Привод торцовочного станка

Древесина издавна является одним из наиболее распространенных материалов, применяемых в различных отраслях народного хозяйства. Это объясняется тем, что она легко поддается обработке. При небольшом удельном весе древесина обладает сравнительно высокой прочностью, малыми теплопроводностью, звукопроводностью и другими положительными качествами.

Деревообрабатывающая промышленность чрезвычайно многообразна, но в этом многообразии производств ведущее место занимает лесопиление. Продукция лесопильного производства — пиломатериалы используются или непосредственно, или как сырье и полуфабрикаты (доски, брусья, бруски и т. п.) на самых различных предприятиях нашей страны.

Общая площадь Вологодской области составляет 145,7 тыс. км, из них леса занимают 117 тыс. км² с общим запасом древесины 1,6 млрд. кубометров, в том числе эксплуатационный фонд составляет 649 млн. кубометров, из них хвойных пород — 318 млн. кубометров. Ежегодная расчетная лесосека — 19,5 млн. кубометров.

Лесной комплекс области представляют более 200 предприятий с общей численностью около 50 тыс. человек, в него входят лесохозяйственные, лесозаготовительные, деревообрабатывающие, целлюлозно-бумажные и мебельные предприятия.

Предприятиями лесопромышленного комплекса производится свыше 100 наименований лесобумажной продукции. Это — лесоматериалы, пиломатериалы, столярные изделия, бумага, целлюлоза, фанера, древесноволокнистые и древесностружечные плиты, обои, спички, мебель, жилые и садовые дома, различная лесохимическая продукция и другие товары народного потребления. Вологодская область является одним из крупнейших в России поставщиков лесопродукции.

Разнообразие оборудования и режущего инструментов деревообрабатывающих предприятий объясняется большим числом методов механической обработки древесины и древесных материалов, применяемых при изготовлении продукции.

Обработка древесины и древесных материалов резанием занимает ведущее место в деревообрабатывающих предприятиях, она является наиболее сложной и дорогостоящей частью процесса производства изделий из древесины.

Современные деревообрабатывающие станки являются сложными технологическими машинами, в их состав входят механизмы резания, подачи, базирования, настройки и регулирования, загрузки и разгрузки заготовок.

Многообразие технологических операций, выполняемых деревообрабатывающими станками, полуавтоматами, автоматами и станочными линиями, предопределяет разнообразие и дереворежущих инструментов, используемых в деревообрабатывающих производствах.

Новые экономические условия третьего тысячелетия, в свою очередь, требуют сегодня от нас и внедрения новой техники, и применение новых технологий в области деревообработки, в виду изменившегося характера производства. Как результат, в данный момент нам необходимы и новые подходы в области лесного станкостроения, потому что со всей остротой стоит вопрос о повышении производительности деревообрабатывающих машин, добиваясь при этом повышения показателей характеризующих качество выпускаемой продукции. Это приводит к потребности лесного станкостроения в высококвалифицированных специалистах, имеющих те знания и те навыки, которые позволяют им принимать вполне адекватные решения для достижения поставленных целей.

В предлагаемой работе разработана конструкция торцовочного станка модели Т1 для производства заготовок из древесины.

1. Состояние вопроса, анализ литературных источников, цель и задачи проекта

Главные задачи лесопильной и деревообрабатывающей промышленности — это повышение производительности труда за счет внедрения прогрессивной технологии и комплекса технических средств на всех стадиях производства; повышение комплексного использования пиловочного сырья путем применения рациональных технологий раскроя, сокращения потерь древесины при транспортировке и хранении, использование отходов лесопиления на технологические цели и частично в качестве топлива; улучшение качественной структуры и повышение качества продукции путем увеличений объема выпуска сухих, обрезных, строганых пиломатериалов и заготовок целевого назначения, организации производства новых видов пилопродукции с улучшенными потребительскими свойствами. Одно из основных направлений развития лесопиления — повышение технического уровня производства путем внедрения прогрессивной технологии и новых видов высокопроизводительного оборудования.

В настоящее время на деревообрабатывающих предприятиях ведущее место занимает обработка древесины и древесных материалов резанием. Она является наиболее сложной и дорогостоящей частью процесса производства изделий из древесины.

Современные деревообрабатывающие станки являются сложными технологическими машинами, в их состав входят механизмы резания, подачи, базирования, настройки и регулирования, загрузки и разгрузки заготовок. Многообразие технологических операций, выполняемых деревообрабатывающими станками, полуавтоматами, автоматами и станочными линиями, предопределяет разнообразие и дереворежущих инструментов, используемых в деревообрабатывающем производстве.

Одним из основных видов резания древесины является пиление. Это операция деления древесины на части многорезцовыми зубчатыми инструментами — пилами, которые способны удалять из бревна или заготовки слой древесины, превращая ее в стружку. Существует три основных вида пил — рамные, ленточные и дисковые. Ленточные пилы представляют собой стальную бесконечную (в виде кольца) полосу с зубьями на одной (реже двух) кромке. У всех пил зубья расположены на полотне, которое, кроме того, имеет присоединительные конструктивные элементы: концы у рамных пил и отверстие у дисковых, служащие для связи с рабочим органом станка и создания в пиле определенного напряженного состояния. Ленточная пила располагается в станке на двух шкивах.

Важнейший размер пилы — толщина ее полотна. Толщина рамных пил S=1,6−2,5 мм при длине полотна L=100−1950 мм, для дисковых пил S=1−5 мм при диаметре D=125−1600 мм и для ленточных S=0,6−2,2 мм при длине, определяемой размерами шкивов станка и расстоянием между ними.

