

Ро = 230 Н при i = 1; D1 = 180 мм; Lо = 1600 мм и V = 27,7 м/с.

Допускаемое окружное усилие на один ремень:

Р = Ро одним клином сечения «Б».

Ро = 230 Н при i = 1; D1 = 180 мм; Lо = 1600 мм и V = 27,7 м/с.

Допускаемое окружное усилие на один ремень:

Р = Ро · С · СL · Ср , Н, (2.21)

где С = 1 - 0,003(180 - 1) = 1 - 0,003(180 - 177,6) = 0,99; СL - коэффициент, учитывающий влияние длины ремня;

СL = 0,3 · L / Lо + 0,7; (2.22)

СL = 0,3(1600 / 2240) + 0,7 = 0,91.

Ср - коэффициент режима работы (работа в одну смену), Ср = 1;

Р = 230 · 0,99 · 0,91 · 1 = 207,8 Н

Определяем окружное усилие:

Р = N / V = (30 · 103) / 27,7 = 1083 Н. (2.23)

Расчётное число ремней

Z = Р / Р = 1083 / 207,8 = 5,2. (2.24)

Принимаем Z = 6.

Определяем усилия в ременной передаче, приняв напряжения от предварительного натяжения:

Qо = 1,6 Н/мм2.

Предварительное натяжение каждой ветви ремня:

Sо = Qо·F = 1,6· 138 = 221 Н. (2.25)

Рабочее натяжение ведущей ветви:

S1 = Sо + Р / 2Z = 221 + 1083 / 2 · 6 = 311,25Н. (2.26)

Ведомой ветви:

S2 = Sо - Р / 2Z = 221 - 1083 / 2 · 6 = 130,75Н. (2.27)

Усилие на валы:

Q = 2 ·Sо·Z·sin1 / 2 = 2 · 221 · 6 ·sin 177,6 / 2 = 2651 Н. (2.28)

2.2.4 Ориентировочный расчёт и конструирование приводного вала

На рисунке 2.3 показана конструкционная схема вала.

Рисунок 2.3 - Конструкционная схема вала

Ориентировочный расчёт приводного вала:

Предварительный расчёт проведём на кручение по пониженным допускаемым напряжениям [6].

Диаметр находим по формуле:

d>³ЦT₂· 10³ / 0,2[t]_к , мм,

где T₂ - крутящий момент на валу, (T₂ = 100,5 Нм);

[t]_к - допускаемое напряжение при кручении ([t]_к = 20…25 Н/мм² для валов из стали 45).

d>³Ц 100,5 · 10³ / 0,2 · 25 = 27,19 мм.

Полученное значение округляем по ГОСТ 6636-69 до ближайшего большего значения из ряда R40:

d = 28 мм.

Выполняем эскиз вала (см. приложения, эск. № 1). При проектировании вала выбираем коническую форму консольных участков с внутренней резьбой, так как на данные участки будут закреплены шкив для приводных клиновых ремней и шлифовальный круг. Коническая форма обеспечивает точное и надёжное соединение, возможность лёгкого монтажа устанавливаемых деталей. Коническую часть вала выполняем конусностью 1:10.

Ширину шкива вычисляем по формуле [1]:

М = (n - 1)е + 2f, мм, (2.30)

где n - число ремней в передаче;

е и f - размеры по табл. 29 [1, Т2, с. 736 - 737].

М = (6 - 1) · 19 + 2 · 12,5 = 120 мм.

Диаметр вала под резьбу при коническом конце вала и фиксации шкива и шлифовального круга шпонками для удобного монтажа деталей определим по формуле:

d1 = dср + 2t2 + 1 мм, (2.31)

где dср - среднее значение диаметра, мм.

dср = d - 0,05l, мм (2.32)

С учётом внутреннего диаметра резьбы М24 для фиксации шкива по ГОСТ 12081-72 диаметр вала принимаем d = 75 мм, l = 105 мм. [6, стр. 13].

dср = 75 - 0,05 · 105 = 69,75 мм.

По ГОСТ 23360-78 для данного диаметра вала подбираем призматическую шпонку с размерами:

ширина b = 18 мм; высота h = 11 мм; глубина паза t = 7 мм; длина L = 70 мм.

