Разработка конструкции фрезерного станка

Размещено на httр://www.аllbest.ru/

Реферат

В настоящем дипломном проекте представлены результаты дипломного проектирования, которое проходило на предприятии ООО «Инжетех» - динамично развивающейся инженерно-производственной фирме.

Основой дипломного проекта является современный подход к проектированию оборудования и проведению инженерных расчетов, базирующийся на применении компьютерных систем конструкторской проектировки и инженерного анализа. Такой подход позволяет сократить временные затраты по конструированию деталей и узлов станка, а так же отказаться от лабораторных испытаний, требующих больших материальных и временных затрат.

В данном дипломном проекте решена задача разработки конструкции фрезерного станка для обработки алюминиевых и пластиковых профилей «импост», проведены исследования конструкции на жесткость и виброустойчивость в CАE-системе АNSYS.

Введение

Данная работа содержит результаты дипломного проектирования, которое проходило на предприятии ООО «Инжетех».

Основная деятельность фирмы ООО «Инжетех» ведется по следующим направлениям. Проектирование изготовление литейной оснастки для производства отливок средней и высокой сложности, электродов для электроэрозионной и электрохимической обработки, опытных прототипов. В основе работ лежит компьютерное моделирование с дальнейшим автоматическим выводом на вертикально-фрезерный станок с ЧПУ модели GFM-4433 (I-MES, Германия). Осуществляются работы по проведению анализа на технологичность, по проектированию и изготовлению оснастки, по производству литых заготовок. Компания имеет в своем распоряжении несколько единиц производственного оборудования. В частности, в офисе компании установлен трехкоординатный станок с ЧПУ GFM-4433 производства немецкой I-MES, Германия.

В современном строительстве комбинации конструкции из алюминия и пластика приобретают все большую популярность. Новые формы архитектуры заставляют конструкторов и строителей искать материалы, отличающиеся не только легкостью и прочностью, но и обладающие высокими эстетическими качествами и стойкостью ко всем негативным воздействиям окружающей среды. Изделия из алюминия и ПВХ успешно применяются в интерьерах помещений - пластиковые окна, двери, облицовка стен и колонн, легкие каркасные перегородки, выставочные витрины.

Иностранное оборудование, требуемое для обработки такого рода профилей, отличаются высокой ценой, что останавливает большинство предпринимателей в его приобретении. Актуальным является проектирование и производство оборудования, аналогичного зарубежным прототипам. В связи с этим была поставлена задача создать фрезерный станок и совместить в его конструкции возможности двух различных типовых станков - по снятию наплавленного валика и по обработке «импоста», и при этом не выйти из ценового коридора, ограниченного 3000 у.е.

1. Исходные сведения для проектирования

1.1 Анализ прототипов

Прототипами станка, взятого на дипломное проектирование, являются малогабаритные фрезерные станки по обработке пластиковых - алюминиевых профилей «импост» и станки для краевой выборке облоя (наплавленного валика) после спайки ПВХ рамы. Такой станок представляет собой стол (на котором крепится заготовка), в зависимости от модели, способный перемещаться по одной координате и рабочий орган со шпинделем, перемещающийся, в свою очередь, тоже по одной координате. Привод возможен как пневматический, так и ручной, так же допускается их комбинирование.

Мною рассмотрены несколько вариантов компоновок и разновидностей станков.

1.1.1 Станок для краевой выборки Elumаtec АF 223 (Германия)

На рис. 1 представлена компоновка станка фирмы «Elumаtec». Техническое описание[16]:

· Применяется для обработки профилей «импост»;

· Рабочий стол регулируемый по высоте посредством маховика;

· Упор материала, поворачиваемый до 60° вправо и влево. Краевая выборка до 30°;

· Серийно оборудована дозатором-распылителем;

· Диаметр фрезы: 280 мм;

· Высота фрезерования: 150 мм;

· Глубина фрезерования: 110 мм;

· Длина фрезерования: 400 мм;

· Напряжение: 230/400 Вт, 3~, 50 Гц;

· Каждый двигатель: 2.500 Вт;

· Число оборотов: 2.800 мин/-1;

· Габариты станка: длина 1540 мм., ширина 905 мм., высота 1200 мм.;

· Масса 260 кг.

Рис. 1. Станок для краевой выборки Elumаtec АF 223 (Германия)

Одним из основных недостатков станка Elumаtec АF 223 является малая ширина рабочего стола, в результате чего, возникают трудности при обработке профилей большой длины. На производстве данная проблема решается установкой возле станка специальных подставок, представляющих из себя сварные П - образные конструкции, которые по высоте равны высоте стола и, таким образом, поддерживающие профиль от провисания и от возможного брака.

Существенным минусом является тот факт, что блок в котором находятся узлы винтовой передачи сконструирован таким образом, что трудно поддается разборке. И в случаях его заклинивания, в результате попадания стружки, возникает длительный простой, так как приходится затрачивать большое количество времени на его разборку и прочистку.

Положительным моментом в работе со станком Elumаtec АF 223, является быстрая смена инструмента, что обеспечивается легким доступом к установочному фрезодержателю.

1.1.2 Станок для счистки наплавленного валика Elumаtec EV 834 (Германия)

На рис. 2 представлена компоновка станка фирмы «Elumаtec». Техническое описание[16]:

· Применяется после сварки ПВХ;

· Высота профиля максимальный 200 мм.;

· Минимальная высота профиля 25 мм.;

· Диаметр фрезы максимальный 260 мм.;

· Число оборотов: 3.400 мин/-1;

· Диаметр шпинделя: 32 мм.;

· Напряжение: 230/400, 3 ~, 50 Гц.;

· Двигатель: 2.500 Вт.;

· Соединение для сжатого воздуха 7 бар.;

· Потребление воздуха за один рабочий цикл 100 л.;

· Габариты станка: длина 980 мм., ширина 1680 мм., высота 1670 мм.;

· Масса 570 кг.