При пилении всегда возникают силы, нормальные к боковой поверхности полотна пилы. Эти силы уравновешиваются внутренними силами упругости полотна пилы, возникающими при поперечной его деформации. При постоянной величине деформации упругие силы тем больше, чем толще полотно и меньше свободная длина рамных и ленточных и диаметр дисковых пил. Утолщение полотна приводит к большому отходу древесины в стружку, поэтому поперечную жесткость пилы увеличивают продольным растяжением внешними силами (полотна рамных и ленточных пил) или центробежными силами инерции (полотна дисковых пил), а также организацией предварительного напряженного состояния полотна или диска вальцовкой и проковкой. Теория и практика пиления установили указанные величины толщины пил в зависимости от длины полотна и диаметра диска.

Зубья пилы — резцы. При пилении работают три режущих кромки, причем зубья пилы не только срезают стружку, но и транспортируют ее из закрытого пропила. В этом сложность резания при пилении. Между зубьями пилы располагаются впадины, заполняемые стружками по мере движения зуба в древесине. В некоторых станках от полезной емкости впадины зависит производительность пилы. Форма (конструкция) зубьев различна при разных видах пиления.

Совершенствование конструкции пил, инструментов и деревообрабатывающих станков ведет к повышению качества пиления, то есть качества поверхности пропила, приближая его к качеству поверхности резания. Решение этой задачи позволит использовать пилы для конечного формирования заготовок и деталей. На лесопильных рамах распиливаются сырые бревна. Получаемые на них доски при сушке меняют форму и размеры, поэтому конечное формирование заготовок и деталей в подобном случае невозможно. Дисковые пилы широко используются для раскроя сухих досок на заготовки. В этом случае пиление должно быть усовершенствовано в такой степени, при которой получаемая после пиления поверхность не требует дополнительной обработки. Значительную роль играет правильное соотношение диаметра пилы и размера заготовки, а также их относительное положение.

Пилы — пока единственный инструмент, являющийся делителем бревна на доски и досок на заготовки и детали. Они далеки от совершенства, и в то же время у них есть качество, делающее их способными выдержать конкуренцию других возможных делителей древесины. Это качество заключается в малой поперечной силе, с которой древесина действует при пилении на пилу, потому что незначительна сумма боковых поверхностей зубьев, скользящих по плоскости пропила.

Существует два вида пиления древесины — продольное и поперечное пиление (торцевание). Для торцевания чаще всего используются дисковые пилы — дереворежущий инструмент высокой производительности, которая определяется большой скоростью резания. Диаметр дисковых пил в зависимости от их назначения изменяется от 125 до 1600 мм. Число зубьев пилы равно z = 26−72, шаг их t = 10−65 мм, толщина полотна S = 1−5 мм. Прочность диска допускает повышение скорости резания до 200−250 м/с. В действительности V=100−120 м/с. Скорость подачи возрастает с развитием механизации и автоматизации операций по загрузке станков заготовками, приему их и передаче в следующий по потоку станок.

Дисковые пилы при поперечном пилении бревен, досок, заготовок на короткие части образуют торцовые поверхности. Если при продольной распиловке поток заготовок в станок непрерывный, при поперечном пилении — прерывный. В круглопильных станках при поперечной распиловке скорость подачи в некоторых случаях переменна и по величине, и по направлению. Изменение скорости подачи связывается с изменением высоты пропила при надвигании доски на пилу или пилы на доску.

Размеры пил при поперечной распиловке зависят от размеров распиливаемых заготовок и близки к размерам пил для продольной распиловки. Менее жесткие требования предъявляются только к толщине полотна. Это объясняется тем, что отход древесины в стружку (опилки) при поперечном распиливании незначителен по сравнению с отходом при продольной распиловке.

Поверхность пропила, образуемая при поперечной распиловке, и торцовая поверхность детали в большинстве случаев не являются конструкционными, так как при торцевании древесина оказывает наибольшее сопротивление, что влияет она качество поверхности. Отношение к торцовой поверхности меняется в связи с целесообразностью и необходимостью сращивать короткие отрезки заготовок в длинные доски и бруски. Это сращивание возможно при соответствующей структуре поверхности, получаемой при пилении. Торцовая поверхность не удовлетворяет в полной мере требованиям к склеиваемым поверхностям. Совершенствование поперечного резания должно привести к получению такой торцовой поверхности, которая может быть склеена с любой другой поверхностью заготовки при достаточной прочности клеевого шва.

Для поперечного раскроя пиломатериалов в лесопильном производстве применяются однои многопильные торцовочные станки. Однопильные торцовочные станки выпускаются четырех вдов: с неподвижным суппортом, маятниковые, балансирные и с прямолинейным перемещением плиты (суппортные). К многопильным торцовочным станкам относятся многопильные торцовочные агрегаты: триммеры и слешеры. Примерами многопильных торцовочных станков могут служить Ц27К, ЦЗТ-2М, однопильных — ЦКБ-5, ЦМЭ-3, ЦПА-2, ТС-1, ЦКБ-40.

Торцовочный 27-пильный агрегат Ц27К предназначен для торцовки и одновременно для поперечного раскроя досок на стандартные размеры по длине (при градации через 250 мм) с вырезкой дефектных мест.

Агрегат состоит из следующих основных узлов: станины, пильных головок, конвейера подачи, привода конвейера, командноаппарата, привода рольганга и электрооборудования. В агрегате установлены 27 пил, каждая из которых может подниматься и опускаться на проходящую под ней доску независимо от других пил по команде оператора с пульта управления. Пильные головки приводятся в движение через цепные передачи от общего приводного вала, смонтированного на станине.

