Исследование конструкции станка 675П с целью повышения его жесткости

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования Комсомольский — на — Амуре Государственный Технический Университет ИКПМТО Кафедра ТМ Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Металлорежущие станки»

Исследование конструкции станка 675П с целью повышения его жесткости Группа 2ТМб — 1

Студент Жилмостных Д. Ю. Преподаватель Щелкунов Е.Б.

Комсомольск — на — Амуре

1. Назначение станка

2. Описание конструкции станка

2.1 Общая компоновка

2.2 Общий вид станка и органы управления

2.3 Узлы и принадлежности

2.4 Кинематическая схема станка

3. Общие сведения о жесткости станков и методах ее достижения

3.1 Жесткость станков

3.2 Методы повышения жесткости станков

3.3 Анализ способов повышения жесткости фрезерных станков

4. Разработка собственного решения

5. Выводы по разработанной конструкции Список использованных источников

1. Назначение станка Инструментальный широкоуниверсальный фрезерный станок повышенной точности модели 675П предназначен для горизонтального и вертикального чистового фрезерования изделий цилиндрическими, дисковыми, фасонными, торцовыми, концевыми, шпоночными и другими фрезами, а также может быть использован для расточных, сверлильных и долбежных работ.

Наличие горизонтального и поворотного вертикального шпинделей, а также ряда прилагаемых к станку приспособлений (углового универсального стола, делительной головки, долбежной головки, круглого делительного стола и др.) делает станок широкоуниверсальным и весьма удобным для работы в инструментальных цехах при изготовлении приспособлений, инструментов, рельефных штампов, пресс-форм и прочих изделий.

2. Описание конструкции станка

2.1 Общая компоновка Инструментальный широкоуниверсальный фрезерный станок модели 675П состоит из отдельных узлов и подузлов.

На чугунном основании закреплена колонна, на которой монтируются все основные узлы станка.

На боковой стенке станины установлены коробки скоростей и подач.

В верхней части станины по горизонтальным направляющим перемещается бабка с горизонтальным шпинделем. К переднему торцу бабки по мере надобности крепится головка с вертикальным шпинделем. По вертикальным направляющим станины перемещается суппорт, а по его горизонтальным направляющим — салазки.

К вертикальной базовой плоскости салазок крепится угловой стол, необходимый для установки и крепления обрабатываемых изделий на его горизонтальной плоскости.

При обработке наклонно расположенных плоскостей устанавливается угловой универсальный стол, который крепится вместо универсального стола.

Для делительных работ служит делительная головка и делительный круглый стол, которые могут устанавливаться как на угловом столе, так и на вертикальной плоскости салазок.

Для долбежных работ предназначена долбежная головка, которая монтируется на торцовой плоскости бабки горизонтального шпинделя.

Мотор привода вращения шпинделя помещен в основании. Охлаждающая жидкость подается электронасосом.

2.2 Общий вид станка и органы управления Рис. 1. Схема расположения органов управления.

СПЕЦИФИКАЦИЯ ОРГАНОВ УПРАВЛЕНИЯ

2.3 Узлы и принадлежности Суппорт.

Суппорт служит для продольного и вертикального перемещений обрабатываемых изделий механически или вручную. Механическая подача осуществляется от приводного вала XVI, получающего вращение от коробки подач. Механические подачи управляются крестовой рукояткой 9.

Направление движения суппорта совпадает с направлением перемещения крестовой рукоятки. Механические подачи (продольные и вертикальные) отключаются упорами 28 и 29 или вручную.

Точное перемещение суппорта (вертикально) и салазок (горизонтально) контролируется по лимбам. Для особо точной установки суппорта и салазок служат индикаторные устройства.

Смазка трущихся поверхностей суппорта производится лубрикатором 31.

Горизонтальный шпиндель.

Горизонтальный шпиндель монтируется в шпиндельной бабке, осуществляющей поперечную подачу станка.

