Расчет станка из жаропрочных сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине

«Расчет и конструирование металлорежущих станков»

на тему

«Расчет станка из жаропрочных сплавов»

Содержание

Содержание

1. Техническое описание

1.1. Назначение и область применения

1.2. Устройство станка

1.2.1. Кинематическая схема

1.2.2. Шпиндельная бабка

1.2.3. Задняя бабка

1.2.4. Суппорт и каретка

1.2.5. Моторная установка

1.2.6. Коробка подач

1.2.7. Фартук

1.2.8. Станина, рейки, ходовой винт, ходовой вал и привод быстрых перемещений суппорта

1.2.9. Резцедержатель 4-х позиционный поворотный

1.2.10. Коробка передач

2. Расчет режимов резания

3. Графоаналитический расчет коробки скоростей

4. Подбор электродвигателя главного движения

5. Расчёт зубчатых колес с помощью программы APM Trans 9.2

6. Расчёт валов с помощью программы APM Shaft 9.4

7. Расчёт подшипников с помощью программы APM Bear 9.2

8. Расчёт муфты

9. Статический и динамический расчет шпиндельного узла с помощью программы Spin

10. Оптимизация

11. Список используемой литературы

1. Техническое описание

1.1. Назначение и область применения

Станок токарно-винторезный модели МК6047М является скоростным универсальным станком повышенной точности, предназначенным для выполнения разнообразных токарных и винторезных работ по черным и цветным металлам, включая точение конусов и нарезание внутренней и наружной метрической, модульной, дюймовой и питчевой резьб, а также сверления, зенкерования, развертывания, и т.п.

Отклонение от цилиндричности 7 мкм, конусности 20 мкм на длине 300 мм, отклонение от прямолинейности торцевой поверхности на диаметре 300 мм - 16 мкм.

Жесткая конструкция станка, высокий предел частоты вращения шпинделя (3000 об/мин) и сравнительно большая мощность привода (7,5 кВт) дают возможность использовать его как скоростной станок с применением резцов из быстрорежущей стали и твердых сплавов.

1.2. Устройство станка

1.2.1 Кинематическая схема

От главного электродвигателя, помещенного в левой тумбе станка, вращение передается клиновыми ремнями на приводной шкив первого (фрикционного) вала коробки скоростей (смотреть графическую часть курсового проекта).

1.2.2 Шпиндельная бабка

Шпиндельная бабка жестко сбазирована на станине при сборке станка и не требует регулирования в процессе эксплуатации.

При ослаблении крепления шкива на конусной части вала нужно подтянуть винт.

При снижении крутящего момента нужно в первую очередь проверить натяжение ременной передачи главного привода. Если натяжение ремней, достаточное, следует отрегулировать фрикционную муфту главного привода, расположенную в шпиндельной бабке. Для этого надо открыть крышку шпиндельной бабки и снять маслораспределительный лоток.

Поворотом гайки по часовой стрелке при утопленной (нажатой) защелке можно подтянуть муфту прямого вращения шпинделя, поворотом гайки против часовой стрелки - муфту обратного вращения. Для облегчения регулирования муфты прямого вращения шпинделя рукоятку нужно повернуть влево, для облегчения регулирования обратного вращения - вправо. Обычно достаточно повернуть гайки на 1/16 оборота, т.е. один зубец. По окончании регулирования нужно убедиться в том, что защелка надежно вошла в пазы гаек.

При повороте гаек более, чем на 1/16 оборота нужно обязательно проверить, не превышает ли крутящий момент на шпинделе допустимый.

Если при максимальном числе оборотов шпинделя без изделия и патроне время его торможения превышает 1,5 с, то нужно при помощи гаек подтянуть ленту тормоза.

1.2.3 Задняя бабка

Задняя бабка представляет собой корпус, в росточке которого смонтирована подвижная пиноль. Перемещение пиноли в конусное отверстие которой помещается центр, осуществляется моховиком через винт и гайку. Рукояткой осуществляется прижим задней бабки к станине станка. Если рукоятка, отведенная в заднее положение, не обеспечивает достаточного прижима задней бабки к станине, то нужно регулировочными винтами при отпущенных контргайках, изменяя положение прижимной плиты, установить необходимый прижим

Установка оси пинали соосно со шпинделем станка в горизонтальной плоскости и осуществляют винтами, совмещая в одну плоскости поверхность, расположенных на опорной плите и корпусе.

1.2.4 Суппорт и каретка

Суппорт крестовой конструкции имеет продольное перемещение по направляющим станины и поперечное - по направляющим каретки. Оба перемещения могут быть ручными или механическими, а механическое - рабочим или ускоренным. Поворотная часть суппорта имеет направляющие для перемещения верхней части суппорта с резцовой головкой.

Верхняя часть суппорта также может перемещаться вручную и механически. Гайка поперечного винта имеет устройство для выборки люфта. Осевые усилия поперечного винта и влага верхних салазок воспринимаются упорными шарикоподшипниками.