Технические характеристики агрегата Ц27К приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Технические характеристики агрегата Ц27К

Торцовочная установка ЦЗТ-2М оборудована транспортером с шестью цепями, двумя рольгангами, рольгангом мерных упоров и тремя пилами с отдельными электродвигателями. Обрабатываемый материал подается на пилы транспортером, шесть цепей которого приводятся в движение от отдельного трехскоростного электродвигателя через редуктор и цепную передачу. Пилы установлены непосредственно на валах специальных электродвигателей. Первая по ходу транспортера пила торцует комлевый конец доски, а две другие, расположенные за рольгангами, торцуют вершинный конец и вырезают дефектные места.

Технические характеристики установки ЦЗТ-2М приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Технические характеристики установки ЦЗТ-2М

Торцовочный станок ЦКБ-5 предназначен для поперечного распиливания досок, горбылей, брусков, реек. Станок состоит из станины, пильного вала и гидропривода подъема пилы. Пильный вал станка вращается в шарикоподшипниках, установленных в гнездах чугунной рамы станины. Пильный вал приводится во вращательное движение через ременную передачу от электродвигателя, установленного на чугунной плите. Плита поднимается нажатием ноги на педаль механизма гидросистемы, в которой через систему рычагов поворачивается заслонка цилиндра на определенный угол для прохода жидкости под плунжер, и одновременно включается электродвигатель.

Технические характеристики станка ЦКБ-5 приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3. Технические характеристики станка ЦКБ-5

Торцовочный станок ЦПА-2 с прямолинейным движением пилы и автоматической подачей состоит из станины, в головной части которой вертикально перемещается и поворачивается цилиндрическая направляющая колонна, на которой напрессован корпус.

В корпусе смонтировано 12 подшипников, которые служат направляющими для горизонтального суппорта. В головной части суппорта находится электродвигатель, на валу которого установлена пила.

Технические характеристики станка ЦПА-2 приведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4. Технические характеристики станка ЦПА-2

Проектируемый торцовочный станок Т1 предназначен для поперечной распиловки досок на планки по длине заготовок бельевых зажимов. При обработке заготовок столь малых размеров на типовых деревообрабатывающих станках происходит перерасход электроэнергии, мощности. Торцовочный станок модели Т1 отличается несложной конструкцией, небольшими габаритами (см. чертеж ДП. 151 001.10.23.113.02.00.000), малой мощностью, простотой в управлении и безопасностью в работе. Это однопильный станок. Его уникальность заключается в возможности перемещения каретки стола, на котором располагается заготовка, а также в наличии системы упоров, ограничивающих ход каретки и служащих для фиксации заготовок на столе. Станок снабжен двухкнопочной системой управления, что исключает возможность попадания рук рабочего в зону пиления.

Целью дипломного проекта является разработка конструкции торцовочного станка модели Т1. Для осуществления заданной цели необходимо решить следующие задачи:

— разработать общую компоновку станка;

— разработать конструкцию узлов станка;

— рассчитать и спроектировать привод пилы.

2. Конструкторская часть

2.1 Назначение, характеристика и описание работы станка

2.1.1 Назначение и техническая характеристика станка

Торцовочный станок модели Т1 предназначен для поперечной распиловки досок на планки по длине заготовок бельевых зажимов. Область применения станка — цеха деревообрабатывающих предприятий и цеха небольшой мощности по глубокой переработке древесины.

Техническая характеристика станка приведена в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Техническая характеристика станка

Станок оборудован двухкнопочным управлением: кнопка включения электродвигателя привода пилы («Пуск»), кнопка выключения электродвигателя привода пилы («Общий стоп»).

2.1.2 Описание работы станка

Пильный вал с пилой получает вращение от электродвигателя через клиноременную передачу и шкивы (см. чертеж ДП.151 001.10.23.113.02.00.000). Пила осуществляет только вращательное движение без дополнительного перемещения.

Имеется каретка со столом для подачи материала. Каретка установлена на шарикоподшипниках с возможностью перемещения по направляющим параллельно плоскости пилы. Для ограничения хода каретки служат амортизаторы из резины и упоры, установленные на направляющих.

На столе имеется съемный торцовочный упор, используемый для фиксации обрабатываемых заготовок.

Включение электродвигателя привода пилы и перемещение стола (через микровыключатель) осуществляется одновременно от кнопки «Пуск» станка. В результате движения каретки с закрепленной на столе заготовкой происходит распил материала. Обратное движение каретки осуществляется посредством пружины.

2.1.3 Основные части станка

Основные части станка: рама, каретка со столом, механизм пиления, патрубок.

Рама представляет собой сварную конструкцию из стальных профилей (см. чертеж ДП.151 001.10.23.113.02.04.000), на которой крепится электроаппаратура (выключатель, пускатель). Внутри рамы располагается механизм пиления (электродвигатель, установленный на качающейся подмоторной плите, клиноременная передача, шпиндель, пила). Для безопасной работы станка рама с трех сторон закрыта стальными листами. Для доступа к пиле и двигателю имеется дверца-ограждение.

Стол каретки выполнен в виде сварной конструкции из стальных плиты, ограждения, ребер, листов, упоров (см. чертеж ДП.151 001.10.23.113.02.01.000).

Механизм пиления подробно рассмотрен в подразделе 2.2.

Элементами безопасности на станке являются: ограждение, закрывающее верхнюю часть пилы; ограждение-кожух (патрубок), закрывающее нижнюю часть пилы и являющееся одновременно стружкои пылеприемником. Патрубок имеет сварную конструкцию, выполненную из стальных профилей.

