Проект четырехкоординатного прецизионного многоцелевого станка горизонтальной компоновки

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования.

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ.

Аэрокосмический институт.

Кафедра технологии машиностроения, металлообрабатывающих станков и комплексов.

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ.

Проект четырехкоординатного прецизионного многоцелевого станка горизонтальной компоновки Пояснительная записка ГОУ ОГУ 151 002.1 1 08.05 ПЗ Зав. Кафедрой Поляков А.Н.

Руководитель Гончаров А.Н.

Дипломник Никульшин С.М.

Консультанты по разделам: Гореликова-Китаева О.Г.

Шарипова М.Н.

Абрамов К.Н.

Нормоконтролер Этманов А.В.

Рецензент Парфенов И.В.

Оренбург 2008.

Аннотация.

Расчетно-пояснительная записка содержит 146 страниц, в том числе рисунков 34, таблиц 15, формул 142, источников 20, приложений 8. Графическая часть выполнена на 10 листах формата А1.

В дипломном проекте выполнен проект четырехкоординатного прецизионного многоцелевого станка горизонтальной компоновки. Для этого решены следующие задачи:

— выбран прототип прецизионного многоцелевого станка;

— спроектирован привод главного движения, включая шпиндельный узел;

— проведен сравнительный анализ статических, динамических и термодеформационных характеристик несущей системы станка с учетом заполнения внутренних полостей станины синтеграном;

— выполнена оценка экономической эффективности от проведения модернизации;

— разработаны мероприятия по безопасности труда.

The summary.

The settlement — explanatory note contains 146 pages, including 34 figures, 15 tables, 142 formulas, 20 sources, 8 appendices. The graphic part is executed on 10 sheets of format А1.

In the degree project the project four-coordinate the multi-purpose machine tool of horizontal configuration is executed. For this purpose the following tasks are solved:

— the prototype of the precision multi-purpose machine tool is chosen;

— the drive of the main movement is designed, switching spindle;

— the comparative analysis static, dynamic and termodeformations characteristics of elements of carrying system of the machine tool is lead in view of filling internal cavities of a bed synthegranite;

— an estimation of economic efficiency from carrying out of modernization;

— actions on safety of work are developed.

• Введение

1 Обзор состояния вопроса и постановка задачи.

1.1 Общие сведения о многоцелевых станках.

1.2 Многоцелевые горизонтальные станки для обработки призматических деталей.

1.3 Выбор многоцелевого станка.

1.3.1 Мощности, скорости и жесткость.

1.3.2 Точность и гибкость.

1.3.3 Системы ЧПУ.

1.4 Направления развития многоцелевых станков.

1.5 Создание реконфигурируемых производственных систем.

1.6 Краткий обзор некоторых моделей станков Стерлитамакского станкостроительного завода и тайваньской компании Leadwell.

1.6.1 Сверлильно-фрезерно-расточные станки серии 500HS и 500VS.

1.6.2 Сверлильно-фрезерно-расточные станки серии LCH-500 и LCV-760.

1.7 Выводы и постановка задачи на дипломное проектирование.

2 Конструкторская часть.

2.1 Разработка кинематической схемы и кинематический расчёт коробки скоростей.

2.1.1 Выбор приводного электродвигателя.

2.1.2 Выбор структуры коробки скоростей.

2.2 Расчет прямозубой эвольвентной передачи.

2.2.1 Определение модуля зубчатой передачи расчетом на контактную выносливость зубьев.

2.2.2 Определение модуля зубчатой передачи расчетом на выносливость зубьев при изгибе.

2.2.3 Определение стандартного модуля зубчатой передачи.

2.2.4 Определение межосевого расстояния зубчатой передачи.

2.3 Расчет передачи зубчатыми ремнями.

2.4 Построение свертки коробки скоростей.

2.4.1 Разработка компоновочной схемы коробки скоростей.

2.4.2 Вычерчивание свертки коробки скоростей.

2.4.3 Определение усилий действующих в зубчатых зацеплениях.

2.5 Расчет и подбор подшипников.

2.5.1 Определение реакций в опорах валов.

2.5.2 Выбор подшипников по статической грузоподъемности.

2.5.3 Выбор подшипников по динамической грузоподъемности.

2.5.4 Выбор подшипников по диаметру вала.

2.6 Расчет сечения сплошного вала.

2.6.1 Определение диаметра средних участков вала.

2.6.2 Расчет валов на усталостную прочность.

2.6.3 Расчет на прочность шпонок и шлицевых соединений.

2.7 Расчет потерь на трение в подшипниках качения валов.

2.8 Расчет теплового баланса опор

2.9 Выбор и обоснование посадок.

2.9.1 Выбор посадок подшипников качения.

2.9.2 Выбор посадок шпоночных соединений.

2.10 Выводы по конструкторской части.

3 Технологическая часть.

3.1 Выбор исходной заготовки.

3.1.1 Определение вида исходной заготовки.

3.1.2 Выбор метода изготовления исходной заготовки.

3.2 Проектирование технологического маршрута обработки.

3.2.1 Выбор и обоснование технологических баз.

3.2.2 Выбор методов и количества необходимых переходов обработки.

3.2.3 Определение последовательности выполнения переходов.

3.2.4 Формирование технологических операций.

3.3 Выбор средств технологического оснащения.

3.3.1 Выбор технологического оборудования.

3.3.2 Выбор инструмента.

3.4 Проектирование технологических операций.

3.4.1 Расчет припусков и операционных размеров.

3.4.2 Назначение режимов обработки. Расчёт режимов резания.

3.4.2.1 Выбор глубины резания и подачи.

3.4.2.2 Выбор скорости резания.

3.4.2.3 Расчёт частоты вращения шпинделя.

