Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Целью курсового проекта является формирование знаний об основных критериях работоспособности, технико-экономических показателях основных подсистем и узлов станков, методах их конструирования и расчета, в том числе автоматизированного, на основе математического моделирования, а также познакомить студентов с основными направлениями и методологией математического моделирования станков и станочных комплексов.

Основными задачами являются: освоение методов конструирования и расчета основных подсистем, узлов и деталей станков на основе критериев их работоспособности; методов моделирования и оптимизации указанных элементов; овладение навыками практического использования полученных знаний. Кроме того задачей курсового проекта является умение формализовать те или иные свойства изучаемого объекта механической или электромеханической природы для получения новой информации о нем в результате вычислительного эксперимента, проводимого с помощью ЭВМ.

Тематика курсовой работы имеет следующие направления:

моделирование механики приводов главного движения и приводов подач металлорежущих станков, анализ их качества и рекомендации по изменению конструктивных параметров;

моделирование шпинделей металлорежущих станков, анализ их качества и рекомендации по изменению конструктивных параметров.

Целью курсовой работы является:

построения математических моделей узлов металлорежущих станков в виде расчетных схем по чертежам общих видов;

пользование базами данных на примере базы данных подшипников качения BASA;

методы анализа качества шпинделей и приводов металлорежущих станков по результатам их моделирования;

проведение инженерных расчетов с помощью профессиональных моделирующих пакетов и оформлению конструкторской документации.

Содержание

• Реферат
• Введение
• 1. Моделирование привода металлорежущего станка
• 1.1 Построение расчетной схемы привода
• 1.2 Расчет моментов инерции и податливостей деталей привода
• 1.3 Распечатка меню программы DYNAR с исходными данными
• 1.4 Результаты моделирования статики привода и расчет заданных
• 1.5 Результаты моделирования динамики привода и расчет частот
• 1.6 Выводы о качестве конструкции анализируемого привода
• 2. Моделирование шпинделей металлорежущих станков
• 2.1 Построение расчетной схемы шпинделя
• 2.2 Определение параметров опор шпинделя
• 2.3 Выбор точек приложения нагрузок и их расчет
• 2.4 Распечатка меню программы SPINCH с исходными данными
• 2.5 Результаты моделирования статического прогиба шпинделя
• 2.6 Результаты моделирования динамики шпинделя
• 2.7 Выводы о качестве конструкции анализируемого шпинделя
• Список литературы

Введение

Оценка точности и производительности технологического оборудования для обработки металлов резанием на стадии проектирования позволяет произвести сравнительный анализ конструктивных вариантов и выбрать из них наилучший, а также оптимизировать конструктивные параметры. Эту задачу можно выполнить только средствами математического моделирования на ПЭВМ.

Математическое моделирование станков и станочных комплексов позволяет оценить относительные статические и динамические перемещения узлов станка, инструмента и детали, на основании которых могут быть определены показатели точности. Математическое моделирование позволяет также определить статические и динамические нагрузки узлов станка и по результатам прочностных расчетов обоснованно выбрать конструктивные параметры.

1. Моделирование привода металлорежущего станка

В курсовом проекте производственному оборудованию была разработана коробка скоростей для универсального вертикально-фрезерного станка. Шестеренчатые коробки скоростей являются наиболее распространенным механизмом для регулирования скоростей в приводах главного движения что есть возможность регулирования скоростей в приводах главного движения универсальных станков. Их достоинства состоят в том, что есть возможность регулирования в широком диапазоне скоростей с передачей значительной мощности, надежность работы, обеспечение постоянства передаточного отношения.

Недостатки, заключаются в невозможности бесступенчатого регулирования, сравнительно низком к.п.д. в случае широкого диапазона регулирования с высоким верхним пределом чисел оборотов и определенных трудностях переключения скоростей на ходу.