Электрооборудование станка выполнено для питания от сети переменного трехфазного тока частотой 50 Гц и напряжением 380 В. Номинальный ток вводного выключателя — 6,3 А. Для привода станка применен трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

2.2 Расчет и проектирование привода торцовочного станка

2.2.1 Разработка и описание кинематической схемы привода

Кинематическая схема привода показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1 — Кинематическая схема привода Составные части схемы:

1 — электродвигатель;

2 — шкив ведущий;

3 — клиноременная передача;

4 — шкив ведомый;

5 — пильный вал;

6 — пила.

Вращение передается от электродвигателя через клиноременную передачу, состоящую из ведущего и ведомого шкивов и двух ремней, к пильному валу, на который установлена пила. Пильный вал вращается на двух радиальных подшипниках.

Исходные данные для проектирования:

Мощность на выходном валу привода, кВт 3

Частота вращения шпинделя, мин^-1 3000

Диаметр пилы, мм 400

Скорость резания, м/с 60

2.2.2 Энергокинематический расчет привода

Для определения общего К.П.Д. привода необходимо выполнить анализ его кинематической схемы и определить источники потерь мощности при ее передаче от электродвигателя к исполнительному органу рабочей машины. В механических приводах потери мощности возникают во всех видах передач, в подшипниках валов.

Общий К.П.Д. привода определяется по формуле (2.1) [4]:

(2.1)

где — общий К.П.Д. привода;

— К.П.Д. клиноременной передачи, = 0,94…0,96;

— К.П.Д. пары подшипников качения, = 0,99…0,995.

Подставляя значения в формулу (2.1) получаем общий расчетный К.П.Д. привода:

Для выбора электродвигателя определяем требуемую его мощность и частоту вращения.

Требуемая мощность электродвигателя определяется по формуле:

кВт,

где — мощность на выходном валу привода, кВт;

кВт Зная номинальные значения частот вращения валов электродвигателей, различных марок и значение частоты вращения выходного вала, определим возможные значения общего передаточного отношения привода из соотношения (2.2):

мин^-1, (2.2)

где — частота вращения выходного вала привода, мин^-1;

— общее передаточное отношение привода.

Возможные значения общего передаточного отношения из формулы (2.2) равны:

Общее передаточное отношение и_о согласно схеме равно и_кл.п. Выбираем передаточное отношение близкое к единице — и_о = 1.

Следовательно, берем синхронную частоту вращения двигателя равной 3000 мин^-1. Затем выбираем электродвигатель марки 4AH90L2У3 с техническими характеристиками: Р=3 кВт, n_дв=3000 мин^-1.

Получаемая частота вращения вала рабочего органа при использовании выбранного электродвигателя находится по формуле (2.3):

мин^-1 (2.3)

мин^-1

Относительная разница в скоростях выходного вала составит:

%

< 5%

Условие выполняется.

Определяем частоты вращения и вращающие моменты на валах:

1) Частота вращения, угловая скорость, мощность и вращающий момент вала электродвигателя.

Частота вращения равна:

п_дв =3000 мин^-1

Угловая скорость вала определяется по формуле:

рад^-1 (2.4)

рад^-1

Мощность равна:

N_дв=3 кВт Вращающий момент на валу определяется по формуле:

Н· м (2.5)

2) Частота вращения, угловая скорость, мощность и вращающий момент пильного вала.

Частота вращения по формуле (2.3) равна:

мин^-1

Мощность (резания) на пильном валу с учетом перегрузки двигателя, так как работа повторно-кратковременная определяется по формуле:

кВт, где к₁ — коэффициент перегрузки, к₁=2.

кВт Угловая скорость по формуле (2.4) равна:

рад^-1

Вращающий момент на валу определяется согласно формуле (2.5):

Н· м Н· м

2.2.3 Проектирование клиноременной передачи

Исходные данные для проектирования:

Мощность на ведущем валу Р: 3 кВт Частота вращения ведущего вала n₁= n_дв: 3000 мин^-1

Частота вращения ведомого вала n₂: 3000 мин^-1

Расчет проводим по методике, изложенной в.

Диаметр ведомого шкива определим по формуле:

мм, где Т₂ — крутящий момент на ведомом валу, Н-м мм Из стандартного ряда принимаем D₂ =100 мм [4, т. 2].

Передаточное отношение и_рем без учета скольжения определяется по формуле:

(2.6)

Определяем диаметр ведущего шкива D₁ по формуле:

мм, (2.7)

где е — коэффициент упругого скольжения, е = 0,01.

мм По ГОСТ 1284.3−89 берем ближайшее значение диаметра D₁ =100 мм. Уточненное передаточное отношение определяем по формуле (2.7):

Действительная частота вращения пильного вала из формулы (2.6) будет равна:

мин^-1

мин^-1

Находим расхождение с заданной частотой:

< 5%

Условие выполняется. Окончательно принимаем D1 = D₂ =100 мм. Определяем линейную скорость ремня по формуле:

м/с м/с При этой скорости выбираем клиновой ремень сечением Б [6, т. 2] с площадью поперечного сечения F=138 мм², параметры ремня — b_р=14 мм, b_o=17 мм, h=10,5 мм.

Минимальное межосевое расстояние определяем по формуле:

мм мм Максимальное межосевое расстояние определяем по формуле:

мм мм Предварительно принимаем а_рем = 400 мм. Расчетную длину ремня определяем по формуле:

мм мм Принимаем по ГОСТ 1284.1−89 стандартное значение L_p =1400 мм. Действительное межосевое расстояние определяем по формуле:

мм

= 543 мм Для возможности установки и замены ремней должна быть предусмотрена возможность уменьшения межосевого расстояния на 1%, т. е. примерно на 5,5 мм.

