Разработка конструкции фрезерного станка

Допускаемые напряжения на смятие в резьбе можно выбирать равным допускаемому напряжению на растяжение [у]_р, а при частом завинчивании и отвинчивании (0,5…0,6) [у]_р.

Допускаемые напряжения [у]_р. выбирают в зависимости от предела текучести [у]_т материала:

_,

При достаточно точном расчете по наибольшей действующей нагрузке с учетом начальной затяжки коэффициент безопасности S обычно выбирают в пределах 1,5…2,5. Для винтов из углеродистых сталей коэффициенты безопасности выбирают меньшими, чем для винтов из легированных сталей. Примем коэффициент безопасности S=1,7.

Расчетов витков резьбы на изгиб не проводится ввиду его условности. [5]

2.3.4 Ходовая часть

Возвратно - поступательное движение режущего инструмента по направляющим осуществляется с помощью пневмопривода. В согласовании с заказчиком было решено использовать бесштоковый линейный привод DGР-32-1000-РРV-А-B компании «Festo», имеющий базовый цилиндр DGР, со встроенной направляющей для малых нагрузок. Данный привод отличается уменьшенными габаритами и повышенной динамикой. Основное предназначения привода, по данным производителя, - «для бесконтактного опроса, с непосредственной механической связью между поршнем и бегунком, с двусторонним регулируемым демпфированием в конечных положениях».

Рис. 11. Пневмопривод DGР-32-850-РРV-А-B

Табл. 2. Выдержки характеристик DGР-32-850

Передача движения осуществляется механически, путем закладки в отверстие бегунка пальца, жестко закрепленного в кронштейне на задней стенке двигателя. Корпус привода крепится двумя уголками на вертикальные опорные стойки станка.

Рис. 12. Установка пальца кронштейна на бегунок привода

Рабочий ход пневмопривода совершается при нажатии оператором кнопки пуска на пульте управления. (см. рис. 13.) Сигнал с пульта поступает на пневмораспределитель, в результате чего поток воздуха начинает поступать в рабочую камеру привода через регулировочный дроссель. После повторного нажатия на кнопку пуска, распределитель направляет воздух в камеру обратного хода и привод совершает обратный холостой путь.

Рис. 13. Схема наладки комплекта пневматики

2.3.5 Выбор направляющих

Направляющие являются опорами, обеспечивающими требуемое взаиморасположение и возможность относительных перемещений узлов, несущих инструмент и заготовку. Для обеспечения поступательного движения одной детали относительно другой применяют призматические и цилиндрические направляющие, которые в зависимости от вида трения, возникающего на сопряженных поверхностях, могут быть подразделены на: 1) направляющие с трением скольжения и 2) направляющие с трением качения.

Общие требования к направляющим:

· Долговечность по точности. Определяется режимом трения, износостойкостью направляющих.

· Равномерность медленных движений и точность установочных перемещений. Зависит от материалов пары трения, качества изготовления направляющих;

· Отсутствие вибраций в процессе резанья. Определяется динамическими свойствами технологической системы, в том числе жесткостью и демпфированием в направляющих;

· Малые силы трения в направляющих. Определяется материалами пары скольжения;

· Ремонтопригодность. Определяется возможностью замены направляющих без их обработки после сборки.

Достоинства направляющих скольжения малые размеры и простота конструкции. Достоинства направляющих качения:

· плавность и легкость хода,

· малый коэффициент трения (0,003-0,005);

· практическая независимость коэффициента трения от скорости подачи рабочего органа (исключается прерывистое движение в конце хода рабочего органа);

· незначительный износ тел качения и направляющих элементов. [4]

Данные характеристики являются определяющими в выборе типа направляющих, так как при небольших мощностях привода нам необходимо получить высокую скорость перемещения рабочего органа станка, и учитывать возможность обработки профилей с ручной подачей инструмента.