3.4.2.4 Расчёт минутной подачи.

3.4.2.5 Расчёт требуемой мощности двигателя.

3.4.2.6 Расчёт силы резания.

3.4.2.7 Расчёт мощности резания.

3.4.2.8 Расчёт крутящего момента.

3.4.2.9 Расчёт получаемой чистоты поверхности.

3.4.3 Нормирование технологического процесса.

3.4.3.1 Определение основного (технологического) времени.

3.4.3.2 Определение вспомогательного времени.

3.4.3.3 Определение оперативного времени.

3.4.3.4 Определение времени на обслуживание рабочего места.

3.4.3.5 Определение времени на перерыв.

3.4.3.6 Определение штучного времени.

3.5 Вывод по технологической части.

4 Исследовательская часть.

4.1 Расчет и проектирование шпинделя.

4.1.1 Статический расчет на жесткость шпиндельного узла многоцелевого станка.

4.1.2 Тепловой расчет шпиндельного узла.

4.2 Инженерный анализ несущей системы четырехкоординатного прецизионного многоцелевого станка горизонтальной компоновки.

4.2.1 Статический расчет несущей системы в условиях жесткого закрепления.

4.2.2 Модальный расчет несущей системы станка.

4.2.3 Динамический расчет несущей системы станка.

4.2.4 Термодеформационный расчет несущей системы станка.

4.3 Выводы по исследовательской части.

5 Безопасность труда.

5.1 Анализ и обеспечение безопасных условий труда.

5.2 Расчет категории тяжести труда.

5.3 Возможные чрезвычайные ситуации.

5.3.1 Расчет времени эвакуации при пожаре.

5.4 Выводы по безопасности труда.

6 Экономическая часть.

6.1 Исходные данные для расчета экономического эффекта от модернизации.

6.2 Расчет затрат на проведение модернизации.

6.2.1 Расчет заработной платы рабочих, участвующих в проведении модернизации, с отчислениями.

6.2.2 Расчет затрат на комплектующие изделия для модернизации оборудования.

6.2.3 Расчет прочих расходов на модернизацию оборудования.

6.2.4 Расчет суммарных затрат на модернизацию оборудования.

6.2.5 Расчет стоимости модернизированного оборудования.

6.3 Расчет экономического эффекта от проведения модернизации.

6.3.1 Расчет изменения трудоемкости изготовления детали.

6.3.2 Расчет необходимого количества оборудования и его загрузки.

6.3.3 Расчет годовой производительности единицы оборудования и ее изменения.

6.3.4 Расчет капитальных вложений.

6.3.5 Расчет технологической себестоимости годового выпуска.

6.3.6 Расчет штучной технологической себестоимости.

6.3.7 Расчет годовой экономии от снижения себестоимости.

6.3.8 Расчет приведенных затрат.

6.3.9 Расчет годового экономического эффекта.

6.4 Выводы по экономической части Заключение Список использованных источников Приложение, А (Спецификация) Приложение Б (Расчет прямозубой эвольвентной передачи) Приложение В (Расчет подшипников качения) Приложение Г (Расчет сечения сплошного вала) Приложение Д (Расчет потерь на трение в подшипника качения) Приложение Е (Расчёт теплового баланса опор качения) Приложение Ж (Статический расчёт на жесткость шпиндельного узла) Приложение З (Тепловой расчет шпиндельного узла).

Мировые тенденции развития машиностроительной отрасли свидетельствуют о том, что в ближайшее время именно станкостроение будет определять облик заводов будущего и организацию работы на них. Суть нынешних перемен состоит в том, что повышения эффективности деятельности предприятия в значительной степени будет зависеть от объединения творческого потенциала человека с новейшими информационными технологиями.

Наиболее важным в современных тенденциях развития станкостроения является сращивание производственных технологий с информационными. Это приводит к тому, что станок из технологической единицы превращается в локальную сеть станок передает информацию о том, что деталь изготовлена и начата обработка следующей, что станок выполнил программу и ожидает поступление нового задания, что ресурс инструмента исчерпан (для чего в инструмент встраивается специальный чип), что произошла поломка инструмента или станка, а также сообщается характер поломки (выявленной в ходе диагностики), что для нового задания необходим дополнительный инструмент, отсутствующий в магазине или исчерпавший ресурс и т. п. Подобная информация поступает от всех станков участка или цеха в общий информационный поток предприятия.

Основные станкостроительные предприятия России находятся сегодня не в Москве, а на периферии. Там они зачастую являются градообразующими, и им местные власти уделяют больше внимания. Неудивительно, что на сегодняшний день в отрасли являются «Савеловский машиностроительный завод», «Стерлитамак МТЕ» и Рязанский станкостроительные заводы.

Отрадный факт: технический уровень изготавливаемого сегодня оборудования в России достаточно высок. Мы можем предложить покупателю 4-, 5-, 6-осевые обрабатывающие центры, недавно стали выпускать станки для комбинированной обработки — токарно-сверлильно-фрезерно-расточные. Ежегодно осваивается 30−40 наименований новых машин, разрабатываются и внедряются новые технологии, повышается культура производства. В этом отношении очень показателен Стерлитамакский завод, где в сборочных цехах проведен «евроремонт», и уровень чистоты помещений для отечественных заводов — просто уникальный. И этот подход к культуре производства приносит свои плоды.

Для успешного продвижения своих товаров на внешних рынках российским станкоинструментальным предприятиям необходимо стремиться к разработке и совместному выпуску продукции с ведущими мировыми производителями, аттестации производства и систем управления качеством по международным стандартам.