На основании полученных данных определяем диаметр вала под резьбу для фиксации лабиринта:

d1 = 69,75 + 2 · 7 · 2 = 97,75 мм.

Полученный диаметр вала округляем до стандартного в большую сторону. Принимаем d1 = 100 мм.

Диаметр резьбы d2 принимаем 105 мм с шагом 2, так как на валах применяется мелкая резьба и подбираем размеры гаек круглых шлицевых с резьбой М105х2 [21]:

Высота гайки m = 24 мм;

Ширина шлица b = 14 мм;

Глубина шлица t = 7 мм;

Наружный диаметр гайки D = 130 мм.[8, с. 246, табл. 9.39].

Для нарезания полного профиля резьбы выполним проточку диаметром d - 3 мм = 105 - 3 = 102 мм, шириной g1min = 3,4 мм, g2max = 6 мм с радиусом r = 1 мм.[7, табл. 7.29 с. 151].

Свободный участок вала между конусным участком и диаметром вала под резьбу определяем по отношению 0,15d:

lсв. = 0,15 · 75 = 11,25 мм. (2.33)

Назначаем длину свободного участка 12 мм.

Диаметр вала под лабиринт принимаем Dлаб. = 105 мм., длина Lлаб. = 42 мм. Лабиринт фиксируем шпонкой с размерами по ГОСТ 23360-78 для данного диаметра вала:

ширина b = 22 мм; высота h = 14 мм; глубина паза t = 9 мм; длина L = 16 мм.

Диаметр вала под подшипник определяем из условия отношения dп ? d2:

dп ? 110мм.

2.2.5 Предварительный выбор подшипников и корпусов подшипниковых узлов приводного вала

Проектирование начинаем с выбора типа опоры (качения, скольжения). Нагрузки и скорость вала располагаются в пределах, допускаемых для подшипников качения.

Подшипники качения разных типов отличаются величиной и направлением воспринимаемой нагрузки, формой и числом тел качения, способностью самоустанавливаться, жесткостью в осевом и радиальном направлениях, быстроходностью, стоимостью, точностью изготовления и другим признакам.

Выберем тип подшипника с учетом конкретных условий эксплуатации. Основными требованиями к опорам приводного вала являются: грузоподъёмность, средняя окружная скорость, способность воспринимать радиальные нагрузку, т.е. нагрузку, действующую перпендикулярно оси вращения подшипника, осевую нагрузку, действующую по оси вала. Согласно всех перечисленных требований к опорам, наиболее подходящим вариантом для вала абразивно-шлифовальной головки являются:

- для опоры абразивного круга подшипник роликовый радиальный двухрядный с короткими цилиндрическими роликами по ГОСТ 7634-75. Данный подшипник допускает регулирование радиального зазора, что способствует созданию повышенной жёсткости подшипника в радиальном направлении, могут воспринимать ограниченную одностороннюю или двустороннюю осевую силу.

- для опоры ведомого шкива два подшипника шариковых радиальных однорядных по ГОСТ 8338-75, предназначенных для восприятия радиальных и ограниченных осевых сил любого направления. Данные подшипники могут работать под воздействием только осевой силы при высокой частоте вращения. Шариковые радиальные однорядные подшипники обеспечивают осевое фиксирование вала в двух направлениях, работают с меньшими потерями на трение и при большей частоте вращения вала, чем подшипники всех других конструкций.

Из коммерческих соображений по закупке подшипников и доставке наиболее дешёвым автомобильным транспортом по расчётному посадочному диаметру (d = 105 мм) подбираем марку и условное обозначение подшипника, производимого Вологодским подшипниковым заводом по условию dп ? d. Для опоры шкива выбираем шариковый радиальный однорядный особо лёгкой серии диаметров 1, нормальная серия ширин 0 подшипник 122 ГОСТ 8338 - 75

Техническая характеристика подшипника:

1) Наружный диаметр D = 170 мм.

2) Внутренний диаметр d = 110 мм.

3) Ширина В = 28 мм.

4) Монтажная фаска r = 2,0 мм.

5) Динамическая грузоподъёмность С = 80 000 Н.

6) Статическая грузоподъёмность Со= 71 500 Н.