Передней опорой горизонтального шпинделя является двухрядный роликовый подшипник с коническим отверстием. Задняя опора — шариковая. Осевые нагрузки воспринимаются упорными подшипниками. Смазка опор — автоматическая.

Зажим инструмента в горизонтальном шпинделе осуществляется шомполом. Величина механического перемещения шпинделей бабки устанавливается упорами. При работе цилиндрическими фрезами оправка фрезы поддерживается кронштейном хобота 6. Кронштейн можно переставлять вдоль направляющих хобота и зажимать в нужном положении.

Вертикальный шпиндель.

Вертикальный шпиндель смонтирован в специальной головке, позволяющей повернуть его на 90⁰ в каждую сторону относительно вертикальной оси. Шпиндель помещен в подвижной гильзе. Нижняя опора шпинделя — роликовая коническая. Верхняя опора — шариковая. Осевые нагрузки воспринимаются упорными шариковыми подшипниками. Вертикальное перемещение шпинделя ручное (рукояткой 14). При этом гильза может быть зажата в нужном положении специальным винтом 16. Инструмент закрепляется шомполом. Смазка опоры гильзы производится масленкой. Для выбора радиального зазора между конической шейкой шпинделя и его подшипником служит компенсаторное кольцо.

Коробка скоростей.

Коробка скоростей сообщает горизонтальному и вертикальному шпинделям 8 различных скоростей. Управление коробки скоростей осуществится следующим образом. Рукоятку переключения скоростей 1 нужно поднять вверх. При этом разводятся диски 2, имеющие ряд отверстий. При повороте диска набора скоростей 3 и связанных с ним дисков меняется положение отверстий дисков относительно пальцев 4. Этим самым производится подготовка для переключения скоростей.

Рукояткой переключения 1 диски опять сводятся в первоначальное положение. При этом пальцы 4, перемещаясь, рычагами переводят переборные шестерни коробки скоростей.

Рис. 2. Коробка скоростей Коробка подач.

Коробка подач сообщает суппорту и шпиндельной бабке 16 различных подач, а также ускоренные перемещения. Управление коробкой подач производится так же, как на коробке скоростей.

При переключении подач необходимо следить за тем, чтобы крестовая рукоятка суппорта находилась в нейтральном положении.

Ускоренное перемещение подач осуществляется рукояткой 5, размещенной на фланце коробки подач.

Смазка шестерен коробки скоростей, коробки подач и шпиндельной бабки производится поршневым насосом, который приводится в движение эксцентриком, сидящим на первом валу коробки подач.

Основание и охлаждение.

К основанию на кронштейне монтируется электродвигатель, который передает вращение механизмам коробок скоростей и подач. От коробки подач через две цепи (звездочки 71,70,69,68 и натяжные ролики 75,76) получают вращение механизмы подач суппорта и шпиндельной бабки.

Для предохранения механизмов подач суппорта и шпиндельной бабки от перегрузки имеется предохранительная кулачковая муфта.

Включение механической подачи шпиндельной бабки производится рукояткой 13. Направление перемещения бабки соответствует положению рукоятки.

Механическая подача шпиндельной бабки может автоматически отключаться упорами, установленными на ней.

Смазка всех трущихся поверхностей производится шариковыми масленками.

Угловой горизонтальный стол.

Угловой горизонтальный стол применяется для обычных фрезерных работ. Крепится он болтами к вертикальной поверхности салазок.

Угловой универсальный стол.

Угловой универсальный стол служит для установки деталей, обрабатываемых в различных плоскостях под углом. Крепится к вертикальной поверхности салазок вместо углового стола.

Тиски.

Тиски прилагаются к станку для крепления мелких деталей. Они поворачиваются на 360⁰ в горизонтальной плоскости, могут устанавливаться на вертикальной и горизонтальной поверхностях стола, на универсальном и круглом столах.

Круглый стол.

