Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМ. АКАДЕМИКА М.Ф. РЕШЕТНЕВА»

Факультет машиноведения и мехатроники

Кафедра технологии машиностроения

Специальность 151900.62; технология машиностроения

Группа БТ11-01

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине: Оборудование машиностроительных производств

Разработка конструкции вертикально - сверлильного станка

КП.ОМП.14.10.00.00.000 ПЗ

Руководитель проекта Г.В. Двирный

Разработала студентка Д.И.Колобовникова

Красноярск 2014



Техническое задание

Глубина сверления	Диаметр стола	Материал сверления	Число скоростей	Схема установки ШСЕ	Класс точности ШСЕ
2d	380	45Х	6	2Т2Х	В122	1340

Тема проекта: Разработка конструкции вертикально-сверлильного станка С10

Перечень разрабатываемого графического объекта:

Деталь «Стержень» - формат А4 .

Вертикально - сверлильный станок - формат А2 .

Вал шпиндельный - формат А3 .

Шпиндельная сборка - формат А2 .

Кинематическая схема - формат А3 .

Шифр проекта КП.ОМП.14.10.00.00.000 ПЗ

Дата выдачи проекта: « 5 » сентября 2014 г.

Срок сдачи проекта: « 25 » декабря 2014 г.

Руководитель проекта Г.В. Двирный

Разработала студентка Д.И.Колобовникова

УДК 621.9.06 МПК⁷ В23

Красноярск 2014



Аннотация

Даны теоретические и экономические обоснования, конструкторско - технологические разработки по созданию металлообрабатывающего оборудования типа КП.ОМП.14.10.

Может быть использован в различных отраслях народного хозяйства, имеющих основные и вспомогательные цеха по обработки металлов.



The annotation

The theoretical and economic substantiations, constructing - technological development on creation of the cutting equipment of a type КП.ОМП.14.10 are given.

Can be used in various branches of a national economy having basic and the non - productive departments on processing of metals settlement.

know - how

R SC

R0061M3 C5500M3



Содержание

Введение

1. Аналитическая часть

1.1 Фрагментарный бизнес - план проекта

1.2 Системный анализ аналогов и выбор прототипа станка

1.3 Определение класса точности станка. Расчет радиального биения

2. Технологическая часть

2.1 Определение предельных режимов обработки

2.2 Выбор электродвигателя

2.3 Разработка кинематической схемы механизма главного движения

3. Конструкторская часть

3.1 Расчет и выбор параметров шпинделя

3.2 Выбор подшипников, формирование посадок и определение допусков

3.3 Расчет ресурса точности и времени безотказной работы

3.4 Определение эксцентриситета оси вращения шпинделя

4. Безопасность и экологичность проекта

5. Исследовательская часть

5.1 Расчет инструмента на прочность

Заключение

Библиографический список

Приложение. Патентно - лицензионный обзор



Введение

Машиностроение является основой технического и научного прогресса в различных отраслях производства. Совершенствование машиностроения связано с развитием станкостроения, поскольку металлорежущие станки вместе с некоторыми другими видами технологических машин обеспечивают изготовление любых новых видов оборудования

Современное машиностроение предъявляет высокие технико-экономические требования к показателям станков:

1. максимальная производительность при обеспечении заданной точности и шероховатости обработанной поверхности;

2. точность работы, которая зависит от геометрической и кинематической точности станка, температурных деформаций станка, жесткости деталей и стыков, износа деталей и возможности его компенсации, правильности установки и эксплуатации станка, конструкции и точности зажимных приспособлений и т. д.;

3. простота, легкость и безопасность обслуживания и управления, удобство ремонта.

Повышение точности в машиностроении поставило перед станкостроителями серьезные задачи в области создания высокоточных станков. Требования к прецизионным станкам с каждым годом растут. В станках применяют новые элементы: направляющие качения, гидростатические и аэростатические направляющие, гидростатические и аэростатические опоры в шпиндельных узлах, передачи винт-гайка качения и гидростатические передачи винт-гайка, различные демпфирующие устройства и многое другое.

В современном станкостроении характерно максимальное использование нормализованных и стандартных узлов и деталей, развитие метода агрегатирования и создание гамм станков в виде нормального ряда типоразмеров с максимальной стандартизацией узлов и деталей.

К станкам сверлильной группы относятся: настольно-сверлильные станки, вертикально-сверлильные станки, радиально-сверлильные станки, которые применяются для сверления отверстий, зенкерования, развертывания , нарезания внутренних резьб. Главное движения: вращения сверлильного инструмента (сверла), закрепленного в шпинделе.

Сверлильный станок- это наиболее часто встречающее оборудования. Станки данной группы всегда присутствуют от цеховых промышленных заводов, до совсем небольших мастерских гаражного типа. В данном курсовом проекте мы спроектируем и сконструируем вертикально - сверлильный станок с ручной подачей шпинделя.

станок биение шпиндель подшипник



1. Аналитическая часть

1.1 Фрагментарный бизнес-план проекта

1.Общие сведения о проекте:

Наименование проекта: разработка конструкции вертикально-сверлильного станка с ручным приводом подачи шпинделя.

Краткое наименование организации: Кафедра Технологии Машиностроения СибГАУ, гр БТ11-01

2. Резюме.

2.1 Реферат бизнес плана.

Назначение научно-технического продукта(НТП) - станок для сверления отверстий высокой точности.

Краткое описание НТП: механизм построен на принципах стабилизированных режимах резания, имеет жесткую и простую конструкцию. Позволяет получать отвертия по 8 квалитету.

