Токарно-винторезный станок модели 16К20Т1

Вал І:

Вал ІІ:

Конструктивно увеличиваем диаметры валов и принимаем:

,

После предварительного определения диаметров валов произведём расчёт на выносливость (усталостную прочность) вала І коробки скоростей и горизонтального шпинделя станка. Данный расчёт отражает характер изменения напряжений, статические и усталостные характеристики материалов, а также поверхностное упрочнение валов.

Расчёт вала І на прочность.

Для определения реакций в опорах составляем расчётную схему, при этом вал рассматривается как балка на двух шарнирных опорах. При определении реакций опор, а также эпюр изгибающих и крутящих моментов расчётную схему вала представляем с графическим изображением сил, действующих на вал в различных плоскостях (Рис.10).

Окружная сила Р воздействует на вал в плоскостях ZOX и равна:

, где

Т - крутящий момент на валу, Н*м;

D - диаметр делительной окружности зубчатого колеса, м.

Радиальная сила, воздействующая на вал в зубчатом зацеплении:

, где

Р - окружная сила, воздействующая на вал, Н,

б_w - угол зацепления, б_w=20є.

На зубчатом колесе:

Тогда:

Для шкива:

Тогда:

Рис. 3.6. Расчётная схема вала

По действующим на вал силам определяют в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях реакции опор и изгибающие моменты, после чего производят геометрическое их суммирование в опасном сечении:

, где

M_ux - максимальный изгибающий момент в опасном сечении, действующий в горизонтальной плоскости, НЧм;

M_uy - максимальный изгибающий момент в опасном сечении, действующий в вертикальной плоскости, НЧм.

Составим расчётную схему вала І и определим опорные реакции.

В плоскости ZOY:

?m_B=0;

?m_A=0;

Проверка:?y=0;

В плоскости ZOX:

?m_B=0;

?m_A=0;

Проверка:?X=0;

Строим эпюры изгибающих моментов в плоскостях ZOX и ZOY (рис.14) и определим суммарные изгибающие моменты в местах действия сил.

Рис. 3.7. Эпюры изгибающих моментов, действующих на вал



Уточнённый расчёт валов на выносливость произведём в форме проверки коэффициента запаса прочности, который определим по формуле:

или

, где

[n] - допускаемый предел прочности, обычно принимают: [n]=2…3;

n_у и n_ф - коэффициенты запаса прочности по нормальным и касательным напряжениям, которые определяют по формулам:

,

, где

у_-1 и ф_-1 - пределы выносливости для материала вала при симметричных циклах изгиба и кручения;

k_у и k_ф - эффективные коэффициенты концентраций напряжений при изгибе и кручении;

в - коэффициент, учитывающий влияние шероховатости поверхности, при шероховатости R_z?20мкм в=0,9…1,0;

у_н и ф_н - амплитуды циклов нормальных и касательных напряжений;

у_m и ф_m - среднее значение нормальных и касательных напряжений;

е_у и е_ф - масштабные коэффициенты для нормальных и касательных напряжений;

ш_у и ш_ф - коэффициенты, отражающие соотношения пределов выносливости при симметричном цикле изгиба и пульсирующем цикле кручения.

Значения у_-1 определяются в зависимости от предела прочности материала вала. Примем материал вала 40Х. Тогда:

Предел выносливости при симметричном цикле кручения:

Эффективные коэффициенты концентрации напряжений k_у и k_ф зависят от предела прочности у_в материала и при наличии галтелей или выточек выбираются по [7: табл. 1.2…1.3].

Примем: k_у=1,9,

k_ф=1,4.

Значения масштабных коэффициентов е_у и е_ф приведены в [7: табл.1.4.].

Примем: е_у=0,88, е_ф=0,77.

Амплитуду циклов и средние значения нормальных напряжений у_н и у_m определим по формулам:

, где

M_u - суммарный изгибающий момент в рассматриваемом сечении, НЧм;

F_a - осевая сила, действующая на вал, Н;

W - момент сопротивления в рассматриваемом сечении в мм³, который равен для круглого сплошного сечения:

d - диаметр вала, мм,

b и t - ширина и глубина канавки, мм.

При передачи крутящего момента прямозубыми колёсами считают, что отсутствует осевая нагрузка на вал, и нормальные напряжения, возникающие в его поперечном сечении, изменяются по симметричному циклу, тогда у_m=0.

Значения ф_н и ф_m определяем исходя из наиболее неблагоприятного знакопеременного цикла изменения касательных напряжений, т.е. считают, что напряжения кручения изменяются по отнулевому (пульсирующему) циклу:

, где

T - крутящий момент, передаваемый валом;

W_k - момент сопротивления кручению рассматриваемого сечения:

для круглого сечения:

Для симметричного цикла изгиба и пульсирующего цикла кручения ш_у и ш_ф приведены в [7: табл. 1.5.]. Примем ш_у =0,05 , ш_ф =0.

Расчёт для сечения 1.

Суммарный изгибающий момент:

Момент сопротивления:

Амплитуда циклов:

Среднее значение нормальных напряжений: у_m=0;

Момент сопротивления кручению:

Касательные напряжения:

Коэффициенты запаса прочности:

;

;

Расчёт для сечения 2:

Суммарный изгибающий момент:

Момент сопротивления:

Амплитуда циклов:

Среднее значение нормальных напряжений: у_m=0;

Момент сопротивления кручению:

Касательные напряжения:

Коэффициенты запаса прочности:

;

;

Поэтому принимаем d_І=30 мм, тогда:

Расчёт для сечения 1:

Суммарный изгибающий момент:

Момент сопротивления:

Амплитуда циклов:

Среднее значение нормальных напряжений: у_m=0;

Момент сопротивления кручению:

Касательные напряжения:

Коэффициенты запаса прочности:

Расчёт для сечения 2:

Суммарный изгибающий момент:

Момент сопротивления:

Амплитуда циклов:

Среднее значение нормальных напряжений: у_m=0;

Момент сопротивления кручению:

Касательные напряжения:

Коэффициенты запаса прочности:

 ;

;

3.4.4 Расчёт шпинделя на жёсткость

Мощность привода главного движения , максимальная частота вращения шпинделя модернизированного станка , класс точности станка П. Для проектируемого шпиндельного узла в качестве передней опоры выбираем двухрядный конический роликоподшипник

2-607920 по ГОСТ 21512-76, а качестве задней опоры - однорядный конический роликоподшипник 17716Л по ГОСТ 520-71.