1.2.5 Моторная установка

При уменьшении крутящего момента на шпинделе в первую очередь следует проверять натяжение ремней главного привода. Если натяжение не достаточно, то, ослабив винты, плавным вращением гайки против часовой стрелки опустить вниз подмоторную плиту для обеспечения требуемого натяжения ремней. После этого винты затягивают до отказа.

Натяжение ремня приводи насоса системы смазки осуществляется поднятием насоса, для чего нужно отпустить два винта при помощи которых кронштейн насоса крепится к подмоторной плите.

1.2.6 Механизм управления фрикционной муфтой главного привода

При установке рукоятки в верхнее положение включается прямое вращение шпинделя, при установке ее в нижнее положение включается реверс. При работе рукояткой рукоятка повторяет операции первой. Выключение возможно любой из рукояток.

1.2.7 Коробка подач

Входной вал коробки подач связан с коробкой передач, через которую осуществляется связь механизма коробки подач со шпинделем для пучения подач.

1.2.8 Фартук

Фартук служит для передачи вращения от коробки подач к механизмам суппорта станка.

Регулирование усилия, развиваемого механизмом подач, производится поворотом гайки. Величина усилия не должна превышать допустимую. При обработке в патроне с механической подачей каретки необходимо отрегулировать гайкой усилие, развиваемое механизмом. Маточная гайка, установленная на кронштейне, отрегулирована на заводе изготовителе.

1.2.9 Станина, рейки, ходовой винт, ходовой вал и привод быстрых перемещений суппорта

Натяжение ремня привода быстрых перемещений суппорта осуществляется регулировочным винтом, который контрится гайкой.

При чистке ходового винта и ходового вала необходимо снять щитки. Для этого необходимо ослабить винты и вынуть щитки со стороны заднего кронштейна.

Возможно оснащение станка станиной с выемкой с установленным мостиком. При необходимости обработки деталей большого диаметра над выемкой в станине мостик снимается. Для этого нужно вывернуть пробки, удалить винты и штифты, заглушить отверстия в станине.

Следует знать, что при обработке деталей над выемкой на планшайбе диаметром 500 мм частота вращения шпинделя не должна превышать 400 мин^-1. При обработке несбалансированных изделий число оборотов должно быть снижено.

1.2.10 Резцедержатель 4-х позиционный поворотный

Станок комплектуется 4-х позиционным поворотным резцедержателем. Если по мере износа рукоятка в зажатом положении останавливается в неудобном для токаря месте, то посредством подшлифовывания пли замены проставочного кольца можно установить рукоятку в требуемое положение.

При вращении рукоятки поворота против часовой стрелки происходит открепление и поворот резцовой головки. Вращение по часовой стрелке - фиксирование и закрепление резцовой головки.

Резцовая головка, кроме четырех фиксированных положений, может быть также установлена в любом промежуточном положении.

При понижении точности фиксации резцедержателя нужно разобрать резцовую головку и произвести тщательную очистку рабочих поверхностей сопрягаемых деталей. При дроблении резцедержавки необходимо произвести проверку конусов, клиньев и затяжки стыков.

1.2.11 Коробка передач

Коробка передач служит для передачи вращения от выходного вала шпиндельной бабки на выходной вал коробки подач с помощью установки комбинаций сменных зубчатых колес.

Сменные зубчатые колеса К и N монтируются на шлицевых валах закрепляются болтами через шайбы. Промежуточные смежные колеса L и М устанавливаются на шлицевой втулке оси, закрепляемой помощи ключа в требуемом месте паза кронштейна, который фиксируется гайкой. При закреплении кронштейна и оси необходимо. Зубчатые колеса устанавливать с минимальным радиальным зазор

На торцах сменных зубчатых колес К, L, N и М нанесены число зубьев и модуль.

2. Расчет режимов резания

Режимы резания для наибольшей длины обработки L=1000мм и наибольшего диаметра обработки D=500мм, с глубиной резания мм. Обрабатываем только с продольной подачей, используя проходной резец из сплава Т5К10.

1. Определяем длину рабочего хода

где - длина резания

- длина подвода, врезания и перебега инструмента

- дополнительная длина хода, определяемая наладкой

2. Назначаем подачу

S₀=0,2 мм/об

3. Назначаем скорость резания

где К₁ - коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала

К₂ - от стойкости и марки твердого сплава

К₃ - от вида обработки

4. Рассчитываем частоту вращения шпинделя станка



5. Определяем силу резания

где К₁ - коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала

К₂ - от скорости резания и переднего угла при точение сталей твердосплавным инструментом

6. Рассчитываем мощность резания

7. Рассчитываем основное время

Режимы резания для наибольшей длины обработки L=1000мм и наименьшего диаметра обработки D=10мм, с глубиной резания мм. Обрабатываем только с продольной подачей, используя проходной резец из сплава Т5К10.