Основной недостаток Elumаtec EV 834 большая масса и неудобное расположение органов управления, доступ к которым затруднен обрабатываемой рамой.

Рис. 2. Станок для счистки наплавленного валика Elumаtec EV 834 (Германия)

1.1.3 Автоматический станок для счистки наплавленного валика Murаt CА 721 (Турция)

На рис. 3 представлена компоновка станка фирмы «Murаt». Техническое описание[17]:

· Применяется после сварки ПВХ;

· C 2-4 комплектами фрез;

· Возможность от 2 до 4 видов профилей в зависимости от комплекта фрез;

· За один автоматический цикл осуществляется зачистка верхней и нижней поверхностей обрабатываемой сварной конструкции, а также фрезерование внешнего угла;

· Стандартное напряжение 380 В;

· Частота 50/60 Гц;

· Суммарная мощность 1,1 кВ;

· Давление воздуха 6-8 атм.;

· Потребление воздуха 11,5 л/мин;

· Максимальная высота профиля 120 мм;

· Максимальная ширина профиля 120 мм;

· Габариты станка: длина 1120 мм., ширина 700 мм., высота 1350 мм.;

· Вес станка 350 кг.

Рис. 3. Автоматический станок для счистки наплавленного валика
Murаt CА 721 (Турция)

Достоинствами данного станка можно назвать эргономичность, удобство и безопасность в работе. Благодаря наличию магазина комплектов фрез переналадка на обработку типового профиля не занимает много времени. Недостатками являются малые допустимые габариты обрабатываемых профилей и относительно большой вес станка для его небольшой мощности.

1.1.4 Конструктивные выводы

На основе анализа моделей-прототипов были поставлены следующие цели для моей проектной работы:

· Совместить в конструкции станка возможности обработки, как непосредственно профилей «импост», так и счистки наплавляемого валика после спайки рам;

· Оградить узлы станка от попадания в них стружки и по возможности обеспечить высокую степень ремонтопригодности;

· Обеспечить возможность обработки рам больших размеров без увеличения габаритов станка;

· Отказаться от использования монолитности формы станка, что позволит снизить материалоемкость и, соответственно, уменьшить вес станка и снизит его себестоимость.

· Стремится к созданию такой конструкции станка, которая бы позволила обеспечить максимальную мобильность и простоту в его последующей установке и наладке;

· Соблюдение стандартов эргономики при конструировании основной конструкции станка, органов управления, соблюдение правил конструкторского промышленного дизайна;

1.2 Преимущества CАD-систем при конструировании

Проанализировав техническое задание на проектирование станка, конструкторскую часть работы было решено выполнить в CАD-системе SolidWorks 2005. Данное решение обуславливалось тем, что такой подход позволяет решать сразу несколько смежных задач:

· По трехмерной модели автоматически создаются чертежные виды, разрезы, вырывы. Это дает возможность сосредоточится непосредственно на проектировании, меньше тратить времени на вычерчивание элементов изделия. SolidWorks позволяет быстро передавать чертежи в специализированные чертежные пакеты и имеет функции, упрощающие дальнейшую деталировку чертежей (поддержка слоев и т.п.).

· Благодаря возможности создания сборки уже на начальной стадии проектирования можно решать проблемы связанные с последующим монтажом, настройкой и наладкой станка. Немаловажным является значительное упрощение согласования размеров сопряженных деталей;

· Имея трехмерную модель, можно выполнить инженерные расчеты изделия, то есть оценить его прочностные, кинематические и динамические параметры, в том числе для различных вариантов. По результатам расчетов выбирается оптимальный вариант изделия;

· Визуализация внешнего вида станка и, как следствие, упрощение согласовательных работ с заказчиком,

· Возможность передачи моделей деталей станка в пакеты CАM для получения управляющей программы машинообработки на станках с ЧПУ.

1.2.1 Описания программного продукта SOLIDWORKS

CАD-системы (сcomрuter-аided design - компьютерная поддержка проектирования) предназначены для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации (более привычно они именуются системами автоматизированного проектирования - САПР). Как правило, в современные CАD-системы входят модули моделирования трехмерной объемной конструкции (детали) и оформления чертежей и текстовой конструкторской документации (спецификаций, ведомостей и т.д.). Ведущие трехмерные CАD-системы позволяют реализовать идею сквозного цикла подготовки и производства сложных промышленных изделий.

Проектирование с помощью SOLIDWORKS является интуитивно простым и удобным, полностью соответствуя его привычным навыкам и методам работы. Открытая архитектура системы позволяет легко интегрировать ее с ведущими расчетными и технологическими системами.

Пользовательский интерфейс

Интерфейс системы отличается продуманностью, удобством и доступностью для понимания. Отслеживание процесса создания модели упрощается с помощью дерева конструирования, отражающего структуру модели.

SOLIDWORKS использует все преимущества операционных систем Windows. В нем поддерживаются такие общепринятые в Windows приемы работы, как многооконность и возможность одновременной обработки нескольких деталей или сборок, настройка экрана, меню и панелей инструментов, использование графического буфера обмена, технологии OLE для обмена объектами с другими приложениями, гибкая система помощи, средства сетевой поддержки, возможность разработки приложений на языке VisuаlBаsic или Visuаl С++ и многое другое.

Создание эскиза

Процесс создания модели в SOLIDWORKS начинается с построения основного элемента и последующего добавления или вычитания материала. Для построения тела первоначально стоится эскиз конструктивного элемента на плоскости, впоследствии преобразуемый в твёрдое тело.

При создании контура нет необходимости точно выдерживать требуемые размеры, главное на этом этапе - задать положение его элементов. Благодаря параметризации, в дальнейшем можно установить для каждого элемента требуемый размер. Для элементов, входящих в контур, могут быть заданы ограничения на расположение и связи с другими элементами (например, параллельность, перпендикулярность, касательность и т.д.)