Круглый стол предназначен для выполнения различных делений по окружности при фрезеровании или расточке деталей. Применяется он также для угловых делений в градусах по шкале на поворотной части стола и нониусу и для косвенных делений с применением сменных дисков.

Долбежная головка.

Долбежная головка изображена на рисунке 3.

Доска 1 с инструментом получает движение от горизонтального шпинделя через поворотный диск 3, шатун 4.

Для установки необходимой величины хода нужно отжать винт 5, вращением винта 6 установить величину хода по шкале, нанесенной на передней плоскости доски 1, и зажать винт 5.

Зажим инструмента производится винтом 7.

Установка головки в вертикальной плоскости производится винтом 8, после установки нанести риску на корпусе горизонтального шпинделя против нулевого деления головки.

Рис. 3. Долбежная головка.

Делительная головка.

Делительная головка предназначена для всевозможных делительных работ в условиях инструментальных цехов.

С помощью делительной головки на станке можно производить:

1. Деление по шкале (в градуcax).

2. Непосредственное деление, используя для этого диск 1, имеющий 24 зуба, и фиксатор 2.

3. Простое деление, применяя комплект сменных дисков 3.

4. Сложное деление и нарезание спиралей, используя гитару.

Делительная головка может устанавливаться на вертикальной и горизонтальной поверхностях столов.

Корпус головки 4 поворачивается в горизонтальной плоскости на 360⁰.

Изделие может крепиться в центральном трехкулачковом патроне или в самом шпинделе.

При работе с делительными дисками необходимо освободить зажимной винт, повернуть эксцентриковую втулку червяка до полного его зацепления с червячным колесом и вновь зажать эксцентриковую втулку. Такое деление рекомендуется осуществлять только поворотом червяка по часовой стрелке.

Сложное деление применяется в тех случаях, когда ряды чисел отверстии на делительных дисках не дают возможности воспользоваться методом простого деления. Производится оно следующим образом.

В конусное отверстие заднего конца шпинделя вставляется оправка, которая связывается сменными шестернями с осью червяка.

При вращении шпинделя делительной головки делительный диск получает дополнительное вращение через сменные шестерни.

Передаточное отношение сменных шестерен определяется по формуле:

где z — число зубьев нарезаемой шестерни;

z₀— число, близкое к z, но имеющееся среди рядов делительных дисков.

Пример. Нужно разделить деталь на 57 частей.

Выберем z₀=58,

Тогда

.

В этом случае делительный диск должен вращаться в сторону противоположную рукоятке. Поэтому вводим в делительную цепь две паразитные шестерни.

Угол подъема спирали определяется по формуле:

где d — диаметр изделия в мм;

t — шаг спирали в мм.

Если необходимо нарезать спираль с шагом, которого нет в таблице, сменные шестерни следует подбирать по формуле

.

Шестерни располагать примерно так, как указано для ближайшего шага по таблице. Произвольный подбор не допускается, так как сменные шестерни могут не разместиться на гитарах. В том случае, если прилагаемого набора сменных шестерен к станку недостаточно, необходимо изготовить одну или две сменные шестерни с нужным числом зубьев, но с сохранением размеров в сменных шестернях станка.

При установке сменных шестерен рекомендуется поворачивать делительную головку на 180°.

Гитара к делительной головке.

Гитара применяется с делительной головкой для производства сложных делений или нарезания спиралей.

Рис. 4. Делительная головка

2.4 Кинематика станка Цепь главного движения Движение заимствуется от электродвигателя (мощность 2,8 кВт, число оборотов 1420 об/мин) и передаётся на горизонтальный шпиндель вертикальной фрезерной головки.