7) Частота вращения при смазке:

пластичной 3600мин-1;

жидкой 4300мин-1.

8) Масса 1,97 кг.

Для опоры абразивного круга с условием соблюдения симметрии концов вала выбираем роликовый радиальный двухрядный с коническим отверстием подшипник 3182122 ГОСТ 7634-75

Техническая характеристика подшипника:

1) Наружный диаметр D = 170 мм.

2) Внутренний диаметр d = 110 мм.

3) Ширина В = 45 мм.

4) Монтажная фаска min r = 2,0 мм.

5) Динамическая грузоподъёмность С = 220 000 Н.

6) Статическая грузоподъёмность Со= 360 000 Н.

7) Частота вращения при смазке:

- пластичная 4 500мин-1;

- жидкая 5 300мин-1.

8) Масса 3,7 кг.

Диаметр вала гладкого участка определим по формуле:

привод проектирование вал компас

dбп = dп + 3 ·fп , мм, (2.34)

где fп - фаска внутреннего кольца подшипника, мм.

dбп = 110 + 3 ·2 = 116 мм - для шарикового радиального подшипника.

Диаметр вала гладкого участка для роликового подшипника с коническим внутренним диаметром, выполненным конусностью 1: 12:

45 / 12 + 110 = 113,75 мм - наибольший внутренний диаметр подшипника;

dбп = 113,75 + 3 · 2 = 119,75 мм.

Принимаем для роликового подшипника диаметр заплечиков 120 мм.

2.2.6 Эскизная компоновка узла приводного вала

Исходя из полученных результатов, составляем эскизную компоновку узла приводного вала. Конструкция вала зависит от типа и размеров расположенных на нём деталей (абразивного круга, шкивов, подшипников) и способа закрепления этих деталей в окружном и осевом направлениях. Валы, как правило, ступенчатые. Ступенчатая конструкция позволяет:

- строго базировать детали на валу в осевом направлении;

- дифференцировать требования к различным участкам вала по точности,

шероховатости поверхности.

Так как вал воспринимает радиальную и осевую нагрузку, применяем два собранных шариковых радиальных подшипника, которые собираются с валом посадкой с натягом (m5) на диаметры 110 мм и 110h8 под посадку роликового радиального двухрядного подшипника на вал.

2.2.7 Уточнённый расчёт приводного вала

Составляем расчетную схему вала (см. рисунок 2.4): производим систематизацию нагрузок, опор и формы вала. Вал рассматриваем как балки, установленные на двух опорах. Подшипники, воспринимающие радиальные нагрузки, заменяем шарнирно-подвижными опорами. Силы на вал передаются через поставленные на него детали и узлы. Принимается, что эти детали и узлы передают силы по середине своей рабочей ширины.

Исходные данные:

1) Конструкция и размеры вала (с эскизной компоновки).

2) Материал вала - сталь 45.

3) М1=100,5 Нм - величина крутящего момента (из энергокинематического расчёта).

4) Q = 2651 Н - усилие на валы (из расчёта клиноремённой передачи).

Рисунок 2.4 - Схема вала с указанием опасных сечений

На рисунке 2.5 изображена эпюра изгибающих моментов приводного вала.

Рисунок 2.5 - Расчётная схема вала приводного

Определяем реакции опор в горизонтальной плоскости ХОZ:

SМ(А)гор. = 0; Q· 169 - RВХ· 285 + P· (285 + 159) = 0;

RВХ· 285 = Q· 169 + P· (285 + 159),

Р = 2М1/dк, Н, (2.35)

где dк = 0,5 м - диаметр шлифовального круга.

Р = 2 * 100,5 / 0,5 = 402 Н;

RВХ = 2 651 * 169 + 402 * 444 / 285;

RВХ = 2 198,27 Н;

SМ(В)гор. = 0; Q * (169 + 285) - RАХ * 285 + Р * 159 = 0;

RАХ * 285 = 1 267 471,19;

RАХ = 4 447,27H.

Проверка:

SF(ХОZ) = 0: Q - RAХ + RВХ - Р = 0;

2 651 - 4 447,27 + 2 198,27 - 402 = 0;

0 = 0.