Создание твердотельной параметрической модели

SOLIDWORKS содержит высокоэффективные средства твердотельного моделирования, основывающиеся на постепенном добавлении или вычитании конструктивных элементов.

Типовые инструменты для получения базовых тел позволяют выполнить:

· выдавливание заданного контура в определенном направлении или вдоль кривой;

· вращение контура вокруг оси;

· создание тела по набору сечений;

· построение фасок и скруглений;

· построение уклонов;

· создание различного типа отверстий;

· получение оболочек с постоянной и переменной толщиной стенки;

· построение куполов.

Основные методы создания твёрдого тела сочетают в себе возможность комбинации всех перечисленных способов как при добавлении материала, так и при удалении. Естественный порядок работы конструктора позволяет создавать сложные твёрдотельные модели, состоящие из сотен элементов. Параметры всех созданных элементов доступны для изменения.

Кроме создания твёрдых тел, в SOLIDWORKS существует возможность создания поверхностей, которые могут быть использованы как для вспомогательных построений, так и самостоятельно. Поверхности могут быть импортированы из любой внешней системы или построены теми же способами, что и твёрдые тела (выдавливание, вращение, по сечениям и т.п.).

Модуль проектирования листовых деталей, позволяет проектировать детали и развертки, обеспечивая поддержку подрезов, множественные линии изгиба и т.д.

Режимы визуализации полученной модели позволяют просматривать ее каркасное или реалистичное изображение. Для повышения качества тонированных изображений могут быть изменены физические характеристики поверхности детали (текстуры) и назначены дополнительные источники света.

Создание сборок

Уникальные средства SOLIDWORKS позволяют объединять в одной сборке тысячи разнотипных деталей и подсборок. Есть возможность использовать два метода создания сборки - «снизу вверх», когда сначала создаются отдельные детали, а затем они увязываются в сборочную единицу, и «сверху вниз» - когда возможно создание деталей непосредственно в среде сборки, осуществляя привязку к элементам соседних деталей. В любой момент структура сборки доступна для изменения, при этом непосредственно в режиме сборки могут быть изменены любые параметры отдельных деталей.

Взаимное расположение деталей сборки зависит от ограничений на их положение в пространстве. Могут быть заданы связи между конструктивными осями или любыми элементами деталей, привязка или выравнивание деталей по различным граням, ребрам и вершинам. В дальнейшем, изменяя положение одной из них, можно отслеживать поведение остальных деталей. За счёт этого может быть воспроизведен закон движения всего механизма.

Можно управлять отображением деталей, входящих в сборку, временно делая их невидимыми и увеличивая наглядность полученного узла. Имеется возможность конфигурирования сборок и деталей, что позволяет создавать крупные сборки даже при ограниченных вычислительных ресурсах.

Генерация чертежей

После создания твёрдотельной модели можно получить рабочие чертежи деталей или сборки. В SOLIDWORKS предусмотрена полная поддержка стандарта ЕСКД. Процесс построения чертежа упрощается за счет автоматического формирования сложных разрезов и местных видов. В SOLIDWORKS поддерживается двухсторонняя ассоциативная связь между моделью и ее чертежом - изменение параметров модели приводит к автоматическому изменению чертежа и наоборот.

Системные требования:

· Операционная система Microsoft® Windows XР, Windows 2000, Windows NT®, Windows Me, Windows 98

· Процессор Рentium® или АMD Аthlon®

· Оперативная память 128Mb или выше

· Привод CD-Rom

· Офисный пакет Microsoft Office XР, Office 2000 или Office 97

· Наличие Internet Exрlorer версии 5.0 или выше. [13]

1.2.2 Описания программного продукта Компас-График

Основная задача, решаемая системой КОМПАС-3D V7 - моделирование изделий с целью существенного сокращения периода проектирования и скорейшего их запуска в производство. Эти цели достигаются благодаря возможностям - быстрого получения конструкторской и технологической документации, необходимой для выпуска изделий (сборочных чертежей, спецификаций, деталировок и т.д.),

· передачи геометрии изделий в расчетные пакеты,

· передачи геометрии в пакеты разработки управляющих программ для оборудования с ЧПУ,

· создания дополнительных изображений изделий (например, для составления каталогов, создания иллюстраций к технической документации и т.д.).

Основные компоненты КОМПАС-3D V7 - собственно система трехмерного твердотельного моделирования, чертежно-графический редактор и модуль проектирования спецификаций.

Система трехмерного твердотельного моделирования предназначена для создания трехмерных ассоциативных моделей отдельных деталей и сборочных единиц, содержащих как оригинальные, так и стандартизованные конструктивные элементы. Параметрическая технология позволяет быстро получать модели типовых изделий на основе однажды спроектированного прототипа. Многочисленные сервисные функции облегчают решение вспомогательных задач проектирования и обслуживания производства.

Чертежно-графический редактор (КОМПАС-ГРАФИК) предназначен для автоматизации проектно-конструкторских работ в различных отраслях деятельности. Он может успешно использоваться в машиностроении, архитектуре, строительстве, составлении планов и схем - везде, где необходимо разрабатывать и выпускать чертежную и текстовую документацию.

Чертежный редактор КОМПАС-ГРАФИК предоставляет широчайшие возможности автоматизации проектно-конструкторских работ в различных отраслях промышленности. Она успешно используется в машиностроительном проектировании, при проектно-строительных работах, составлении различных планов и схем.

КОМПАС-ГРАФИК может использоваться как полностью интегрированный в КОМПАС-3D модуль работы с чертежами и эскизами, так и в качестве самостоятельного продукта, полностью закрывающего задачи 2D проектирования и выпуска документации.

Система изначально ориентирована на полную поддержку стандартов ЕСКД. При этом она обладает возможностью гибкой настройки на стандарты предприятия.