Основные технические характеристики: размер заготовок от 20 до 450 мм по длине, размер стола 380 мм, габариты станка 8265651545, мощность 3кВт, 6 возможных скоростей переключения в диапазоне от 180 до 1340 об/мин при максимальном крутящем моменте 490 Нм.

Краткий перечень работ при создании НТП: разработка конструкторско - технологической документации с расчетом основных узлов станка.

Запрашиваемый объем финансирования: 20000 рублей.

2.2 Научно технический задел по проекту.

Полученные расчеты и изучение прототипов иностранных производителей дают возможность изготовления такого станка. Есть возможность создания такого станка в массовом производстве.

3. Описание продукта.

Назначение: вертикально-сверлильный станок предназначен для обработки и сверления отверстий до 8 квалитета.

Оценка создаваемого продукта: станок сконструирован из точных и обладающих должной прочностью деталей, позволяющие обрабатывать отверстия высокой точности в пределах мелкосерийного и единичного производства, что дает преимущество перед станками данной группы.

Возможные области применения: машиностроительное производство единичного и мелкосерийного производства, ремонтно - механическое производство вспомогательных цехов.

Потенциальные потребители НТП: машиностроительное, строительное, горнодобывающие и обслуживающие производство различных отраслей народного хозяйства.

Перспективы развития НТП: возможно увеличение производительности при использовании более точных режущих инструментов, улучшить эксплуатационные свойства путем совершенствования механизма подачи шпинделя.

4. Оценка рынка сбыта НТП. Конкуренция на рынке. Стратегия маркетинга.

Основные потенциальные покупатели: машиностроительное, горно - добывающее и строительное производство. Ремонтно - механическое и сервисное обслуживание машин и механизмов различных сфер народного хозяйства.

Стратегия маркетинга: демонстрация прототипа, создание рекламной компании.

5. Организационный план производства НТП.

Перечень основных технологических процессов создания прототипа: заготовительная, механообработки, сборочные, монтажные, регулировочные, настроечные, контрольные и покрасочные операции.

Проработка все технической документации и правовой охраны НТП.



1.2 Системный анализ аналогов и выбор прототипов станка

При проектировании станка необходимо учитывать требования и конкуренцию среди прототипов. Сравнение ведем по ряду параметров: число скоростей, размеры рабочей поверхности стола, наибольший диаметр отверстия, получаемый на данных станках. Основные характеристики станков приведены в таблице 1.2.1.

Таблица 1.2.1

Характеристика	Модель прототипа
	ГС2116К	KSA-25B	2С125-01	МН25 Н-01
Максимальный диаметр сверления, мм. Сталь Чугун	20 25	25 30	25 30	20 25
Максимальный диаметр нарезаемой резьбы	М20	-	М22	-
Конус шпинделя	Морзе 2 по ГОСТ 25557-2006	МК - 3 DIN228	Морзе 3 по ГОСТ 25557-2006	Морзе ЗАТ6 по ГОСТ 25557-82
Наибольшее перемещение шпинделя, мм.	100	140	110	150
Количество скоростей	6	6	6	6
Диапазон частот вращения шпинделя, об./мин.	200; 300; 530; 800; 1200; 2100	180…1400	180…1500	180-2 800
Наибольшее перемещение шпиндельной головки, мм.	200	180	150	150
Расстояние от оси шпинделя до колонны, мм.	190	240	320	350
Наибольшее расстояние от торца шпинделя до плиты, мм.	400	630	580	650
Размер рабочей поверхности плиты, мм.	250 250	Ш360	320320	320x360
Класс точности	Н	P	Н	Н
Мощность привода главного движения, кВт	1,75	2,1	1,8	2,1
Номинальное напряжение питания, В	380	380	380	380
Габаритные размеры, мм. Длина Высота Ширина	460 1260 640	810 450 1540	1200 740 1250	730 650 1980
Масса, кг.	140	210	320	620

В качестве прототипов были рассмотрены следующие станки:

Настольный сверлильный станок ГС2116К с шесть скоростями шпинделя выполняющий операции сверления, зенкерования, развертывания и нарезания резьбы. Используемый для мелкосерийного производства. Имеет простую надежную конструкцию, конструкция станка предусматривает реверс шпинделя.

Высокоточный сверлильный станок промышленного применения Maschtec KSA-25B. Предназначен для эксплуатации в массовом и промышленном производстве. Обладает тяжелой жесткой конструкцией. Мощный двигатель, жесткая схема крепления сверлильной головки, большой диаметр пиноли шпинделя, масса станка, выгодно отличает его других станков даже визуально.

Вертикально сверлильный станок 2С125-01предназначен для выполнения следующих видов работ: сверления, рассверливания, зенкерования, зенкования и развертывания отверстий. Обработка на станке производится быстрорежущим и твердосплавным инструментами в деталях из различных конструкционных материалов. Используются для работы в условиях единичного, мелкосерийного и серийного производства в ремонтных и сборочных цехах. Реверсирование электродвигателя главного движения позволяет производить нарезание резьбы машинными метчиками.

Станок МН25Н-01 предназначен для операций сверления, рассверливания, зенкерования, зенкования и нарезания резьбы. Наиболее эффективно станок МН25Н можно использовать в условиях индивидуального и мелкосерийного производства, а оснащенный различными дополнительными устройствами и приспособлениями этот станок применим в крупносерийном и массовом производстве (модель МН25Н-01). Обработка производится как с ручной, так и с механической подачей шпинделя. На станке МН-25Н допускается нарезание резьб с ручным управлением реверсирования шпинделя. Для быстрой остановки шпинделя в нем применена схема электродинамического торможения.

