Проектирование высокоскоростного шпиндельного узла координатно-расточного станка с ЧПУ

Итоговая работа.cdw

координатно-расточного
Технические характеристики
Мощность двигателя Nдв = 12
. Номинальная частота вращения двигателя n = 24000 обмин
. Минимальный диаметр используемого инструмента 5
. Максимальный диаметр используемого инструмента 50 мм
Технические требования
. Для смазывания опор подшипниковых узлов использовать
циркуляционную смазку маслом И-40А
Для охлаждения двигателя использовать водяное охлаждение
жидкостью Тосол А-40

Спецификация шпинделя.spw

координатно-расточного
Пояснительная записка
Лабиритное уплотнение
Фланец гидроцилиндра
Винт М3-6gx8 ГОСТ 11738-84
Винт М4-6gx12 ГОСТ 11738-84
Винт М6-6gx16 ГОСТ 11738-84
Встраиваемый двигатель
Датчик ДИ-О-5 1051.00.00.00 РЭ
Кольцо 045-049-25-1-0 ГОСТ 9833-73
Кольцо 055-059-25-1-0 ГОСТ 9833-73
Кольцо 080-085-25-1-0 ГОСТ 9833-73
Кольцо 120-125-25-1-0 ГОСТ 9833-73
Кольцо A40.50 ХГА ГОСТ 13942-86
Коннектор М6 ГОСТ 21962-76
Направляющая ГОСТ 24644-81
Подшипник 36210К6 ГОСТ 831-75
Подшипник 208 ГОСТ 8338-75
Шайба Н.45.37 ГОСТ 11872-89
Шайба 3 ГОСТ 6402-70
Шайба 4 ГОСТ 6402-70
Шайба 6 ГОСТ 6402-70
Штуцер 1-4-М4 ГОСТ 21858-78