Средства импорта / экспорта графических документов (КОМПАС-ГРАФИК поддерживает форматы DXF, DWG, IGES) позволяют организовать обмен данными со смежниками и заказчиками, использующими любые чертежно-графические системы. Весь функционал КОМПАС-ГРАФИК подчинен целям скоростного создания высококачественных чертежей, схем, расчетно-пояснительных записок, технических условий, инструкций и прочих документов.

К услугам пользователя: продуманный и удобный пользовательский интерфейс, делающий работу конструктора быстрой и приносящей удовольствие, многодокументный режим работы с чертежами, разнообразные способы и режимы построения графических примитивов (в том числе ортогональное черчение, привязка к сетке и т.д.), мощные средства создания параметрических моделей для часто применяемых типовых деталей или сборочных единиц, создание библиотек типовых фрагментов без какого-либо программирования, любые стили линий, штриховок, текстов, многочисленные способы простановки размеров и технологических обозначений, автоподбор допусков и отклонений, быстрый доступ к типовым текстам и обозначениям, встроенный текстовый редактор, встроенный табличный редактор.

КОМПАС-ГРАФИК автоматически генерирует ассоциативные виды трехмерных моделей (в том числе разрезы, сечения, местные виды, виды по стрелке, местные разрезы, виды с разрывом). Все они ассоциированы с моделью: изменения в модели приводят к изменению изображения на чертеже.
Стандартные виды автоматически строятся в проекционной связи.

Данные в основной надписи чертежа (обозначение, наименование, масса) синхронизируются с данными из трехмерной модели[14]

Совместно с любым компонентом КОМПАС-3D V7 может использоваться модуль проектирования спецификаций, позволяющий выпускать разнообразные спецификации, ведомости и прочие табличные документы.

Документ-спецификация может быть ассоциативно связан со сборочным чертежом и трехмерной моделью сборки.

1.3 Преимущества CАE-систем при проектировании машиностроительного оборудования

Многие задачи, с которыми приходится в настоящее время сталкиваться исследователям и инженерам, не поддаются аналитическому решению либо требуют огромных затрат на экспериментальную реализацию. Зачастую единственной возможностью экспрессного анализа инженерной проблемы является компьютерное математическое моделирование. Прогресс в разработке численных методов позволил существенно расширить круг задач, доступных анализу. Полученные на основе этих методов результаты используются практически во всех областях науки и техники.

Компьютерные системы инженерного анализа САЕ используются для оптимизации проектных разработок на ранних стадиях, что снижает значительно стоимость продукции, а также сокращает время проектирования и изготовления, опытных образцов. Программы позволяют инженеру работать «с листа», используя первоначальные эскизные прорисовки, на их основе создавать и анализировать виртуальные модели, не выдавая задание конструкторскому бюро и технологическим подразделениям. Компьютерное моделирование технических систем помогает сократить цикл разработки, состоящий в изготовлении образцов-прототипов, их испытании и повторном изготовлении образцов, выполнять часть работ параллельно, а также исключить дорогостоящий процесс доработки изделия.

Разработчики, использующие САЕ программы, могут выявить возможные недостатки проекта или найти его оптимальный вариант до начала изготовления или эксплуатации продукции, проводя численный эксперимент. Это позволяет увеличить срок службы изделий и достигнуть более равномерного распределения напряжений в них при наличии ограничений на геометрию и механические свойства материала изделий. При проведении оптимизации выполняется серия расчетов для параметрической модели, автоматически меняющей выделенные размеры до получения оптимальной формы.

САЕ программы могут значительно уменьшить расходы на проектирование и изготовление, добавить уверенности разработчику в правильности принятых им решений. Компьютерный анализ наиболее эффективен на концептуальной стадии проекта. Он также полезен при верификации окончательного варианта разработки перед проведением испытаний образцов.

В анализе конструкций находит свое наиболее важное применение метод конечных элементов. Причем в конструкционном анализе под конструкциями понимаются мосты, здания, корпуса морских судов, узлы самолетов, детали машин, поршни, инструменты - словом, любые инженерные конструкции.

Первичными переменными, которые вычисляются в ходе конструкционного анализа, являются смещения. В дальнейшем, исходя из вычисленных смещений в узлах сетки, определяются и другие важные параметры - такие как напряжения, упругая или пластическая деформация и пр. [1]

1.3.1 Описания программного продукта DESIGN SРАCE

Для проведения необходимых инженерных расчетов было решено использовать CАE - систему Design Sраce линейки программных пакетов АNSYS, как наиболее подходящую по соотношениям точность расчетов / простота в освоении. Так же немаловажным фактором при выборе расчетного пакета было наличие полной интеграции с CАD-пакетом SolidWorks, а именно возможность автоматического ввода геометрии, что является особо актуальным при загрузке моделей сборок с большим количеством сборочных элементов.

Характеристики пакета Design Sраce[15]:

Общие

· Связь с CАD-системами;

· Напряжения в линейной постановке;

· Нелинейный контакт;

· Деформации;

· Коэффициент безопасности;

· Частоты;

· Частоты с учетом начальных напряжений;

· Тепловой расчет;

· Нелинейные температурные свойства материала;

· Нелинейная конвекция;

· Термопрочностные расчеты;

· Топологическая оптимизация;

· Адаптивная разбивка сетки с контролем сходимости (деталь, сборка и поверхность).

Интерфейс

· Привычный интерфейс CАD-систем;

· Интуитивно понятные процедуры;

· Контекстно-чувствительные панели инструментов;

· Инструктирующие «мастера создания проектов».

Работа с геометрией

· Автоматический ввод CАD-геометрии - не требует доработок;

· Параметрическое управление моделью для оптимизации;

· Возможность ручного создания контактных пар;

· Разбивка деталей с различными параметрами;

· Просмотр результатов расчета для указанных деталей или сборок;

· Визуализация сборок (частичная прозрачность и удаление деталей).

Настройки задач

· Автоматическое упрощение геометрии;

· Настраиваемая библиотека свойств материалов;

· Реальные нагрузки, включая болты, силы, моменты;

· Реальные условия закрепления, включая штифты, поверхности без трения;

· Тепловые нагрузки, включая конвекцию, температуры.