Для приближённого расчёта на жёсткость шпиндель рассмотрим в виде балки на упругих опорах, нагруженную между опорами силой в зацеплении Q и равнодействующей тангенциальной и радиальной составляющей силы резания Р_р.

Рис. 3.8. Расчётная схема шпиндельного узла

Сила зацепления Q определяется по формуле:

,

где - окружная составляющая силы в зацеплении, Н; - угол зацепления зубчатых колёс, . Окружная составляющая равна:

,

где - тангенциальная составляющая силы резания, Н;

- диаметр начальной окружности приводного колеса шпинделя, мм;

- расчётный диаметр в мм, который равен:

,

где - наибольший диаметр обрабатываемой заготовки в мм.

Радиальное упругое перемещение шпинделя в зоне резания от силы с учётом деформации шпинделя и деформаций его опор определяется по формуле:

,

где - расстояние между опорами шпинделя, мм;

- расстояние от передней опоры до зоны резания, мм;

- длина передней консоли шпинделя, мм;

- расстояние от конца шпинделя до точки приложения силы , мм;

- расстояние от приводного колеса до передней опоры шпинделя, мм;

- модуль упругости, который равен для стали ;

- радиальные жёсткости передней и задней опор шпинделя, Н/мм;

- осреднённый момент инерции сечения шпинделя в пролёте между опорами шпинделя, мм⁴;

- осреднённый момент инерции сечения шпинделя на его консоли, мм⁴.

Радиальное упругое перемещение шпинделя в зоне резания от силы с учётом его собственных упругих деформаций и упругих деформаций опор:

Суммарная деформация шпинделя равна:

.

Нагрузка от сил резания: .

,

где - диаметр отверстия шпинделя, мм;

- средний наружный диаметр шпинделя, мм.

Вычисляем жёсткость передней опоры . В передней опоре стоит подшипник качения серии 2-607920.

Устанавливаем с предварительным натягом .

Радиальная податливость:

Относительный предварительный натяг:

.

Коэффициент, учитывающий натяг или зазор в подшипнике: Вычисляем радиальную податливость в контакте наиболее нагруженного тела качения с дорожкой качения в подшипнике с предварительным натягом:

Определяем радиальную податливость в контакте колец подшипника с посадочными поверхностями вала и корпуса:

,

где ;

- соответственно внутренний, наружный диаметры и ширина подшипника, мм.

Радиальная податливость в подшипнике равна:

Определим жёсткость опоры :

.

Вычисляем жёсткость задней опоры .

В качестве задней опоры стоит однорядный радиальный роликоподшипник 17716Л.

Радиальная податливость:

Относительный предварительный натяг:

.

Коэффициент, учитывающий натяг или зазор в подшипнике: Вычисляем радиальную податливость в контакте наиболее нагруженного тела качения с дорожкой качения в подшипнике с предварительным натягом:

Определяем радиальную податливость в контакте колец подшипника с посадочными поверхностями вала и корпуса:

,

где ;

- соответственно внутренний, наружный диаметры и ширина подшипника, мм.

Радиальная податливость в подшипнике равна:

.

Определим жёсткость опоры :

.

Рассчитаем радиальное упругое перемещение шпинделя в зоне резания от силы с учётом деформации шпинделя и деформаций его опор:

Рассчитаем радиальное упругое перемещение шпинделя в зоне резания от силы с учётом его собственных упругих деформаций и упругих деформаций опор:

Суммарная деформация шпинделя равна:

.

3.4.5 Расчёт подшипников

Подберём подшипники качения для вала І, имеющего частоту вращения n=1500 мин ^-1 с передачей крутящих моментов прямозубыми колёсами. Привод работает с умеренными толчками. Суммарные реакции опор:

В качестве опор ориентировочно выбираем радиальные однорядные шарикоподшипники 208К ГОСТ 8338-75. Подшипники устанавливают на жёсткие двухопорные валы с расстоянием между опорами L_оп?10*d. Прогиб вала под действием внешних сил не должен вызывать больших угловых смещений его оси, а перекос наружных колец относительно внутренних не должен превышать 10…15'.

Статическую радиальную грузоподъёмность определяем по формуле:

, где

i - число рядов тел качения в подшипнике;

z - число тел качения в однорядном подшипнике, число тел качения в одном ряду многорядного подшипника при одинаковом числе их в каждом ряду;

D_w - диаметр тела качения (шарика), мм;

б - номинальный угол контакта подшипника для расчёта

грузоподъёмности, град. для радиальных подшипников б=0.

Тогда:

Эквивалентную статическую радиальную нагрузку не определяем, так как частота вращения вала n>1 мин^-1.

Для определения динамической радиальной грузоподъёмности выбираем значение коэффициента f_c , предварительно определив отношение ,где D₀ - диаметр окружности комплекта шариков, мм.

Его можно вычислить как среднее значение суммы наружного и внутреннего диаметров подшипника:



Тогда, исходя из отношения , используя линейную интерполяцию, по табл. 2.7. [7] получим значение коэффициента f_c=58,6.

Динамическую радиальную грузоподъёмность определяем по формуле:

, где

f_c - коэффициент, зависящий от геометрии деталей подшипников, точности их изготовления и материала.

Тогда :

Сравниваем вычисленные значения статической и динамической радиальной грузоподъёмности:

,

которые не превышают расчётных.

Т.к. осевая нагрузка на подшипники отсутствует, то принимаем:

- эквивалентная динамическая радиальная нагрузка, где

К_Б - динамический коэффициент безопасности, учитывающий влияние условий работы узла на долговечность подшипника;

К_Т - коэффициент, учитывающий влияние температурного режима работы узла на долговечность подшипника.

Примем: .

Тогда :

Долговечность подшипников определяем по формуле:

, где

L_h -долговечность подшипников;

C - из справочника;

n - частота вращения вала;

P - эквивалентная динамическая радиальная нагрузка.