1. Определяем длину рабочего хода

где - длина резания

- длина подвода, врезания и перебега инструмента

- дополнительная длина хода, определяемая наладкой

2. Назначаем подачу

S₀=0,1 мм/об

3. Назначаем скорость резания

где К₁ - коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала

К₂ - от стойкости и марки твердого сплава

К₃ - от вида обработки

4. Рассчитываем частоту вращения шпинделя станка

5. Определяем силу резания

где К₁ - коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала

К₂ - от скорости резания и переднего угла при точение сталей твердосплавным инструментом

6. Рассчитываем мощность резания

7. Рассчитываем основное время



Режимы резания для наименьшей длины обработки L=10мм и наименьшего диаметра обработки D=10мм, с глубиной резания мм. Обрабатываем только с поперечной подачей, используя проходной резец из сплава Т5К10.

1. Определяем длину рабочего хода

где - длина резания

- длина подвода, врезания и перебега инструмента

- дополнительная длина хода, определяемая наладкой

2. Назначаем подачу

S₀=0,1 мм/об

3. Назначаем скорость резания

где К₁ - коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала

К₂ - от стойкости и марки твердого сплава

К₃ - от вида обработки

4. Рассчитываем частоту вращения шпинделя станка

Определяем силу резания

где К₁ - коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала

К₂ - от скорости резания и переднего угла при точение сталей твердосплавным инструментом

5. Рассчитываем мощность резания

6. Рассчитываем основное время

Режимы резания для наименьшей длины обработки L=10мм и наибольшего диаметра обработки D=500мм, с глубиной резания мм. Обрабатываем только с поперечной подачей, используя проходной резец из сплава Т5К10.

1. Определяем длину рабочего хода

где - длина резания

- длина подвода, врезания и перебега инструмента

- дополнительная длина хода, определяемая наладкой

2. Назначаем подачу

S₀=0,2 мм/об

3. Назначаем скорость резания

где К₁ - коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала

К₂ - от стойкости и марки твердого сплава

К₃ - от вида обработки

4. Рассчитываем частоту вращения шпинделя станка

5. Определяем силу резания

где К₁ - коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала

К₂ - от скорости резания и переднего угла при точение сталей твердосплавным инструментом

6. Рассчитываем мощность резания

7. Рассчитываем основное время

3. Графоаналитический расчет коробки скоростей

В соответствии с исходными данными, определенными ранее, наибольшая частота вращения n_max=2908 мин^-1, а минимальная n_min=85 мин^-1.

На первом этапе кинематического расчета выполняется выбор структурной сетки коробки скоростей (КС) в соответствии с соответствующими рекомендациями справочных данных. Учитывая, что в базовом станке количество ступеней, обеспечиваемых коробкой скоростей, составляет z=6, а обобщенная структурная формула имеет вид: z=P(X₁)·P(X₂)·(P(X₃)+P(X₄)·P(X₅)·P(X₆)) имеем:

Для выбора рациональной структурной сетки КС выполним проверку альтернативных вариантов по кинематическому и конструктивному критерию: составление альтернативных вариантов по кинематическому критерию показывает, что все варианты ему соответствуют, а по конструктивному критерию, условие которого Х_i<X_i+1, полученный вариант верен. В этом случае выбираются минимальные габариты КС.

При построении графика частот вращения (ГЧВ) учитывается следующее кинематическое условие: ? ? i ? 2.

Диапазон регулирования D= n_max/n_min=2908/85=34,21, количество ступеней частот вращения на выходном валу (шпинделе) z=24, знаменатель ряда частот вращения

Из всех возможных конструктивных и кинематических вариантов наивыгоднейшим следует признать тот, который обеспечивает наибольшую простоту, наименьшее количество передач и групп, малые радиальные и осевые размеры. Практически выгодно применять кинематический порядок, при котором минимальное передаточное отношение в группах уменьшается по мере приближения к шпинделю, достигая в последней группе предельного значения. В этом случае первые валы работают при более высоких скоростях, с меньшими нагрузками, имеют меньшие диаметры и модули зубчатых колес. Вместе с тем промежуточные валы не должны работать при очень больших угловых скоростях, так как при этом возрастают потери холостого хода и износ деталей. Эти условия будут выполнимы, если первая группа будет основной, а характеристики переборных групп передач возрастают по мере приближения к шпинделю. В большинстве случаев, наиболее удачными вариантами являются «веерообразные» структуры, так как в области высоких частот вращения работает большое количество деталей привода. Главная редукция осуществляется на последней ступени, поэтому валы, зубчатые колёса и другие детали привода имеют меньшие размеры, так как при данной мощности передают меньшие крутящие моменты.

Данным условиям удовлетворяет структурная сетка на рис.1 со структурной формулой:

Диапазон регулирования определяется по формуле:

где: - максимальная частота вращения, мин^-1

- минимальная частота вращения, мин^-1

Знаменатель ряда определяется как:

где - число ступеней коробки скоростей станка.

Таблица 1. Частоты вращения шпинделя проектируемого станка

Номер ступени	n, мин-1	Номер ступени	n, мин-1
1	85	13	536
2	99	14	625
3	115	15	729
4	135	16	851
5	157	17	992
6	183	18	1157
7	213	19	1349
8	249	20	1573
9	290	21	1834
10	338	22	2138
11	394	23	2494
12	460	24	2908

Характеризуя привод, структурные сетки являются общими для многих конкретных случаев, однако они не дают представления о частотах вращения валов и величине передаточных отношений передач. Поэтому для определения указанных параметров применительно к конкретным условиям привода строят графики частот вращения.