Стратегическим направлением научного обеспечения потребностей станкоинструментальной отрасли в фундаментальных и прикладных исследованиях должна стать совместная работа предприятий и вузов. Ее необходимо вести в соответствии с программами заводов-потребителей новых технологий, а также тематикой, определяемой актуальными общемировыми направлениями развития металлообработки.

1 Обзор состояния вопроса и постановка задачи.

1.1 Общие сведения о многоцелевых станках.

Многоцелевой станок (МС) или обрабатывающий центр (ОЦ) — это металлорежущий станок, предназначенный для комплексной обработки сложных деталей путем последовательного выполнения различных видов механической обработки, имеющий систему числового программного управления (ЧПУ) и оснащенный системой автоматической смени инструментов (АСИ).

Многоцелевые станки являются универсальным оборудованием и по виду обрабатываемых заготовок и характеру преобладающих выполняемых переходов их можно разделить на три группы:

— сверлильно-фрезерно-расточные с главным движением вращением инструмента и компоновкой, аналогичной фрезерным, расточным, сверлильным станкам, предназначенные для обработки призматических деталей;

— токарно-сверлилыю-фрезерно-расточные с главным движением — вращением детали или инструмента и компоновкой, аналогичной компоновке станков токарной группы, предназначенные для обработки в основном деталей типа тел вращения;

— с выполнением разнородных переходов и оригинальной компоновкой.

На рисунке 1 представлены МС с вертикальной и горизонтальной осью вращения шпинделя.

Рисунок 1 — Общий вид МС с вертикальной осью вращения шпинделя (а) и с горизонтальной осью вращения шпинделя (б) Данные станки отличаются особо высокой концентрацией обработки. На них производят черновую, получистовую и чистовую обработку сложны к заготовок, содержащих различные обрабатываемые поверхности, выполняют самые разнообразные технологические переходы. Во многих случаях МС обеспечивают высокоэффективную полную обработку деталей без переустановки и перебазирования. С этой целью в современных конструкциях МС предусматривается наличие поворотных узлов. В станках для обработки призматических деталей применяют поворотные конструкции шпиндельной головки и стола с периодическим или непрерывным движением по одной или двум (стол глобусного типа) координатам. При необходимости возможно дополнительно комплектовать станки поворотно-подвижным и столами различных высокой точностью типов. Столы обеспечивают перемещение заготовки во время ее обработки с и большим диапазоном подач в позиционном и непрерывном режимах. Управление работой стола осуществляется от системы ЧПУ станка или от собственной автономной системы ЧПУ.

В станках для обработки деталей типа тел вращения предусматривается движение точного позиционирования шпинделя с заготовкой.

Для последовательного выполнения по программе большого числа разнообразных переходов МС обязательно имеют быстродействующую систему автоматической смены инструмента (АСИ) манипуляторного или безманипуля-торного типов. Необходимый запас инструментов создается в револьверных головках или инструментальных магазинах барабанного или цепного исполнений. Для обеспечения автоматической смены режущего инструмента при использовании инструментальных магазинов в системе АСИ применяют вспомогательный инструмент со стандартными конструкциями хвостовиков различных типов и исполнений. В настоящее время в современных высокоскоростных МС отечественного и зарубежного производства для стабильного обеспечения требуемого качества обрабатываемых поверхностей применяют новый вид конструкции хвостовика (тип HSK) вспомогательного инструмента и его зажима в шпинделе. Такая конструкция обеспечивает высокую жесткость соединении за счет не только конусно-цанговой части, но и за счет прижима оправки к торцу шпиндели.

С целью возможности применения стандартизированного вспомогательного инструмента конструкции передних концов шпинделе) МС унифицированы и стандартизированы.

Большинство моделей современных МС для обработки призматических деталей оснащаются системами автоматизированной смены заготовок (АСЗ). При этом заготовка устанавливается на сменном столе-спутнике (палете) и вместе с ним она попадает на основной стол станка. Установку заготовки на стол-спутник и снятие обработанной детали производят во время работы станка. С целью обеспечения возможности применения нормализованной технологической оснастки конструкции столов-спутников в МС также унифицированы и нормализованы..

Многоцелевые станки выпускаются как с традиционной компоновкой станков соответствующих групп, так и с оригинальной. Компоновка МС в первую очередь определяется его технологическими возможностями, но если проанализировать новые виды современных обрабатывающих центров, у всех есть единая концепция — очень жесткая, неподвижная («рамная») базовая конструкция и «легкие» перемещаемые узлы.

Для всех станков с ЧПУ, в том числе и для МС, принята единая система обозначения координат, рекомендованная международной организацией по стандартизации (ISO). Все перемещения рассматривают в прямоугольной системе основных осей координат X. Y, Z. Положение осей координат и положительные направления перемещений относительно них принимают в соответствии с правилом правой руки. Ось Z совладает или параллельна оси главного шпинделя. Положительное направление оси (+Z) соответствует направлению удаления инструмента от заготовки.

Кроме перемещений относительно основных осей координат, возможны перемещения относительно вторичных (U, V, W), параллельных основным и третичным (Р, Q. К), осям.

Эффективность современных МС в сравнении с одноцелевыми станками достигается не только за счет сокращения времени транспортирования деталей и уменьшения подготовительно-заключительного времени, но и за счет возможности обеспечения высокоскоростной обработки заготовок как из черных, так и из цветных металлов.

Приводы главного движения МС обеспечивают очень широкий диапазон регулирования (n_max до 24 000…30 000 мин^-1) с бесступенчатым изменением частоты вращения шпинделя.