Угол обхвата ремня равен:

Т.к. б 150°, значит, межосевое расстояние оставляем тем же. Частоту пробега ремня определяем по формуле:

с-¹

с-¹

По ГОСТ 1284.3−89 для D₁=100 mm, L_p=1400 мм, n=3000 мин^-1 номинальная мощность Р_о, передаваемая одним ремнем, равна 2,92 кВт.

Тогда расчетную мощность определим по формуле:

кВт, где С_а — коэффициент угла обхвата, С_а = 1;

C_L — коэффициент длины ремня, C_L = 0,9;

С_и — коэффициент передаточного отношения, С_и = 1;

С_р — коэффициент динамичности нагрузки, С_р = 1,2.

кВт Расчетное число ремней равно:

где C_z — коэффициент числа ремней, C_z = 0,95 при z = 2…3.

Принимаем z = 2.

Предварительное натяжение каждой ветви ремня:

Н, где с — плотность материала ремня, с = 1250 кг/м³;

А — площадь поперечного сечения ремня, А= 138· 10^-6 м².

Н Силу давления на вал, когда ветви ремня параллельны (u=1, б=180°), определим по формуле:

Н (2.8)

Конструктивные размеры ведомого шкива [6, т. 2]:

расчетный диаметр шкива: d_p =100 мм, диаметр отверстия под вал: d₀ = 30 мм, ширина шкива со ступицей: L = 54 мм, расчетная ширина канавки: 1_р = 14 мм, расстояние между осями канавок: е = 19 мм, расстояние между осью крайней канавки и торцом шкива: f = 12,5 мм, другие параметры: b = 4,2 мм, h = 10,8 мм, b₁ =17 мм, б = 34°.

Внешний диаметр шкива находим по формуле:

мм мм Диаметр впадин шкива равен:

мм мм Длину ступицы находим по формуле:

мм мм Ширину шкива определяем по формуле:

мм, где п — число канавок, п =2.

мм Эскиз шкива представлен на рис. 2.2.

Рис. 2.2 — Шкив ведомый

2.2.4 Ориентировочный расчет и конструирование пильного вала

Целью ориентировочного вала является определение минимально возможного диаметра вала. При этом учитывается только крутящий момент, а влияние изгибающего момента компенсируется понижением допускаемых напряжений при кручении.

Минимальный диаметр находим по формуле:

мм, где Т_к — крутящий момент на пильном валу, Н· м;

— допускаемое напряжение при кручении (15…25) МПа, принимаем=15 МПа.

мм В соответствии с рядом линейных размеров принимаем d_min = 20 мм.

Диаметр вала находим по формуле:

мм мм Принимаем ступенчатую конструкцию вала. Диаметры ступеней под подшипники находим по формуле:

мм мм Значение d₂, d₄ должно быть кратно пяти.

Диаметр третьей ступени вала находим по формуле:

мм мм Диаметр пятой ступени равен:

d₅ =32 мм.

Диаметр шестой ступени равен:

d₆ = 30 мм.

Эскиз пильного вала представлен на рис. 2.3.

Рис. 2.3 — Пильный вал

2.2.5 Эскизная компоновка узла пильного вала

Конструктивно выбираем шариковые радиальные однорядные подшипники 207 ГОСТ 1284.1−80.

Характеристики подшипника:

d=35 mm; D=72 мм; В=17 мм; г=2 мм; С=25,5 кН; С_о=13,9 кН.

Длину шпонки выбирают из стандартного ряда так, чтобы она была несколько меньше длины ступицы (на 5−10 мм).

Проверка шпонок на смятие узких граней должна удовлетворять условию:

МПа, (2.9)

где d_e — диаметр вала, мм;

h — высота шпонки, мм;

l_р — расчетная длина шпонки, мм;

— допускаемое напряжение при смятии, = 20…30 МПа.

По формуле (2.9) расчетная длина шпонки равна:

мм Для d₁=30 мм по ГОСТ 8789–78 выбираем параметры шпонки: b=8 мм,

h=7 мм, t=4 мм, t₁=3,3 мм.

Тогда 1_р равна:

мм Длину шпонки находим по формуле:

мм

мм Принимаем из стандартного ряда l = 32 мм. Принимаем шпонки для шкива — 8x7x32, для пилы — 10x8x30.

Эскиз шпоночного соединения представлен на рис. 2.4.

Рис. 2.4 — Шпоночное соединение Эскизная компоновка пильного вала представлена на рис. 2.5.

2.2.6 Уточненный расчет пильного вала

Уточненный расчет вала проводится как проверочный с целью определения коэффициента запаса усталостной прочности вала в опасном сечении.

Из предыдущих расчетов имеем величину сил, действующих на вал, и размеры вала. Рассчитаем реакции опор и построим эпюры изгибающих и крутящих моментов. В расчете используем справочные данные.

Расчетная схема пильного вала представлена на рис. 2.6.

Рис. 2.5 — Компоновка пильного вала Рис. 2.6. Расчетная схема пильного вала Определим силы и моменты, действующие на пильный вал. Усилие, действующее на вал от силы резания, находим по формуле:

Н, где N_p — мощность резания с учетом перегрузки двигателя, кН;

V_p — скорость резания, м/с.

Н Усилие от клиноременной передачи по формуле (2.8) равно:

Q_кл =781,38 Н Длины участков находим из компоновки (см. рис. 2.5.):

l₁= 70 мм, l₂ = 230 мм, l₃ = 55 мм Определим реакции опор в горизонтальной плоскости XOY:

?М_В = 0 (сумма моментов относительно точки В равна 0)

Н Н

?M_A = 0: (сумма моментов относительно точки, А равна 0)

Н Н

Проверка: ?Y = 0: (сумма проекций сил на ось Y равна 0)

0=0

Проверка выполнена.