4. Подбор электродвигателя главного движения

Полученная максимальная мощность резания равна

Мощность электродвигателя определяется как:

где - коэффициент полезного действия коробки скоростей, который складывается из потерь мощности в подшипниках, зубчатом зацеплении, ремённой передаче.

Расчетная мощность определяется мощностью электродвигателя с учетом КПД участка цепи до рассчитываемого элемента (вала).

Определим мощность, действующую на каждом валу коробки скоростей:

Расчёт передаточных отношений

Передача между валами I'-I:

Передача между валами I-II:



Передача между валами II-III:

Передача между валами III-IV:

Передача между валами IV-V:

Передача между валами V-VI:

Определим частоты вращения валов:

По полученным результатам подбираем электродвигатель. Принимаем: асинхронный двигатель марки 4A212MА8 с мощностью N=3,0 кВт и частотой вращения n=2000 мин^-1.

Расчет ременной передачи

1. Рассчитываем диаметр ведущего шкива

2. Определяем диаметр ведомого шкива

где i - передаточное отношение, определяется по формуле

- упругое проскальзывание увеличивающиеся с остом нагрузки

3. Рассчитываем межосевое расстояние a

где h=6…10 мм - величина для натяжения ремня

Выберем среднее значение

4. Вычислим длину ремня

5. Определяем угол обхвата меньшего шкива

6. Определяем мощность передаваемую одним ремнем в типовых условиях

7. Определяем мощность передаваемую одним ремнем в реальных условиях

где - коэффициент обхвата малого шкива ремнем

- коэффициент режима работы при двусменной работе

- коэффициент длины ремня, при L₀=1600мм

- коэффициент передаточного числа

8. Определяем потребное число ремней

где C_z=0,9 - при числе ремней z=4…6

Округляем z до ближайшего большего числа

z=4

5. Расчёт зубчатых колес с помощью программы APM Trans 9.2(программный комплекс APM WinMachine компании НТЦ АПМ и АСКОН)

Расчет зубчатого зацепления z=30/z=60

Расчет зубчатого зацепления z=28/z=72

6. Расчёт валов с помощью программы APM Shaft 9.4

Расчет вала VI

7. Расчёт подшипников с помощью программы APM Bear 9.2

Расчет шарикового радиального подшипника

Расчет шарикового упорного подшипника

8. Расчёт муфты

Расчет проведем по соответствующему методу “Деталей машин” [6].

Произведем расчёт дисковой фрикционной муфты, расположенной на входном валу I. Передача вращающего момента фрикционными муфтами осуществляется за счёт сил трения, действующих на поверхностях контакта фрикционных пар.

Различают муфты сухого трения и работающие в масле. В нашем случае на входном валу установлена муфта сухого трения, так как она конструктивно является более простой и не требует герметизации.

Материалом пар трения является ретинакс.

Характеристики фрикционных пар следующие:

- коэффициент трения ;

- номинальное допускаемое давление на поверхности

- наибольший диаметр

- наименьший диаметр (диаметр отверстия)

- диаметр трения

Расчётное допускаемое давление, являющееся параметром износостойкости определяется по формуле:

,

где: , [МПа] - номинальное допускаемое давление на поверхности;

V_ск - скорость скольжения, отнесённая к диаметру трения:

где [мм] - диаметр трения;

- частота вращения входного вала.

Найдем крутящий момент на входном валу по формуле:

Необходимое число пар определяется по формуле:

,

где: - коэффициент запаса

Полученное число пар трения является числом меньше единицы. Так количество пар трения должно быть чётным, то принимаем .

Толщину стального внутреннего диска, передающего половину крутящего момента , определим из расчёта на смятие шлицевого соединения.

Параметры шлицевого соединения:

- высота зуба

- число шлицев

- средний диаметр равен

- допускаемое напряжения смятия

Толщина стального диска определяется по формуле:

где: - коэффициент неравномерности распределения нагрузки.

Принимаем [мм]. На чертеже толщина фрикционных дисков показана в увеличенном масштабе.

Осевая сила замыкания муфты

В данном случае диаметр трения рассчитан исходя из формулы:

8. Статический и динамический расчет шпиндельного узла в Spin'e

Параметры шпиндельного узла

Участок N 1Стержень:

Длина (mm.)=7.000e+001

Наружний диаметр (mm.)=1.100e+002

Внутренний диаметр (mm.)=7.000e+001

Диаметр шихты (mm.)=0.000e+000

Плотность (кг/m**3)=7.850e+003

Модуль Юнга (н/m**2)=2.100e+011

Mодуль упp.для шихты=2.100e+010

Плотность шихты (кг/m**3)=7.850e+003

Участок N 2Стержень:

Длина (mm.)=1.000e+001

Наружний диаметр (mm.)=1.030e+002

Внутренний диаметр (mm.)=7.000e+001

Диаметр шихты (mm.)=0.000e+000

Плотность (кг/m**3)=7.850e+003

Модуль Юнга (н/m**2)=2.100e+011

Mодуль упp.для шихты=2.100e+010

Плотность шихты (кг/m**3)=7.850e+003

Участок N 3Стержень:

Длина (mm.)=5.500e+001

Наружний диаметр (mm.)=1.130e+002

Внутренний диаметр (mm.)=7.000e+001

Диаметр шихты (mm.)=0.000e+000

Плотность (кг/m**3)=7.850e+003

Модуль Юнга (н/m**2)=2.100e+011

Mодуль упp.для шихты=2.100e+010

Плотность шихты (кг/m**3)=7.850e+003

Участок N 4Стержень:

Длина (mm.)=4.300e+001

Наружний диаметр (mm.)=1.040e+002

Внутренний диаметр (mm.)=7.000e+001

Диаметр шихты (mm.)=0.000e+000

Плотность (кг/m**3)=7.850e+003

Модуль Юнга (н/m**2)=2.100e+011

Mодуль упp.для шихты=2.100e+010

Плотность шихты (кг/m**3)=7.850e+003

Участок N 5Стержень:

Длина (mm.)=7.400e+001

Наружний диаметр (mm.)=1.125e+002

Внутренний диаметр (mm.)=7.000e+001

Диаметр шихты (mm.)=0.000e+000

Плотность (кг/m**3)=7.850e+003

Модуль Юнга (н/m**2)=2.100e+011

Mодуль упp.для шихты=2.100e+010

Плотность шихты (кг/m**3)=7.850e+003

Участок N 6Радиальный ш.подшипник:

Диаметр шарика (мм.) = 1.780e+001

Число шар. в 1 ряду = 1.200e+001

Геом.зазор (натяг) (мм.) = 0.000e+000

Радиальная нагрузка (Н.) = 1.000e+002

Число рядов тел качения = 1.000e+000

Стат.нес.способность (Н.) = 7.020e+003

Дин.нес.способность (Н.) = 1.040e+004

Нар.диаметр кольца (мм.) = 1.300e+002

Вн.диаметр кольца (мм.) = 1.000e+002

Ширина (мм.) = 3.000e+001

Участок N 7Стержень:

Длина (mm.)=5.000e+000

Наружний диаметр (mm.)=1.042e+002

Внутренний диаметр (mm.)=7.000e+001

Диаметр шихты (mm.)=0.000e+000

Плотность (кг/m**3)=7.850e+003

Модуль Юнга (н/m**2)=2.100e+011

Mодуль упp.для шихты=2.100e+010

Плотность шихты (кг/m**3)=7.850e+003

Участок N 8Стержень:

Длина (mm.)=8.000e+001

Наружний диаметр (mm.)=1.220e+002

Внутренний диаметр (mm.)=7.000e+001

Диаметр шихты (mm.)=0.000e+000

Плотность (кг/m**3)=7.850e+003

Модуль Юнга (н/m**2)=2.100e+011

Mодуль упp.для шихты=2.100e+010

Плотность шихты (кг/m**3)=7.850e+003

Участок N 9Упорный подшипник:

Ном.угол контакта (град) = 0.000e+000

Внутр.диаметр подшипника = 4.622e+008

Наруж.диаметр подшипника = 9.000e+001

Число шар. в 1 ряду = 1.220e+002

Диаметр шарика (мм.) = 1.500e+002

Натяг (H.) = 1.200e+001

Стат.нес.способность(Н.) = 2.577e+001

Дин.нес.способность(Н.) = 1.000e+002

Ширина (мм) = 2.930e+004

Участок N 10Стержень:

Длина (mm.)=6.000e+000

Наружний диаметр (mm.)=1.040e+002

Внутренний диаметр (mm.)=7.000e+001

Диаметр шихты (mm.)=0.000e+000

Плотность (кг/m**3)=7.850e+003

Модуль Юнга (н/m**2)=2.100e+011

Mодуль упp.для шихты=2.100e+010

Плотность шихты (кг/m**3)=7.850e+003

Участок N 11Стержень:

Длина (mm.)=6.500e+001

Наружний диаметр (mm.)=1.500e+002

Внутренний диаметр (mm.)=7.000e+001

Диаметр шихты (mm.)=0.000e+000

Плотность (кг/m**3)=7.850e+003

Модуль Юнга (н/m**2)=2.100e+011

Mодуль упp.для шихты=2.098e+010

Плотность шихты (кг/m**3)=7.850e+003

Участок N 12Стержень:

Длина (mm.)=1.160e+002

Наружний диаметр (mm.)=1.270e+002

Внутренний диаметр (mm.)=9.000e+001

Диаметр шихты (mm.)=0.000e+000

Плотность (кг/m**3)=7.850e+003

Модуль Юнга (н/m**2)=2.100e+011

Mодуль упp.для шихты=2.100e+010

Плотность шихты (кг/m**3)=7.850e+003

Участок N 13Стержень:

Длина (mm.)=1.700e+002

Наружний диаметр (mm.)=1.365e+002

Внутренний диаметр (mm.)=9.000e+001

Диаметр шихты (mm.)=0.000e+000

Плотность (кг/m**3)=7.850e+003

Модуль Юнга (н/m**2)=2.100e+011

Mодуль упp.для шихты=2.100e+010

Плотность шихты (кг/m**3)=7.850e+003

Участок N 14Стержень:

Длина (mm.)=5.000e+000

Наружний диаметр (mm.)=1.170e+002

Внутренний диаметр (mm.)=9.000e+001

Диаметр шихты (mm.)=0.000e+000

Плотность (кг/m**3)=7.850e+003

Модуль Юнга (н/m**2)=2.100e+011

Mодуль упp.для шихты=2.100e+010

Плотность шихты (кг/m**3)=7.850e+003

Участок N 15Стержень:

Длина (mm.)=3.750e+002

Наружний диаметр (mm.)=1.300e+002

Внутренний диаметр (mm.)=9.000e+001

Диаметр шихты (mm.)=0.000e+000

Плотность (кг/m**3)=7.850e+003

Модуль Юнга (н/m**2)=2.100e+011

Mодуль упp.для шихты=2.100e+010

Плотность шихты (кг/m**3)=7.850e+003

Участок N 16Стержень:

Длина (mm.)=1.500e+002

Наружний диаметр (mm.)=1.000e+002

Внутренний диаметр (mm.)=9.000e+001

Диаметр шихты (mm.)=0.000e+000

Плотность (кг/m**3)=7.850e+003

Модуль Юнга (н/m**2)=2.100e+011

Mодуль упp.для шихты=2.100e+010

Плотность шихты (кг/m**3)=7.850e+003

Участок N 17Конический подшипник:

Ном.угол контакта (град)=9.000e+000

Число роликов в 1 ряду=1.900e+001

Длина ролика (мм.)=1.030e+001

Осевая нагрузка (Н.)=0.000e+000

Радиальная нагрузка (Н.)=1.000e+002

Cтат.нес.способность (Н.)=1.990e+004

Дин.нес.способность (Н.)=2.350e+004

Зазор (мкм.)=0.000e+000

Нар.диаметр кольца(мм.)=1.400e+002

Вн.диаметр кольца(мм.)=1.000e+002

Ширина (мм.)=2.700e+001

Ср.диаметр ролика (мм.)=5.310e+000

Участок N 18Стержень:

Длина (mm.)=4.500e+001

Наружний диаметр (mm.)=9.500e+001

Внутренний диаметр (mm.)=8.000e+001

Диаметр шихты (mm.)=0.000e+000

Плотность (кг/m**3)=7.850e+003

Модуль Юнга (н/m**2)=2.100e+011

Mодуль упp.для шихты=2.100e+010

Плотность шихты (кг/m**3)=7.850e+003

Статический расчет:

-----------------------------------------------------------

| N оп. |Ос.жестк.| Рад.жестк.|Уг.жестк.|

| |н/мкм|н/мкм|н*мкм/рад|

-----------------------------------------------------------

|1 |0.000e+000 |4.408e+004 |0.000e+000 |

|2 |1.999e+002 |0.000e+000 |4.622e+011 |

|3 |3.565e+001 |4.409e+002 |0.000e+000 |

----------------------------------------------------------

Pадиальная и осевые жесткости (н/мкм):7.248e+001 0.000e+000

Осевая и радиальная нагрузки: (Н) 3.000e+001 5.000e+001

Осевое и радиальные смещения: (мкм) 6.898e-0011.#IOe+000

Тепловой расчет:

Исходные данные:

Вязкость (сCт.) = 5.000e+001

Частота вращения (об/мин) = 3.000e+003

Осевая нагрузка (Н.) = 5.000e+002

Способ смазки - Циркуляционная

Распределение нагрузок:

----------------------------------------

| N cеч. |Сила (Н)| Момент (Н*м) |

----------------------------------------

|1| 0.000e+000 | 0.000e+000 |

|2| 0.000e+000 | 0.000e+000 |

|3| 0.000e+000 | 0.000e+000 |

|4| 0.000e+000 | 0.000e+000 |

|5| 0.000e+000 | 0.000e+000 |

|6| 0.000e+000 | 0.000e+000 |

|7| 0.000e+000 | 0.000e+000 |

|8| 0.000e+000 | 0.000e+000 |

|9| 0.000e+000 | 0.000e+000 |

|10| 0.000e+000 | 0.000e+000 |

|11| 0.000e+000 | 0.000e+000 |

|12| 0.000e+000 | 0.000e+000 |

|13| 0.000e+000 | 0.000e+000 |

|14| 0.000e+000 | 0.000e+000 |

|15| 0.000e+000 | 0.000e+000 |

|16| 3.000e+001 | 3.000e+001 |

----------------------------------------

Результат теплового расчета:

--------------------------------------------

| N опоры | Потери (квт)| Температура (Гр.)|

--------------------------------------------

|1| 2.490e-001 | 7.790e+000|

|2| 3.800e-001 | 9.240e+000|

|3| -3.645e-011 | 9.850e-012|

--------------------------------------------

10. Оптимизация

Оптимизируем шпиндель методом “крутого восхождения”, изложенного в курсе “Расчет и конструирование металлорежущих станков” [8].