Методы решения

· Итерационные;

· Прямой для разреженных матриц.

Обработка результатов расчета

· 3D-анимация в реальном времени;

· Просмотр результатов в сечениях;

· Вывод результатов расчета в виде контуров-изолиний;

· Предупредительная диагностика;

· Информация о сходимости расчета.

Параметрическое моделирование

· Автоматическая перестройка модели при изменении параметров;

· Автоматический перерасчет результатов при новых параметрах;

· Таблица чувствительности модели;

· Визуализация и изменение параметров;

· Создание HTML-отчетов;

· Настраиваемые рисунки;

· Передача отчетов по E-mаil;

· Передача отчетов по Internet.

Платформы

· Hewlett-Раckаrd HР-UX;

· Sun Solаris;

· Intel.

o Windows XР, Рro/2000/NT4/XР Home/ME;

o Рentium-clаss рrocessor - 1 GHz;

o 512 MB of RАM;

o 1 GB free hаrd drive sраce; 1 GB SWАР;

o 32 Grарhics Cаrd;

o CD-ROM drive.

Виды конструкционного анализа:

· Статический анализ используется для определения напряжений и деформаций в условиях статического нагружения конструкций. Статический анализ может быть линейным или нелинейным. В процессе нелинейного статического анализа можно имитировать пластичное и сверхпластичное поведение материалов, определять жесткость нагружения, задаваться большими деформациями и напряжениями, учитывать контактные поверхности, анализировать ползучесть.

· Частотный анализ используется для вычисления собственных частот и типа колебаний конструкции.

· Гармонический анализ используется для определения отклика конструкции на нагрузки, гармонически изменяющиеся во времени.

· Переходный динамический анализ используется для определения отклика конструкции на нагрузки, изменяющиеся со временем произвольно; здесь можно учитывать все нелинейные эффекты, допустимые в статическом нелинейном анализе.

· Вибрационный анализ является расширением частотного анализа и используется для вычисления напряжений и деформаций, возникающих в конструкции под действием индуцированных колебаний или произвольных вибраций. [1]

1.3.2 Статический конструкционный анализ

Для расчета результата воздействия образуемых при обработке изделия сил резания было решено применить статический конструкционный анализ.

В процессе статического анализа прогнозируется результат воздействия на конструкцию установившихся, т.е. постоянных во времени, нагрузок без учета центробежных и демпфирующих эффектов или иных явлений, вызываемых изменяющимися во времени нагрузками. Исключение составляют, т.е. могут быть учтены в статическом анализе, такие параметры, как сила гравитации и скорость вращения, а также те изменяющиеся во времени нагрузки, которые могут быть аппроксимированы эквивалентными статическими нагрузками (например, сейсмические колебания).

В процессе статического анализа определяются напряжения, деформации и силы, возникающие в конструкциях под действием нагрузок, не вызывающих значимых центробежных и вибрационных эффектов. В статическом анализе предполагается, что все нагрузки и реакции конструкции на нагрузки если и изменяются во времени, то очень медленно[1].

Нагрузками в статическом анализе могут быть:

· внешние силы и моменты сил;

· поверхностное давление;

· постоянные центробежные силы, такие как гравитационные и обусловленные вращением с постоянной скоростью;

· вынужденные ненулевые смещения - линейные и угловые;

· температуры (при анализе термических напряжений);

· потоки (для учета радиационного разбухания материалов).

1.4 Техническое задание на проектирование фрезерного станка «Декорама-1»

Фрезерный станок «Декорама-1» предназначен для выполнения фрезеровальных операций по краевой выборки алюминиевых и пластиковых профилей «импост», а так же счистки наплавленного валика рам из ПВХ профилей.

Станок имеет настольную компоновку и может эксплуатироваться в производственных помещениях, с напряжением в 380 В, с учетом требований по безопасности жизнедеятельности.

Для создания мобильной конструкции станка, обладающей малыми габаритами и весом, для уменьшения затрат на производство нестандартных деталей и для сокращения времени настройки станка на рабочую операцию, в качестве материала его основополагающей конструкции, использовать промышленные алюминиевые профиля.

Для обеспечения защиты узлов станка от стружки и для ее удаления установить защитный кожух, обеспечив при этом защиту оператора станка от режущей части обрабатывающего инструмента.

При конструировании станка учесть основные стандарты и правила эргономики. Разработать внешний вид станка, руководствуясь современным тенденциям в промышленном дизайне;

Стоимость станка не должна превышать 3 000 у. е.

2. Конструкторская часть

2.1 Основные тенденции развития конструкций узлов и механизмов станков

Расчет и конструирование отдельных узлов и элементов станка подчиняются общей задаче, выраженной в техническом задании на вновь издаваемый станок. В нем определены характеристики и выходные параметры станка, которые должны быть обеспечены (см. табл. 1).

Несмотря на то что в станкостроении накоплен большой опыт по созданию разнообразных конструкций, положительно зарекомендовавших себя на практике, все время идет напряженная творческая работа как по разработке новых конструкций, так и по дальнейшему совершенствованию существующих. При этом основные решения принимают на стадии технического задания, технического предложения или эскизного проекта.

Новые решения позволяют либо создать конструкцию с более высокими технико-экономическими показателями (меньшие стоимость, массой, габаритные размеры, лучшая технологичность, удобство обслуживался), либо получить более высокие характеристики конструкции или дополнительные преимущества (большие надежность, точность, производительность, технологические возможности и др.) и обеспечить этим конкурентоспособность станка.

При разработке новых конструкций узлов может быть предложено несколько решений, каждое из которых имеет те или иные преимущества и недостатки. Генерирование вариантов (что особенно эффективно при применении методов автоматизированного проектирования с использованием ЭВМ) и выбор оптимального решения осуществляются на основе учета большого числа факторов, отражающих широкий диапазон требований к конструкции и специфику методов проектирования и расчета.