От электродвигателя через шкивы d₁=80 и d₂=142 посредством клиноременной передачи вращение передаётся на вал I коробка скоростей. С вала 1 через зубчатые колёса блоков 1−2 и 3−4 движение передаётся на вал II, с него через колёса 10 или11 и блок 12−13 — на вал III, через колесо 14 блока 15−14, широкое колесо 64 вала V и колесо 59 — на горизонтальный шпиндель VI. При установке вертикальной головки движение в неё от шпинделя VI передается через конус Морзе, конические зубчатые колёса 54 и 55, цилиндрическую передачу 56 и 57. Станок имеет восемь ступеней скоростей.

Цепь подач Движение в цепь подач заимствуется от вала I коробки скоростей, через колеса 17, 18, 20 и 21 передаётся в восьмиступенчатую коробку подач, в которой вал XIV является распределительным. С вала XIV движение распределяется на стол и шпиндельную бабку. На стол движение передаётся через цепную передачу (звездочки 70, 71) на вал ХV, далее через коническую передачу 72 и 73 на вал XVI. С вала ХVI через колёса 39 и 40 движение передаётся на ходовой винт вертикального перемещения суппорта муфтой М₂ изменяют направление перемещения суппорта. С того же вала ХVI через колёса 39 и 41 движение передается на вал ХVIII и с него, через конические колёса 46 и 47, на ходовой винт продольного перемещения стола. Муфтой М₁ изменяют направление перемещения стола.

С распределительного вала XIV через звездочки 69 и 68 цепной передачи движение передается на вал ХXI, далее через конический трензель, через колесо 63 вращения передается колесу 62, оснащенному маточной гайкой, взаимодействующей с ходовым винтом XXIV поперечного перемещения шпиндельной бабки.

3. Общие сведения о жесткости и методах ее достижения

3.1 Жесткость станков Деформации узлов станка, возникающие под действием усилия резания, приводят к изменению начального относительного положения инструмента и обрабатываемой детали, что приводит потере станком точности. Во многих случаях эти деформации являются основными в общем балансе точности станка, и поэтому высокая жесткость станка является необходимым условием для создания работоспособных производительных станков.

Под жесткостью станков понимают их способность сопротивляться упругим деформациям при силовом нагружении. Жесткость j — отношение силы F к соответствующему упругому смещению у:

j = F/y.

Величину, обратную жесткости, называют податливостью:

w=1/j = y/F.

По ГОСТ 7035– — 75 жесткость станка определяется как производная проекции нагружающих сил по перемещению узлов в одном и том же направлении. Жесткость станка или какой-либо системы рассматривают как векторную величину, численное значение которой имеет смысл лишь для определенного направления в каждой точке системы. Она оказывает решающее влияние на основные выходные показатели станков — точность и производительность, в том числе на качество обработанной поверхности, виброустойчивость, стойкость инструмента, долговечность конструкций. Жесткость выступает и как критерий качества, и как критерий расчета размеров несущей системы станков, и с этих позиций ее роль в технологии машиностроения более значительна, чем прочности.

С повышением жесткости производительность станков увеличивается благодаря повышению их виброустойчивости, предельных режимов резания, стойкости инструмента, снижения погрешности копирования.

3.2 Методы повышения жесткости станков Основные направления можно свести к следующим:

а)повышение собственной жесткости деталей, в том числе путем применения замкнутых рамных конструкций, заменой деформации изгиба, кручения деформациями растяжения-сжатия, увеличением момента инерции при одной и тойже массе, применением материалов с высоким модулем упругости;

б)уменьшение количества стыков в несущей системе станков;

в)повышение качества обработки и сборки; следует обратить внимание на тщательность пригонки стыков, отклонения поверхностей от заданной геометрической формы, на увеличение числа пятен контакта;

г)применение конструкций с предварительным натягом (один из распространенных способов повышения жесткости шпиндельных опор на подшипниках качения, передач винт—гайка качения); смысл предварительного натяга в том, что при малых силах нормальные контактные смещения велики, если создать предварительный натяг, то при рабочей нагрузке будет использоваться участок характеристики с большей средней жесткостью.