В качестве параметра оптимизации конструкции токарно-винторезного станка примем массу шпинделя.

Цель оптимизации: уменьшить массу шпинделя с сохранением параметров высокой жёсткости, виброустойчивости и долговечности. Стремимся чтобы: m_опт. m_min.

Полагаем, что на параметр оптимизации оказывают влияние следующие факторы: х₁, х₂, х₃, х₄. Причем, х₁, х₂, х₃ - факторы количественные, х₄ - качественный, принимающий 2 значения (материал шпинделя: сталь 45 или сталь 50Х).

Геометрические (количественные) параметры шпинделя:

- расстояние между опорами: L=848 мм = 0,848 м

- наружный диаметр (среднее значение): D=120 мм = 0,120 м

- внутренний диаметр: d=70мм = 0,070 м

Функция отклика имеет вид:

где - плотность стали

При заданных параметрах шпинделя считаем его массу:

Жесткость определяется по формуле:

j = F/y,

где: F - сила, действующая на переднем конце шпинделя, Н.

у - прогиб переднего конца шпинделя под действием силы F, мм]

Факторы	Верхний предел	Нижний предел	Кодовое обозначение	Интервал варьирования	Основной уровень
	+1	-1
L	948	748	X1	100	848
D	130	110	X2	10	120
d	75	65	X3	5	70
y	Сталь 50Х (HRC 56-60)	Сталь 45 (HRC 48-56)	X4	-	-

Из гипотезы математического планирования эксперимента предполагаем, что функцию отклика можно описать отрезком полинома вида: . Этот полином включает натуральные переменные (фактор в натуральных единицах, который принимает значения: либо “+1”, либо “-1”).

В качестве плана выбираем дробно-факторный план 2^3-1 с определяющим контрастом , т.е. генераторное соотношение равно .

Матрица планирования:

№ опыта						y
1	+1	-1	-1	-1	-1	50,52
2	+1	+1	-1	-1	+1	76,80
3	+1	-1	+1	-1	+1	83,51
4	+1	+1	+1	-1	-1	90,74

1.кг

2.кг

3.кг

4.кг

При этом качественный фактор принимает значения “сталь 50X”.

Определение коэффициентов в полиноме:

,

где N=4 - число опытов

Имеем:

Получаем полином:

Шаг движения по градиенту:

План крутого восхождения:

Наименование	L, м	D, м	d, м	m, кг	j, Н/м
Основной уровень	0,848	0,120	0,070	74,81	40
Коэффициент bi	-2,49	-12,68	8,40
Интервал варьирования	0,01	0,010	0,005
	-0,012	-0,063	-0,014
Шаг движения по градиенту	0,01	0,005	-0,001
Принятый шаг	-0,1	-0,002	-0,001
Реализуемый опыт 1	0,838	0,115	0,069	90,74	26
Реализуемый опыт 2	0,828	0,110	0,068	83,51	27
Реализуемый опыт 3	0,818	0,105	0,067	76,80	53
Реализуемый опыт 4	0,808	0,100	0,066	50,52	54

Жесткость определяется по формуле:

j = F/y,

где: F - сила, действующая на переднем конце шпинделя, Н.

у - прогиб переднего конца шпинделя под действием силы F, мм]

j=F/y=30/0,742=40,43

Факторы	Верхний предел	Нижний предел	Кодовое обозначение	Интервал варьирования	Основной уровень
	+1	-1
F	40	20	X1	10	30
y	0,752	0,732	X2	0,01	0,742
z	Сталь 50Х (HRC 56-60)	Сталь 45 (HRC 48-56)	X3	-	-

Из гипотезы математического планирования эксперимента предполагаем, что функцию отклика можно описать отрезком полинома вида: . Этот полином включает натуральные переменные (фактор в натуральных единицах, который принимает значения: либо “+1”, либо “-1”).

В качестве плана выбираем дробно-факторный план 2^3-1 с определяющим контрастом , т.е. генераторное соотношение равно .

Матрица планирования:

№ опыта					y
1	+1	-1	-1	+1	26
2	+1	+1	-1	-1	27
3	+1	-1	+1	-1	54
4	+1	+1	+1	+1	53

1.

2.

3.

4.

При этом качественный фактор принимает значения “сталь 50X”.

Определение коэффициентов в полиноме:

,

где N=4 - число опытов

Имеем:

Получаем полином:

При расчёте жесткости использовалась программа «Spin», файл shtn.dat - является файлом, содержащим все данные о шпиндельном узле.

Вывод: Из графиков зависимостей жесткости и массы можно видеть точку их пересечения, которая показывает оптимальные параметры для нового шпиндельного узла, однако следует учитывать и другие немаловажные факторы, например ограниченный размер шпиндельной бабки.

Поэтому оптимизация должна проводиться с учетом многих технических факторов.