В большинстве случаев в привадах главного движении более ранних моделей МС применяются регулируемые электродвигатели в сочетании с шестеренными коробками диапазонов на две или три ступени. Все новейшие модели ОЦ оснащаются высокоскоростными мотор-шпинделями. В приводах подач применяются в основном высокомоментные электродвигатели и шариковые винтовые передачи. Однако в настоящее время многие станкостроительные фирмы предлагают МС с принципиально новыми приводами подач, оснащенными линейными двигателями, обеспечивающими перемещения подвижных узлов с максимальными скоростями до 120…200 м/мин.

Многоцелевые станки имеют чаше всего контурную или комбинированную микропроцессорную систему ЧПУ, обеспечивающую автоматическое управление с высокой степенью точности и гибкости при многокоординатной обработке разнообразных деталей.

Шестии более координатные МС, называемые «гексоподами», в основном применяются в области авиакосмических технологий при обработке сложных профилей у деталей из труднообрабатываемых материалов. Наибольшее распространение получили МС общего назначения, как правило, трех-пятикоординатные станки, используемые на производствах самого широкою профиля.

Современные МС отличаются высокой точностью перемещений узлов, жесткостью конструкции и наличием надежных многофункциональных систем ЧПУ. Благодаря этому имеется возможность контроля обрабатываемых заготовок и деталей непосредственно на станке при помощи измерительных головок без передачи изделия на координатно-измерительные машины.

Для МС любой модели технологические возможности определяются помимо обычных параметров технической характеристики рядом специфических показателей. К ним в первую очередь относятся: емкость инструментального магазина, характеристика инструментального блока, время смены инструмента, размеры рабочего пространства, количество столов-спутников, их размеры, время смены столов-спутников, тип системы управления, число одновременно управляемых координат, дискретность и точность перемещений по координатам и др. Наличие информации о технических характеристиках и конструктивных особенностях современных МС позволит правильно выбирать и эффективно применять их в условиях переналаживаемых производств как в виде самостоятельных единиц оборудования, так и в составе гибких производственных систем (ГПС). 8].

1.2 Многоцелевые горизонтальные станки для обработки призматических деталей.

Горизонтальные МС в основном предназначены для обработки корпусных деталей кубообразной или близкой к «кубу» формы, обладающих достаточной жесткостью. Среди призматических деталей они составляют большинство. Поэтому среди МС для обработки призматических деталей преобладают станки с горизонтальным расположением шпинделя. Именно на таких МС, оснащенных поворотным столом, а иногда и поворотов шпиндельной головкой, возможна обработка за одну установку деталей особо сложной конструкции с нескольких сторон. На них производят фрезерование плоскостей, пазов и криволинейных поверхностей торцовыми и концевыми фрезами; обработку отверстий мерными и регулируемыми на размер инструментами; нарезание резьбы летчиками и резцами. На некоторых современны моделях МС возможно выполнение операции плоского и внутреннего шлифования.

МС с горизонтальным расположением шпинделя имеют компоновки, как с неподвижной, так и с подвижной, стойкой. У станков меньших размеров стойка выполняется неподвижной, а стол может совершать перемещения по координатам Z и X. Такой стол часто называют крестовым. В горизонтальных МС ось X так же, как и ось Z, горизонтальная. Положительное се направление (+Х) всегда вправо, если смотреть от шпинделя на стол станка.

Для обработки средних и крупногабаритных деталей применяют горизонтальные МС с продольно-подвижной стойкой и поперечно-полвижным поворотным столом. Отдельные станки имеют выдвижной шпиндель. Такая компоновки для станков с шириной стола более 400 мм имеет преимущество по жесткости и прочности перед компоновкой с неподвижной стойкой и крестовым столом. У наиболее крупных горизонтальных МС, предназначенных для тяжелого машиностроения, заготовку закрепляют на дополнительной столе или на неподвижной плите, установленной на полу цеха. В этих станках крестовая стойка осуществляет перемещение по двум осям Z и X..

Большинство моделей МС, предназначенных для мелкои среднесерийного производств, имеют компоновку, предусматривающую одноинструментальную обработку. Для повышения производительности и расширения области применения используются сменные многошпиндельные коробки, обработка которыми совмещается с обработкой инструментом, установленным в шпинделе.

При создании конструкции МС широко применяет агрегатно-модульный принцип проектирования позволяющий на базе унифицированных модулей получать рациональные компоновки оборудования. 8].

1.3 Выбор многоцелевого станка.

Многоцелевые станки, обладая широкими технологическими возможностями и еще большим потенциалом, являются в настоящее время наиболее высокопроизводительными и самыми востребованными типами станков. Недаром именно на их базе создаются многофункциональные станки, позволяющие выполнять не только традиционное фрезерование, сверление, растачивание и т. д., но также точение, шлифование, обработку деталей из прутка, лазерную обработку. Выбор таких станков является сложной проблемой как по техническим, так и по экономическим соображениям и зависит от ряда объективных и субъективных факторов.

При выборе МС необходимо определить параметры деталей, которые будут на нем обрабатываться, для чего следует установить величины перемещений по осям X, Y, Z. Грузоподъемность стола определяют, исходя из максимальной предполагаемой массы заготовки с учетом наличия в рабочем пространстве «мертвых» зон, т. е. таких участков, где обработка невозможна. Из всех вариантов следует выбирать обрабатывающий центр с минимальными параметрами, однако с учетом операций, которые на нем предполагается выполнять, поскольку, например длина инструментов и высота зажимных приспособлений могут резко сократить используемое перемещение по оси Z. Разумеется, это перемещение не является критическим при специализации станка на фрезеровании карманов в плоских деталях, но если предполагается также сверлить и глубокие отверстия, то перемещения по оси Z следует выбирать даже с небольшим запасом.

1.3.1 Мощности, скорости и жесткость.