Тогда:

Таким образом, с вероятностью P_в=0,9 соответствующей уровню 90% -процентной надёжности можно утверждать, что долговечность выбранных подшипников составляет 15174 часов. Фонд рабочего времени в часах при сорокачасовой рабочей неделе составляет приближённо Ф₂?2000 ч. При двухсменном режиме работы с коэффициентом использования К_u=0,7 годовой фонд работы станка в часах составит: .

Долговечность подшипников в календарных годах:

что вполне достаточно.

3.4.6 Расчёт тягового усилия привода продольной подачи

Для расчета тягового усилия Q привода продольной подачи станка приведем расчетную схему (рис. 16). На этой схеме представлены все действующие силы: составляющие сил резания, масса узла, тяговая сила, реакции на рабочих гранях направляющих и соответствующих сил трения.

Рис. 3.9. Схема действующих сил.

Где = 30, = 60;

G =570 Н (вес суппорта с револьверной головкой);

Р_z = 4245 Н; Р_y = 1692 Н; Р_x = 2365 Н - составляющие силы резания;

Q - тяговое усилие привода продольной подачи;

А, В, С, fA - реакции на рабочих гранях направляющих и соответствующих сил трения.

Н - высота центра станка (Н = 220 мм);

В_о - расстояние между направляющими (В = 420 мм);

a, b, c - размеры направляющих (a = 50, b = 30, c =50);

z_Q = 230 мм (расстояние от поверхности направляющих до оси ходового винта);

f - коэффициент трения скольжения (f = 0,15);

Принимаем систему координат и по расчетной схеме составляем уравнения

равновесия подвижного узла:

Х = 0 ; Р_х + f(А + В + С) - Q = 0;

Y = 0 ; - Р_у + В = 0;

Z = 0 ; - Р_z - G + A + C = 0;

М_х = 0; Р_у(Н + b/2) - Gd - Р_z y_p + CB_o= 0;

Из этих четырех уравнений можно определить тяговое усилие Q.

Р_у = В;

Q = Р_х + f(А + В + С);

;

;

Подставив значения получим: В = 396 Н;

(Н);

(Н);

Тогда тяговое усилие равно:(Н).

По этому тяговому усилию будем рассчитывать передачу винт - гайка качения привода продольной подачи станка.

3.4.7 Выбор электродвигателя и определение мощности привода продольных подач

Мощность электродвигателей приводов подач определяется по формуле:

Р_расч = М_{расч расч} Вт,

где М_расч-расчетный момент нагрузки на валу электродвигателя;

_расч-расчетная частота вращения вала электродвигателя.

Момент на валу двигателя затрачивается на преодоление силы трения между столом и направляющими, а также на преодоление радиальной составляющей силу резания Р_у. Он определяется по формуле:

М_расч = Нм, где

F-осевая сила, развиваемая гайкой винтовой пары;

=0,92-КПД шариковой винтовой пары;

D=0,05 м-диаметр ходового винта.

F = N f = ((m_ст + m_заг) g + P) f (Н), где

m_ст-масса стола;

m_заг=40 кг-максимальная масса заготовки;

g=9,8 м/с²-ускорение свободного падения;

f=0,1-коэффициент трения;

Р - усилие от сил резания; максимальное усилие (при фрезеровании торцовыми фрезами) принимаем по результатам расчета технологической части;

Р = Р_h + Р_v;

Р_{рез подачи} = Р_h = (0,2-0,3) Р_Z = 0,32500 = 750 H

Р_{рез.отж.} = Р_y = (0,3-0,4) Р_Z = 0,44245 = 1698 H

P = 750+1698 = 1750 H

Масса стола определяется его объемом и плотностью материала, из которого он изготовлен:

m_ст = (0,8 0,4 0,15) 7800 = 374 кг

F = ((374 + 40) 9,8 + 2448) 0,1 = 809 Н

М_расч =

Расчетная частота вращения вала электродвигателя определяется максимальной скоростью перемещения стола V и шагом ходового винта t.

1/c

Расчетная мощность электродвигателя:

Р_расч = 22 95,5 = 2101 Вт

Учитывая расчетную мощность, достоинства высокомоментных низкооборотных электродвигателей выбираем для приводов подач электродвигатели ПБВ132М мощностью 2,2 кВт.

3.4.8 Расчёт передачи винт-гайка качения привода продольной подачи

Критериями работоспособности передач винт-гайка качения являются:

· прочность поверхностных слоев контактирующих тел при действии статической нагрузки;

· долговечность(по выносливости) поверхностных слоев при действии переменной нагрузки;

· осевая жесткость;

· КПД;

· устойчивость винта (в случае работы на продольный изгиб);

· динамическая устойчивость винта при высокой частоте вращения (отсутствие резонанса).

Расчеты по указанным критериям позволяют проверить правильность выбора размеров передачи, назначить величину предварительного натяга, определить потери на трение.

- тяговое усилие привода продольной подачи;

- диаметр винта;

- шаг ходового винта;

- длина ходового винта.

Рис. 2.10. Параметры передачи винт-гайка качения.

Для этих значений выбираем параметры ШВП:

1. Число рабочих шариков в 1 витке равно:

Число рабочих шариков в гайке, имеющей 3 витка: .

2. Твёрдость рабочей поверхности резьбы HRC_э 60/

1) Допустимая статическая нагрузка на 1 шарик определяется:

2) Допустимая статическая нагрузка на винт при отсутствии натяга:

,где

- расчётное число шариков в гайке, ;

- угол наклона винтовой линии, .

3. Коэффициент долговечности К:

, где

- коэффициент переменности нагрузки, ;

- расчётный срок службы передачи в часах (обычно принимают );

- расчетная частота вращения в минуту винта (или гайки),

;

 - число циклов нагружения за один оборот винта (или гайки),

.

Здесь - число рабочих шариков в одном витке гайки.

4. Допускаемая нагрузка на 1 шарик P_доп. при долговечности :

5. Допустимая нагрузка на винт при отсутствии натяга при долговечности :

6. Определение КПД передачи при отсутствии натяга:

, где

- шаг винта;

- угол подъёма винтовой линии резьбы винта;

- приведённый угол трения.

, где

- коэффициент трения качения в см, ;

- радиус шарика в см, .

7. Максимальная допустимая сила натяга :

.

8. Минимальная допустимая сила натяга :

Дальнейшие расчёты будем вести для двух значений величины натяга: и .