Определяем реакции опор в вертикальной плоскости (ХОУ):

SМ(А)верт. = 0; - RВУ * 285 + Рr * (285 + 159) = 0,

где Рr = 9 000 Н - усилие прижима круга.

- RВУ · 285 + 9 000 · 444 = 0;

RВУ· 285 = 3 996 000;

RВУ = 14 021,05 Н.

SМ(В)верт. = 0; - RАУ· 285 + Рr· 159 = 0;

- RАУ· 285 + 9 000 · 159 = 0;

RАУ· 285 = 1 431 000;

RАУ = 5 021,05 Н.

Проверка:

SF(ХОУ) = 0: - RАУ + RВУ - Рr = 0;

- 5 021,05 + 14 021,05 - 9 000 = 0;

0 = 0.

Определяем изгибающие моменты, используя метод сечений:

Горизонтальная плоскость ХОZ:

Сечение 1 - 1: М1-1гор. = Q· Х1; 0 X1 0,169 м

При Х1 = 0 М1-1гор. = 0 Нм;

Х1 = 0,169 М1-1гор. = 2 651 · 0,169 = 448,019 Нм.

Сечение 2 - 2: М2-2гор. = Р· Х2; 0 X2 0,159 м

При Х2 = 0 М2-2гор. = 0 Нм;

Х2 = 0,159 М2-2гор. = 402 · 0,159 = 63,918 Нм.

Строим эпюру изгибающих моментов в горизонтальной плоскости рисунок 2.5

Определяем изгибающие моменты в вертикальной плоскости ХОУ:

Сечение 1- 1: М1-1вер. = 0, так как нет сил.

Сечение 2- 2: М2-2вер. = Рr· Х2; 0 X2 0,159 м

При Х2 = 0 М2-2вер. = 0 Нм;

При Х2 = 0,159 М2-2вер. = 9 000 · 0,159 = 1 431 Нм.

Строим эпюру изгибающих моментов в вертикальной плоскости рисунок 2.5

Определяем суммарные изгибающие моменты в опорах вала:

SМА = (МАХ)2 + (МАУ)2 = 448,0192 + 02 = 448,019 Нм; (2.36)

------------------------------SМ_В = (М_ВХ)² + (М_ВУ)² = 63,918² + 1 431² = 1 432,426 Нм

Следовательно, опасным сечением является сечение в опоре «В», так как в нём самый большой суммарный изгибающий момент.

Уточнённый расчёт состоит в определении коэффициента запаса прочности для опасных сечений и сравнении их с допускаемыми значениями [n]. Прочность соблюдена при n> [n].

Составим схему вала и проведём сечения по участкам концентрации напряжений см. рисунок 2.4

Рассмотрим сечение А - А: концентрация напряжений обусловлена наличием шпоночной канавки.

Изгибающий момент в горизонтальной плоскости:

МА-Агор. = Р· Х1 ; 0 X1 115,5 мм

При Х1 = 0 МА-Агор. = 0 Нмм;

Х1 = 115,5 МА-Агор. = 402 · 115,5 = 46 431 Нмм.

Изгибающий момент в вертикальной плоскости:

МА-Аверт. = Рr· Х1; 0 X1 115,5 мм

При Х1 = 0 МА-Аверт. = 0 Нмм;

Х1 = 115,5 МА-Аверт. = 9 000 · 115,5 = 1 039 500 Нмм.

Суммарный изгибающий момент в сечении А - А:

УМизг. А-А = (МА-А гор.)2 + (МА-А вер.)2 = 46 4312 + 1 039 5002 = 1 040 536,4 Нмм.

Момент сопротивления кручению :

Wp = 0,2d3 - bt(d - t)2 / 2d, мм3, (2.37)

где d - диаметр вала в данном сечении, мм;

b - ширина шпонки, мм;

t - глубина шпоночного паза, мм.

Wp = 0,2· 1053 - 22 · 9 · (105 - 9)2 / 2 · 105= 222 835,63 мм3.

Момент сопротивления изгибу:

W = 0,1d3 - bt(d - t)2 / 2d, мм3; (2.38)

W = 0,1· 1053 - 22 · 9 · (105 - 9)2 / 2 · 105= 107 073,13 мм3.