Требуемые мощности и частоты вращения шпинделя определяются прежде всего свойствами обрабатываемых материалов. Высокие крутящие моменты и сравнительно низкие частоты вращения шпинделя требуются обычно при обработке прочных и вязких металлов, а более высокие, при обработке сравнительно мягких. Чаще всего, станок должен сочетать в себе высокую мощность привода с возможностью получения высоких частот вращения шпинделя, что особенно актуально для предприятий мелкосерийного и единичного производства, где на одном и том же станке нередко приходится обрабатывать как легированную сталь, так и алюминий. Этого следует избегать или использовать при обработке алюминия сменные высокоскоростные шпиндели, оснащаемые обычно специальными керамическими подшипниками с меньшим тепловыделением. На обычных шпинделях ставят подшипники со стальными шариками, поскольку использование керамических на тяжелых режимах и при прерывистом резании резко сокращает срок их службы. Компромисс требуется находить и между крутящим моментом и мощностью, поскольку традиционные двигатели обеспечивают высокий крутящий момент только при низких скоростях вращения шпинделя. Один из вариантов решения — выбор привода шпинделя с двумя системами обмоток — одна рассчитана на высокие скорости вращения, другая — на низкие, что обеспечивает достаточный крутящий момент в обоих случаях. Такая электронная коробка скоростей наиболее эффективна в сочетании с механической.

Поскольку жесткость станка прямо пропорциональная его массе, то наибольшее применение у обрабатывающих центров нашли тяжелые литые станины и другие корпусные детали, хотя иногда встречаются и стальные сварные конструкции. Они, возможно, и жестче литых и наверняка легче, но контроль возникающих в них вибраций осуществлять труднее. Поэтому при высоких скоростях и тяжелых режимах резания применяют станки с литыми конструкциями, рассчитываемыми методом конечных элементов, что позволяет свести к минимуму массу этих конструкций там, где для них не требуется опора, и усилить их там, где такая опора необходима. Такого рода анализ позволяет предсказать статические и динамические характеристики станка, изменяя при необходимости виброхарактеристики его важнейших конструкций. В результате путем серии последовательных приближений конструкции станка к оптимальной ее можно оценить и испытать еще до появления первого опытного образца.

Не менее важное влияние на жесткость станка оказывают направляющие — как качения, так и скольжения. Первые рассчитаны обычно на более быстрые перемещения рабочих органов, но с пониженной рабочей нагрузкой, а вторые при относительно меньших скоростях перемещения могут выдерживать большие нагрузки. Границей преимущественного применения тех или других направляющих служит частота вращения шпинделя станка. Если она ниже 8000 об/мин, это, как правило, область применения направляющих качения, если выше то направляющих скольжения. Вертикальные обрабатывающие центры американской фирмы Fadal, например, с относительно низкой мощностью привода и невысокой частотой вращения шпинделя, полностью оснащены линейными направляющими. У аналогичных станков, но с более высокой мощностью привода для перемещений по осям Х и Y применены направляющие качения, а по оси Z, направляющие скольжения. Это объясняется тем, что в связи с увеличением у вертикальных обрабатывающих центров объема рабочей зоны увеличиваются и преимущества консольного расположения шпинделя, но вместе с одновременным увеличением бокового давления. У станков этой фирмы с максимальной мощностью привода направляющие скольжения используются по всем осям координат, поскольку такие направляющие, по мнению многих специалистов, обладают большей упругостью и даже при повышенных нагрузках не становятся источниками вибраций.

1.3.2 Точность и гибкость.

Общеизвестная истина — точность, требуемая от обрабатывающих центров, определяется точностью обрабатываемых на них деталей и во многом зависит от методов и условий ее измерения. Но в среднем производители прецизионных станков определяют ее равной ± 1−2 мкм. Для нового горизонтального станка средних размеров (спутник 600×600 мм) и обычного исполнения достаточной признается точность ± 3−5 мкм. Как долго он ее сохранит, зависит от такого количества факторов, что многие потребители просто полагаются на репутацию фирмы-изготовителя.

На универсальном обрабатывающим центре, а таких выпускается большинство, можно обрабатывать все корпусные и призматические детали, которые находятся в пределах его рабочей зоны и досягаемости установленных на нем инструментов. Стоимость такого станка меньше, чем специализированного, например для обработки длинных деталей. Его проще оснащать необходимым инструментом, оснасткой, у него короче сроки поставки, а использовать без переделок можно в различных отраслях при обработке любой номенклатуры деталей. Когда станок морально устареет или по каким-либо причинам потребует замены он быстрее найдет сбыт на рынке подержанных станков. В последнее время практически все крупные и средние фирмы начали выпускать так называемые дешевые обрабатывающие центры, преимущественно вертикального исполнения, стоимостью от 30 тыс. долл. США. Они конструктивно проще и, безусловно, обладают несколько меньшими технологическими возможностями, но удовлетворяют значительную часть потребителей. Если учитывать экономическую ситуацию во многих странах, то неудивительно, что эти станки находят неплохой сбыт.

1.3.3 Системы ЧПУ.

Система ЧПУ, стоимость которой порядка 20−25% от стоимости обрабатывающего центра, во многом определяют его выбор потребителями. Это имеет первостепенное значение для 82,2% американских заказчиков. Фирмы многих стран выпускают станки, рассчитанные на стыковку с несколькими системами ЧПУ. В России, где обрабатывающие центры производятся всего несколькими заводами, такой подход принят практически всеми изготовителями.

Все вышеперечисленные рекомендации в полной мере подтверждаются результатами опроса ведущих специалистов и свыше 200 американских предприятий различных отраслей и типов производства с числом занятых на 60% заводов 100 и более человек. Средний возраст обрабатывающих центров на всех предприятиях составил 8 лет.

1.4 Направления развития многоцелевых станков.