Расчет конструкции шпинделя в программе Euler

point point1 = point( 0 [ mm ], 0 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point2 = point( 0 [ mm ], 44 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point4 = point( 56 [ mm ], 44 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point5 = point( 56 [ mm ], 42 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point6 = point( 62 [ mm ], 42 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point7 = point( 62 [ mm ], 44 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point8 = point( 112 [ mm ], 44 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point9 = point( 116 [ mm ], 50 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point10 = point( 136 [ mm ], 50 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point16 = point( 136 [ mm ], 44 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point17 = point( 205 [ mm ], 44 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point18 = point( 205 [ mm ], 60 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point19 = point( 272 [ mm ], 60 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point20 = point( 272 [ mm ], 68 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point21 = point( 320 [ mm ], 68 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point22 = point( 320 [ mm ], 60 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point23 = point( 420 [ mm ], 60 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point24 = point( 424 [ mm ], 62 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point25 = point( 860 [ mm ], 62 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point26 = point( 860 [ mm ], 80 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point27 = point( 976 [ mm ], 80 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point28 = point( 976 [ mm ], 90 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point29 = point( 1000 [ mm ], 90 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point30 = point( 1000 [ mm ], 85 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point31 = point( 1020 [ mm ], 85 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point32 = point( 1020 [ mm ], 110 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point33 = point( 1050 [ mm ], 110 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point34 = point( 1050 [ mm ], 0 [ mm ], 0 [ mm ] );

line line1 = polyLine( list( point1, point2, point4, point5, point6, point7, point8, point9, point10, point16, point17, point18, point19, point20, point21, point22, point23, point24, point25, point26, point27, point28, point29, point30, point31, point32, point33, point34, point1 ) );

solid solid1 = spin( line1, projectX, density = 7850 [ kg/ m3 ] );

point point11 = point( 761 [ mm ], 0 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point12 = point( 796 [ mm ], 0 [ mm ], 0 [ mm ] );

solid solid3 = cylinder( point11, point12, 155 [ mm ], density = 7850 [ kg/ m3 ] );

color color1 = RGB( 0, 128, 0 );

body шпиндель = body( color = color1 );

point point13 = point( 761 [ mm ], 200 [ mm ], 0 [ mm ] );

point point14 = point( 796 [ mm ], 200 [ mm ], 0 [ mm ] );

solid solid4 = cylinder( point13, point14, 45 [ mm ], density = 7850 [ kg/ m3 ] );

color color3 = RGB( 255, 153, 153 );

body привод = body( color = color3 );

vector vector1 = vectorPP( point1, point11 );

vector vector2 = vectorPP( point13, point14 );

joint joint1 = rackWheel( привод, point13, vector2, шпиндель, point11, projectX, 1 );

body корпус = body( color = RGB( 229, 229, 229 ) );

point point15 = point( 53 [ mm ], 0 [ mm ], 0 [ mm ] );

joint joint3 = rotational( шпиндель, корпус, point15, projectX );

joint joint4 = rotational( привод, корпус, point13, vector2 );

function functionsin = sinusoid( 10[ N m ], 1[ s ], 0[ s ] );

function function2 = jump( 0[ s ], 5[ s ], 0[ N m ], 90[ N m ] );

function function5(t[ s ])=90[ N m ]+functionsin(#t);

sensor sensor1 = rotVelocity( корпус, vector2, привод );

sensor sensor2 = rotVelocity( корпус, projectX, шпиндель );

force force1 = moment2( корпус, point13, vector2, привод, point13, function2, list( time, time, time ) );

force force2 = damperRotary( корпус, point15, projectX, шпиндель, point15, 0.3[N m] );

Прикрепление объектов

body шпиндель < (solid1, solid3 );

body привод < (solid4 );

Инерциальное звено;

set ground = корпус;

Единицы измерения;

set units = SI;

11. Список используемой литературы

1. Рахштадта А.Г., Брострема В.А. - Справочник металлиста. Т.2. М.: «Машиностроение», 1976.

2. Косиловой А.Г и Мещерякова Р.К. - Справочник технолога - машиностроителя. М.: «Машиностроение», 1985.

3. Пуш В.Э. - Металлорежущие станки: Учебник для машиностроительных втузов. М.: «Машиностроение», 1985. 256с.

4. Тепинкичев В.К. - Металлорежущие станки. М.: «Машиностроение», 1973. 472 с.

5. Гуревич Я.Л., Горохов М.В. и др. - Режимы резания труднообрабатываемых материалов. Справочник. М.: «Машиностроение», 1986. 239с.

6. Колодий Ю.К., Коломиец С.Н., Шарипов В.М. - Механические муфты приводов. Методические указания к курсовому проектированию. - М.: МГТУ МАМИ, 1996

7. Михайлов В.А., Авдеев В.Б. - Методические указания к выполнению курсового проекта по курсу «Станочное оборудование автоматизированного производства». - М.: МГТУ МАМИ, 1997 г

8. Михайлов В.А. - Конспект лекций по дисциплине «Расчёт и конструирование металлорежущих станков»

9. Каталог Sandvik Coromant, 2003 г.

Размещено на Allbest.ru