Амплитуда и среднее напряжение цикла касательных напряжений:

а = m = Т2 / 2 Wp = 100,5 · 103 / 2 · 222 835,63 = 0,23 Н/мм2. (2.39)

Амплитуда нормальных напряжений изгиба:

уа = МА-А / W = 1 040 536,4 / 107 073,13 = 9,72 Н/мм2. (2.40)

Коэффициент запаса прочности по нормальным напряжениям:

Для стали 45 при ув = 800 Н/мм2.

Sу = у-1 / (уa·Ку / (Кd· Кf) + Шу· уm),[1, стр.17] (2.41)

где Шу = 0,1 - коэффициент, учитывающий влияние постоянной составляющей цикла напряжений на сопротивление усталости;

уm = 0, так как вал не работает на растяжение или сжатие;

у-1 = 350 Н/мм2 - предел выносливости при изгибе (таблице 2.1);

Ку = 2,05 - эффективные коэффициенты концентрации напряжений при выполнении шпоночного паза концевой фрезой (таблице 2.5);

Кd = 0,71 - коэффициент влияния абсолютных размеров поперечного сечения (масштабный фактор) (таблице 2.5);

Кf = 1,15 - коэффициент влияния шероховатости сечения (таблице 2.5).

Sу = 350 / (9,72· 2,05 / (0,71 · 1,15) + Шу· 0) = 14,52

Коэффициент запаса прочности по касательным напряжениям:

S = -1 / (К·а / (Кd· Кf) + Ш·m), (2.42)

где -1 = 210 Н/мм2 - предел выносливости при кручении;

К= 1,875- эффективные коэффициенты концентрации напряжений при выполнении шпоночного паза концевой фрезой;

Ш = 0,05 - коэффициент, учитывающий влияние постоянной составляющей цикла напряжений на сопротивление усталости.

S = 210 / (1,875· 0,23 / (0,71 · 1,15) + 0,05 · 0,23) = 386,62

Результирующий коэффициент запаса прочности для сечения А - А:

S = Sу·S / S2+S2 = 14,52· 386,62 / 14,522 + 386,622 = 14,5 (2.43)

Рассмотрим сечение Б - Б: концентрация напряжений обусловлена посадкой подшипника с гарантированным натягом:

Ку / Кd = 3,3 и К / Кd = 2,38; [3, табл. 6.7]

УМизг. Б-Б = 1 432 426 Нмм.

Осевой момент сопротивления:

W = рd3 / 32 = 3,14· 1103 / 32 = 130 604,37 мм3. (2.44)

Амплитуда нормальных напряжений изгиба:

уа = уmax = МБ-Б / W = 1 432 426 / 130 604,37 = 10,96 Н/мм2.

Полярный момент сопротивления:

Wp = 2W = 2 · 130 604,37 = 261 208,74 мм3. (2.45)

Амплитуда и среднее напряжение цикла касательных напряжений:

а = m = max / 2 = Мк / 2 Wp , Н/мм2; (2.46)

а = 100,5 · 103 / 2 · 261 208,74 = 0,192 Н/мм2.

Коэффициент запаса прочности по нормальным напряжениям:

Sу = у-1 / (уa·Ку / (Кd· Кf) + Шу· уm);(2.47)

Sу = 350 / (10,96· 3,3 / 1,15 + 0,1 · 0) = 11,12.

Коэффициент запаса прочности по касательным напряжениям:

S = -1 / (К·а / (Кd· Кf) + Ш·m)(2.48)

S = 210 / (2,38· 0,192 / 1,15 + (0,05 · 0,192) = 516.

Результирующий коэффициент запаса прочности для сечения Б - Б:

S = Sу·S / S2+S2 = 11,12· 516 / 11,122 + 5162 = 11,12 .