Большое распространение получили в последнее время цилиндрические шариковые направляющие для прямолинейного движения, одна из конструкций которых показана на рис. 14., а. Шарики размещены в специальной обойме 2, закрепленной кольцами 3 во втулке 1. На наружной поверхности втулки проточены два кольцевых паза для стопорных колец, которыми втулки крепятся к корпусу прибора. Шарики размещаются во втулке отдельными группами. Траектория движения шариков представляет собой замкнутую кривую, состоящую из двух прямолинейных участков, сопряженных криволинейными участками.

Размещено на httр://www.аllbest.ru/

Рис. 14. Цилиндрические шариковые направляющие

Рабочее движение шариков происходит в нагруженной зоне - на участке аб, в которой шарики непосредственно касаются поверхности вала, совершающего прямолинейное движение. Переход шариков из нагруженной зоны в ненагруженную происходит по криволинейным участкам аг и бв. Шарики, расположенные в ненагруженной зоне - участок вг, не соприкасаются с валом. Таким образом, при движении вала шарики перекатываются по замкнутому каналу обоймы, воспринимая нагрузку в период движения по рабочему участку своей траектории. [3]

Благодаря своим отличительным особенностям цилиндрические опоры качения широко используются в качестве направляющих в большинстве современных фрезерных станков по обработке импоста. На рисунках 15, 16 приведены иллюстрации катковой опоры и направляющей типа «рельс» выбранных по каталогу из имеющейся на рынке города Екатеринбурга номенклатуры.

Рис. 15. Направляющая типа «рельс»

Рис. 16. Катковая опора с каналами возврата тел качения

2.3.6 Выбор электродвигателя

В соответствии с технологией обработки профилей необходимая скорость вращения режущего инструмента должна составлять не менее 2500 об/мин., мощность двигателя порядка 2,5 кВт. Двигатель должен обладать небольшой массой и соответствовать санитарным нормам по допустимому уровню шума. На основе этих требований был подобран асинхронный двигатель ДТР80В2 У2 380 В, 50 Гц, IM1081 ТУ 16-94 ЖАЕИ.520213.001ТУ.

2.3.7 Опора двигателя

Двигатель закрепляется болтами на фасонную лицевую часть стальной подложки, которая, в свою очередь, крепится на алюминиевую плиту (рис. 17.). По обе ее стороны на торцы устанавливаются ребра жесткости. Сверху крепится алюминиевая плита, с расфрезерованным центральным отверстием, являющаяся опорой подшипнику, установленному на шпинделе двигателя для придания большей степени жесткости и соосности фланцу под фрезодержатель. На заднюю плиту короба крепятся четыре катковых опор качения и устанавливается кронштейн привода, в который вкладывается палец бегунка пневмопривода, сообщая, таким образом, поступательное движение рабочему органу станка.

Рис. 17. Опора двигателя

Рис. 18. Схема установки фланца

2.3.8 Защитный кожух

При проектировании защитного кожуха были поставлены следующие задачи, которые необходимо было решить в процессе конструкторской работы:

· Обеспечить наименьшую массу, при сохранении жесткости конструкции;

· Обеспечить максимальную защищенность рабочего от режущей части инструмента, при сохранении достаточной видимости технологического процесса;

· Не допустить разброс стружки, локализовать место ее сбора, не усложняя в значительной мере основную конструкцию кожуха;

· Кожух должен быть легко снимаемым.

Дополнительно проанализировав защитные конструкции в станках иностранных аналогов было решено отказаться от установки защиты на станине станка и установить ее непосредственно на опоре двигателя. Что позволяет обеспечивать безопасность работы на протяжении всего рабочего и холостого ходов, создать менее материалоемкую конструкцию, а также облегчить смену инструмента. Конструкция защитного кожуха представлена на рис. 19. Крепление корпуса на опору двигателя осуществляется путем установки центральных отверстий на шарнирные оси закрепленные на торце ребер жесткости опоры двигателя. Фиксация осуществляется стандартным крепежом на передних фиксаторных отверстиях.