Были рассмотрены станки вертикально - сверлильные станки для мелкосерийного производства нормального и повышенного класса точности. В целях оптимального распределения ресурсов в качестве прототипа выбираем станок 2С125-01 нормального класса точности для мелкосерийного и индивидуального производства.

1.3 Определение класса точности станка. Расчет радиального биения станка

Требуемый класс точности МРС для обработки деталей заданной точности прин6имается на основании расчетов и анализа. Ниже рассчитаны два параметра, по которым в последствии будет определен класс точности проектируемого станка

Первый параметр рассчитывается по данным рабочего чертежа обрабатываемой детали, по размеру и качеству поверхности.

где, - шероховатость обработанной поверхности;

- допуск на размер отверстия[1, 7 прил., табл. 2]



где, - верхнее предельное отклонение;

- нижнее предельное отклонение.

Второй параметр рассчитывается исходя из допуска формы и расположения поверхностей.

где, - значение допуска формы и расположения поверхностей (=100 мкм, по данным чертежа)

Класс точности по полученным параметрам - повышенной точности (П).

Ниже рассчитано радиальное биение по параметру А, который выбираем из матрицы транзистивности по классу точности:

где, - параметрический показатель станка (А=0,32);

По данным чертежа необходимо спроектировать вертикально-сверлильный станок повышенной точности (П). На станке возможно получить отверстие 8 квалитета точности с шероховатостью Ra 0,8 мкм.



2. Технологическая часть

2.1 Определение предельных режимов обработки

Для дальнейших расчетов проектируемого станка необходимо рассчитать режимы резания на заданную деталь, чтобы определить скорость, силу резания и эффективную мощность.

Исходными данными для расчетов режимов резания послужили следующие данные (табл. 2.1.1):

Таблица 2.1.1

Диаметр отверстия, мм	Глубина отверстия, мм	Шероховатость поверхности отверстия, мкм	Материал заготовки	Предел прочности, () МПа	Твердость HB
20Н8	35	0,8	Сталь 45Х	750	190

Для достижения такой точности отверстия необходимо проводить обработку в 2 этапа: просверлить отверстие диаметром 18, а затем зенкеровать отверстие до заданного диметра 20мм.

Расчет предельных режимов обработки при сверлении. Выбор режущего инструмента.

Для обработки стали 45Х с у_в = 750 МПа [1, табл. 1.38] выбираем спиральное сверло из быстрорежущей стали Р18 диаметром D = 18 мм с коническим хвостовиком. Можно использовать сталь Р6М5. Форма заточки сверла -- двойная с подточкой поперечной кромки(ДП) [1, табл. 14.3].

Параметр заточки сверла [1, табл. 14.4]:

Задний угол б,	Длинна двойной заточки главной режущей кромки b	Ширина перемычки a
12+3	2.5	2

Углы спиральных сверл [1, табл. 14.8]:

Угол в плане 2ц,	угол наклона винтовой стружечной канавки щ,	Угол наклона поперечной кромки ш,	Обратная конусность на 100 мм его длинны, мм
118	28	50	0,08

Назначение режима резания.

1. Находим глубину резания:

мм.

где, t - глубина резания;

D - диаметр отверстия.

2. Назначаем подачу S₀ [2, табл. 25 на с. 277]. Для сверла с диаметром D = 18 мм при твердости стали 45Х 160...240 НВ подача S₀ = 0,15...0,30 мм/об, при сверление глубиной до l ? 3D. Принимаем среднее значение:

S₀ = 0,3 мм/об.

3. Определяем осевую составляющую силы резания по формуле:

где, P_z - осевая составляющая силы резания;

С_p - постоянный коэффициент для осевой составляющей силы резания;

q, y - показатели степеней для составляющих;

K_p - поправочный коэффициент К_р на осевую составляющую силы резания(К_р = К_мр).

Коэффициент К_мр определяется по формуле:

.

K_мр - поправочный коэффициент, учитывающий физико-механические свойства сплава;

n_p - показатель степени при обработки сверлением(n_p=0,9).

Значение осевой оставляющей силы резания следующее.

Р_z = 10 · 68 · 18¹ · 0,3^0,7 · 1 = 5 269 Н.

4.При сверлении отверстия в стали 45Х сверлом диаметром D = 18 мм среднее значение периода стойкости T = 45 мин [2, табл. 30 на с. 279].

5.Определяем скорость резания, допускаемую режущими свойствами сверла, по формуле:

где, - скорость резания;

C_v - постоянный коэффициент(C_v=9,8)[2, табл. 28 на с. 278];

q, m, y - показатели степеней (q= 0,4; m = 0,2; у = 0,5).

Поправочный коэффициент на скорость резания:

К_v = К_мv К_иv К_lv К_зv

где, К_v - поправочный коэффициент на скорость резания;

К_иv - коэффициент на инструментальный материал Р6М5 (К_иv = 1) [2, табл. 6 на с. 263].

К_lv - коэффициент, учитывающий глубину сверления до l = 3D(К_lv= 1) [2, табл. 31 на с. 280].

Коэффициент, учитывающий отрабатываемый материал, рассчитывается по формуле:

- коэффициент, учитывающий отрабатываемый материал;

К_r - коэффициент, характеризующий группу стали по обрабатываемости (К_r = 1);

n_v - показатель степени (n_v = 0,9) [2, табл. 2 на с. 262].

При одинарной заточке сверл из быстрорежущей стали рассчитанную скорость резания необходимо уменьшить, умножив ее на коэффициент K_зv = 0,75

K_v=l · 1 · 1 · 0,75 = 0,75

Таким образом, скорость резания равна:

м/мин.