Математическое моделирование спроектированного станка позволит оценить относительные статические и динамические перемещения узлов станков, инструментов и деталей, на основании которых могут быть определены показатели точности. металлорежущий станок шпиндель

1.1 Построение расчетной схемы привода

Строим расчетную схему коробки скоростей вертикально-фрезерного станка и производим ее параметризацию, т.е. рассчитываем моменты инерции и податливости деталей привода.

Расчетная схема привода

1.2 Расчет моментов инерции и податливостей деталей привода

Для нашего двигателя выбранного в курсовом проекте производственному оборудованию

Таблица 1 Характеристика электродвигателя

Обозначение электродвигателя	4A100L2Y3
Синхронная частота вращения n0, об/мин	3000
Номинальная частота вращения nном, об/мин	2900
Номинальная мощность РН, кВт	4,5
Номинальный крутящий момент Мном, Н*м	18,5
Момент инерции Jдв, кг*м2	0,0144

Из этих данных можно рассчитать податливость электромагнитного поля двигателя, по формуле:

, где (1)

- податливость электромагнитного поля двигателя

- крутящий момент электродвигателя, Н*м

Остальные параметры рассчитываем при помощи препроцессора DYNAR

ВАЛ №1

Исходные данные:

p=8000, l=0,04, D=0,068, d=0,028

Момент инерции равен 0,000652405749892915 шкива ременной передачи двигателя

Исходные данные:

соединение с призматической шпонкой вала со шкивом двигателя

l=0,032, h=0,006, z=1, d=0,028

Крутильная податливость равна 4,25170068027211E-5

Исходные данные:

R=0,032, F=8,1E-5, E=3484000, n=3, Lэф=0,538, a=1

Податливость ременной передачи равна 0,620580177224041

ВАЛ №2

Исходные данные:

p=8000, l=0,04, D=0,076, d=0,02

Момент инерции равен 0,00104307712201814 шкива ременной передачи коробки скоростей

Исходные данные:

соединение с призматической шпонкой шкива ременной передачи с валом коробки скоростей

l=0,032, h=0,006, z=1, d=0,02

Крутильная податливость равна 8,33333333333333E-5

Исходные данные:

p=8000, l=0,04, D=0,02, d=0

Момент инерции равен 5,0265482456E-6 участка вала диаметр 20

Исходные данные:

p=8000, l=0,045, D=0,025, d=0

Момент инерции равен 1,38058270905762E-5 участка вала диаметр 25

Суммарный момент инерции участка вала равен 6,406Е-6

Исходные данные:

Исходные данные:

соединение с призматической шпонкой

l=0,05, h=0,0035, z=1, d=0,03

Крутильная податливость равна 4,06349206349206E-5 шпонка блока шестерен

Исходные данные:

p=8000, l=0,16, D=0,04, d=0

Момент инерции равен 0,0003216990877184 участка вала диаметр 40

Исходные данные:

p=8000, l=0,02, D=0,025, d=0

Момент инерции равен 6,13592315136719E-6 участка вала диаметр 20

Суммарный момент инерции участка вала равен 0,00032783501086976719

Исходные данные:

p=8000, l=0,015, D=0,196, d=0,03

Момент инерции равен 0,0173766876239849

Исходные данные:

p=8000, l=0,015, D=0,042, d=0,03

Момент инерции равен 2,71162171657138E-5

Исходные данные:

p=8000, l=0,015, D=0,059, d=0,03

Момент инерции равен 0,000133211708430272

Суммарный момент инерции блока шестерен равен 0,0175370155495808833

Исходные данные:

D=0,03, l=0,092, k=1

Крутильная податливость равна 1,44614861875288E-5 вала

Исходные данные:

прямозубое колесо

K=2, b=0,015, R= 0,01855, a=20

Податливость зубчатой передачи равна 2,58970958075021E-6

ВАЛ №3

Исходные данные:

p=8000, l=0,015, D=0,098, d=0,035

Момент инерции равен 0,00106896056644565

Исходные данные:

p=8000, l=0,008, D=0,07, d=0,035

Момент инерции равен 0,000141430574269753

Исходные данные:

p=8000, l=0,015, D=0,234, d=0,035

Момент инерции равен 0,035304262932758

Суммарный момент инерции блока шестерен равен 0,036514654073473403

Исходные данные:

p=8000, l=0,025, D=0,035, d=0

Момент инерции равен 2,94647029728652E-5

Исходные данные:

p=8000, l=0,23, D=0,035, d=0

Момент инерции равен 0,00027107526735036

Суммарный момент инерции участка вала 0,0003005399703232252

Исходные данные:

D=0,042, l=0,98, k=1

Крутильная податливость вала равна 4,00995069529968E-5

Исходные данные:

p=8000, l=0,025, D=0,035, d=0

Момент инерции участка вала равен 2,94647029728652E-5

Исходные данные:

шлицевое соединение

l=0,09, h=0,006, z=8, d=0,036

Крутильная податливость равна 7,14449016918153E-7

Исходные данные:

соединение с призматической шпонкой

l=0,05, h=0,0045, z=1, d=0,04

Крутильная податливость равна 1,77777777777778E-5

Исходные данные:

p=8000, l=0,03, D=0,132, d=0,04

Момент инерции равен 0,00709298836741704

Исходные данные:

p=8000, l=0,02, D=0,055, d=0,04

Момент инерции равен 0,000103525295409867

Суммарный момент инерции шестерни равен 0,007196513662826907

Исходные данные:

прямозубое колесо

K=2, b=0,03, R= 0,066, a=20

Податливость зубчатой передачи равна 3,63932672143305E-7

ВАЛ №4

Исходные данные:

p=8000, l=0,03, D=0,188, d=0,06

Момент инерции равен 0,029128179557645

Исходные данные:

p=8000, l=0,03, D=0,08, d=0,06

Момент инерции равен 0,000659734457235

Суммарный момент инерции шестерни равен 0,029128543490317143305

Исходные данные:

соединение с призматической шпонкой

l=0,05, h=0,0045, z=1, d=0,06

Крутильная податливость равна 7,90123456790124E-6

Исходные данные:

p=8000, l=0,085, D=0,06, d=0,03

Момент инерции равен 0,000811119953225531

Исходные данные:

p=8000, l=0,055, D=0,055, d=0,03

Момент инерции равен 0,000360289135601978

Суммарный момент инерции участка вала равен 0,001171409088827509

Исходные данные:

p=8000, l=0,165, D=0,065, d=0,03

Момент инерции равен 0,00220830647033075

Исходные данные:

p=8000, l=0,02, D=0,13, d=0,04

Момент инерции равен 0,00444613900286587

Суммарный момент инерции участка вала равен 0,00665444547319662

Выбор точек приложения и расчет нагрузочных моментов

Полученные моменты инерции и податливости вводим в программу DYNAR, причем принимаем что номер узла, в котором приложен момент кручения 19-ый, номер вала, к которому осуществляется приведение 5-ый, а величина крутящего момента равна:

, где (2)

- момент кручения, [Hм];

- сила резания, [Н];

- радиус фрезы, [м];

Силу резания определяем для наиболее нагруженного режима по формуле

, где

- главная составляющая силы резания при фрезеровании, [Н];

- число зубьев фрезы;

- частота вращения фрезы, [об/мин];

- подача на один зуб

- глубина фрезерования, [мм];

- ширина фрезерования, [мм];

, x, y, u, g,,щ, K_MP - коэффициенты, которые определяются по справочнику «Технолога машиностроителя» для торцевой фрезы (твердый сплав)

=825, x=1, y=0,75, u=1,1, g=1,3,щ=0,2.

Частота вращения фрезы при обработке отливки из стали по корке определяется по формуле:

, где (3)

U - скорость резания, [м/мин];

D - диаметр фрезы, [мм];

Скорость резания - окружная скорость фрезы (мм/мин), определяется по формуле:

, где (4)

Т - период стойкости

- общий поправочный коэффициент на скорость резания, учитывающий фактические условия резания;

, где

- коэффициент, учитывающий качество обрабатываемого материала;

- коэффициент, учитывающий состояние поверхности заготовки;

- коэффициент, учитывающий материал инструмента;

Поправочный коэффициент рассчитывается:

, где (5)

- фактический параметр, характеризующий обрабатываемый материал, для которого рассчитывается скорость резания;

- коэффициент, характеризующий группу стали по обрабатываемости

nх - показатель степени, выбирается по таблице.