9. Допустимая нагрузка на винт при натяге:



а) При :

;

б) При :

.

10. Относительное осевое перемещение двух гаек, необходимое для создания натяга:

а) При : ;

б) При :

.

11. Необходимое увеличение диаметра шариков для создания натяга:

а) При :

б) При :

12. Осевое перемещение гайки относительно винта в результате контактной деформации при нагрузке :

а) При :

б) При :

Т.к. при этом нагрузки существенно меньше, чем предельно-допустимая, необходимо уменьшить величину . Согласно формуле 19(стр.23,(12)):

13. Деформация растяжения (или сжатия) винта :

- модуль продольной упругости материала контактирующих тел, ; - наибольшая рабочая длина винта, .

14. КПД передачи при наличии натяга и нагрузки :

, где

- сила, действующая на шарики 1-ой гайки;

- сила, действующая на шарики 2-ой гайки.

При действии осевой нагрузки шарики одной гайки дополнительно нагружаются, а шарики другой - разгружаются, т.е.

По графику на рис. 10.(стр.21,(12)) определяем значения:

; ; ; .

а) Определим при :

Следовательно, при будет равно

.

б) Определим при :

Следовательно, при будет равно .

15. Наименьшая нагрузка , начиная с которой передача перестанет быть самотормозящейся.



а) При :

;

б) При :

.

16. Момент холостого хода определяется по формуле:

а) При :

б) При :

Выбираем величину силы натяга в пределах , исходя из следующих соображений:

при податливость соединения винт-гайка примерно в 2 раза меньше, чем при (соответственно при нагрузке ). Однако уменьшение податливости передачи с учётом деформации винта составляет всего 36% (соответственно и ), если учесть податливость опор винта, то выигрыш окажется ещё меньше.

С другой стороны, при КПД передачи снижается до 0,93 против 0,94 при (при нагрузке ), а момент холостого хода повышается в 2 раза. Целесообразно поэтому назначить величину близкую к минимальной (т.е. к 130,5Н), увеличив её в целях компенсации погрешностей изготовления и регулировки в 1,3-1,5 раза.

Выбираем величину натяга . Разноразмерность шариков не должна превышать 1-2 мкм, а шероховатость поверхности резьбы не ниже 0,8мкм.

3.4.9 Выбор двигателя и определение мощности привода вращения осевого инструмента револьверной головки

Минимальные обороты двигателя назначаем при фрезеровании заготовки из высокопрочной стали 43Х3СНМВФА

Глубина фрезерования t = 10 мм.

Примем подачу на зуб S_z = 0.12 мм, при диаметре фрезы 20 мм.

Скорость резания:

V=, м/мин

где V - скорость резания;

C_V, q, m, x, y, u, p определяем по табл. 39 (4, 358);

Т - период стойкости, мин;

t - глубина резания, мм;

K_V - общий поправочный коэффициент;

S_z - подача на зуб, мм;

B - ширина фрезерования, мм;

z - число зубьев фрезы.

K_V = K_MV K_ПV K_ИV, где K_MV-коэффициент, учитывающий качество обрабатываемого материала,

K_ПV-коэффициент, учитывающий состояние поверхности заготовки,

K_ИV - коэффициент, учитывающий материал инструмента.

Тогда C_V = 108, q = 0.3, m = 0.26, x = 0.3, y = 0.25, u = 0, p = 0,

Т = 80 мин, t = 3,0 мм, В = 4 мм, z = 2, K_MV = 0.95,K_ПV = 0.9,K_ИV = 1.0.

K_V = 0,950,91,0 = 0,855 .

V = = 9.149 м/мин.

n_p = V/(d) =87.149/(0.076) = 1284.45 мин^-1

Определим силу резания

Р_z=, Н

Р_z= Н

Мощность резания

N_е=, кВт

N_е= кВт

Для подсчета максимальных оборотов двигателя осевого инструмент выбираем материал заготовки Д16Т - алюминиевые сплавы.

Диаметр сверла

Подачу S назначаем по таблице 26 (4, стр. 277): S = 0,15 мм/об. Скорость резания рассчитывается по эмпирической формуле:

 где

Стойкость сверла: Т = 30 мин;

= 7,0; m = 0,20; y = 0,7; q = 0,4, ;

Скорость резания:

Тогда частота вращения шпинделя: .

Проектируем привод вращения осевого инструмента для получения следующих характеристик:

максимальные обороты двигателя n_max = 3000 об/мин

минимальные обороты двигателя n_min = 1284 об/мин

Выбираем трехфазный асинхронный двигатель фирмы 1РH7103-F-0 «Siеmens»:

номинальная мощность 4 кВт;

достигаемая частота вращения при номинальной мощности n=3750 мин^-1;

Мд=70 Н*м.

4. Исследовательская часть

Целью исследовательской части является разработка исходных данных на проектирование гибкого резцедержателя применительно к адаптивной системе управления модернизируемого станка.

4.1 Исследование жесткости токарных станков с ЧПУ

Жесткость станков является одной из характеристик качества, так как наряду с геометрической и кинематической точностью обуславливает точность обработанных деталей.

Учитывая, что значительная номенклатура деталей изготавливается из труднообрабатываемых материалов, в связи, с чем удельный вес погрешностей обработки, вызываемых недостаточной жесткостью в балансе точности станка возрастает.

Определение показателя жесткости является также актуальной задачей при входном контроле вновь приобретаемого металлорежущего оборудования и для оценки качества станков после ремонта и модернизации.

Узлы работающего станка подвергаются воздействию сил резания, трения, инерции; сил, вызываемых весом обрабатываемых заготовок и технологической оснастки; сил, возникающих при закреплении заготовок. Под действием этих сил возникают упругие деформации деталей, входящих в узел, и деформации стыков. Соответственно различают собственную и контактную жесткость. Узлы станка, несущие заготовку и инструмент, являются основными узлами, определяющими их взаимное расположение в процессе обработки под действием вышеуказанных сил, и определяют точность обработанных деталей. Поэтому жесткость основных узлов определяет жесткость станка в целом. Для станков токарной группы с ЧПУ ГОСТ 17-70 устанавливает в качестве показателя жесткости относительное перемещение под нагрузкой закрепленной на шпинделе оправки относительно револьверной головки. При статическом методе испытания на жёсткость нагрузки, действующие на оправку в шпинделе и револьверную головку, имитируются приближенно, так как при этом не создаётся крутящий момент и осевая составляющая силы резания. Нагружение системы силой Р производится в плоскости, перпендикулярной оси вращения шпинделя, под углом 60° к направлению поперечной подачи.