6.Определяем частоту вращения шпинделя, соответствующую расчетной скорости резания:

об/мин

9.Крутящий момент от сил сопротивления резанию при сверлении определяем по формуле:

М_кр = 10C_мD^qS^yK_p



где, М_кр - крутящий момент от сил сопротивления резанию при сверлении;

С_м - коэффициент (С_м = 0,0345) [2, табл. 32 на с. 281];

q, y - показатели степеней (q = 2 и у = 0,8) [2, табл. 32 на с. 281].

Поправочный коэффициент К_p был определен в п. 3 при расчете осевой составляющей силы резания: К_p = К_мp = 1.

М_кр = 10·0,0345·18 ² · 0,3^0,8 · 1 = 41.85 (Н · м)

10. Определяем эффективную мощность по формуле

кВт.

Расчет предельных режимов обработки при зенкеровании.

При зенкеровании после сверления возможно получить 8 квалитет точности, таким образом рассчитаем режимы резания для операции зенкерования.

Выбор режущего инструмента.

Для обработки сквозного отверстия в стали 45Х с пределом прочности у_в = 750 МПа выбираем насадной зенкер с диаметром режущей части D = 20 мм из быстрорежущей стали Р18 (или Р6М5) с числом зубьев z = 4.

Геометрические элементы зенкера определяем по справочнику [2, табл. 48 на с. 155]:

Передний угол г, є	Задний угол б, є	Угол в плане ц, є	Угол наклона винтовой канавки щ, є	Обратная конусность f, мм
15	8	60	30	0,8



Назначение режима резания.

1. Определяем глубину резания:

мм.

2.Назначаем подачу для зенкерования отверстия. В зависимости от диаметра зенкера (D = 20 мм) и материала обрабатываемой детали:

S₀ = 0,7 мм/об [2, табл. 26 на с. 277].

3.Устанавливаем допустимый износ зенкеров из быстрорежущей стали Р18. При обработке заготовок из стали допустимый износ зенкеров по задней поверхности:

h₃ = 1,2… 1,5 мм.

Среднее значение периода стойкости Т для зенкера с диаметром D = 20 мм при обработке стали принимаем равным:

Т=45 мин [2, табл. 30 на с. 279].

4.Определяем скорость резания допускаемую режущими свойствами зенкера, по формуле:

.

Где, v - скорость резания;

C_v - постоянный коэффициент (C_v = 16,3);

q, m, x, y - показатели степеней (q = 0,3; m = 0,3; х = 0,2; у = 0,5) [2, табл. 29 на с. 279].

Поправочный коэффициент на скорость резания определяется по формуле:

К_v = К_мv К_иv К_пv

где, К_v - поправочный коэффициент на скорость резания;

К_мv - поправочный коэффициент на обрабатываемый материал;

К_иv - поправочный коэффициент на режущий инструмент (инструментальный материал Р6М5, К_иv=1);

К_пv - поправочный коэффициент на обрабатываемую поверхность(K_пv = 0,9).

Здесь коэффициент на обрабатываемый материал (K_пv = 0,9 ) [2, табл. 2 на с. 262]:

,

где, K_r - коэффициент, характеризующий группу стали по обрабатываемости (K_r = 1 ) [2, табл. 2 на с. 262];

n_v - показатель степени (n_v = 0,9) [2, табл. 2 на с. 262].

Следовательно,

.

Тогда коэффициент

K_v= 1 · 1 · 0,9 = 0,9

а скорость резания

м/мин.

5.Определяем частоту вращения шпинделя, соответствующую найденной скорости резания:

об/мин.



6.Крутящий момент при зенкеровании рассчитывают по следующее формуле:

где, - крутящий момент;

С_м -- коэффициент, характеризующий обрабатываемый материал и условия его обработки (С_м =0,09)[2, табл. 32 на с. 281];

q, х, у -- показатели степеней (q=1, х=0,9, у=0,) [2, табл. 32 на с. 281];

t -- глубина резания, мм;

D -- диаметр сверла (зенкера, развертки), мм;

S₀ -- подача, мм/об.

К_мp - коэффициент, учитывающий материал обрабатываемой заготовки, (К_p = К_мp=1) [2, табл. 9 и 10 на с. 264].

=

7. Осевую силу при зенкеровании рассчитывают по следующим формулам:

,

С_p -- коэффициент, характеризующий обрабатываемый материал и условия его обработки (С_p =67)[2, табл. 32 на с. 281];

х, у -- показатели степеней (х=1,2, у=0,65) [2, табл. 32 на с. 281];

t -- глубина резания, мм;

D -- диаметр сверла (зенкера, развертки), мм;

S₀ -- подача, мм/об.

К_мp - коэффициент, учитывающий материал обрабатываемой заготовки, (К_p = К_мp=1) [2, табл. 9 и 10 на с. 264].

P_z=

10. Определяем эффективную мощность по формуле

N_эф=кВт

В результате расчета были рассчитаны значения крутящего момента при операциях сверления и зенкерования, число оборотов на шпинделе, скорости резания и эффективную мощность. В результате расчетов видно, что при сверление параметры мощности, числа оборотов, скорость резания и крутящего момента значительно больше, нежели при зенкерование. В результате для дальнейших расчетов используем данные из расчета режимов резания при сверлении.

2.2 Выбор электродвигателя

При выборе электродвигателя переменного тока руководствуемся значением эффективной мощности, по которой рассчитывают приведенную мощность.