Итак

Для конструкционной стали коэффициенты =0,8, =0,65, тогда

Принимаем сплав Т5К10, тогда по таблице из источника [1], выбираем параметры фрезы:

=0,18 мм/зуб

Dmax =315мм (Z=30). Ширина фрезерования определяется по формуле:

, где (6)

- диаметр фрезы (мм);

Глубина резания равна:

для стали

для чугуна , где

- ширина стола [мм];

Получаем:

- период стойкости фрезы

Также по справочнику определяем все остальные коэффициенты:

=332; q=0.2; x=0.1; y=0.4; u=0.2; p=0; m=0.2, тогда

Теперь по формуле определим частоту вращения фрезы

На основании рассчитанных величин определяем силу резания по формуле:

Теперь можно определить крутящий момент по формуле, который мы используем в программе DYNAR:

1.3 Распечатка меню программы DYNAR с исходными данными

1.4 Результаты моделирования статики привода и расчет заданных элементов на прочность

Таблица 2 Нормальные формы колебаний по углу

Таблица 3 Формы колебаний по упругому моменту

Таблица 4 Распределение модального демпфирования по упругим элементам

1.5 Результаты моделирования динамики привода и расчет частот, генерируемых зубчатыми передачами

Таблица 5 Переходная характеристика по углу

Рассчитываю зубцовые частоты по формуле:

, где (7)

- частота вращения вала, (об/мин)

- число зубьев шестерни

1.6 Выводы о качестве конструкции анализируемого привода и рекомендации по её улучшению

Анализ расчетов динамической податливости по углу показывает, что:

1) Максимальная амплитуда наблюдается при частоте щ=133 Гц.

2) При частоте свыше щ=133Гц наблюдается снижение амплитуды и при частоте свыше 200Гц е стремится к нулю поэтому для привода предпочтительна работа при частотах свыше 150Гц

Анализ расчетов нормальных форм колебаний по углу закручивания в основных точках привода показывает:

1) Высокую жесткость привода в точке 7 угол закручивания не превышает ц= -0,293

2) Нормальную жесткость привода от точки 7, однако, при частоте щ=133Гц, угол закручивания увеличивается от ц=-0,293, до в 13 точке ц=4,43

3) От 1 точки до 2 точки угол закручивания повышается в пределах допустимых значений при щ=8,1Гц ц=9,55, при остальных частотах примерно равен нулю.

4) При щ=226Гц, угол закручивания достигает максимума в третьей точке ц=14. Однако при остальных частотах угол закручивания довольно низкий, поэтому нежелательна работа привода на указанной частоте.

В дополнение можно заметить, что рассчитанные зубцовые частоты:

щ₁=108 Гц - рабочая частота колебаний 1-го вала, при этом e=0,85•10^-4 рад/Нм находится в начале всплеска амплитуды

щ₂=128 Гц - рабочая частота колебаний 2-го вала, при этом e=0,27•10^-4рад/Нм.

щ₃=126 Гц - рабочая частота колебаний 3-го вала, при этом e=0,21•10^-4рад/Нм. То есть разработанный привод не обеспечивает работу в заданном диапазоне скоростей и режимов резания. Для обеспечения нормальной работы можно порекомендовать увеличить ширину зубчатых колес, а также увеличить диаметр валов.