3.3 Анализ способов повышения жесткости фрезерных станков Повышение равномерности фрезерования в станках достигается механизмом привода стола. Если механизм недостаточно жесткий, то при увеличении силы резания стол будет отжиматься в продольном направлении, при уменьшении же силы, в момент выхода зуба фрезы, сила упругости будет резко перемещать стол назад, вызывая увеличение сечения стружки при врезании следующего зуба. Если имеется зазор в механизме привода, перемещение стола под действием сил упругости может принимать большие значения, вызывая значительное увеличение сечения стружки в момент врезания. Указанное явление может вызвать появление колебаний. Жесткость винтового привода может быть увеличена созданием предварительного натяга упорных подшипников винта, а также созданием предварительного натяга между витками винта и гайки и др. Предварительный натяг упорных подшипников может быть осуществлен в том случае, если применяются шарикоподшипники или винт монтируется на радиально-упорных подшипниках.

Повышение жесткости консоли, салазок, стола значительно повышает точность обработки плоских поверхностей, этому же способствует повышение точности изготовления направляющих. Динамически активными элементами являются привод шпинделя, шпиндельная бабка, стол, салазки и консоль, особенно в крайних положениях.

Приводные ходовые винты необходимо оснащать устройствами выборки зазоров, еще лучше применять передачи винт — гайка качения с преднатягом.

Для станков консольной компоновки важно повышать жесткость консоли, в особенности ее подвижного стыка со станиной. С этой целью необходимо применение для вертикального перемещения консоли наиболее жестких прямоугольных направляющих взамен консолей типа «ласточкин хвост» .

Винт вертикальной подачи должен быть расположен в области центра тяжести всего комплекса узлов консоли с учетом его смещения при перемещениях стола и салазок. Для станков широкоуниверсальных, у которых по одной из координат перемещается шпиндельная бабка, необходимо повышать жесткость корпуса бабки во избежание так называемого «клевка», при котором за счет деформаций корпуса и контактных деформаций в направляющих скачкообразно изменяется прямолинейность перемещения бабки в конце хода на максимальном вылете.

Выводы.

Для повышения жесткости фрезерных станков рекомендуется:

— увеличить плотность посадок подшипниковых колец;

— создать предварительный натяг шпиндельных подшипников;

— уменьшить консольную часть шпинделя и увеличить число подшипников;

— вводить поддержки, соединяющие консоль со станиной и консоль с хоботом;

— применять прямоугольные направляющие скольжения вместо направляющих типа «ласточкин хвост» ;

— заменить направляющие скольжения направляющими качения;

— тщательно регулировать направляющие и применять предварительный натяг;

— повышать точность и качество поверхности направляющих;

— оснащать передачи винт — гайка скольжения устройствами выборки зазоров или заменять их передачами качения;

— применять материалы с высоким модулем упругости.

4. Разработка собственного решения Для повышения жесткости станка данной модели возможно применение следующих мер:

— заменить вертикальные направляющие суппорта типа «ласточкин хвост» на направляющие прямоугольного профиля;

— использовать для продольного перемещения стола роликовые направляющие качения;

— заменить передачи винт — гайка скольжения в приводах продольной и вертикальной подачи стола и поперечной подачи шпиндельной бабки передачами качения;

— заменить шарикоподшипники в опорах винта поперечной подачи шпиндельной бабки коническими роликовыми подшипниками и создать предварительный натяг;

— заменить подшипники скольжения в опорах валов XV, XVI, XVIII и XX подшипниками качения, например, коническими роликовыми;

— установить шкив ременной передачи не непосредственно на вал I коробки скоростей, а на подшипниках, помещенных в стакане, закрепленном в станине станка, что устраняет возможность изгиба вала под действием натяжения ремня.

Рассмотрим один из способов подробно.