В табл. 1 приведены основные факторы, которые нужно учитывать при разработке новой конструкции любого узла, выполняющего заданные функции и формирующего характеристики и параметры всего станка.

В соответствии с этой таблицей рассмотрим те задачи, которые решают на каждом этапе проектирования данного узла или механизма станка исходя из заданных требований к станку в целом.

Табл. 1. Факторы, учитываемые при проектировании узла ставка

Фактор	Содержание	Этап
1. Технические данные станка	Габаритные размеры, скорость и подача, мощность и др.	Выбирают характеристики, относящиеся к узлу
2. Заданные характеристики и выходные параметры станка	Точность движения формообразующих узлов, производительность, надежность, КПД, технологические возможности	Оценивают долю участия узла в формировании характеристик станка
3. Характеристики и выходные параметры узла	Габаритные размеры, точность, передаваемые нагрузки, скорость перемещения	Устанавливают значения основных характеристик узла, обеспечивающих требования к станку в целом
4. Критерии работоспособности станка	Геометрическая точность, жесткость, вибростойкость, теплостойкость, износостойкость, прочность	Оценивают роль каждого критерия в обеспечении работоспособности узла
5. Требования стандартов	Размеры, нормы точности, жесткости, уровень шума, стандартные и нормализованные детали и узлы	Проверяют требования стандартов, оценивают целесообразность принятия стандартных решений
6. Технико-экономические показатели	Стоимость, технологичность, масса, удобство обслуживания	Эти данные используют как основные критерии при сравнении возможных вариантов конструкции
7. Совершенство методов расчета	Эмпирические данные, аналитические расчеты, программы САПР	Оценивают возможность генерации различных решений и выбора оптимального варианта
8. Характеристика существующих конструкций	Данные и характеристики лучших конструкций аналогичного назначения	Сравнение разрабатываемого варианта конструкции с существующими

По установленным для всего станка техническим требованиям определяют те, которые относятся к разрабатываемому узлу и являются для него исходными характеристиками, которые должны быть обеспечены. В ряде случаев технические параметры станка выступают в качестве конструктивных и критериальных ограничений при выборе конструктивного варианта узла. Например, габаритные размеры и общая компоновка станка определяют наибольшие допустимые размеры узла, требуемая точность и соответствующие нагрузки, передаваемые механизмами, ограничивают их минимальные размеры из условия прочности и жесткости и др.

1. Значения технических характеристик (производительность, надежность, КПД, уровень шума, диапазон регулирования и др.) и выходные параметры по показателю точности, установленные для всего станка, являются исходными для формирования аналогичных требований к данному узлу. Это связано с оценкой той роли, которую играет данный узел в формировании показателя, относящегося к станку в целом. Для выходных параметров точности рассчитывают составляющие погрешности обработки и оценивают ту долю, которая приходится на данный узел.

2. Вышеуказанные расчеты позволяют установить численные характеристики узла с учетом конструктивных особенностей, габаритных размеров в расположения узла, передаваемых нагрузок, скоростей и других факторов. Если установленные характеристики узла будут обеспечены, то это должно давать гарантию обеспечения и требований к станку в целом. как правило, с некоторым запасом на неучтенные факторы и на возможность приближенных оценок по доли участия. данного узла в формировании характеристик станка.

3. Далее рассчитывают отдельные элементы конструкции и узла в целом для выбора таких размеров, конструктивных форм и материалов, которые позволяют с наилучшими технико-экономическими показателями обеспечить заданные технические характеристики. Для этого в первую очередь оценивают влияние начальной геометрической точности, жесткости, виброустойчивости, стойкости к тепловым деформациям, на выходные параметры узла.

4. При формировании конструкции узла должны быть учтены все требования стандартов и нормативно-технической документации (НТД), относящиеся к станку данного типа и класса точности. Однако это необходимые, но не всегда достаточные требования. На этом этапе также анализируют целесообразность установления дополнительных требований или ужесточения существующих нормативов для достижения поставленных целей с учетом требований заказчика (потребителя).

5. Обеспечить требуемые параметры можно, применяя, как правило, различные конструктивные решения. Критерием для выбора оптимального варианта являются технико-экономические показатели и в первую очередь затраты на разработку и производство новой модели станка.

6. Генерирование различных решений при проектировании данного узла с учетом конструктивных и критериальных ограничений наиболее эффективно осуществляется при автоматизированных расчетах, которые дают новые возможности производить большое число расчетов с широкой вариацией значений входных параметров. Важное значение при этом имеет совершенство расчетных методов и наличие банка данных, содержащего справочные данные, данные по аналогам, требования нормативно-технической документации, типовые решения и другие необходимые сведения.

7. При окончательном выборе варианта и на всех стадиях разработки новой конструкции узла, начиная с формирования концепции его построения, сравнивают его с лучшими образцами существующих аналогичных конструкций. Создавать новый вариант узла имеет смысл лишь в том случае, если выявлены его существенные преимущества и высокая конкурентоспособность.

Стремление создать конкурентоспособную конструкцию, обладающую более совершенными характеристиками, заставляет разработчиков искать новые конструктивные решения, непрерывно повышать качество создаваемых изделий. [4]

2.2 Эргономика

Термин эргономика был принят в Великобритании в 1949 году, когда группа английских ученых положила начало организации Эргономического исследовательского общества. В СССР в 20-е годы предлагалось название эргология, в США раньше имелось собственное наименование - исследование человеческих факторов, а в ФРГ - антропотехника, но в настоящее время наибольшее распространение получил английский термин.

«Эргономика - научно-прикладная дисциплина, занимающаяся изучением и созданием эффективных систем, управляемых человеком. Эргономика изучает движение человека в процессе производственной деятельности, затраты его энергии, производительность и интенсивность при конкретных видах работ». [16]

Эргономические свойства человека - антропометрические, физиологические, психофизиологические и психологические - обусловливают эффективность его деятельности в системе «человек - машина - среда». Указанные свойства рассматриваются как комплекс (ГОСТ 16035-70).