Кинематическая схема.cdw

Курсовой проект.docx

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Инженерная школа новых производственных технологий
Отделение машиностроения
03.01. Машиностроение
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
«ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА
КООРДИНАТНО-РАСТОЧНОГО СТАНКА С ЧПУ»
МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ
(подпись) (дата сдачи)
(подпись) (дата проверки)
(традиционная оценка балл) (дата защиты) (подпись руководителя)
Мощность привода кВт
Число оборотов обмин
Координатно-расточной
Кинематическая схема4
Подбор мотора и оснастки. Расчёт вала10
Расчёт подшипниковых опор12
Расчёт жёсткости опор шпинделя16
Кинематическая схема
Кинематическую схему станка будем составлять на основе координатно-расточного станка с ЧПУ 2Е450АФ30:
Рис. 1. Кинематическая схема вертикального координатно-расточного станка с ЧПУ
Передача «винт-гайка»
Винт перемещения стола
Механизм перемещения мотор-шпинделя «рейка-шестерня»
В расчётах будем ссылаться на справочник машиностроителя том 2
Будем использовать развёртку машинную цельную с коническим хвостовиком по ГОСТ 1672-80 с диапазоном диаметров
При развёртывании рекомендуемый припуск составляет 02 05 мм тогда соответственно глубина резания 01 025 мм.
Материал развёртки – твёрдый сплав Р6АМ5
Обрабатываемый материал – конструкционная углеродистая Сталь45
Пункт 2.1. Расчёт по минимальным параметрам развёртки:
Подачу при развёртывании определим согласно [1 стр. 278 табл. 27]
Так как развёртывания проводится после черновой обработки при твёрдосплавной рабочей части то значение подачи умножим на соответствующие коэффициенты:
Скорость резания определим по формуле:
Значение коэффициента и показателей степени приведены в
[1 стр. 279 табл. 29]:
общий поправочный коэффициент учитывающий фактические условия резания
коэффициент учитывающий влияние обрабатываемого материала
Коэффициент характеризующий группу стали по обрабатываемости и показатель степени найдём по [1 стр. 262 табл. 2]:
Для Сталь45 предел прочности
коэффициент на инструментальный материал [1 стр. 263 табл. 6]:
коэффициент учитывающий глубину сверления [1 стр. 280 табл. 31]:
Для определения крутящего момента при развёртывании каждый зуб инструмента можно рассматривать как расточной резец тогда:
Значение коэффициентов и показателей степеней определим по
[1 стр. 273-274 табл. 22]:
Определим частоту вращения инструмента:
Найдём мощность резания:
Пункт 2.2. Расчёт по максимальным параметрам развёртки:
Согласно полученным значениям частоты вращения и мощности резания весь диапазон инструмента развёртка машинная цельная с коническим хвостовиком может быть использован для работы.
Пункт 2.3. Расчёт сил резания по максимальным параметрам развёртки
При совершенной технологии изготовления и заточки развёрток расположений всех лезвий и геометрических параметров на их режущей части симметрично относительно оси инструмента. Это обеспечивает действие результирующей осевой силы вдоль их геометрической оси а также отсутствие радиальных сил которые вызывают увод инструмента и искривление оси отверстия.
Осевая сила при развёртывании определяется по следующей формуле:
Коэффициент учитывающий фактические условия обработки в данном случае зависит только от материала обрабатываемой заготовки и определяется:
[1 стр. 264 табл. 9]
Каждый зуб развёртки можно рассматривать как токарный резец вследствие чего на каждом зубе появляются собственные составляющие сил осевой радиальной окружной По принципу суперпозиции радиальные и окружные составляющие диаметрально противоположных зубьев гасят друг друга. В результате остаётся лишь суммарная осевая сила полученная от каждого зуба в отдельности направленная вдоль оси геометрического центра развёртки (не создаёт изгибающий момент).
Подбор мотора и оснастки. Расчёт вала
Пункт 3.1. Подбор мотора и оснастки
Предварительно оценим диаметр начальной ступени вала шпинделя из расчёта на кручение:
Рассчитаем ступень вала под ротор. Исходя из номинальных исходных значений назначим двигатель для мотор-шпинделя:
Встраиваемый синхронный двигатель 1FE1051-4.C.0-1.A. (Siemens)
Характеристики двигателя:
Масса двигателя 45 кг
Посадочный диаметр ротора (диаметр вала) 46 мм
Диаметр статора 106 мм Длина двигателя 130 мм
Диаметр корпуса (под охлаждение) 120 мм
Для работы инструмента – развёртки с мотор-шпинделем необходимо предусмотреть возможность установки втулки переходной.
Назначим: втулка переходная 7:24 NT30MSA2 для инструмента с лапкой "GRIFF". Данная втулка используется для установки инструмента с коническим хвостовиком.
Наружный конус по ГОСТ 25827-2014 К30
Внутренний конус (конус Морзе) по ГОСТ 25557-2006 (4)
Длина втулки 2134 мм масса 052 кг
Длина выступающей из вала части 145 мм
Резьбовое отверстие под штревель М12
Для обеспечения соединения между тягой станка и втулкой используют тянущие штанги. Тянущая штанга цепляется за штревель.
Назначим штревель: Штревель BT30
Длина штревеля 43 мм
Для развёртки машинной цельной с коническим хвостовиком
