Расчет привода подачи продольного суппорта токарного станка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет привода подачи продольного суппорта токарного станка



Содержание

1. Задание

2. Определение действующих нагрузок и силы тяги привода

3. Определение диаметра ходового винта

4. Выбор подшипников

5. Выбор электродвигателя



1. Задание

Рассчитать привод подач продольного суппорта токарного станка нормальной точности с ЧПУ. В качестве прототипа использовать токарный станок модели 16К20Ф3. Масса суппорта m=100 кг. Общая длина ходового винта L_в=800 мм, максимальное расстояние между гайкой и опорой винта l_макс=600 мм;

Проектируемый привод рассчитан на применение системы управления замкнутого типа. Высокомоментный приводной двигатель серии ПВ связан с ходовым винтом через сильфонную муфту и редуктор, передаточное отношение которого i необходимо определить. Обеспечить следующие кинематические параметры рабочего органа станка: v_max=1000; v_{р max}=80 мм/мин; v_{р min}=10 мм/мин; точное позиционирование со скоростями 1..2 мм/мин. Число работающих витков в гайке i_г=3; ускорение при разгоне а=1 м/с². программный ходовой подшипник токарный

Полученные в результате анализа технологического процесса исходные значения параметров, необходимые для расчета привода, представлены в табл. 1П.

Таблица 1П Исходные данные к расчету привода подач
Масса суппорта, кг	Скорости перемещения суппорта, мм/мин	Ускорение (торможение), м/с2	Время разгона (торможения), с	Число раб. витков
m	vmax	vр max	vр min	a	tр-т	iг
100	1000	80	10	1	0,25	3

Дополнительно принять: твердость поверхностей контакта шариков и дорожек качения винта и гайки HRC_э=60, допускаемые контактные напряжения [_к]=2500 МПа; Установка ходового винта на двух опорах - комбинированных подшипниках типа 504000 по схеме 4 (рис. 9).

Наибольшая величина действующей на винт осевой силы Q_макс имеет место при черновом режиме. На станке предполагается обработка стальных заготовок диаметром до 400 мм с глубиной резания до 5 мм с подачей до 0,85 мм/об и скоростью резания до 150 м/мин, что возможно при мощности привода главного движения P_э = (11..13) КВт. В табл. 2П приведены расчеты составляющих сил резания при указанных условиях.

Таблица 2П Составляющие силы резания при черновом точении стали. Скорость резания V=150 м/мин; подача S=0,83 мм/об
№№	Глубина резания t, мм	Коэффициенты	Составляющие силы резания, Н	Мощность, N, кВт
		Cpz	xpz	ypz	npz	Pz	Px	Py
1	1,0	300	1,0	0,75	-0,15	1140,3	456,8	286,4	2,85
2	2,0	Cpy	xpy	ypy	npy	2280,5	646,1	534,5	5,70
3	3,0	243	0,9	0,6	-0,3	3420,8	791,3	769,9	8,55
4	5,0	Cpx	xpx	ypx	npx	5701,3	1021,5	1219,3	14,25
6	7,0	339	1,0	0,5	-0,4	7981,8	1208,7	1650,5	19,95
Примечание: расчет произведен по формуле [Справочника технолога]:

2. Определение действующих нагрузок и силы тяги привода

В качестве расчетного принимаем цикл работы, включающий в себя следующие этапы движения суппорта: разгон; быстрый подвод инструмента к изделию; торможение; рабочая подача; остановка; разгон; быстрое перемещение суппорта назад; торможение; остановка.

Таблица 3П - Цикл работы привода подачи станка
№ этапа	Характер этапа движения	Значения параметров
		Ход суппорта lc, м	Скорость подачи Vc, м/мин	Время движения t, с	Сила резанияFz, Н	Сила резания Fx, Н	Сила трения Fт, Н
1	Разгон	0,03	-	0,25	-		440
2	Быстрый ход	0,34	10	2,04	-		440
3	Торможение	0,03	-	0,25	-		440
4	Черновая подача	1	0,2	300	5701	1021	1051*)
5	Остановка	-	-	-	-		-
6	Разгон	0,03	-	0,25	-		440
7	Быстрый ход	0,94	10	5,64	-		440
8	Торможение	0,03	-	0,25	-		440
9	Остановка	-	-	-	-		-
*) - расчеты сил трения Fт на этапах выполнения цикла обработки приведен ниже