Результаты расчёта занесём в таблицу 2.2

Таблица 2.2 - Результаты уточнённого расчёта вала

Сечение	Sу	S	S	[S]	Прочность вала
Сечение А-А	14,52	386,62	14,5	2,5	Обеспечена
Сечение Б-Б	11,12	513	11,12	2,5	Обеспечена



2.2.8 Проверка долговечности подшипников

Для определения суммарных реакций в опорах воспользуемся расчётной схемой вала см. рисунок 2.5 и расчётными реакциями опор:

Определяем суммарные реакции в опорах:

Fr2 = Rа = Ц (RАX)2+ (RАY)2 = Ц 4 447,272 + 5021,052 = 6 707,4 H;

Fr1 = Rв= Ц (RВX)2+ (RВY)2 = Ц 2 198,272 + 14 021,052 = 14 192,33 H.

Рассмотрим правый подшипник и рассчитаем эквивалентную динамическую нагрузку для роликового подшипника с короткими цилиндрическими роликами по формуле:

P_э = VF_{r 1}K_sK_T ,H, [3, форм. 7.6 с. 117] (2.49)

гдеV - коэффициент, учитывающий вращение колец; V = 1 при вращении внутреннего кольца;

KT - температурный коэффициент (KT = 1,0); [3,табл.7.1]

K_s-----коэффициент безопасности (K_s13). [3, табл. 7.4]

Pэ = 1 · 14 192,33· 1,3 · 1 = 18 450 H = 18,5 кН.

Определяем расчётную долговечность L в млн. оборотов:

L = (С / Pэ)m, млн. об,[3, форм. 7.3 с.117] (2.50)

где m = 3 - для шарикоподшипников;

m = 10/3 - для роликоподшипников;

С - динамическая грузоподъёмность.

L = (220 / 18,5)10/3 = (220 / 18,5)3·3? 220 / 18,5 = 3 836,45 млн. об.

Определяем расчётную долговечность:

Lh = L· 106 / 60n2,ч,[3, форм. 7.4 с.117] (2.51)

где n2 - частота вращения подшипника, мин-1.

Lh = 3836,45· 106 / 60 · 2 677 = 23 886 ч.

Из условия минимальной долговечности подшипника, равной 20 000 часов, найденная долговечность подшипника приемлема.

Рассмотрим левый подшипник и рассчитаем эквивалентную динамическую нагрузку для шарикового подшипника по формуле:

Pэ = (ХVFr 2 + YFa) K?KT ,H ,[3, форм. 7.5 с. 117] (2.52)

где Х - коэффициент радиальной нагрузки, Х = 0,56;

Y - коэффициент осевой нагрузки, Y = 1,55;

Fа - осевая нагрузка на подшипник, Н;

Fr 2 - радиальная нагрузка на подшипник, Н.

Fr 2 = Fr 2 / 2 = 6707,4 / 2 = 3353,7 Н,

Pэ = (0,56 · 1 · 3 353,7 + 1,55 · 0) · 1,3 · 1,0 = 2 441,5 H = 2,44 кН.

Определяем расчётную долговечность L в млн. оборотов:

L = (80 / 2,44)3 = 35 230 млн. об. (2.53)

Определяем расчётную долговечность, ч:

Lh = 35 230 · 106 / 60 · 2 677 = 219 337,5 ч.

Из условия минимальной долговечности подшипника, равной 20 000 часов, найденная долговечность подшипника приемлема.

2.2.9 Подбор шпонок и их проверочный расчёт

Для крепления шкива и шлифовального круга конический диаметр вала

d = 69,75 мм (средний диаметр) подбираем шпонку призматическую по ГОСТ 23360 - 78 [СТ СЭВ 189 - 79] с условным обозначением: Шпонка 18х11х70 мм. Момент передается со шкива на вал боковыми узкими гранями шпонки. При этом на них возникают напряжения смятия s_см, а в продольном сечении шпонки - напряжения среза s_см. У стандартных шпонок размеры b - ширина и h - высота подобраны так, что нагрузку соединения ограничивают не напряжения среза, а напряжения смятия.

Рассматриваем условие прочности на смятие:

s_см = (4Т · 103) / (d·h·lp) < [s_см СМ], МПа, (2.54)

где lp - рабочая длина шпонки (lp = l - b);

Т = 100,5 Н - момент на валу;

d - диаметр вала в месте установки шпонки, мм;

h = 11 - высота шпонки, мм;

b - ширина шпонки, мм;

[s_см] - допустимое напряжение смятия, [s_см] = 100 … 120 МПа;

lp = l - b = 70 - 18 = 52 мм; (2.55)

s_см = (4 · 100,5· 103) / (69,75 · 11 · 52) = 10,07 МПа.