Определим реакции опор в вертикальной плоскости XOZ = 0:

?М_В = 0 (сумма моментов относительно точки В равна 0)

Н Н

?М_А = 0: (сумма моментов относительно точки, А равна 0)

Н Н

Проверка: ?Z = 0: (сумма проекций сил на ось Z равна 0)

— 186,85 + 968,23 — 781,38 = 0,

0 = 0.

Проверка выполнена.

Определим изгибающие моменты (горизонтальная плоскость XOY):

точка С: М_CY =0,

точка А: М _AY = F_K· l₁ = 90 · 0,07 = 6,3 Н, точка В: M_BY =0,

точка D: М_DY = 0.

Определим изгибающие моменты (вертикальная плоскость XOZ):

точка С: M_CZ=0,

точка A: M_AZ = 0,

точка В: M_BZ = - Q_кл · l₃ = -781,38 · 0,055 = - 42,98 Н, точка D: M_DZ =0.

Эпюры изгибающих моментов представлены на рис. 2.7.

Рис. 2.7 — Эпюры изгибающих моментов Определяем результирующие реакции опор:

Н Н

Н Н

Определяем результирующие изгибающие моменты:

Н· м Н· м

Н· м Н· м Опасным является сечение в точке В.

При одновременном действии напряжений изгиба и кручения коэффициент запаса усталостной прочности определяем по формуле:

(2.10)

где n_у, n_ф — коэффициенты запаса по изгибу и кручению;

[n] - допустимый коэффициент запаса усталостной прочности, [n]= 1,5…2,5.

Так как вал не работает на кручение, то расчет ведем только по напряжениям изгиба.

Коэффициент запаса усталостной прочности по изгибу определяем по формуле:

(2.11)

где — предел выносливости стали при изгибе; =410 МПа;

— эффективный коэффициент концентрации напряжений при изгибе, =1;

в — коэффициент влияния на предел усталости состояния поверхности вала, в = 1,6;

— масштабный фактор для нормальных напряжений, = 0,83;

— переменная составляющая цикла напряжений;

— коэффициент, отражающий влияние постоянной составляющей цикла напряжений на величину предела выносливости, = 0,1;

— постоянное напряжение цикла, = 0.

Переменная составляющая цикла напряжений равна:

(2.12)

где М_и — изгибающий момент в опасном сечении, Н· м;

W_u — момент сопротивления изгибу, мм.

Для опасного сечения:

мм³

мм³

Переменная составляющая цикла напряжений по формуле (2.12) равна:

МПа Коэффициент запаса усталостной прочности по изгибу определяем по формуле (2.11):

Определяем коэффициент запаса прочности вала по формуле (2.10):

Условие усталостной прочности соблюдается, т. е. вал обладает запасом прочности при усталостном разрушении.

2.2.7 Расчет подшипников на долговечность

Подшипник опоры В более нагружен, чем А, поэтому дальнейший расчет проводим для подшипника опоры В. В расчете используем справочные данные.

Эквивалентную динамическую нагрузку для радиальных подшипников определяем по формуле:

Н, где X, Y — коэффициенты радиальной и осевой нагрузок, X = 1, Y = 0;

К_к — коэффициент вращения, К_к = 1 при вращении внутреннего кольца подшипника;

R — радиальная нагрузка, R = 968,62 Н (см. п. 2.2.6.);

А — осевая нагрузка, А=0;

K_у — коэффициент безопасности, K_у = 1,4;

К_ф — температурный коэффициент, К_ф = 1.

Тогда эквивалентную динамическую нагрузку определим как:

Н Рассчитаем требуемую долговечность подшипников по формуле:

ч,

где С — каталожное значение грузоподъемности, С = 25 500 Н;

п — число оборотов вала, п = 3000 мин^-1;

р — показатель степени наклонного участка кривой выносливости, Р = 3 для шарикоподшипников.

Расчетный ресурс подшипников будет равен:

ч При этом должно выполняться условие:

36 940,41 25 000

Условие выполняется, подшипник пригоден. Окончательно выбираем шариковые радиальные однорядные подшипники 207 ГОСТ 1284.1−80.

3. Технологическая часть

3.1 Разработка технологического процесса изготовления пильного вала

3.1.1 Характеристика детали

Валы относятся к деталям типа тел вращения. Они широко применяются в машиностроении и служат для передачи крутящего момента в приводах, редукторах, коробках передач, двигателях и других механизмах.

Валы изготавливают из проката — сортового или специального. Ступенчатые валы с большими перепадами диаметров изготавливают из поковок и штамповок.

Деталь, для которой разрабатывается технологический процесс — пильный вал торцовочного станка модели Т1. Он используется в приводе главного движения и служит для передачи крутящего момента от клиноременной передачи к дисковой пиле. Вал устанавливается в специальном корпусе, крепящемся к раме станка, и вращается на двух радиальных однорядных шарикоподшиниках.

Пильный вал является многоступенчатым (ступень 030 мм, две ступени 035 мм, ступень 042 мм, ступень 032 мм), имеет наружную резьбу М30 и 3 шпоночные канавки (одна для крепления ведомого шкива, две для крепления дисковой пилы), также имеется квадрат для крепления дисковой пилы.