Рис. 19. Защитный кожух

Для сбора стружки в левой боковой стенке корпуса защиты сделано отверстие, в которое, за счет вихревого воздушного потока, создаваемого вращающейся фрезой, осуществляется ее выброс. К отверстию через фланец крепится гофрированный шланг, по которому стружка попадает в установленное под столом станка корыто. Для дополнительной защиты от разлета стружки на боковые стенки устанавливаются щетки с жестким ворсом, выполняющие также функцию очистки обрабатываемых граней профилей.

3. Инженерные расчеты

Качество несущей системы (НС - совокупность элементов станка, через которые замыкаются силы, возникающие при резании) характеризуется перемещениями ее элементов под действием возмущений различной природы. Для того чтобы расчетным путем оценить показатели качества НС, необходимо знать параметры возмущений и соответствующие математические модели НС, имитирующие ее свойства под действием этих возмущений.

В настоящее время для расчета НС применяют метод конечных элементов. При использовании МКЭ рассчитываемую конструкцию представляют набором конечных элементов разного типа, соединенных между собой в узлах. Перемещения узлов под действием соответствующей нагрузки представляют собой независимые координаты, с помощью которых описывается деформированное состояние рассчитываемой конструкции. Используются конечные элементы в виде прямолинейных стержней, работающих на растяжение - сжатие, изгиб, сдвиг и кручение, треугольных и четырехугольных пластин, воспринимающих нагрузку только в своей плоскости или полную пространственную нагрузку, трехмерных элементов (тетраэдров, кубов и т.п.). Для каждого элемента задается связь между перемещениями и нагрузками в узлах и исходя из этого формируются матрицы жесткости, инерции и демпфирования. Соединения отдельных элементов между собой моделируются пружинами, как правило, линейными.

Для построения и расчета конечно-элементной модели необходимо задать координаты всех узлов модели, связи между элементами и узлами (топологию), характеристики элементов, их материал, нагрузки, податливости связей в узлах. Соответствующие матрицы для любого конечного элемента сначала вычисляют в местной системе координат (связанной с конечным элементом), а затем преобразуют к общей системе координат всей конструкции. Далее решают систему уравнений, определяют напряжения, перемещения узловых точек и выводят результаты обычно в виде деформированной под нагрузкой сетки конечных элементов.

Таким образом, расчеты на основе МКЭ состоят из трех этапов: построение модели и ввод ее в ЭВМ; проведение расчетов; представление и интерпретация результатов расчета.

В настоящее время разработано и применяется (в том числе и для расчета НС) большое число пакетов для расчета МКЭ, позволяющих решать задачи определения напряженно-деформированного состояния конструкции под действием статических нагрузок, собственных частот и форм колебаний, расчета деформаций под действием неравномерного температурного поля и определения температурного поля по заданным характеристикам тепловых источников и т.п.

Применительно к расчету НС металлорежущих станков при моделировании корпусных деталей пластинчатыми конечными элементами необходимо отметить следующие особенности использования МКЭ. [4]

Одним из наиболее трудоемких этапов расчета с помощью МКЭ является построение конечно-элементной модели и ввод ее в ЭВМ. В настоящее дипломном проекте этот этап работы обеспечивается интегрированной работой CАD/CАE - пакетов Solid Works и Design Sраce. Однако для базовых деталей НС, имеющих в большинстве своем сложные и нерегулярные конструктивные формы, разработка систем автоматизированного построения модели и ввода данных представляет значительные трудности. Стремление упростить модель и процедуру ввода приводит к необходимости отказаться от учета мелких конструктивных подробностей (небольших окон, некритичных узлов, искривлений стенок и т.п.) и к укрупнению конечных элементов. Можно полагать, что для корпусных деталей станков, для которых критерием работоспособности является жесткость, а не прочность, упрощение конструктивных форм принципиально допустимо, однако погрешности расчета, которые с этим связаны, пока не исследованы. [4]

3.2 Подготовка расчетной модели

Для облегчения конструктивной формы станка в расчетной модели, были упрощены узлы двигателя, опоры качения (слияние подсборок в единую деталь), был исключен из расчета защитный кожух, комплект пневмоприжимов и пр.