где, - приведенная мощность;

- эффективная мощность, по расчетам режимов резания;

- коэффициент полезного действия двигателя (=0,7…0,85 для станков с главным вращательным движением).

Выбираем асинхронный электродвигатель переменного тока т.к., они имеют простую конструкцию, не большую затрату на эксплуатацию и низку стоимость, по сравнению с другими типами двигателей. Так же проектируемый станок лишен системы ЧПУ и имеет более одной необходимой частоты вращения, то выбираем асинхронный электродвигатель переменного тока АИР100S4.

«АИР» - асинхронный, интерэлектро, привязка мощностей к установочным размерам в соответствии с ГОСТ Р 51689;

«100» - высота оси вращения (габарит);

S - длина ротора;

4 - количество полюсов, равно 1500 об/мин.

Общепромышленный асинхронный электродвигатель АИР100S4

1. Напряжение 380В (три клеммы в коробке выводов) или 220/380В (шесть клемм).

2. Климатического исполнения - У, категории размещения - 3 (эксплуатация в закрытых помещениях без регулирования климатических условий).

3. Режим работы - продолжительный, S1 (работа электродвигателя при постоянной нагрузке длительное время для достижения неизменной температуры всех его частей).

4. Степень защиты - IP55 (содержание нетокопроводящей пыли в воздухе до 100 мг/м³, двигатель защищен от брызг воды со всех направлений).

5. Класс защиты токопровода IP55. Изоляция класса нагревостойкости изоляции провода F по ГОСТ 8865-93 (температура двигателя 155 - превышение в нагретой зоне 115).

6. Монтажное исполнение фланцевый недоступный с обратной стороны, так называемый малый фланец (IM 3681).

Технические характеристики электродвигателя приведены в таблице 2.2.1.



Таблица 2.2.1

Мощность, кВт	Частота вращения, об/мин.	Ток при 380В, А	При номинальной нагрузке	Мп/Мн	Мmax/Мн	Iп/Iном	Масса, кг
			Скольжение, %	КПД	cos
3	1500	7,3	6	0,82	0,83	2	2,2	7	21,6

Рис 2.2.1 Габаритно-присоединительные размеры исполнения IM 3681.

Таблица 2.2.2

Фланец

l30

d24

l1

d1

d20

d22

d25

l21

l20

h5

b1

d30

ГОСТ

DIN

FT130

C160

376

160

60

28

130

M8

110

14

3,5

31

8

175

Общепромышленные трехфазные электродвигатели переменного тока, имеют две схемы подключения (треугольник /звезда), напряжение сети 220/380 В, что позволяет подключать двигатель как к трехфазной сети, так и однофазной (при подключении к однофазной сети, обязательно подключать с помощью конденсаторов).

Посчитаем вращающий момент электродвигателя:

Номинальный вращающий момент M_н=9554P / n=9554·3 /1500=19H·м

Пусковой вращающий момент Мп=1,6M_н=1,6·19 = 30,4 Н·м.

Максимальный вращающий момент М_М =3,1M_н=3,1·19= 58,9 Н·м

2.3 Разработка кинематической схемы механизма главного движения

Первоначально для разработки кинематической схемы сверлильного станка необходимо рассчитать основные параметры коробки скоростей.

Структурная формула для числа ступеней частот вращения шпинделя z в многоваловых коробках при настройке последовательно включенными групповыми передачами:

Z=P_a•P_b

Z=3•2=6

Для расчетов необходимо задаться минимальным числом оборотов на выходном звене. Как и в выбранном прототипе минимальное число оборотов равно n_min=180 об/мин.

В коробках скоростей наиболее целесообразно применять геометрический ряд чисел оборотов, впервые было обосновано в 1876 г. Русским академиком А. В. Гадолиным.

Основные зависимости геометрического ряда со знаменателем :

где, n₁ - n₆ - числа оборотов, реализуемые на выходном звене;

- знаменатель геометрического ряда.

Диапазон регулирования рассчитывается по формуле:

где, - вернее значение диапазона регулирования (из исходных данных =1340 об/мин) ;

- нижнее значение диапазона регулирования (по данным выбранного прототипа .

Знаменатель геометрического ряда вычисляем по следующей формуле:

Теперь проверим число скоростей по следующим формулам:

Откуда получаем число скоростей:



Таким образом, ряд чисел оборотов шпинделя равен:

Построение структурной сетки

Для наглядного изображения варианта структурной формулы и определения: числа частот вращения на валах привода; числа групповых передач в приводе и порядка конструктивного расположения; числа передач в каждой группе; порядка включения; диапазона регулирования групповых передачи на промежуточных валах. Она изображает вариант структурной формулы.

Таким образом, для проектируемого станка построена следующая структурная сетка (Рис.2.3.1) :

Структурная сетка для коробки скоростей. Рис. 2.3.1

Построение графика частот вращения

Построение графика частот строим в соответствии с выбранной структурной сеткой. Наклон линий в лево говорит о снижении скорости, вправо же повышение скорости. И таким образом справедлив следующий график частот вращения (Рис.2.3.2).



График частот вращения. Рис. 2.3.2.

Построение кинематической схемы

Прежде необходимо рассчитать число зубьев и диаметры зубчатых колес.

При определении чисел зубьев коробок скоростей необходимо обеспечить постоянную сумму зубьев в пределах двухваловой передачи.

При расчете числа зубьев необходимо обеспечить постоянную сумму зубьев:

Для определения чисел зубьев шестерни коробки передач решают систему уравнений:

Посчитаем промежуточные передаточные числа по структурной сетке(табл. 2.3.1):



где, i - передаточное число передачи;

m - число клеток, перекрываемых на структурной сетке.