Многоцелевые станки занимают все большую долю в производстве ведущих станкостроительных компаний, в связи с этим наметились основные направления совершенствования данного типа станков:

а) повышение производительности за счет:

— сокращение составляющих вспомогательного времени.

— увеличения скоростей быстрых перемещений узлов;

Скорость быстрых перемещений в основном не менее 30−40 м/мин; в отдельных случаях приближаясь к 100 м/мин; рост ускорений, в основном до 10 м/с².

Рост быстрых перемещений привел к необходимости использования новых приводов — ЛД или широкое использования шарико-винтовых пар (ШВП).

Достижение скорости перемещений 30−40 м/мин эквивалентно частоте вращения винта 3000−4000 об/мин.

— уменьшения времени автоматической смены инструментов и заготовок;

Время смены инструмента не превышает 5 с, в отдельных случаях «от стружки до стружки» составляет 1 с. Это достигается:

— ростом скоростей и конструктивными особенностями станков, использования новых видов механизмов;

— совмещением времени, затрачиваемое на смену инструмента совмещено с основным технологическим временем (два магазина и два шпиндельных узла);

б) сокращение основного технологического времени Применение керамических подшипников.

Мотор-шпиндель на электромагнитных подшипниках.

Повышение точности металлорежущего станка достигается посредством следующих решений:

а) уменьшение тепловых погрешностей.

— сокращение тепловыделения;

— снижения его влияния на геометрическую точность;

— автоматическая компенсация тепловых погрешностей (это кабинетная система, термосимметричность конструкции).

б) погрешностей позиционирования;

в) использование систем диагностирования.

1.5 Создание реконфигурируемых производственных систем.

Для продуктивного функционирования в условиях рыночной экономики станкостроительные компании должны реализовывать следующие направления в производственной деятельности:

— появление новой продукции;

— появление новых технологий;

— рост конкурентоспособности.

Фирмы производители должны оперативно реагировать на требования рынка.

Реконфигурируемые производственные системы (РПС) — это производственные системы с изменяемой архитектурой.

РПС — это производственное оборудование и системы управления для экономичного оперативного реагирования на изменяющийся спрос на рынке.

Новый принцип создания производственных систем позволяет иметь оборудование с необходимыми функциями точно в нужное время.

Реконфигурация или изменение архитектуры означает способность регулировать производственную мощность и функциональность производственных систем в соответствии с новыми условиями путем изменения компоновки оборудования или компонентов системы.

Компонентами могут быть станки и конвейеры; механизмы; датчики или новые алгоритмы.

1.6 Краткий обзор некоторых моделей станков Стерлитамакского станкостроительного завода и тайваньской компании Leadwell.

ОАО «Стерлитамакский станкостроительный завод» — один из самых крупных станкостроительных предприятий России, изделия которого известны в России и за рубежом. ОАО «Стерлитамакский станкостроительный завод» разрабатывает и производит различные виды металлорежущего оборудования:

— сверлильно-фрезерно-расточные обрабатывающие центры;

— токарно-сверлильно-фрезерно-расточные обрабатывающие центры;

— токарные станки с ЧПУ;

— хонинговальные станки, в том числе с ЧПУ;

— универсальные сверлильные и сверлильно-фрезерные станки, в том числе настольные;

— специальные сверлильные станки, в том числе многошпиндельные;

а также:

— лицензионное производство шпиндель-моторов;

— чугунное и стальное литье;

— вспомогательный инструмент.

1.6.1 Сверлильно-фрезерно-расточные станки серии 500HS и 500VS.

Сверлильно-фрезерно-расточные станки серии 500HS и 500VS с автоматической сменой инструмента и числовым программным управлением предназначены для комплексной обработки деталей из различных конструкционных материалов в условиях единичного, мелкосерийного и серийного производства. Выполняют операции наружного и внутреннего точения, сверления, зенкерования, развертывания, получистового и чистового растачивания отверстий, нарезания резьбы метчиками и фрезами, фрезерования.

На рисунках 2 и 3 представлены cверлильно-фрезерно-расточные станки серии 500HS и 500VS.

Рисунок 2 — Общий вид cверлильно-фрезерно-расточного станка серии 500VS.

Рисунок 3 — Общий вид cверлильно-фрезерно-расточного станка серии 500HS.

Технические характеристики сверлильно-фрезерно-расточных станков серии 500HS и 500VS представлены в таблице 1.

Таблица 1-Технические характеристики станков серии 500HS и 500VS.

1.6.2 Сверлильно-фрезерно-расточные станки серии LCH-500 и LCV-760.

Тайваньская компания Leadwell является одним из лидеров современного станкостроения.

Leadwell выпускает следующее технологическое оборудование:

— вертикальные обрабатывающие центры;

— горизонтальные обрабатывающие центры;

— вертикально-горизонтальные обрабатывающие центры;

— токарные обрабатывающие центры с ЧПУ Станки серии LCH-500 и LCV-760 специально спроектированы для отраслей промышленности в которых требуется высокая точность, высокая производительность, высокая гибкость, такие как автомобильная, аэрокосмическая, электронная и производство товаров широкого потребления. Легко встраиваются в автоматическую линию.

Жесткие и стабильные конструкции станков данной серии обеспечивают сохранение точности на долгий срок и высокую устойчивость при работе в тяжелых условиях.

На рисунках 4 и 5 представлены сверлильно-фрезерно-расточные станки серии LCH-500 и LCV-760.

Рисунок 4 — Общий вид cверлильно-фрезерно-расточного станка серии.

LCH-500.

Рисунок 5 — Общий вид cверлильно-фрезерно-расточного станка серии.

LCV-760.