где [s_см] < 100 Н/мм2 при стальной ступице и спокойной нагрузке.

[s_см] необходимо снижать на 25 % при значительных колебаниях нагрузки.

10,07 мПа < 75 МПа.

Таким образом, выбранные шпонки удовлетворяют условию прочности на смятие.



3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Разработка технологического процесса шпиндельного вала

3.1.1 Описание конструкции и назначение детали

Валы относятся к деталям типа тел вращения и широко применяются в машиностроении для передачи крутящего момента в приводах, коробах передач, двигателях и других механизмах, а также базирования на них зубчатых колес, подшипников и других деталей, определяющих конструкцию и назначение изделия.

Главным валом в механизмах вращения инструмента и детали является шпиндель. Шпиндель -- это последнее звено кинематической цепи механизма, основное и наиболее ответственное, несущее деталь или инструмент. Его прочность, жесткость (способность сопротивляться изгибу под действием сил резания) и виброустойчивость (способность шпинделя сопротивляться колебаниям от неравномерности вращающихся деталей) будут определять качество обработки поверхности: точность размера, высоту шероховатости, погрешности геометрической формы.

Шпиндельный вал, для которого разрабатывается технологический процесс, используется в приводе главного движения торцовочного станка и предназначен для передачи крутящего момента от клиноременной передачи к дисковой пиле. Он устанавливается в специальном корпусе и вращается на двух шариковых радиальных однорядных подшипниках.

Вал является многоступенчатым.

Материал, из которого изготовлен шпиндельный вал-Сталь 40Х.

3.1.2 Анализ технологичности конструкции детали

Одним из факторов, существенно влияющим на характер технологических процессов, является технологичность конструкции изделия.

При конструировании отдельных деталей необходимо достичь удовлетворения не только эксплуатационных требований, но также и требований наиболее рационального и экономичного изготовления изделия.

Технологическая конструкция изделия должна предусматривать:

- создание деталей наиболее рациональной формы с легкодоступными для обработки поверхностями и достаточной жесткостью с целью уменьшения трудоемкости и себестоимости механической обработки деталей и всего механизма;

- наиболее рациональный способ получения заготовок с размерами и формами, возможно более близкими к готовым деталям, т.е. обеспечивающими наиболее высокий коэффициент использования материалов и наименьшую трудоемкость механической обработки.

Технологический контроль чертежей сводится к тщательному их изучению. Рабочие чертежи обрабатываемых деталей должны содержать все необходимые сведения, дающие полное представление о детали, т. е. все проекции, разрезы и сечения, совершенно четко и однозначно объясняющие ее конфигурацию, и возможные способы получения заготовки. На чертеже должны быть указаны все размеры с необходимыми отклонениями, требуемая шероховатость обрабатываемых поверхностей, допускаемые отклонения от правильных геометрических форм. Чертеж должен содержать все необходимые сведения о материале детали, термической обработке, применяемых защитных и декоративных покрытиях, массе детали и др. [2].

Чертеж вала выполнен согласно ЕСКД. Рабочий чертеж в целом содержит все сведения, дающие полное представление о детали. Указаны все размеры с необходимыми отклонениями и требуемая шероховатость обрабатываемых поверхностей. Конфигурация наружного контура и внутренних поверхностей не вызывает значительных трудностей при обработке заготовки.

Технические условия - Химическое оксидирование; HRC 32-35.

Материал вала - конструкционная углеродистая сталь марки 40х по ГОСТ 1050-88. Сталь 40х является углеродистой доэвтектоидной сталью (таблица 3.1),значит для ее термообработки лучше применить улучшение, которое заключается в нагреве детали до температуры 820-840оС с последующим быстрым охлаждением и дальнейшим высокотемпературным отпуском (таблица 3.2). Середина вала остается вязкой, т.к. сталь 40х имеет прокаливаемость 10…15 мм., а это обеспечит высокую ударную вязкость и устойчивость вала к различным видам нагрузки.