Таблица 2.3.1

i1-2	i3-6	i4-7	i5-8	i9-11	i10-12

Таким образом, получим следующие уравнения.

Для первого вала:

Для второго вала:

Таким образом, число зубьев в групповой передачи второго вала равны (табл. 2.3.2):

Таблица 2.3.2

19	76	25	70	34	61

Для третьего вала:



Числа зубьев в групповой передачи 3 вала табл.2.3.3

Таблица 2.3.3

26	46	50	22

При расчете коробки скоростей рассчитывается модуль из двух условий: на изгиб и модуль на контактную прочность, по наибольшей величине модуля подбирается ближайший стандартный модулью.(см)

Модуль, рассчитываемый по условию прочности зуба на изгиб:

Модуль, рассчитываемый по условию прочности на усталость поверхностных слоев:

где: z - число зубьев шестерни, в расчет берут минимальные зубчатые колеса;

- допустимое напряжение на изгиб( );

- допустимое напряжение на усталость;

N - эффективная расчетная мощность, кВт;

n - минимальное число оборотов шестерни, при котором передается полная мощность;

- коэффициент ширины колес при симметричном расположении шестерен;

y - коэффициент формы зуба(y=0.25 для z=20…60);

Выбор контактных напряжений производиться в зависимости от твердости поверхностных слоев. Для закаленных и цементированных сталей справедливо:

Мощность электродвигателя, кВт:

*

где, - мощность электродвигателя, кВт

- кпд передачи;

n - минимальное число оборотов шестерни, при котором передается максимальная мощность, мин^-1

y - коэффициент формы зуба, y = 0,243…0,268

k - коэффициент нагрузки, учитывающий изменение нагрузки по сравнению с номинальным;

i - передаточное число.

Коэффициент ширины колес при симметричном расположении шестерен рассчитывается по следующей формуле:

Коэффициент ширины колес в зависимости от модуля:

Коэффициент нагрузки, учитывающий изменение нагрузки по сравнению с номинальным:

где, - динамический коэффициент ( = 1,3);

- коэффициент концентрации,

- коэффициент режима,

Таким образом, для первого вала справедливо:

Округляем модуль до стандартного значения: m = 4 мм

Определяем межосевое расстояние между валами:

Для второго вала:

Округляем модуль до стандартного значения: m = 4 мм

Определяем межосевое расстояние между валами:

Для третьего вала:

Округляем модуль до стандартного значения: m = 4 мм

Определяем межосевое расстояние между валами:

Ширина шестерен определяется по формуле:

Расчет размеров зубчатых колес приведен в таблице 2.3.4.

Таблица 2.3.4

Колеса	Делительный диаметр	Диаметр вершин	Диаметр впадин	Ширина венца b	Межосевое расстояние
28	112	120	102,4	28	104
25	100	108	90,4	28	104
19	76	84	74,4	28	190
76	304	312	294,4	28	190
25	100	108	90,4	28	190
70	280	288	270,4	28	190
34	136	144	126,4	28	190
61	244	252	234,4	28	190
26	104	112	94,4	28	144
46	184	192	174,4	28	144
22	88	96	78,4	28	144
50	200	208	190,4	28	144

Теперь после проведенных технологических расчетов можно построить кинематическую схему проектируемого сверлильного станка.



3. Конструкторская часть

Конструкторская часть включает в себя расчеты на прочность, жесткость, на основании которых проводят разработку одного из узлов станка. Проработка конструкторской части заканчивается вычерчиванием разработанного сборочного чертежа с техническими требованиями и спецификацией на проектируемый узел станка.

3.1 Расчет и выбор параметров шпинделя

Исходными данными при проектировании шпиндельной сборки являются: тип и расположение привода, размер, класс точности станка, предельные параметры процесса обработки (предельные значения частоты вращения шпинделя, силы резания, крутящего момента), вид смазки.

Шпиндель сверлильного станка с ручной подачей привода высокой точности можно изготовить из азотируемой стали 38ХМЮА с закалкой до твердости 63…68 HRC.

Так как длинна шпинделя не назначена в задание на проеткирование станка, то целесообразнее взять общую длину с чертежа прототипа. Таким образом общая длина шпинделя равна l=426мм.

Расчет линейных параметров шпинделя начнем с определения размеров вылета шпинделя. Рассчитывать будем по функции Бресселя (1814):

где, a - вылет шпинделя;

l - длина шпинделя.

Далее необходимо определить консоль со стороны передачи крутящего момента. Определять ее длину будем по методу золотого сечения, введенному в 1495 г. Леонардо да Винчи:

Расстояние между опорами рассчитаем, исходя из размеров консолей, и общей длинны шпинделя.

L=l - (a+b)=168 мм

Диаметр цапф рассчитывают по следующим условиям условиям:

по условию прочности:

где, k - константа конструкции и режимов работы шпинделя (k=110…130);

N - мощность,кВт;

n - частота вращения шпинделя, об/мин.

По условию жесткости:

Так как наш шпиндель не считается высокочастотным, т.е число оборотов не превышает , соответственно на устойчивость диаметр рассчитывать не имеет смысла.

Таким образом, диаметр проектируемого шпинделя будем выбирать из условия на жесткость, т.к. для обеспечения жесткости необходим больший диаметр. Значит, диаметр цапф равен d=45 мм.