Воздействующие силы резания при обработке материала равны:

[2]

где z - число зубьев фрезы;

n - частота вращения фрезы, об/мин;

D - диаметр фрезы;

Kmр - поправочный коэффициент на качество обрабатываемого материала;

s - подача фрезы;

t - глубина фрезерования; остальные коэффициенты и показатели степени отражают вид фрезы и материал режущей части.

Рассчитанная сила резания прикладывается в месте контакта зубьев фрезы и обрабатываемого алюминиевого профиля (рис. 19.), направление силы задается векторами - составляющими Рv, Рh:

,

Р_h=-143 Н; Р_v=-32.5 Н.

Рис. 19. Вектор приложенный силы резания

Станок неподвижно закрепляется по своему основанию. Генерации сетки происходит с параметрами установленными по умолчанию.

Выбранные расчеты:

· Полное смещение;

· Компонентное смещение в направлениях x, y, z;

· Эквивалентные напряжения.

Смещение вычисляется для всех типов тел - линейных, поверхностных и твердых.

· Смещение представляется только перемещением вдоль осей. Сдвиг, обусловленный поворотом относительно осей координат, не выводится.

· Сходимость контролируется с помощью соответствующего инструмента - Convergence.

· Полное смещение - «Totаl» является инвариантой, для представления этого параметра не указывается система координат. Векторное представление смещений проводится в глобальной системе координат.

Результаты расчетов на эквивалентные напряжения - результаты стандартных одноосных испытаний на растяжение с целью определения предела текучести и предела прочности материала (а также выявления модели материала по кривой упрочнения) соотносятся с тензором напряжений через инварианту - эквивалентные напряжения. [1]

3.3 Результаты инженерных расчетов

На расчет были запущенны две конструкции станка, в одной из которых (конструкция 1) были добавлены дополнительные вертикальные опоры для обеспечения более высокой жесткости системы.

Результаты расчета показали, что в обеих конструкциях наиболее нагруженная зона приходится на инструмент, с величиной смещения 0,0103 мм. и 0,0106 мм. соответственно (см. рис. 20.) При необходимой точности обработки в 0,3 мм можно говорить о более чем троекратном запасе по жесткости. Таким образом, заданные силы резания не нарушают заданную жесткость системы. Так же расчеты показали отсутствие обоснованной необходимости в дополнительных ребрах жесткости, установленных на «конструкции 1».

Максимальные возникающие эквивалентные напряжения в обеих конструкциях не превысили значения в 2,1 МПа.

Рис. 20. Зона наибольшего нагружения (Конструкция 1)

Рис. 21. Полное смещение (Конструкция 1)

Рис. 22. Полное смещение (Конструкция 2)

Рис. 23. Компонентное смещение в направлениях x (Конструкция 2)

Рис. 24. Эквивалентные напряжения (Конструкция 1)

Список литературы

1. Введение в компьютерный конструкционный анализ: Методические указания по курсу «Компьютерная диагностика»/ О.М. Огородникова. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. - 47 с.

2. Косилова А.Г. Справочник технолога - машиностроителя. В 2-х т. Т.2. М.: Машиностроение, 1986. - 496 c.

3. Миловидов С.С. Детали машин и приборов. М.: Высшая школа. 1971. - 488 с.

4. Проников А.С., Борисов Е.И. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем. Т.2, ч. 1. МГТУ им. Н.Э. Баумана: Машиностроение, 1995. - 371 с.

5. Решетов Д.Н. Детали машин. М.: Машиностроение, 1989. - 496 с.

6. Устюгов И.И. Детали машин. М.: Высшая школа, 1973. - 472 с.

7. Эндер А.Г., Романов Г.М., Новиков Н.И. Требования композиции и эргономики при проектировании металлорежущих станков. Ленинград: Машиностроение, 1975. - 43 с.

8. ГОСТ 12.1.004 - 91 ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования.

9. СНиП П. 12-77. Защита от шума.

10. СНиП 23 - 05 - 95. Естественное и искусственное освещение. М.: Минстрой России.

11. СанПиН 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений.

Размещено на Allbest.ru