Технические характеристики сверлильно-фрезерно-расточных станков серии LCH-500 и LCV-760 представлены в таблице 2.

Таблица 2-Технические характеристики станков серии LCH-500 и LCV-760.

Особое внимание хотелось бы уделить уникальной конструкции станков Стерлитамакского станкостроительного завода и тайваньской компании Leadwell. Специально разработанный дизайн конструкции станка позволяет легко преобразовывать станок с вертикальной компоновкой в станок с горизонтальной компоновкой и обратно. Это повышает экономическую эффективность и снижает инвестиционные затраты.

1.7 Выводы и постановка задачи на дипломное проектирование.

Таким образом, чтобы отвечать современным требованиям и быть высокоэффективным, станок должен быть одновременно гибким, как универсальный, и высокопроизводительным, как специальный, при этом не отличаться высокой стоимостью.

Современное станочное оборудование должно отвечать следующим требованиям:

1) обладать необходимым минимумом технологических и технических возможностей;

2) осуществлять обработку поверхностей по возможности параллельно и высокопроизводительными методами;

3) быть способным перестраиваться под изменяющиеся производственные условия.

В настоящее время проектирование многоцелевых станков является актуальной задачей станкопроизводителей. Проектирование конкурентоспособного оборудования требует проведения маркетинговых исследований и использование новых информационных технологий. На основании проведенных маркетинговых исследований по данным ведущих станкопроизводителей было принято решение спроектировать многоцелевой станок, предназначенный для комплексной обработки деталей из различных конструкционных материалов в условиях единичного, мелкосерийного и серийного производства. Область применения проектируемого станка является: производство матриц, пресс форм для пищевого, автомобильного производства и для производства товаров народного потребления, автомобильных, тракторных деталей, узлов, агрегатов и запасных частей. Выполняет операции наружного и внутреннего точения, сверления, зенкерования, развертывания, получистового и чистового растачивания отверстий, нарезания резьбы метчиками и фрезами, фрезерования, шлифования.

Станок должен иметь следующие основные характеристики:

— размер стола, мм…600×600.

— перемещение по оси Х, мм…760.

— перемещение по оси Y, мм…600.

— перемещение по оси Z, мм…580.

— дискретность поворота стола, град…0,001.

— быстрый ход по оси X, м/мин…32.

— быстрый ход по оси Y, м/мин…32.

— быстрый ход по оси Z, м/мин…28.

— максимальная масса обрабатываемого изделия, кг…500.

— диапазон частот вращения шпинделя, об./мин. …45−10 000.

— мощность приводного электродвигателя, кВт… 22.

— конус шпинделя (7/24) …№ 40.

— емкость инструментального магазина, шт …40.

— максимальный диаметр инструмента, мм …150.

— максимальная длина инструмента, мм … 300.

— занимаемая площадь, мм…2769×2310.

— ширина станка, мм…2310.

— высота станка, мм…2733.

— вес станка, кг …11 500.

Достижению поставленной в работе цели отвечает станок, в котором реализуются следующие конструкторские направления развития станков:

— анализ и выбор различных вариантов ребер жесткости в станине;

— применение направляющих качения;

— применение шариковинтовой пары в тяговых устройствах станка;

— применение неметаллических материалов с высоким демпфированием для снижения динамической податливости, повышения динамического качества станка путем заполнения полостей станины и стойки.

Таким образом, в дипломном проекте следует решить следующие задачи:

— выбрать прототип прецизионного многоцелевого станка;

— спроектировать привод главного движения, включая шпиндельный узел;

— разработать технологический процесс обработки детали;

— провести сравнительный анализ статических, динамических и термодеформационных характеристик упругой системы станка с учетом заполнения внутренних полостей станины синтеграном;

— выполнить расчет экономического эффекта от проведения модернизации;

— выполнить расчет времени эвакуации при пожаре.

Для решения поставленных в работе задач необходимо выполнить следующие расчеты:

— кинематический расчет привода;

— расчет статических и тепловых характеристик шпиндельного узла;

— расчет на жесткость несущей системы станка с синтеграном;

— расчет на жесткость несущей системы станка без синтеграна;

— модальный расчет станины с синтеграном;

— модальный расчет станины без синтеграна;

— динамический расчет станины с синтеграном;

— динамический расчет станины без синтеграна;

— термодеформационный расчет станины с синтеграном;

— термодеформационный расчет станины без синтеграна.

2 Конструкторская часть.

Прототипом проектируемого многоцелевого станка послужил горизонтальный обрабатывающий центры тайваньской компании LEADWELL серии LCH-500.

2.1 Разработка кинематической схемы и кинематический расчёт коробки скоростей.

2.1.1 Выбор приводного электродвигателя.

Требуемый диапазон регулирования R_n вычисляется по формуле:

(2.1).

гдемаксимальная частота вращения, об/мин;

— минимальная частота вращения, об/мин.

Расчетная частота n_p, об/мин, вычисляется по формуле:

(2.2).

об/мин.

Момент на шпинделе М, Н^.м, вычисляется по формуле:

(2.3).

где N-мощность электродвигателя, кВт;

— угловая скорость, с^-1;

n-расчетная частота вращения, об/мин.

Н^.м Диапазон регулирования с постоянным моментом R_m вычисляется по формуле:

(2.4).

Диапазон регулирования с постоянной мощностью R_p вычисляется по формуле:

(2.5).

Для привода главного движения был выбран двигатель фирмы Siemens модели 1PH4135−4NF26.

Двигатель был выбран на основе мощности и крутящего момента базовых моделей станков Стерлитамакского станкозавода серии 500-HS, 500-HV и тайваньской фирмы Leadwell серии LCH-500 и LCV-760, которая составляет 22 кВт и 140 Н^.м соответственно.