3.2 Выбор подшипников, формирование посадок и определение допусков

Для шпиндельного узла по техническому заданию нужно установить на радиально - упорные подшипники по схеме 2Т2Х с классом точности опор В122. Таким образом знаки дополнительного обозначения подшипников вносят следующие требования к подшипникам:

В - категория вибрации подшипников (нормируется по 9 параметрам) (гост 520 - 89):

1) по регламентированным нормам уровня вибрации;

2) по волнистости и отклонению от круглости поверхностей качения;

3) по значению осевого биения, соответствующему следующему более высокому классу точности;

4) по значению радиального биения, соответствующему следующему более высокому классу точности;

5) по значениям осевого и радиального биений, соответствующим следующему более высокому классу точности;

6) по моменту трения;

7) по контролю угла контакта;

8) по моменту трения и контролю угла контакта;

9) повышенными требованиями по высоте, монтажной высоте и ширине подшипников.

1 - величина момента трения по первому ряду в соответствии с ТУ37.006.085-79.

2 - обозначение группы радиального зазора в соответствии с ГОСТ 24810-81: "Подшипники качения. Зазоры. Размеры".

2 - класс точности, сверпрецезионный.

Таким образом, схема установки опор для проектируемого шпинделя следующая:

Для левой опоры были выбран сдвоенный радиально - упорный подшипник В122 - 346108 ГОСТ 832 - 78 в схеме комплектации Х (рис. 3.2.1). Воспринимает комбинированные, двухсторонние осевые нагрузки , а также радиальные нагрузки. Основное назначение подшипников, монтирумых с предварительным натягом, - жестко фиксировать вал в радиальном и осевом направлениях. Характеристики подшипника представлены в таблице 3.2.1

Таблица 3.2.1

Параметр	Обозначение	Значение	Единицы
Внутренний диаметр подшипника	d	45	мм
Наружный диаметр подшипника	D	68	мм
Ширина подшипника	В	30	мм
Радиус монтажной фаски подшипника	r	2,0	мм
Угол контакта	б	26
Масса подшипника	m	0,850	кг
Грузоподъемность статическая динамическая	С	56 000 61 000	Н



Рисунок 3.2.1 Компоновка подшипника левой опоры.

Описание: В - категория вибрации; 1 - величина момента трения по первому ряду; 2 - обозначение группы зазоров; 2 - класс точности; 36 - конструктивное исполнение; 6 - тип подшипника (радиально -упорный шариковый); 2 - серия диаметров (средняя серия); 09 - диаметр отверстия деленный на 5.

Для правой опоры выбран сдвоенный радиальнло - упорный подшипник В122 - 436209 ГОСТ 832 - 78 в схеме комплектации Т (рис. 3.2.2). Направление воспринимаемых нагрузок - радиальное и осевое только в одну сторону. Применяют в двух парах с противоположным расположением или же в сочетании с третьим замыкающим подшипником. Для особо тяжелых осевых нагрузок допускают комбинацию из трех и более подшипников по - этому же принципу. Для создания предварительного натяга комплекта таких подшипников их замыкают другим подшипником с противоположной стороны. Характеристики подшипника представлены в таблице 3.2.2



Таблица 3.2.2

Параметр	Обозначение	Значение	Единицы
Внутренний диаметр подшипника	d	45	мм
Наружный диаметр подшипника	D	85	мм
Ширина подшипника	В	38	мм
Радиус монтажной фаски подшипника	r	2,0	мм
Угол контакта	б	36
Масса подшипника	m	0,850	кг
Грузоподъемность статическая динамическая	С	50 300 67 000	Н

Описание: В - категория вибрации; 1 - величина момента трения по первому ряду; 2 - обозначение группы зазоров; 2 - класс точности; 43 - конструктивное исполнение; 6 - тип подшипника (радиально -упорный шариковый); 2 - серия диаметров (средняя серия); 09 - диаметр отверстия деленный на 5.

Определение предельных отклонений и формирование допусков для опор:

Опора у режущего инструмента:

TD=15мкм; Td=0,007мкм

TD=7мкм; Td=15мкм

Вторая опора:

TD=15мкм; Td=0,007мкм

TD=7мкм; Td=15мкм

Расчет долговечности подшипников. Расчет проводится по ГОСТ 18855 - 94 «Подшипники качения. Динамическая расчетная грузоподъемность и расчетный ресурс»

Проверочный расчет подшипников качения производится по формуле:

где, С - грузоподъемность, Н;

- условная статическая нагрузка, Н;

n - предельное число оборотов, об/мин;

h - долговечность подшипника час

Определим условную нагрузку:

где, P - сила резания;

- коэффициент нагрузки (.

Определим долговечность подшипников исходя из параметров подшипников:

Таким образом, требуемая динамическая грузоподъемность равна:

Таким образом самый нагруженный подшипник прошел по динамической грузоподъемности. Считать другой подшипник не имеет смысла.

3.3 Расчет ресурса точности и времени безотказной работы станка

Для металлорежущих станков ресурс точности определяется по функции:

где, - постоянная вредени продолжительности ремонтного цикла согласно планово - предупредительному ремонту (=16800 ч)

- коэффициенты характерезующие обрабатываемый материал, материал инструменты, точность станка, категорию массы, возраст, долговечность, вибрацию;

- число средних ремонтов в цикле.

Вероятность отказа по геометрической и технологической точности можно оценить по функции:

где, t - отработанные станко - часы;

- ресурс точности станка.

Вероятность отказа исходя из определенной точности станка равна:



3.4 Определение эксцентриситета оси вращения шпинделя

Дисбаланс учитывается по эксцентриситету геометрической оси вращения шпинделя с осью, проходящей через центры тяжести вращающихся масс элементов конструкции шпиндельно - сборочных единиц.