Сила тяги Q в механизме подачи токарного станка зависит от сопротивления сил, действующих в направлении движения рабочего органа. При рабочих подачах - это составляющая сил резания P_x и силы трения F_т, при установившемся быстром перемещении (на холостом ходу) - силы трения F_т и силы инерции F_и при разгоне или торможении. Схема действующих сил при рабочем ходе суппорта приведена на рис. 1П.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Силы трения F_т в приводе обусловлены трением в направляющих подвижного узла, в винтовой паре, редукторе и уплотнениях ходового винта. При работе станка без нагрузки (быстрый подвод, быстрый отвод суппорта)

При обработке деталей на токарных станках с горизонтальной компоновкой (рабочий ход) сила трения равна:

Где

fтр =0,1 - коэффициент трения для направляющих скольжения со смазкой при смешанном трении

С учетом дополнительного влияния трения в винтовой паре, редукторе и уплотнениях ходового винта силу тяги определяем по формуле:

где =0,1 - коэффициент трения в винтовой паре.

Сила тяги при установившемся быстром перемещении суппорта с учетом его инерции равна:

где a - заданное значение линейного ускорения.

Так как , окончательно принимаем силу тяги

Q= Q_р = 1879 Н.

3. Определение диаметра ходового винта

Определение диаметра винта на основе практических рекомендаций.

Диаметр винта предварительно определим по величине практически рекомендуемого отношения заданной длины винта к диаметру. Примем l_рч=30d₀ тогда по условию удовлетворительного обеспечения динамических показателей работы имеем:

мм.

В данном случае вместо полной длины винта l=800 мм использована длина его рабочей части:

Предварительно принятый диаметр винта проверим на продольную устойчивость, соответствие критерию критической частоты вращения и статическую прочность.

Расчет диаметра винта по критерию продольной устойчивости.

Диаметр винта рассчитаем по формуле Эйлера:

где Q - максимальная продольная сжимающая сила, Н; Е=2,110¹¹- модуль продольной упругости материала винта, Па; l - расстояние между торцами опор винта, м;

- коэффициент, учитывающий характер заделки концов винта =0,5 для схемы 4 на рис. 10 [МУ]

; K=3 - коэффициент запаса устойчивости.

Расчет диаметра винта на соответствие критерию критической частоты вращения.

Максимальная скорость вращения винта:

при которой диаметр винта равен:

Коэффициент принят равным 2,5.

Проверочный расчет винта на статическую прочность.

Число рабочих шариков Z с учетом диаметра d₀ винта, диаметра шариков d_ш и числа рабочих витков гайки i_г = 3, равно:

Принимаем число рабочих шариков в гайке Z=40.

На один шарик приходится статическая нагрузка [F_ст], допустимую величину которой при [_к]=2500 МПа определим по формуле:

Н.

Наибольшая величина действующей на винт осевой силы F_max при черновом режиме работы равна

Действующая на передачу наибольшая осевая нагрузка

, поэтому по данному критерию прочность винта обеспечена.

Полученные результаты позволяют окончательно определить размеры винта. По табл. 5 [МУ] выписываем основные размеры подходящих винтов по диаметру и длине.



Таблица 5П Основные размеры выбранного ходового винта привода продольной подачи станка
d0 мм	tв мм	dш мм	Lв, мм	Lp, мм	Lk, мм	d1, мм	Qmax, Н
25	10	6,0	800	700	135	56,7	13500

Размещено на http://www.allbest.ru/

4. Выбор подшипников

Диаметры опор вала равны

В качестве опор из табл.6 [МУ] выбираем подшипники легкой серии 2062К по ГОСТ 26290.

dв, мм	Основные размеры, мм	S, мкм
	D	d	D1	A	B	b
20	62	40	50	60	11	6	3

5. Выбор электродвигателя

В случае применения редуктора его передаточное отношение рекомендуется использовать в интервале 0,25.. 2. Определим, какие двигатели можно использовать в указанном диапазоне передаточных отношений, используя формулы (2) и (4) [МУ]:

Ранее определены: Q=1879 Н; p_хв= 10 мм; =0,87 (см. рис. 6).