по ГОСТ 1672-80 диаметром 50 мм масса составляет 289 кг.
Пункт 3.2. Расчёт диаметров ступеней шпиндельного вала
Предварительно проектируем вал шпинделя состоящий из 5 ступеней:
Ступень «1» - под датчик зубчатый венец и верхний подшипник
Ступень «2» - под ротор
Ступень «3» - под нижний подшипник
Ступень «4» - под оснастку
Назначим диаметр третьей ступени исходя из посадочного диаметра ротора:
Учитывая что посадочные диаметры подшипников кратны пяти:
Размер конструктивно увеличен до 63 мм под параметры
Из компоновки мотор-шпинделя получаем длины соответствующих ступеней вала:
Расчёт подшипниковых опор
Пункт 4.1. Реакции в опорах подшипников
При выборе подшипников следует учесть тот факт что все рассматриваемые силы – осевые и действуют только вдоль оси вала шпинделя причём их значения крайне валы (в пределах 100Н). Соответственно будет достаточно лишь одного подшипника который бы воспринимал осевые нагрузки.
Согласно общим рекомендациям по проектированию шпиндельных узлов и с учётом рассмотренных типовых схем поставим на верхнюю ступень шариковый радиальный подшипник для учёта радиальных биений в месте крепления шпинделя к станку а на нижнюю – упорный подшипник для учёта осевых усилий.
Шариковый радиальный подшипник типа 208 по ГОСТ 8338-75
Упорный шариковый подшипник типа 8210 по ГОСТ 7872-89
Ширина лабиринтного уплотнения 16 мм
Ширина шлицевой гайки 10 мм
Ширина многолапчатой шайбы 2 мм
Для верхнего подшипника примем расстояние от стенки подшипника до торца ротора примерно равным 30 мм (с учётом фаски ступени вала шлицевой гайки с многолапчатой шайбой и лабиринтного уплотнения).
Для нижнего подшипника примем расстояние от стенки подшипника до торца ротора примерно равным 17 мм (с учётом фаски ступени вала и лабиринтного уплотнения).
Рис. 2. Расчётная схема для первой компоновки мотор-шпинделя (повернуть на 90)
На вал мотор-шпинделя действуют следующие силы:
Осевая сила резания от инструмента:
Сила тяжести от ротора:
Сила тяжести от державки:
Сила тяжести от инструмента:
Составим уравнение суммы сил в проекции на ось вала:
Пункт 4.2. Проверочный расчёт подшипника
Требуемая долговечность работы подшипника
Предварительно выбран упорный шариковый подшипник лёгкой серии – подшипник 8210.
базовая динамическая грузоподъемность;
статическая грузоподъемность.
Критерием для выбора подшипника служит неравенство Стр С где Стр — требуемая величина динамической грузоподъемности подшипника; С — табличное значение динамической грузоподъемности выбранного подшипника.
Определяем расчётную динамическую грузоподъёмность:
m - показатель степени (для шариковых подшипников m = 3)
a1 - коэффициент надежности (при безотказной работе a1 = 1)
a23 - коэффициент учитывающий влияние качества подшипника и качества его эксплуатации (при обычных условиях работы для шариковых подшипников a23 = 07 08);
Формулы справедливы при любом n > 10 обмин но не превышающем предельного значения nпред для данного типоразмера подшипника. Предельные значения (nпред) указаны в ГОСТах на подшипники.
Следовательно данный подшипник при условиях работы нашего шпинделя не применим.
Назначим: радиально-упорный шариковый подшипник типа 36210К6 по ГОСТ 831-75
Коэффициент осевой нагрузки [2 c.145 табл. 9.3]
Пункт 4.3. Реакции в опорах подшипников при конечной компоновке. Проверка подшипников на долговечность
Рис. 3. Расчётная схема для итоговой компоновки мотор-шпинделя (повернуть на 90)
Аналогично расчёту выше:
Перейдём к проверке радиально-упорного подшипника на долговечность. Требуемая долговечность
Определяем базовую долговечность подшипников:
Проверяем пригодность подшипников сопоставлением базовой долговечности с требуемой по условию:
Расчёт на продольную устойчивость
Необходимость проверки на продольную устойчивость устанавливается в зависимости от гибкости:
Рассчитаем гибкость всех ступеней находящихся между опорами.
Для первого участка:
Радиус сечения инерции:
Так как вал считается жёстким и расчёт на продольную устойчивость не проводится.
Для второго участка:
Для третьего участка:
В ходе выполнения курсового проекта был спроектирован
мотор-шпиндель необходимый для обеспечения работы координатно-расточного станка с ЧПУ а также подобраны специальные устройства для фиксации инструмента.
В ходе работы были решены следующие задачи:
Выбрали оптимальную кинематическую схему
Рассчитали силы резания
Подобрали мотор и инструментальную оснастку
Определили усилия в опорах шпинделя
Проектная разработка шпиндельного узла для координатно-расточного станка с ЧПУ на учебном этапе завершена сконструированный и рассчитанный мотор-шпиндель должен удовлетворять всем исходным требованиям. Станок должен исправно работать при режимах резания соответствующих развёрткам.
Справочник технолога-машиностроителя в 2-х т. Т.2Под ред. А. Г. Косиловой и Р.К. Мещерикова. - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение 1986. 496 с. ил.
Шейнблит А. Е. Курсовое проектирование деталей машин: Учеб. пособие. Изд-е 2-е перераб. и дополн. — Калининград: Янтар. сказ. 2002. — 454 с.