Метод определения жёсткости: при испытаниях токарных станков на жесткость производят искусственное нагружение, имитирующее результирующую составляющих сил резания Pz , Py, Px. Статическое нагружение создают специальным устройством, конструкция и техническая характеристика которого должна соответствовать типу и размеру станка.

Относительные перемещения измеряют индикатором часового типа (МИГ) с ценой деления 1мкм и диапазоном измерения, превышающим в 1.5-2 раза предельно допустимое значение этих перемещений.

Порядок проведения испытания на жёсткость: на шпинделе станка (см. рис. 2.1) жестко закрепляют оправку, основные размеры которой даны в табл. 2.1. При проверке в отверстии головки закрепляют устройства для создания нагружающих сил Р1 и Р2. Для измерения сил используют рабочие динамометры.

Рис. 4.1. Схемы испытания

Перед каждым испытанием револьверной головке сообщают перемещение с последующей установкой (движением к шпинделю) в заданное положение, а шпинделю - поворот. При проверке револьверную головку закрепляют.

Между оправкой, закрепленной на шпинделе, и револьверной головкой создаются плавно возрастающие силы Р1 и Р2, направление которых проходит через ось оправки и составляет в первом случае угол 60° с направлением поперечной подачи и во втором случае - угол =30° между направлением поперечной подачи и проекцией силы Р2 на горизонтальную плоскость и угол =60° между этой проекцией и самой нагружающей силой.

Одновременно с нагружением измеряются перемещения в направлении поперечной подачи оправки, закрепленной на шпинделе, относительно револьверной головки. Индикаторное устройство закрепляют на револьверной головке. При этом измерительный наконечник индикатора устанавливают так, чтобы он касался боковой образующей пояска оправки, а его ось была бы горизонтальна и перпендикулярна к оси оправки.

За величину относительных перемещений принимают среднее арифметическое результатов двух измерений.

Проверку револьверной головки производят не менее чем в двух ее позициях. Параметры расположения узлов при испытании токарных станков на жесткость указаны в таблице 4.3. Значения сил Р1 и Р2 указаны в таблице 4 для станков с различными диаметрами обрабатываемой заготовки.

Согласно паспортным данным принятого типоразмера станка токарной группы, в частности станка модели 16К20Т1 жесткость передней бабки составляет 3кН/мм, задней бабки 1,5 кН/мм и суппорта 1,5 кН/мм.

4.2 Расчеты по проектированию конструкции гибкого резцедержателя

В основе составления математической модели лежит динамический баланс упругих перемещений и сил, возникающих в зоне резания, и упругие перемещения и силы противодействия, предусмотренные в конструкции оправки.

,

где кН/мм, кН/мм , кН/мм,

(, мм, мм, МПа)

Н/мм

кН/мм.

кН/мм

мм

где кН/мм, кН/мм,

,

(,,,МПа)



мм

где , , ,

,



где ,

(,,,,)

Вариант без ,

где ,,.



где ,,

Сердечник выполняем изстали ХВГ.



Назначаем: диаметр сердечника мм.

С целью слежения за упругими деформациями устанавливаем два датчика ТД 50-450 МА.

5. Организационно - экономическая часть

5.1 Технико-экономическая эффективность внедрения нового технологического оборудования

Одним из главных показателей экономичности оборудования или технологического процесса является себестоимость выпускаемой продукции.

Себестоимость продукции включает затраты на основные материалы, заработную плату, электроэнергию, вспомогательные материалы (для технологических целей), ремонт оборудования и амортизационные отчисления.

Эти составляющие себестоимости непосредственно зависят от основных технических характеристик станка, улучшение которых приводит к уменьшению себестоимости продукции. Кроме того себестоимость продукции включает также цеховые и общезаводские расходы, содержащие затраты на содержание цехового и общезаводского персонала, зданий и сооружений и др.

Одним из основных методов уменьшения себестоимости продукции является повышение производительности станка и изменение технологического процесса.

Оснащение станка устройством автоматической смены режущего инструмента сокращает t_В - вспомогательное время, затрачиваемое на установку и смену режущего инструмента.

Применение системы измерительных датчиков наладки режущего инструмента и контроля обработанных заготовок не только способствует повышению качества продукции, снижению количества бракованных деталей, но и обеспечивает сокращение t_В за счет упрощенной установки изделия на станке, автоматизированного контроля размеров. Система измерительных датчиков контакта доводит до минимума вмешательство оператора в технологический процесс, поэтому требует обслуживание станка оператором меньшей квалификации. Изменение технологического процесса путем концентрации операций на одном станке, совмещение переходов во времени также дает существенное увеличение производительности при одновременном повышении качества обработки.

Так как расчет технико-экономической эффективности для нескольких деталей затруднителен, то принимаем типовую деталь, обрабатываемую на данном оборудовании с годовой программой выпуска N=50 шт.

5.2 Расчёт оптовой цены токарно - винторезного станка с ЧПУ

На стадии проектирования установлены следующие исходные данные нового станка:

Чистая масса станка - 3800 кг

Чистая масса без покупных изделий - 3665 кг.

Количество оригинальных деталей - 560 шт.

Количество всех деталей в станке - 1020 шт.

Количество литых деталей - 88 шт.

Чистая масса литых деталей - 2303 кг.

Чистая масса деталей из сортового проката - 1250 кг.

Цена покупных изделий, подсчитанная по известной номенклатуре и соответствующим прейскурантам - 22770 руб.

5.2.1 Расчёт затрат на основные материалы

На основании исходных данных известны:

Чистая масса чугунного литья - 2303 кг.

Чистая масса деталей из сортового проката - 1250 кг.

Согласно табл.2 определяем потребное количество этих видов материала на один станок или норму расхода:

 кг. или 2,8 т.

кг. или 2,2 т.

Согласно соответствующим прейскурантам средняя оптовая цена одной тонны литейного чугуна равна 13000 руб., а тонны стали сортовой конструкционной (сортового проката) - 21000 руб.

руб.