Материал, из которого изготовлен вал — сталь 40Х (легированная хромистая) — очень распространенный и не содержит дефицитных и дорогостоящих добавок, поэтому считается недорогим. Сталь имеет высокий предел текучести и выносливости, достаточный запас вязкости, хорошие механические свойства (особенно, сопротивление хрупкому разрушению).

Химический состав и механические свойства стали приведены в табл. 3.1. и табл. 3.2.

Таблица 3.1. Химический состав стали 40Х, %

Таблица 3.2. Механические свойства стали 40Х

3.1.2 Анализ технологичности детали

Одним из факторов, существенно влияющим на характер технологических процессов, является технологичность конструкции изделия и соответствующих его деталей.

При конструировании отдельных деталей необходимо достичь удовлетворения не только эксплуатационных требований, но также и требований наиболее рационального и экономичного изготовления изделия. В этом и состоит принцип технологичности конструкции.

Технологическая конструкция изделия должна предусматривать:

— создание деталей наиболее рациональной формы с легкодоступными для обработки поверхностями и достаточной жесткостью с целью уменьшения трудоемкости и себестоимости механической обработки деталей и всего механизма (необходимая жесткость деталей позволяет обрабатывать их на станках с наиболее производительными режимами резания);

— наличие на деталях удобных базирующих поверхностей или возможность создания вспомогательных (технологических) баз в виде бобышек, поясков и т. д.;

— наиболее рациональный способ получения заготовок с размерами и формами, возможно более близкими к готовым деталям, т. е. обеспечивающими наиболее высокий коэффициент использования материалов и наименьшую трудоемкость механической обработки.

Пильный вал изготавливается из стали 40Х и имеет несколько ступеней с небольшими перепадами диаметров, три открытые шпоночные канавки, наружную и внутреннюю резьбу, квадрат. Для обточки вала возможно применение проходных резцов. Для токарной обработки целесообразно применение станков с числовым программным управлением. При обработке вала не требуется использование специальных станков и приспособлений. Сложность представляет установка заготовки, так как вал имеет большую длину. Деталь нежесткая (> 2…4) и должна обрабатываться в центрах или с поджатием задней бабки. Рабочий чертеж содержит все сведения, дающие полное представление о детали. На чертеже указаны все размеры с необходимыми отклонениями и требуемая шероховатость обрабатываемых поверхностей. Конфигурация наружного контура и внутренних поверхностей не вызывает значительных трудностей при обработке заготовки.

В целом конструкция детали является технологичной.

3.1.3 Выбор заготовки

Метод выполнения заготовок для деталей машин определяется назначением и конструкцией детали, материалом, техническими требованиями, масштабом и серийностью выпуска, а также экономичностью изготовления.

Вопрос о целесообразности определенного вида заготовки может быть решен только после расчета технологической себестоимости детали по сравниваемым вариантам. Предпочтение следует отдавать той заготовке, которая обеспечивает меньшую себестоимость детали. Расчет выполнен по методике, изложенной в.

Себестоимость заготовок из проката определяем по формуле:

руб.,

где Q — масса заготовки, кг;

S — цена 1 кг материала заготовки, S = 40 руб./кг;

q — масса готовой детали, кг;

S_omx — цена 1 кг отходов, S_omx = 6,5 руб./кг.

руб.

Себестоимость поковок определяем по формуле:

руб.,

где — коэффициенты, зависящие от точности, сложности, массы, марки материала и объема производства заготовок.

руб.

Исходя из материала, типа производства и программы выпуска в качестве метода получения заготовки применяем сортовой прокат. Этот способ является наиболее экономичным при заданном объеме выпуска деталей.

Массу заготовки принимаем 5,7 кг, массу детали принимаем 3,5 кг.

Коэффициент использования материала определяется по формуле:

где т_д — масса детали, кг;

т₃ — масса заготовки, кг.

Окончательно в качестве заготовки по ГОСТ 2590–71 принимаем сортовой прокат: 045×454 мм.

3.1.4 Выбор типа производства

Тип производства по ГОСТ 3.1108−88 характеризуется коэффициентом закрепления операций к _з.о., который определяется по формуле:

(3.1)

где О — суммарное число различных операций;

Р — явочное число рабочих, чел.

Производим расчет на примере абразивно-отрезной операции, пользуясь справочными данными.

Определяем количество станков по формуле:

шт., (3.2)

где N — годовая программа выпуска, N = 5000 шт.;

Т_шт — штучное время, мин; на данном этапе проектирования нормирование переходов и операций выполняем, пользуясь приближенными формулами;

F_d — годовой фонд работы оборудования, F_d = 3904 ч.;

к_з.н. — нормативный коэффициент загрузки оборудования, к_з.н.=, 75…0,85.

шт.

Округляем количество станков, рассчитанное по формуле (3.2), до целого большего и получаем количество рабочих:

Р = 1 чел.

Определяем фактический коэффициент загрузки оборудования по формуле:

Определяем количество операций, выполняемых на одном рабочем месте по формуле:

Аналогичный расчет выполняем для всех операций, данные заносим в табл. 3.3.

Таблица 3.3. Данные по технологическому процессу

Суммарное число операций равно:

?О = 22 + 36 + 9 + 5 + 8 + 5 + 9 + 4 + 42 + 23 + 10 + 10 = 183

Явочное число рабочих равно:

?О = 12 чел.

Коэффициент закрепления операций по формуле (3.1) равен:

Так как 10 < к_з.о. < 20, то производство валов — среднесерийное.

3.1.5 Расчет припусков на механическую обработку

Расчет припуска имеет очень большое значение в процессе обработки детали при разработке технологических операций. Правильное значение припусков на обработку заготовки обеспечивает экономию материала и трудовых ресурсов, качество выпускаемой продукции, снижает себестоимость изделий.