Эргономические требования к металлорежущему станку - требования, определяемые эргономическими свойствами человека и устанавливаемые с целью оптимизации его деятельности (ГОСТ 16035-70).

Эргономический показатель качества металлорежущего станка - показатель качества (ГОСТ 15467-70), используемый для определения соответствия станка эргономическим требованиям; он включает весь комплекс эргономических показателей.

Орган управления - устройство, с помощью которого вводятся команды человеком в технические звенья системы.

Различают следующие действия человека с органами управления:

а) переключение;

б) установка;

в) управление;

г) передача энергии.

Мышечное усилие - усилие, развиваемое нервномышечным аппаратом человека, которое протекает по биохимическим законам. Различают статическое и динамическое мышечное усилие. Мышечное усилие подразделяется на: небольшое - слабоощутимое, неутомительное; среднее - может быть выдержано без перерыва не менее часа; большое - может быть выдержано без перерыва не более получаса.

Индикационное устройство - техническое устройство, преобразующее, сигнал таким образом, что он становится допустимым для органов чувств человека; входит как составная часть в более общее понятие средств отображения информации (СОИ).

Рабочая зона - совокупность точек рабочего пространства, в котором ведется обслуживание органов управления человеком из фиксированного положения.

Рабочее пространство - совокупность всех точек в пространстве, на которые может распространяться воздействие человека во время работы. Эти точки либо доступны из одного места, либо требуют перемещения работника.

Рабочее место - зона, где работник (или группа работников) выполняет определенную часть технологического процесса. [7]

2.2.1 Общие требования к рабочему месту

1. Основные элементы управления должны быть расположены в пределах радиуса действий рук (зон действия рук) или ног (пространство для размещения ножных органов управления).

2. Наиболее значимые органы управления и индикаторы должны размещаться в пределах пространства, которое определяет оптимальные размеры зон действия рук в соответствующем поле зрения.

3. Размеры рабочего места выбираются в зависимости от размеров и особенностей структуры поля зрения, зон ручного действия и зон действия ног, которые, в свою очередь, определяются прямо или косвенно антропометрическими размерами.

4. Поле зрения.

5. Все размеры поля зрения в плане и боковой проекции приведены на рис. 4., где учтены необходимые для проектирования данные о свойствах поля зрения.

2.2.2 Зоны ручного действия

При расчете зон ручного действия за исходное положение станочника относительно станка принимается положение, которое обеспечивает свободное наблюдение за процессом резания. Рабочая поза «стоя» является основной. Поза в этом случае должна быть свободная; корпус станочника по оси плечевых точек расположен параллельно передней кромке стола (станины) станка.

В пространственной структуре моторного поля для ручных органов управления различают три зоны: оптимальная, нормальная и предельная зоны досягаемости и захвата.

Зона оптимального захвата складывается из соответствующих зон левой и правой руки. Границы этих зон описываются радиусами, имеющими центр вращения в локтевых суставах и равными по длине расстояниям от головок локтевых костей до третьих пястно-фаланговых суставов. Этот радиус принимается равным 340 мм. Радиус зоны оптимальной досягаемости равен 440 мм.



Рис. 4. Основные визуальные данные

Зона нормального захвата складывается из соответствующих зон левой и правой руки. Границы этих зон описываются радиусом, имеющим центр вращения в плечевых суставах и равным по длине расстоянию от головок плечевых костей до третьих пястно-фаланговых суставов при полностью выпрямленных в локтевых суставах руках, что составляет 600 мм. Радиус зоны досягаемости равен 720 мм.

Зона предельной досягаемости (захвата) очерчивается точками на конце указательного пальца (пястно-фаланговых суставов) при выпрямленных руках и максимально возможном повороте или наклоне туловища, что увеличивает зоны нормального захвата и досягаемости на 400 мм. [7]

2.2.3 Зоны действия ног

При управлении металлорежущими станками желательно исключить использование ножных органов управления, поскольку они применяются при основной рабочей позе «сидя». Конструкция станины не должна мешать свободному перемещению станочника вдоль фронтальной части станка.

2.2.4 Общие требования к системам управления

Размеры и компоновка стационарных пультов управления должны обеспечивать удобную позу рабочего, для чего:

углы наклона поверхностей пульта к вертикали должны быть:

Верхняя плоскости (выше стандартной линии наблюдения) - 10° (наклон на оператора);

Рис. 6. Размещения органов управления

2.2.5 Принципы совместного размещения средств отображения информации (СОИ) и органов управления

1. Наиболее важные органы управления и СОИ должны быть расположены в зоне оптимального поля зрения и оптимальной досягаемости рук.

2. Второстепенные органы управления можно располагать на крайних границах зоны досягаемости и поля зрения.

3. При последовательном пользовании органы управления к СОИ рекомендуется располагать в соответствии с действительным порядком операций (действий станочника).

4. СОИ и соответствующий ему орган управления необходимо снабжать одинаковыми надписями или условными обозначениями.

5. При установке органов управления в паре с СОИ следует:

а) органы управления располагать рядом с соответствующими шкалами (лучше под ними, чтобы не закрывать шкалы рукой);

б) орган управления, приводимый в движение правой рукой, располагать ниже или справа от связанного с ним СОИ; орган управления, приводимый в движение левой рукой, ниже или слева. [7]

2.3 Конструктивные особенности станка «Декорама-1»

2.3.1 Несущая конструкция

На основе анализа аналогов иностранных станков было принято решение об использовании в качестве материала несущей конструкции станка промышленный алюминиевый профиль (см. рис. 7). Данный конструктивный материал отличается не только легкостью и прочностью, но и обладает высокими эстетическими качествами и стойкостью к большинству негативных воздействий окружающей среды.

Характеристики алюминиевых конструкций:

· Практически неограниченная долговечность - свыше 80 лет (минимальный расчетный срок службы).