руб.

Цена остальных материалов составляет 10-15% от цены чугунного литья и сортового проката, т.е.

руб.

Реализуемые отходы на данной стадии определения цены нового станка учитывать не будем

5.2.2 Расчёт трудоёмкости, основной и дополнительной заработной платы с отчислениями на социальное страхование

Определяем трудоёмкость изготовления станка:

ч.

ч.

ч.

ч.

Общая трудоёмкость изготовления станка составит:

ч.

Основная заработная плата:

руб.

Основная и дополнительная заработная плата с начислениями на социальное страхование руб.

5.2.3 Расчёт себестоимости и оптовой цены проектируемого токарно-винторезного станка

Определяем оптовую цену станка:

руб.

5.2.4 Расчёт экономического эффекта токарно-винторезного станка с ЧПУ

Наименование данных	Единица измерения	Обозначение	Базовый вариант	Новый вариант
Штучное время	мин.		15,84	11,31
Принятый коэффициент загрузки	-		0,8	0,8
Коэффициент приведения затрат базисного варианта к годовому объёму производства деталей	-
Годовое количество обрабатываемых деталей	шт.
Габариты станка (длина х ширина)	м.	-	3,3х2,2	3,3х2,2
Площадь станка по габаритам		S	7,26	7,26
Установленная мощность всех электродвигателей	кВт.		16	19
Категории ремонтной сложности механической части электрической части	ремонтной сложности		24 12	31 16
Разряд работы: станочника наладчика	- -	- -	5 5	5 5
Количество станков, обслуживаемых в одну смену: станочником наладчиком	шт. шт.		1 4	1 2
Срок службы	год.	T	12	12
Оптовая цена станка	руб.		4876530	5158032

Капитальные вложения потребителя:

а) оборудование

руб.

руб. - новый вариант

руб. - базовый вариант

б) здания

руб.

руб.

в) всего

руб.

руб.

Себестоимость обработки годового объёма деталей:

а) заработная плата производственных рабочих

руб. - годовой норматив зарплаты станочника;

руб. - годовой норматив зарплаты наладчика;

руб.

 руб.

руб.

б) силовая электроэнергия

- норматив годовых затрат на силовую электроэнергию

руб.

руб.

руб.

в) ремонт и техническое обслуживание

руб.

руб.

- т.к. станок является повышенной точности (класс П)

руб.

руб.

г) амортизационные отчисления на реновацию станка

 руб.

руб.

д) годовые затраты на содержание и амортизацию здания цеха, занимаемого оборудованием

руб.

руб.

ИТОГО: руб.; руб.

е) определение годового экономического эффекта

руб.

Вывод: модернизация станка и принятие нового технологического процесса позволяет получить при программе N=100 деталей в год экономический эффект 216342 рубля.

6. Промышленная экология и безопасность

6.1 Обеспечение безопасности труда при эксплуатации токарно-винторезного станка с ЧПУ модели 16К20Т1

6.1.1 Характеристика опасных и вредных производственных факторов

Технологический процесс с использованием станка, осуществляется в условиях механического цеха с железобетонным полом. В цехе имеется водяное отопление, цеховая магистраль сжатого воздуха, осветительные и вентиляционные установки.

В процессе трудовой деятельности оператор осуществляет процесс обработки детали с помощью ЧПУ. При этом он производит ввод, отладку и корректировку программы, управляет электро- и гидроагрегатами, включает и выключает станок, осуществляет контроль за ходом технологической операции. Наладка и переналадка станка осуществляется наладчиком.

В процессе эксплуатации станка на рабочего действует ряд источников опасных и вредных факторов. Опасные и вредные производственные факторы подразделяются по природе воздействия на группы (по ГОСТ 12.0.003-74):

1. Физические опасные и вредные производственные факторы, такие как:

- движущиеся части станка, вылетающая стружка и острые кромки детали;

- повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны;

- повышенная температура поверхности заготовки и инструмента;

- повышенный уровень шума на рабочем месте;

- повышенный уровень вибрации;

- опасный уровень напряжения в электрической цепи;

- недостаточная освещенность рабочей зоны;

2. Химические опасные и вредные производственные факторы.

3. Биологические опасные и вредные производственные факторы.

4. Психофизиологические опасные и вредные факторы :

- физические перегрузки (установка заготовок на станок и снятие готовых деталей со станка);

- нервно-психические перегрузки, вызванные монотонностью труда;

Оценка механически опасных факторов.

К опасным механическим факторам относятся движущиеся элементы конструкции станка (револьверная головка, пиноль), суппорт с установленным в нем режущим инструментом, вылетающие в процессе резания стружка и осколки режущего инструмента.

Основными опасными механическими факторами, возникающими в процессе токарной обработки детали, являются:

- стружка «стальной вьюн», имеющая острые края и повышенную температуру;

- вращающийся шпиндель с патроном и закрепленной заготовкой;

- острые кромки заготовки, острие резца;

- движущиеся элементы конструкции станка, требующие ограждения (шкивы и ременные передачи, ходовой винт и вал, распределяющие движение в суппорте);

- падающая заготовка.

Для безопасной эксплуатации станка и защиты обслуживающего персонала предусмотрены защитные устройства, предназначенные для ограждения движущихся механизмов, исключая возможность допуска к ним. Зона резания имеет защитное устройство, включающее в себя щиток со смотровым окном из прочного стекла, защищающего человека от вылета стружки брызг СОЖ и масел. Узлы и механизмы станка, представляющие опасность, окрашены в различные цвета, регламентированные ГОСТ 15548-70. Оценка безопасности при выделениях газов и паров. Наиболее интенсивными источниками выделения вредных примесей являются технологические операции.

Значения предельно допустимых концентраций вредных примесей в воздухе рабочей зоны приводятся в ГОСТ 12.1.005-88 «Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования» и СниП 2.04.05-86 «Отопление, вентиляция и кондиционирование».

Процесс охлаждения зоны резания с помощью подачи СОЖ является источником выделения в воздух аэрозолей и паров воды. СОЖ является также источником микроорганизмов, представляющих биологическую опасность.

По технологическим и гигиеническим соображениям в качестве СОЖ принимается эмульсия «Аквол-2», представляющая собой 3% водный раствор эмульсола, состоящего из минерального масла ПАВ, мыла. Противозадирные и противоизносные прокладки, содержащие серу и соду, фосфор и хлор, не используются, что ликвидирует токсичность СОЖ.