Значение эксцентриситета определяется по зависимости:

где, - скоростной параметр, выбираемый по ГОСТ 1940 - 1 - 2007.Для станка повышенного класса точности класс точности балансировки принимается не хуже G2.5. Тогда,

Расчетная вынужденная частота вращения шпинделя:

Эксцентриситет ШСЕ равен:

Таким образом, на основе рассчитанных данных и сборкам ШСЕ прототипов станка можно спроектировать сборочный чертеж.



4. Безопасность и экологичность проекта

Техника безопасности работ на сверлильных станках. Общие меры безопасности при эксплуатации сверлильных станков

Следует запускать только те машины, к которым станочник имеет допуск. При нарушении машинистом инструкции необходимо проинформировать его о важности соблюдения правил безопасности на производстве. Если станочное оборудование неисправно или не оснащено защитными приспособлениями, не следует его эксплуатировать. Не разрешается проводить уборку, если машина включена. Рекомендуется надевать специальную форму для работы на станке. Машинист имеет право и обязанность получить инструктаж по технике безопасности до начала работы

Правила безопасности перед началом работы на сверлильном станке

Следует привести в порядок рабочую одежду (застегнуть пуговицы, надеть головной убор, специальную обувь, защитные очки). Перед запуском машины рекомендуется проверить возможность возникновения угрозы для здоровья тех, кто находится около станка. При наличии каких-либо неисправностей необходимо сообщить об этом мастеру и не запускать машину. Перед включением сверлильного станка следует отрегулировать освещение, очистить поверхность оборудования от стружки специальными щетками. Рекомендуется проверить наличие и исправность следующих устройств:

· защитных механизмов, ограждающих валики, приводы, зубчатые колеса;

· устройств заземления;

· рабочих инструментов (режущих, измерительных, крепежных) и приспособлений.

Следует проконтролировать работу исполнительных органов на холостом ходу станка и разложить рабочие инструменты.

Меры безопасности во время работы на сверлильном станке

В случае прерывания подачи электроэнергии рекомендуется отключить электрооборудование машины. При обнаружении напряжения на станке следует доложить об этом мастеру. При получении травмы в процессе эксплуатации оборудования нужно обратиться в медицинский пункт. Не разрешается нахождение посторонних лиц в рабочей зоне станка и прием пищи около машины. Установку и снятие режущих инструментов можно производить только после полной остановки оборудования. В процессе выполнения технологических операций не следует наклоняться к шпинделю и режущему инструменту. С целью предотвращения вылета заготовки ее нужно прочно установить в машине. Крепление деталей и приспособлений следует производить при помощи болтов и прижимных балок. Не рекомендуется использовать неисправные и изношенные инструменты.

В процессе помещения сверла в заготовку следует опасаться острой кромки, так как она может порезать руки. При сверлении не разрешается поддерживать деталь руками. Мелкие заготовки можно удерживать ручными тисками или клещами. При обработке тонких пластинок и полос следует использовать специальные приспособления. В случае проворачивания изделий рекомендуется отключить машину и исправить ошибку при выключенном оборудовании. Не разрешается устанавливать детали на включенном станке. В процессе сверления требуется подводить режущий инструмент постепенно, чтобы не разрушилась кромка. Перед отключением станка следует отвести режущие инструменты от детали.

Правила безопасности по окончании работы

После выключения машины и электродвигателя необходимо очистить поверхность оборудования и рабочую зону от стружки, смазать трущиеся элементы станка, сложить обработанные детали. Рекомендуется убирать рабочие инструменты с рабочего стола в специально отведенные для этого места. После работы следует осмотреть оборудование. При обнаружении дефектов необходимо доложить о них мастеру, а также о мерах, предпринятых для их устранения.



5. Исследовательская часть

5.1 Расчет инструмента на прочность

Расчет для определения прочности сверла усиленного сечения. При расчете было рассмотрено следующее сверло для нержавеющей стали шлифованное DIN 338 (ГОСТ 10902-77) с двойной заточкой.

Диаметр сверла, мм d	Длинна режущей части, l2	Длинна сверла,l1	Материал сверла
20	140	205	HSS-Co5% (M35, Р6М5К5)

В расчете определяют главный центральный момент инерции: максимальный и минимальный.

I_max=0.0358

I_min=0.0062

где, d - диаметр режущей части сверла.

I_max=0.0358

I_min=0.0062

Площадь поперечного сечения сверла рассчитывают по следующей формуле:

Критическую силу определяют по формуле:



где, E - модуль Юнга (для стали Р6М5К5 Е=2,2;

- коэффициент приложения нагрузки (=1…2).

l - расчетная длинна.

Определение гибкости сверла:

Так как гибкость инструмента проводить расчет на прочность не имеет смысла.

В результате проведенных расчетов видно, что выбранное сверло отвечает требованиям прочности и жесткости и соответственно, выдержит приложенную нагрузку.



Заключение

В данном курсовом проекте был спроектирован привод главного движения резания, сконструирован шпиндельный узел с ручной подачей вертикально-сверлильного станка с числом ступеней частот вращения z = 6. Минимальная частота вращения шпинделя n_min = 180 об/мин, максимальная n_max = 1340 об/мин.

Для выполнения проекта, были изучены конструкции и системы управления вертикально - сверлильных станков. Были проведены расчёты и обоснование основных характеристик станка в соответствие с исходными данными.



Библиографический список

1. Метллорежущие станки. Курсовое проектирование: учеб. - метод. пособие к выполнению курсового проекта / сост. : Е.В. Раменская, Ю. А. Филиппов ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. - Краснояр...