2. Моделирование шпинделей металлорежущих станков

2.1 Построение расчетной схемы шпинделя

Расчетная схема шпинделя строится по чертежу общего вида. Для этого на шпинделе проставляем узловые точки в местах существенного изменения диаметров, в местах расположения опор, в местах расположения сосредоточенных нагрузок. Расчетная схема представляет собой систему стержней, сосредоточенных податливостей и масс. В пояснительной записке представлена лишь упрощенная схема шпинделя:

Расчетная схема шпинделя

Из рисунка видно, что всего в данной схеме 7 узловых точек, причем точки 4 и 7 являются сосредоточенными массами. По чертежу общего вида точка 4 это колесо зубчатого зацепления, а точка 7 это фланец шпинделя. Параметры стержней определяются по геометрическим размерам по чертежу общего вида.

2.2 Определение параметров опор шпинделя

Параметры сосредоточенных податливостей определяем в два этапа. В начале по чертежу общего вида определяем тип подшипников и диаметры их внутренних и наружных колец. Затем, используя программу OPORA и вводя параметры подшипников, определяем радиальную и угловую податливость для каждого подшипника. Для данного шпинделя определяем:

- первый подшипник - это тендем из двух радиально-упорных шариковых подшипников

- второй подшипник - это радиальный двухрядный с короткими цилиндрическими роликами.

2.3 Выбор точек приложения нагрузок и их расчет

Для сосредоточенных масс вычисляем массы при помощи программы КОМПАС. Таким образом, масса колеса т.е. точки 4 равна 6,7 кг, а масса фланца точки 6 шпинделя 1,9 кг, тогда момент инерции фланца и зубчатого колеса рассчитываем по формуле:

, где (8)

m - масса фланца, кг;

R - радиус фланца, м;

кг/м²

кг/м²

2.4 Распечатка меню программы SPINCH с исходными данными

Расчетная схема шпинделя моделируется на ПЭВМ в интерактивном режиме с помощью пакета прикладных программ SPINCH. Итак результаты моделирования статического прогиба шпинделя проанализированы по нормам точности и жесткости. Результаты моделирования динамики, а именно модальные параметры шпинделя, собственные формы колебаний, АЧХ по изгибным и осевым деформациям в конечных узловых точках представлена в курсовом проекте, а также в графическом. Все полученные результаты проанализированы и сделаны соответствующие выводы о работоспособности станка.

2.5 Результаты моделирования статического прогиба шпинделя

Таблица 6 Результаты моделирования статического прогиба шпинделя

Статическая деформация оси шпинделя

2.6 Результаты моделирования динамики шпинделя

Таблица 7 Собственные частоты и формы колебаний

Нормальные изгибные формы колебаний

Амплитудно-частотная характеристика

Таблица 8 Амплитудно-частотная характеристика

2.7 Выводы о качестве конструкции анализируемого шпинделя

В результате моделирования статического прогиба шпинделя наглядно видно:

1) Отрицательный прогиб шпинделя под действием сосредоточенной массы 4 (зубчатого колеса) на величину 12мкм, и положительный прогиб под действием разности силы резания Р_Z и сосредоточенной массы точки 7 на величину 85мкм. То есть, по полученным данным видно, что абсолютные деформации превышают допустимый диапазон равный 10ч15мкм.

2) При частоте собственных колебаний шпинделя равной 869Гц, максимальная величина собственных колебаний равная 9,96мкм наблюдается в точке 3. По графику видно, что величина собственных колебаний не превышает допустимых значений. При частоте собственных колебаний шпинделя равной 1635Гц, максимальная величина собственных колебаний равная 18,07мкм наблюдается в точке 7.

3) Анализ АЧХ показывает всплеск амплитуды колебаний при частоте 355Гц. Это можно объяснить сложением вынужденных колебаний вызванными вращением шпинделя и прилагаемыми нагрузками, с собственными колебаниями, что приводит к резонансу.

Можно порекомендовать установить подшипник точка 5 большего размера или тяжелой серии. Также можно уменьшить массу шестерни.

Список литературы

1 Справочник технолога-машиностроителя. Под редакцией А.Т.Косиловой и Р.К.Мещерякова - М. Машиностроение 1985г, 496с, ил.

2 Металлорежущие станки. Под редакцией В.Э.Пуша - М. Машиностроение 1985г, 468с.

Размещено на Allbest.ru

...