Подача СОЖ в зону резания осуществляется с помощью сопла гидродинамическим способом. Такая подача уменьшает выделения аэрозолей СОЖ. По практическим и справочным данным интенсивность выделения аэрозолей эмульсола для данной группы и мощности станков не превышает 100 мг/ч. Таким образом, нормализация воздуха рабочей зоны может обеспечиваться общеобменной вентиляцией.

Процесс обработки металла связан с выделением пыли. Нетоксичная пыль обычно оказывает раздражающее воздействие на слизистые оболочки человека, а при попадании в легкие-специфические заболевания. Для устранения этого опасного фактора используется вытяжная вентиляция.

Оценка вибробезопасности.

Источником вибраций является работа электродвигателей, зубчатых передач, а также сам процесс резания.

Нормы вибрации приведены в ГОСТ 12.1.012-90 «Вибрационная безопасность. Общие требования безопасности».

Повышенный уровень вибрации оказывает вредное воздействие на нервную эндокринную, мышечную, костно-мышечную, сердечно-сосудистую системы. При некоторых частотах страдают внутренние органы, возникают спазмы сосудов, появляется вибрационная болезнь.

Защита от вибрации осуществляется путем демпфирования, т.е. установкой станка на специальные виброопоры. Снижение вибрации достигается также ха счет увеличения жесткости системы СПИД.

Оценка источников шума, ультразвука и инфразвука.

Шум неблагоприятно воздействует на организм человека, вызывает психические и физиологические нарушения, снижающие работоспособность и создающие предпосылки для общих и профессиональных заболеваний и производственного травматизма.

Процесс резания, работа электродвигателей, механизмов и систем станка сопровождается возникновением акустических колебаний на ультразвуковых и инфразвуковых частотах. При обработке и контроле качества изготовляемой детали ультразвуковые установки не используются.

Все источники шума можно сгруппировать в конструкторские и технологические. Конструкторские источники шума действуют при работе станка на холостых режимах. К ним относятся электродвигатели, подшипники качения, зубчатые передачи и неуравновешенные вращающиеся части. Технологические источники связаны с самим процессом резания. На уровень технологического шума оказывают влияние режим резания, конструктивные особенности и степень износа режущего инструмента. Допустимые уровни звуковой мощности приведены в табл.1.

Табл.6.1.

Уровень Звука	Среднегеометрическая частота, кГц.
	6	9	12	18	24	36	48	72	96
Фактич.	101	89	86	80	77	73	70	70	68
Допуст.	107	95	87	82	78	75	73	71	69

Октавные уровни звукового давления и уровни на рабочем месте оператора при работе станка под нагрузкой не должны превышать значений, указанных в ГОСТ 12.1.003 - 88.

Выбор соответствующего класса точности изготовления деталей станка и балансировка вращающихся деталей, централизованная циркуляционная система смазки позволяют улучшить шумовые характеристики станка.

Обеспечение электробезопасности.

Производственное помещение (механический цех), в котором эксплуатируется модернизированный станок и осуществляется усовершенствованный технологический процесс, характеризуется наличием токоведущих полов и возможностью одновременного касания металлических конструкций, соединенных с землей, и элементов электрооборудования, находящихся под напряжением. В соответствии с ПУЭ механический цех с такими условиями относится к помещениям особо опасным по поражению электрическим током. Следовательно, элементы оборудования, нормально не находящиеся под напряжением, должны заземляться или зануляться при номинальном напряжении от 220 В переменного тока и от 110 В постоянного тока в соответствии с ГОСТ 12.1.030 - 81 «ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление, зануление».

Электрифицированным оборудованием, кроме металлообрабатывающих станков, являются грузоподъемные устройства, осветительная установка общего освещения, вентиляционные установки общеобменной вентиляции.

Станок имеет ряд электроприемников различных напряжений и родов тока. Привод главного движения осуществляется от асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором 1РН7 131. На приводах продольных и поперечных подач используются высокомоментные двигатели. Имеются электроприемники низкого напряжения: светильники местного освещения (аппаратура управления и сигнализации, система ЧПУ). В электрооборудование станка входит электрошкаф. Светильники общего освещения питаются переменным током напряжением 220 В.

Питание электроприемников осуществляется от трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью напряжением 380/220 В непосредственно через понизительные трансформаторы и выпрямители.

Защита станочника от поражения электротоком соответствует ГОСТ 12.1.019-84 «Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты».

В станке 16К20Т1 осуществляется недоступность токоведущих частей их надежной изоляцией и размещением в недоступных местах.

Электроустановки ограждены. Обеспечивается изоляция рабочего места.

Электрошкафы имеют исполнение по степени защиты по ГОСТ 14254-80.

По ГОСТ 12.1.038-82 допустимые уровни напряжений прикосновения и токов при аварийном режиме производственных установок напряжением до 1000 В приведены в табл.2.

Табл.6.2.

Номин.велич.	Пред. допустимые значения при t, C.
	<0,1	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1	>1
U,В	550	340	160	135	120	105	95	85	75	70	60	20
I,А	650	400	190	166	140	125	105	90	75	70	50	6

6.1.2 Расчет заземления

Для проведения расчета воспользуемся программой автоматического расчета.

Расчет заземления сводится к определению длины горизонтального заземлителя (обвязка) и числа вертикальных заземлителей (стержней) при заданных условиях.

Длина вертикального заземлителя (L) должна быть не менее 1,5 метра.

Если грунт не однородный заземлитель должен «прошивать» верхний слой полностью.

Диаметр вертикального заземлителя (d) должен быть не менее 12 мм.

Заглубление вертикального заземлителя (t) должно быть не более 0,8 метра.

Сечение соединительной полосы должно быть не менее 48 мм2 , толщина - не менее 4 мм; минимальный диаметр прутка-10 мм, минимальная толщина стенки уголка - 4 мм, минимальная толщина стенки трубы - 3,5 мм.

Вывод результатов расчета:

Рис. 6.1. Исходные параметры для расчёта заземления.