2.1.2 Выбор структуры коробки скоростей.

Необходимое число ступеней коробки скоростей вычисляется по формуле:

(2.6).

где — достигаемая частота вращения электродвигателя при номинальной мощности, об/мин;

— номинальная частота вращения электродвигателя, об/мин.

Диапазон регулирования частоты вращения шпинделя с постоянной мощностью R_p вычисляется по формуле:

(2.7).

Число ступеней коробки скоростей z_k вычисляется по формуле:

(2.8).

Округляем в большую сторону, чтобы обеспечить перекрытие, и принимаем .

На рисунке 6 представлен график частот вращения.

Рисунок 6 — График частот вращения На рисунке 7 представлен график зависимости крутящего момента и мощности от частоты вращения.

Рисунок 7 — График зависимости крутящего момента и мощности от частоты вращения.

2.2 Расчет прямозубой эвольвентной передачи.

2.2.1 Определение модуля зубчатой передачи расчетом на контактную выносливость зубьев.

Для прямозубой цилиндрической передачи модуль m_H, мм, вычисляется по формуле:

(2.9).

где K_d — вспомогательный коэффициент; для прямозубых передач K_d = 770;

z₁ — число зубьев шестерни;

T₁ — вращающий момент на шестерне, Нм;

u — передаточное отношение передачи;

_НР — допускаемое контактное напряжение, МПа;

K_H — коэффициент, учитывающий распределение нагрузки по ширине венца;

ш_db— отношение ширины венца к начальному диаметру шестерни, ш_db=0,2.

Отношение ширины венца к начальному диаметру шестерни ш_db вычисляется по формуле:

(2.10).

где b — рабочая ширина венца зубчатой передачи, мм;

d₁ — делительный диаметр шестерни, мм.

2.2.2 Определение модуля зубчатой передачи расчетом на выносливость зубьев при изгибе.

Для прямозубой цилиндрической передачи модуль m_F, мм, определяется по формуле:

(2.11).

где K_m — вспомогательный коэффициент; для прямозубых передач K_m = 14;

K_F — коэффициент, учитывающий распределение нагрузки по ширине венца при изгибе;

_FP — допускаемое изгибное напряжение, МПа;

Y_F1 — коэффициент учитывающий форму зубьев шестерни.

ш_db— отношение ширины венца к начальному диаметру шестерни, ш_db=0,2.

2.2.3 Определение стандартного модуля зубчатой передачи.

Из полученных расчетных значений m_H и m_F выбирается наибольшее значение и округляется в сторону увеличения до стандартного модуля по ГОСТ 9563–60. При этом должно выполняться следующее условие:

m_{1 m2 … mk , (2.12)}.

где m₁ — модуль зубчатых передач группы, расположенной первой от электродвигателя;

m_k — модуль зубчатых передач группы, расположенной последней от электродвигателя.

2.2.4 Определение межосевого расстояния зубчатой передачи.

Для прямозубой цилиндрической передачи межосевое расстояние A_w, мм, определяется по формуле:

(2.13).

где m — стандартный модуль передачи, мм;

z₂ — число зубьев зубчатого колеса, сопряженного с шестерней.

При определении межосевых расстояний по группам передач должно выполняться следующее условие:

A_{w1 Aw2 … Awk , (2.14)}.

где A_w1 — межосевое расстояние передач группы, расположенной первой от электродвигателя;

A_wk — межосевое расстояние передач группы, расположенной последней от электродвигателя.

Расчет прямозубой эвольвентной передачи выполнен с использованием программы «SIRIUS 2». Результаты расчета находятся в приложении Б.

2.3 Расчет передачи с зубчатыми ремнями.

Зубчатые ремни выполняют бесконечными плоскими с выступами на внутренней поверхности, которые входят в зацепление с зубьями на шкивах. Достоинства передач: относительно милые габариты, отсутствие скольжения, возможность больших передаточных чисел, высокий КПД, малая вытяжка, малые силы на валы и опоры. Передаваемые мощности изменяются в широком диапазоне. Так, за рубежом выпускают ремни для передачи мощности до 200 кВт, а уникальные — до 750 кВт. Передаточные числа обычно — до 12 (иногда до 20), КПД 0,92—0,98. Ремни выполняют из резины на основе наирита или при изготовлении ремня литьем — из полиуретанового каучука марки СКУ—7. Несущий слой выполняют из стального троса; в последнее время начинают применять тросы из стекловолокна. Основным параметром передачи: как и зубчатой, является модуль т = t/р; где t — шаг ремня. Рекомендуемые модули зубчатых ремней 3, 4, 5, 7, 10 мм. [3].

Модуль ремня выбирают в зависимости от мощности передачи. Так как мощность электродвигателя N=22 кВт, то принимаем m_1,2=7.

Ориентировочно выбираем ширину ремня из стандартного ряда 40−125. Принимаем b₁=b₂=63 мм.

Числа зубьев ремней для m=7 выбираем из диапазона 56−140.

Принимаем числа зубьев ремней ,.

Диаметр троса для ремней с модулем 7 мм выбирают равным 0,65−0,8 мм. Принимаем диаметр троса мм.

Минимальное число зубьев меньшего шкива при модуле 7 мм. Большие значения принимают при больших скоростях. Принимаем .

Так как передаточное отношение в первой группе равно 1,25, а во второй группе равно 0,4, то соответственно и .

Допускаемое удельное окружное усилие на ремне [p], кгс/см, вычисляется по формуле:

(2.15).

(2.16).

где — выбирается в зависимости от модуля, принимаем кгс/см;

— коэффициент режима работы в зависимости от пиковых нагрузок, равный (при пиковой перегрузки в 150% от номинальной при работе в 2 смены);