Для i=0,25

для i=1

для i=2

Предварительный выбор двигателя

По табл. 2 [МУ] выбираем двигатель с подходящим крутящим моментом. В данном случае по величине наибольшего статического момента Нм подходит двигатель ПБВ 100 с условной длиной якоря L с характеристиками, приведенными в табл. 7П.

Таблица 7П Технические данные двигателя серии ПБВ 100L
Параметры электродвигателя	Значения параметров
Номинальный момент, Н м	10,5
Номинальная частота, мин-1	1000
Номинальное мощность, кВт	1,1
Номинальное напряжение, В	56
Номинальный ток, А	24
Максимальный момент при пуске, Нм	100
Максимальная частота вращения в продолжительном режиме, мин-1	2000
Масса электродвигателя с тахогенератором, кг	33

На рис. 4П и в табл. 8П и приведены размерные характеристики выбранного двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таблица 8П - Габаритные и присоединительные размеры двигателя
d20	d25	d30	L21	b30	h30	h33	d1	L1	h5	h1	b1	t	L30
215	180	192	16	192	192	235	28	42	31	7	8	4	600

3.6. Кинематика привода подачи

Исходные данные для расчета кинематики привода подачи приведены в табл. 9П. Частоты вращения ходового винта n_хв, соответствующие заданным скоростям перемещений суппорта, рассчитаны по формуле: . Минимальная частота вращения вала электродвигателя n_{э min} условно принята равной 1 об/мин.

Таблица 9П Исходные данные для расчета кинематики привода подачи
Электродвигатель nэ мин-1	Рабочий орган vро мм/мин	Ходовой винт nхв мин-1
nэ max	nэ ном	nэ min	vmax	vр max	vр min	nмах	nр мах	nмin
2000	1000	1	1000	80	10	100	8	1

Таким образом, в приводе подачи необходимо осуществлять регулирование скорости в двух диапазонах:

Общий диапазон регулирования скорости движения суппорта равен:

Определим диапазоны регулирования частот вращения вала двигателя:

;

;

.

Таким образом, имеем:

Общий диапазон регулирования скорости двигателя в 20 раз превышает диапазон регулирования скорости подачи, поэтому следующей задачей является выбор условий их согласования.

Рассмотрим два варианта кинематических схем: с редуктором и с прямым соединением вала двигателя с ходовым винтом (рис. 5П). На малых скоростях двигатель работает неустойчиво, рассмотрим первый вариант.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Примем условие согласования скоростей, при котором наибольшей скорости двигателя соответствует наибольшая скорость быстрых перемещений суппорта, то есть :

Полученное значение передаточного отношения позволяет определить диапазон регулирования скорости вращения вала двигателя:

об/мин;

Частота вращения вала двигателя, соответствующая движению суппорта с максимальной рабочей скоростью:

Пробуем обойтись без редуктора, соединив вал двигателя непосредственно с ходовым винтом. При i_р =1 наибольшая скорость движения суппорта достигается при частоте вращения вала электродвигателя, равной

Аналогично находим наименьшую частоту вращения электродвигателя, при которой обеспечивается наименьшая скорость движения суппорта.

Диапазон регулирования скорости вращения вала двигателя, как и следовало, ожидать, не изменился:

Максимальная рабочая скорость подачи суппорта частота вращения вала двигателя должна быть равна:

Результаты расчетов сведены в табл. 10П и проиллюстрированы графиками частот вращения ходового винта на рис. 6П.

Таблица 10П - Границы диапазона регулирования частоты вращения вала электродвигателя.
Паспортные данные электродвигателя, n об/мин	Скорости движения суппорта, v м/мин	Ходовой винт, nхв об/мин	Используемые частоты двигателя
			Контрольные точки	Передаточное отношение редуктора
				iр=0,05	iр=1
nэmax	2000	vmax	1000	nмах	100	n'э max	2000	100
nэном	1000	vрmax	80	nрмах	8	n'э T=const	160	8
nэmin	1		10	nрмин	1	n'э min	20	1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Регулирование скорости движения суппорта для обоих вариантов осуществляется при постоянном (номинальном) крутящем моменте, поэтому предпочтительнее вариант привода с прямым соединением вала двигателя с ходовым винтом. Вариант с редуктором более гибкий. Например, привод подач может быть модернизирован с целью увеличения скорости быстрых перемещений, при этом возможно изменение передаточного отношения редуктора, встроенного в кинематическую схему привода.

Размещено на Allbest.ru

...