Существует два метода расчета припусков: аналитический (расчетный) и справочный (табличный). Для заданной поверхности детали произведем расчет припусков аналитическим методом, а для остальных размеров припуски назначаем табличным методом.

Приведем пример расчета припуска на размер Ш42_-0,25 мм. Все расчеты ведем по рекомендациям.

Расчет припусков на обработку Ш42_-0,25 мм приведен в табл. 3.4., в которой записан технологический маршрут обработки этого размера и все значения элементов припуска.

Значения Rz и Т, характеризующие качество поверхности заготовки, составляют соответственно 150 и 250 мкм. Далее для каждого технологического перехода записываем соответствующие значения Rz и Т.

Таблица 3.4. Расчет припусков и предельных размеров по технологическим переходам на обработку поверхности Ш42_-0,25 мм

Определяем суммарное отклонение по формуле:

мм, (3.3)

где с_к и с_ц — пространственные отклонения, мм.

мм, где ?_к — удельная кривизна заготовки;

l — длина заготовки, мм.

мм, где — допуск на заготовку, = 1,1 мм мм мм По формуле (3.3) суммарное отклонение определим как:

мм = 742 мкм Определяем остаточное пространственное отклонение после предварительного точения:

мкм, где к_у — коэффициент уточнения формы, зависящий от типа обработки, к_у=0,05.

мкм Погрешность закрепления s заготовки в центрах равна 0.

Минимальные значения припусков определяем по формуле:

мкм, (3.4)

где Rz — высота микронеровностей, мкм;

Т — глубина дефектного слоя, мкм;

с — пространственное отклонение, мкм;

е — погрешность установки, мкм.

Определяем минимальные значения припусков для всех переходов по формуле (3.4):

— при черновом точении мкм

— при чистовом точении мкм Расчетный размер рассчитывается, начиная с конечного (чертежного) размера путем последующего прибавления минимального припуска каждого технологического перехода.

мм (3.5)

мм, где d_ном — номинальный размер (по чертежу), мм;

ei — нижнее отклонение размера, мм.

мм Подставив численные значения в формулу (3.5), получаем:

— после чернового точения мм

— после чистового точения мм Определяем наименьшие предельные размеры по формуле:

мм, где _i — допуск для i-ro перехода, мм.

Значения допусков для каждого перехода принимаем по таблице в соответствии с квалитетом того или иного вида обработки.

мм мм мм Определяем предельные значения припусков по формулам:

мкм

мкм Предельные значения припусков равны:

— для чернового точения мм = 2280 мкм мм = 2760 мкм

— для чистового точения мм = 270 мкм мм = 640 мкм На основании данных расчета строим схему графического расположения припусков и допусков по обработке размера Ш42_-0,25 мм (рис. 3.1).

Общие припуски Z_0min и Z_0max определяем, суммируя промежуточные припуски:

мкм мкм Общий номинальный припуск равен:

мкм, где и — припуски заготовки и детали соответственно, мкм.

мкм Рис. 3.1 — Схема графического расположения припусков и допусков на обработку размера Ш42_-0,25 мм вала Определяем номинальный диаметр размера:

мм, где — номинальный размер детали, мм.

мм Производим проверку правильности выполненных расчетов:

мкм мкм мкм мкм На остальные обрабатываемые поверхности детали припуски и допуски принимаем по ГОСТ 7505–74 и записываем их значения в табл. 3.5.

Таблица 3.5. Припуски и допуски на обрабатываемые поверхности вала

3.1.6 Выбор оборудования

Выбор оборудования осуществляется на основании таких данных, как метод обработки, расположение, размеры обрабатываемых поверхностей, габаритных размеров заготовки, количество инструментов в наладке станка, обеспечение заданной производительности, эффективность использования станка по времени, мощности и др. В процессе обработки детали используется несколько видов станков. Краткая характеристика последних приведена ниже. При выборе оборудования используем справочные данные.

Для отрезки заготовки применяем абразивно-отрезной станок модели 8А240, техническая характеристика которого приведена в табл. 3.6.

Таблица 3.6. Техническая характеристика станка модели 8А240

Для фрезерно-центровальной операции применяем фрезерно-центровальный полуавтомат модели МР-71М, техническая характеристика которого приведена в табл. 3.7.

Полуавтомат предназначен для двустороннего фрезерования и зацентровки валов. Обеспечивается параллельность торцов и перпендикулярность их к оси детали, что дает возможность в дальнейшем их не обрабатывать.

Таблица 3.7. Техническая характеристика станка модели МР-71М

Для токарных операций применяется токарно-винторезный станок с ЧПУ модели 16К20ФЗС5, техническая характеристика которого приведена в табл. 3.8.

Станок предназначен для обработки в замкнутом полуавтоматическом цикле деталей типа тел вращения, включая нарезание резьбы.

Таблица 3.8. Техническая характеристика токарно-винторезного станка с ЧПУ модели 16К20ФЗС5

Для шпоночно-фрезерных операций применяем станок модели 6Д91, техническая характеристика которого приведена в табл. 3.9.

Станок предназначен для обработки шпоночных пазов концевыми и шпоночными фрезами.

Таблица 3.9. Техническая характеристика станка модели 6Д91

Для фрезерной операции применяем вертикально-фрезерный станок модели 6Р11, техническая характеристика которого приведена в таблице 3.10.

Станок предназначен для фрезерования различных деталей из стали, чугуна, цветных металлов цилиндрическими, дисковыми, фасонными, торцевыми, концевыми и другими фрезами.

Таблица 3.10. Техническая характеристика вертикально-фрезерного станка модели 6Р11