В качестве объекта для усовершенствования примем механизм привода вертикальной подачи стола. В станке 675П вертикальная подача осуществляется при помощи передачи ходовой винт—гайка скольжения. Рассчитаем жесткость этой передачи.

Данные для расчета:

число заходов винта — 1;

шаг t = 5 мм;

наружный диаметр винта d = 24 мм;

наибольшее передаваемое усилие P = 4,9 кН.

Наибольшее влияние на точность оказывает искажение шага резьбы вследствие недостаточной жесткости. Основную роль в искажении шага резьбы играет осевая деформация, поэтому изменение шага от скручивания винта можно пренебречь.

Расчет на жесткость винтовой передачи скольжения ведется по формуле:

где Е—модуль продольной упругости, Н/м².

Площадь поперечного сечения винта

F =

где

Модуль продольной упругости Е= 10 Н/м².

Максимальная продольная деформация винта в пределах одного шага Жесткость передачи винт-гайка скольжение, Н/мм, Заменим винтовую передачу скольжения в приводе в вертикальной подаче суппорта на передачу винт-гайка качения.

Параметры передачи принимаем по нормали станкостроения Н23−7:

номинальный диаметр d=25 мм;

номинальный диаметр шарика d_{ш. ном} = 2,7 мм;

шаг t = 5 мм;

вид профиля — арочный.

Конструкция гайки представлена на рис. 6. Канал возврата, соединяющий два соседних витка гайки, выполнен в виде специального вкладыша 1, который заставляет шарики циркулировать в пределах одного шага резьбы.

Рис. 6 Конструкция шариковой гайки.

В передачах с арочным профилем предварительный натяг достигается использованием шариков диаметром больше номинального на величину, мкм,

где P_н — сила предварительного натяга, приходящаяся на один шарик. Максимальная сила натяга на один шарик не превышает 0,5 Р_доп..

Для обычных конструктивных форм и материалов допустимую статическую нагрузку на один шарик можно подсчитать по следующей приближенной формуле

Р_доп.= 20•d=20•2,7² = 145,8 Н, где d_ш — диаметр шарика в мм.

.

Действительный диаметр шарика

d_ш= d_ш.ном+?d_ш=2,7 + 0,0056 = 2,706 мм.

Жесткость винтовой передачи качения определяется по формуле где z₀ — расчетное число шариков, равное 0,7 от действительного.

Число шариков в одном опорном витке передачи определим по формуле Принимаем z₁ = 29.

Число опорных витков — 3.

Общее число шариков в передаче z = z₁?3 = 87.

Расчетное число шариков z₀ = 0,7 z = 60,9.

Жесткость винтовой передачи качения Сравним жесткость разработанной конструкции с жесткостью исходной передачи:

Достигнуто увеличение жесткости в 1,96 раз.

Выводы по рассчитанной конструкции

1. Применение в приводе вертикальной подачи суппорта винтовой передачи качения вместо передачи скольжения позволило увеличить жесткость механизма привода в 1,96 раз.

2. Значительное увеличение жесткости всего станка в целом возможно лишь при применении всего комплекса приведенных мер.

Список использованных источников

1. Проников А. С. Расчет и конструирование металлорежущих станков. Изд 2-е. «Высшая школа», 1968.

2. Металлорежущие станки. Расчет и конструирование: Учеб. пособие/ Б. П. Щелкунов, Е. Б. Щелкунов, С. В. Виноградов, А. Г. Серебреникова; Под ред. Б. П. Щелкунова. — Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2003.

3. Точность, надежность и производительность металлорежущих станков / Г. Д. Григорьян, С. А. Зелинский, Г. А. Оборский и др. — К.: Тэхника, 1990.

4. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: Справочник-учебник. В 3-х т./ под общ. ред. А. С. Проникова. — М.: Машиностроение, 1995.

5. Металлорежущие станки. Учеб. пособие для втузов. Н. С. Колев, Л. В. Красниченко, Н. С. Никулин и др. — 2-е изд, перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1980.