Рис. 6.2. Схема устройства заземлителя



Рис.6.3. Результаты расчёта

Произведён расчёт устройства заземлителя, который обеспечит электробезопасность при длительной эксплуатации проектируемого токарно-винторезного станка с ЧПУ.

Оценка пожаро- и взрывобезопасности.

Горючими компонентами при холодной обработке металлов резанием являются промасленная ветошь, полимерная изоляция силовых и осветительных кабелей, минеральные масла в период их замены в станции смазки и гидростанции.

Источниками зажигания может быть электрическая искра, электрическая дуга при коротком замыкании в электроустановках, нагретая стружка. Электроустановки являются не только источниками зажигания, но и источниками распространения горения и горючими компонентами.

Основными причинами пожаров при холодной обработке металлов резанием являются короткие замыкания в электрооборудовании и проводке, самовозгорание промасленной ветоши и одежды, нарушение противопожарного режима и правил обращения с горючими жидкостями.

При возникновении пожара на работающих могут воздействовать первичные и вторичные опасные факторы пожара (ОФП): пламя и искры, повышенная температура окружающей среды, токсичные продукты горения и термического разложения, дым, пониженная концентрация кислорода, электрический ток, возникающий в результате выноса высокого напряжения на токоведущие части конструкций, огнетушащие вещества.

Пожарная безопасность обеспечивается системой предотвращения пожара, противопожарной защитой и организационно-техническими мероприятиями в соответствии с ГОСТ 12.1.004 - 91 «ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования» и Типовыми правилами пожарной безопасности.

Средствами пожарной защиты являются огнетушители, установленные в определенном месте цеха.

Оценка условий зрительной работы.

Для нормальной работы персонала необходима правильная организация освещения. Нормальное освещение способствует тому, что человек длительное время сохраняет способность устойчивой работы без утомления, так как от освещенности зависит скорость, с которой глаз различает предметы.

Работа на станке связана с напряжением зрения во время контроля установки изделия и режущего инструмента, промера детали, а также при контроле работы системы ЧПУ.

Условия работы требуют не только достаточной освещенности, но и рационального направления света, отсутствие резких теней и бликов, вызывающих слепящее действие и снижающих работоспособность.

Для освещения производственного помещения используются открытые светильники типа ОД (открытые, дневные). Станок имеет встроенный местный светильник, имеющий лампу накаливания. Светильник обеспечивает направленность светового потока для освещения зоны резания и контроля качества обработки поверхностей (60°) и необходимую освещенность. Зона резания освещается слева и сверху, что исключает направление света в глаза.

Контроль освещенности на рабочем месте производится в соответствии с ГОСТ 24940, чистка светильников местного освещения - ежедневно, чистка светильников общего освещения - 4 раза в год.

Правильно спроектированное и выполненное освещение обеспечивает возможность нормальной производительной деятельности, способствует росту производительности труда и улучшению качества выпускаемой продукции.

Нормирование значения коэффициента естественной освещенности на рабочих поверхностях при естественном и совмещенном освещении по СНиП-11-4-79 в табл.3.

Табл. 6.3.

Характер зрительной работы	Разряд зрит работы	искусственное	естественное	совмещенное
		освещ., лк	КЕО,%	КЕО,%
		комб.	общее	верхнее	боковое	верхнее	боковое
Высоко- точн.	2	1000	300	5	2	2-3	0,7-1,2

Оценка психофизиологических и эргономических факторов.

Психофизиологические опасные и вредные производственные факторы согласно ССБТ делятся: физические перегрузки (статические, динамические) и нервно-психические перегрузки (умственное перенапряжение, перенапряжение зрительных анализаторов, монотония, эмоциональные перегрузки).

Станок с ЧПУ обслуживают оператор и наладчик. Наладку и переналадку осуществляет наладчик, а подналадку, оперативную работу и контроль за работой - оператор.

Функции оператора при эксплуатации станка сводятся к установке, закреплению и выверке приспособления и инструмента на станке, установке программоносителя и заготовок, замене инструмента, снятию деталей и наблюдению за ходом работы станка.

Работа оператора связана с рабочей позой стоя, непостоянной ходьбой и сопровождается временным незначительным физическим напряжением и энергозатратами в пределах 121 - 150 ккал/ч (140 - 150 Вт). В соответствии с ГОСТ 12.1.005 - 88 она относится к легкой физической работе. Основные требования к рабочему месту при выполнении работы стоя приведены в ГОСТ 12.2.033-78 «ССБТ. Рабочее место при выполнении работы стоя. Общие эргономические требования».

При работе оператора отсутствуют статические нагрузки, связанные с удержанием грузов. В связи с работой в позе стоя и недостаточной ходьбой на оператора действует гиподинамия и повышенная нагрузка на ноги. Для профилактики предусмотрены производственная гимнастика, изменение рабочей позы в процессе работы, общие меры по снижению утомляемости и монотонности труда.

По напряженности труда работа оператора характеризуется повышенной ответственностью за технологический процесс и повышенной нервно-эмоциональной нагрузкой при установке, закреплению, выверке приспособлений и установке программоносителя. Режим труда станочника физиологически обоснован. Работа осуществляется в две смены. Ночная смена исключается. Продолжительность рабочего дня составляет 8 часов. Кроме обеденного перерыва продолжительностью один час в первой и во второй половине дня предусматриваются двадцатиминутные перерывы на отдых и физиологические потребности.

6.2 Экологическая безопасность при эксплуатации станка

Обеспечение защиты окружающей среды от металлических отходов и СОЖ

Технологические операции, выполняемые на станке (токарные), связаны с источниками загрязнения водного бассейна нефтепродуктами и отработанной СОЖ, возникновением металлических отходов, промасленной ветоши, производственного мусора и других твердых отходов, представляющих опасность для территорий. Интенсивность выделения аэрозолей СОЖ и других вредных примесей в удаляемом воздухе незначительна, поэтому концентрация вредных веществ в вентиляционных выбросах не превышает ПДК. В связи с этим мероприятия по очистке вентиляционного воздуха не требуются. Шумовое воздействие станка на окружающую среду предотвращается стенами цеха, обеспечивающими достаточную звукоизоляцию источников шума от внешней среды. При отработке срока службы станка основные его элементы конструкции становятся металлоломом. Его утилизация связана с наличием ртутных выпрямителей. Все материалы конструкции могут утилизироваться.