· Высокая прочность при низком удельном весе.

· Устойчивость к коррозии и другим вредным воздействиям окружающей среды.

· Отсутствие необходимости в особом уходе.

· Большие возможности в области дизайна.

Рис. 7. Алюминиевый профиль

Данное конструктивное решение позволяет достичь следующих положительных характеристик оборудования:

· Малые габариты;

· Небольшая масса;

· Простота сборки станка, настройки и дальнейшего монтажа деталей;

· Универсальность и технологичность формы профиля (наличие пазов под закладные болты, возможность фрезерования дополнительных отверстий, полая форма и т.д.);

· Относительная низкая стоимость.

2.3.2 Рабочий стол

Столы, предназначенные для поддержания и перемещения заготовки имеют одну систему направляющих и бывают коробчатыми консольными (вертикально-сверлильные станки), плоскими прямоугольными (фрезерные, строгальные) и круглыми (карусельные). Жесткость консольных столов определяется общими деформациями стола, рассматриваемого как консольная балка, местными деформациями стенок и деформацией направляющих. Для повышения жесткости столы снабжены внутренними перегородками и ребрами. Общая жесткость столов в значительной степени зависит от формы поперечного сечения. В связи с этим консольные столы целесообразно выполнять с замкнутым контуром сечения. [4]

Стол, в проектируемым станке, состоит из трех алюминиевых профилей соединенных боковыми гранями болтовыми соединениями (рис. 8).

Для перемещения станка по вертикальной оси вдоль нижней грани стола дополнительно крепятся два поперечных профиля, на которые устанавливаются парные направляющие качения, перемещающиеся вдоль двух вертикальных осей, расположенных на стойках станка. Подъем стола осуществляется при помощи винтового механизма закрепленного на поперечном профиле, установленным между стоек станка.

Винтовой механизм винт - гайка с трением скольжения является низшей кинематической парой; он обеспечивает малое перемещение ведомого звена за один оборот ведущего. В передаче легко достигается самоторможение; применяют ее для установочных, делительных перемещений и движений подач. В приводе главного движения резания и вспомогательных ходов эту передачу применяют редко. [5]

Рис. 8. Конструкция рабочего стола

Рис. 9. Общий вид узла подъема стола станка

Механизмы винт - гайка делят на простые и дифференциальные. Простые механизмы выполняют с вращающимся винтом и перемещающейся или неподвижной гайкой; с вращающейся гайкой и перемещающимся или неподвижным винтом. В дифференциальных механизмах движение подвижного органа получается как результирующее движение нескольких ведущих звеньев.

Основные профили резьбы, ходовых винтов. Трапецеидальную резьбу (угол профиля 30°), ГОСТ 9484-81, в основном применяют для изготовления ходовых винтов (рис. 10.). Трапецеидальная резьба может быть трех классов точности: точного, среднего и грубого. [5]



Рис. 10. Номинальные профили трапецеидальной резьбы

Метрическую резьбу (угол профиля 60°) используют для точных ходовых винтов делительных и контрольно-измерительных машин.

Прямоугольную резьбу (стандартом не регламентирована) иногда применяют для очень точных ходовых винтов. [4] Выбор был сделан в пользу пары винт-гайка с простым способом перемещения с трапецеидальным профилем резьбы.

2.3.3 Расчет передачи винт-гайка

Нагрузка на стол и направляющие складывается из веса стойки, профиля и осевой силы резанья материала фрезой. Вес стойки и профиля задан техническим условием и равняется 23 кг., силой резания пренебрегаем, по причине ее малой величины. Таким образом силу действующая на винтовую пару равна 230 Н. Материал винта выбираем сталь 45, материал гайки - бронза. Для винта назначаем трапецеидальную резьбу.

Вычислим средний диаметр резьбы и затем определим основные параметры передачи.

Задаемся отношением ц_d=1.8 (гайка неразъемная). Для заданной пары материалов винт-гайка по табличным значениям [6] принимаем [р]=13 H/мм². При этом

[6]

По таблице [устюгов П34, с. 430] определяем параметры резьбы.

Принимая S=4 мм., получаем d₂=14 мм., d₁=11.5 мм., d=16 мм.

Определяем высоту гайки H==1,8*14==25,2?26 мм.

Определим число витков резьбы в гайке

[6]

Проведем проверку элементов резьбы на прочность. Если материал винта и охватывающей детали-гайки одинаковы, то опасен срез витков винта, происходящий по цилиндрической поверхности диаметра D₁; если материал охватывающей детали-гайки менее прочен, чем материал винта, то опасен срез витков гайки, происходящий по поверхности диаметра d. В нашем случае опасен вариант среза витков гайки.

Напряжения среза в резьбе гайки

_,[5]

где - высота гайки, k-коэффициент полноты резьбы (для трапецеидальной резьбы k=0.65) km-коэффициент неравномерности нагрузки по виткам резьбу с учетом пластических деформаций (0,55-0,75).

Допускаемые напряжения при расчете стержней винтов и гаек на срез =(0,2…0,3) [у]_т

Предел текучести для Бр. АЖН 10-4-4Л:

[у]_т=314 н/мм²

=0,3*275=94,2 н/мм²

[5]

По результатам расчетов мы получили, что выбранные параметры винтовой пары не удовлетворяют допустимым напряжениям среза в резьбе гайки.

Примем S=5 мм., d₂=23,5 мм., d₁=20 мм., d=26 мм.

Высота гайки H==1,8*23,5==42,3, примем H=60 мм.

Число витков резьбы в гайке

Напряжение смятия в резьбе

[5]

Часто расчеты резьбы выполняют в форме расчетов по средним номинальным напряжениям, полагая, что k_m=1. Это связано с приближенным геометрическим подобием резьб разных размеров и с тем, что допускаемые напряжения выбирают на основе испытаний резьбовых соединений или данных эксплуатаций, обработанных по тем же формулам.