Таблица 3.1 - Химический состав в % материала 40Х

С	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0,36-0,44	0,17-0,37	0,5-0,8	до 0,3	до 0,035	до 0,035	0,8-1,1	до 0,3

Таблица 3.2 - Механические свойства стали 40Х

Термообработка, состояние поставки	Сечение, мм	у0,2 ,МПа	ув,МПа	д5, %	ш, %	KCU, Дж/м2	HB
Пруток ГОСТ 4543-71
Закалка 860 °С, масло. Отпуск 500 °С, вода или масло	25	780	980	10	45	59
Поковка ГОСТ 8479-70
Нормализация. КП 245	500-800	245	470	15	30	34	143-179
Нормализация. КП 275	300-500	275	530	15	32	29	156-197
Закалка, отпуск. КП 275	500-800	275	530	13	30	29	156-197
Нормализация. КП 315	<100	315	570	17	38	39	167-207
	100-300	315	570	14	35	34	167-207
Закалка, отпуск. КП 315	300-500	315	570	12	30	29	167-207
	500-800	315	570	11	30	29	167-207
Нормализация. КП 345	<100	345	590	18	45	59	174-217
	100-300	345	590	17	40	54	174-217
Закалка, отпуск. КП 345	300-500	345	590	14	38	49	174-217
Термообработка, состояние поставки	Сечение, мм	у0,2 ,МПа	ув,МПа	д5, %	ш, %	KCU, Дж/м2	HB
Закалка, отпуск. КП 395	<100	395	615	17	45	59	187-229
	100-300	395	615	15	40	54	187-229
	300-500	395	615	13	35	49	187-229
Закалка, отпуск. КП 440	<100	440	635	16	45	59	197-235
	100-300	440	635	14	40	54	197-235
Закалка, отпуск. КП 490	<100	490	655	16	45	59	212-248
	100-300	490	655	13	40	54	212-248

В целом по конструкции деталь технологична:

Материал детали технологичен. Легированная сталь 40х хорошо обрабатывается с производительными режимами резания как лезвийными, так и абразивными инструментами. Замена материала на менее дорогой не рекомендуется. Сталь 40х - недорогой и недефицитный материал, обеспечивающий весь комплекс свойств, необходимых для вала.

Деталь вызывает неудобство при установке, т.к. имеет большую длину.

Деталь не жесткая. Обработка в наружных центрах с применением люнета.

Деталь состоит из ступенчатых простых цилиндрических поверхностей.

Повышенные требования точности и шероховатости подшипниковых шеек и шпоночных пазов.

Специальные виды обработки, оборудование, приспособления - шпоночная фреза, дополнительная опора (люнет).

Объём слесарной (доводочной) обработки небольшой.

3.1.3 Выбор заготовки

Метод выполнения заготовки для деталей машин определяется назначением и конструкцией детали, материалом, техническими требованиями, масштабом и серийностью выпуска. Выбрать заготовку - значит установить способ ее получения, наметить припуски на обработку каждой поверхности, рассчитать размеры и указать допуски на стоимость изготовления.

Вопрос о целесообразности определенного вида заготовки может быть решен только после расчета технологической себестоимости детали по сравниваемым вариантам. Предпочтение следует отдавать той заготовке, которая обеспечивает меньшую себестоимость детали.

Валы в большинстве случаев изготавливаются из круглого стального проката, но также применяют поковки.

Себестоимость заготовок из проката определяем по формуле:

Sзаг=Q•S- (Q-q)•Sотх, руб., (3.1)

где Q - масса заготовки, кг;

S - цена 1 кг материала заготовки, S = 40 руб./кг;

q - масса готовой детали, кг;

Somx - цена 1 кг отходов, Somx = 6,5 руб./кг.

Sзаг=5,65•40 - (5,65 - 3,51)•6,5=221,09, руб.

Себестоимость поковок определяем по формуле:

Sзаг=(S•Q•km•kc•kb•kм•kn) - (Q-q)•Sотх, руб., (3.2)

где km•kc•kb•kм•kn - коэффициенты, зависящие от точности, сложности, массы, марки материала и объема производства заготовок.

Sзаг=(40•4,86•1,1•0,83•1,9•1,93•0,5) - (4,86 - 3,51)•6,5=333,78 руб.