Аннотация
Дипломный проект посвященсовершенствованию операции подготовки прутков круглого сечения к обработке настанках-автоматах.
Проект содержит анализсостояния вопроса, разработку компоновки станка, конструкции и расчетызажимного механизма, силовой и резцовой головок, экономическое обоснование ианализ экологичности.
Графическая частьсодержит 10,5 листов формата А1, расчетно-пояснительная записка 87 с., 2приложения, список литературы из 7 наименований.
ВведениеВусловиях современного машиностроения подготовка заготовок к обработке играетважную роль. На ВАЗе из прутков круглого сечения изготавливается большаяноменклатура деталей. Большое значение имеет срок службы цанговых патронов втокарных автоматах, так как после операции отрезки на торцах прутков остаютсязаусенцы, которые царапают цанговые патроны зажимных механизмов. Даннаяпроблема вызывает необходимость предварительнойобработки торцов прутка с целью удаления заусенцев.
В дипломном проектесовершенствуется операция подготовки прутков к последующей обработке натокарных автоматах путем разработки станка для обработки фасок на прутках.
1 Анализ состояниявопроса. Недостатки существующего процесса. Задачи дипломного проекта
В автоматно-токарныхцехах ВАЗа изготавливается большая номенклатура деталей из заготовок в видепрутков. Эти прутки подаются и закрепляются в зоне обработки с помощью цанговыхмеханизмов. Заусенцы, образующиеся на торце прутков в процессе ихпредварительной отрезки, царапают подающие и закрепляющие поверхности цанги,существенно снижая срок службы цангового механизма.
Изложенная ситуация вызываетнеобходимость предварительной обработки торцов прутка с целью удалениязаусенцев.
В связи с этим задачамидипломного проекта являются:
1 Ввести втехнологический процесс операцию снятия фасок на прутках круглого сечения.
2 Разработать общуюкомпоновку и основные узлы специального станка для снятия фасок на прутках.
3 Оценить экономическуюэффективность предлагаемых нововведений.
4 Выполнить анализэкологичности разрабатываемых конструкций.
2 Разработкаконструкции станка для обработки фасок на прутках круглого сечения
2.1 Разработкакомпоновки станка
В процессе операцииотрезки, выполняемой на отрезном станке, на торце прутков круглого сеченияпоявляются заусенцы, которые царапают подающие и закрепляющие поверхностицанги, что приводит к существенному снижению срока службы цангового механизматокарного автомата. Предлагается дополнительная обработка фасок прутка послеоперации отрезки.
Станок(чертеж 04.36.616.00.000.СБ) предназначен для токарной обработки фасок наторцах пруткового материала круглого сечения длиной от одного до четырехметров. Прутки изготовлены из конструкционных сталей. Станок можетиспользоваться в производствах, где по технологическому процессу естьнеобходимость снятия фаски на торцах пруткового материала перед запуском его в обработкуна токарных прутковых автоматах.
Станок состоит из следующих агрегатов иузлов:
— агрегат «головкасиловая» 1 (чертеж 04.36.616.01.000.СБ),которая обеспечивает ускоренную рабочую подачу режущего инструмента в зонуобработки и позволяет реализовать оптимальные скорости резания;
— агрегат «станина» 2,которая выполняет функции: несущую силовую по восприятию всех нагрузок оттехнологического процесса и связующую межагрегатную для образования единогокомплекса – «станка»;
— механизм «механизм зажима» 3 (чертеж04.36.616.03.000.СБ), который обеспечивает позиционирование заготовок-прутковкруглого сечения и зажим для удержания от сил резания при обработке фасок;
— узел «резцовая головка» 7 (чертеж04.36.616.07.000.СБ), которая позволяет производить обработку фасок на всемдиапазоне прутков;
— узел «ограждение»,который обеспечивает условия безопасной работы на станке и формируетнаправленное движение стружки в тару;
— узлы «упор» 5 и«привод упора» 6 обеспечивают осевое позиционирование заготовок-прутков;
— агрегат «гидропневмооборудование» обеспечивает работу механизмов станка поциклограмме;
— агрегат«электрооборудование» предназначен для создания безопасных условий работы настанке в соответствии с циклограммой.
Станина 2 и рельсы 10установлены на бетонированной площадке. Подвижные опоры 4 установлены нарельсах 10 и предназначены для удержания обрабатываемого прутка. Стойки 11используются в качестве накопителя прутков.
Установка прутка взажимной механизм происходит следующим образом: упор осевой ориентации прутка 5принимает вертикальное положение, ось прутка-заготовки совмещается с осьюшпинделя силовой головки 1, после этого пруток продвигается вдоль оси докасания в упор осевого базирования прутка 5, происходит зажим прутка,потом упор убирается в исходное горизонтальное положение. Упор 5управляется приводом упора 6: при повороте рукоятки привода упора 6в горизонтальное положение упор 5 принимает вертикальное положение.Центрирование и зажим заготовки происходит с помощью призм 2, которыесоединены с механизмом зажима 3.
Резцовая головка 7прикреплена к планшайбе 12. В резцовой головке установлено два резца,которые оснащенынеперетачиваемыми сменными четырехгранными пластинами из твердого сплава Т5К10.
При работе на станкекожух 8 обязательно должен быть закрыт.
Порядок работы на станке
Оператор загружает внакопитель заготовок прутки для обработки фасок. Визуально определяет, чтопрутки соответствуют требованиям: длина 1000…4000 мм, круг диаметров 16…80 мм.
Оператор проверяетсоответствие наладки на данный диаметр резцовой головки и механизма зажима,перегружает пруток из накопителя на транспортные ролики, устанавливает упоросевой ориентации прутка, совмещает ось прутка-заготовки с осью шпинделясиловой головки. После этого оператор продвигает пруток вдоль оси до касания вупор осевого базирования прутка, зажимает пруток, подает команду с пульта — «зажим»,убирает упор в исходное положение. Включает «автоматический цикл» нажатиемкнопки «пуск». Дальнейшая работа происходит без участия оператора. Послезавершения одиночного цикла появится светосигнал на пульте управления,приглашающий оператора к завершению технологического процесса. Операторпереключает режим работы станка на «наладку», перемещает пруток назад вдоль осидо исходного положения и управляя с пульта осуществляет выгрузку обработанногопрутка. На этом этапе цикл работы завершен и станок готов к повторению циклов.
2.2 Разработкаконструкции и расчет зажимного механизма
Для установки заготовокна металлорежущие станки применяют станочные приспособления. Применениестаночных приспособлений позволяет получать высокие технико-экономическиепоказатели. За счет применения станочных приспособлений значительно возрастаетпроизводительность труда. Также применение станочных приспособлений позволяетобоснованно снизить требования к квалификации станочников основногопроизводства в среднем на разряд, объективно регламентировать длительностьвыполняемых операций и расценки, расширить технологические возможностиоборудования.
Зажимной механизм (чертеж04.36.616.03.000.СБ) состоит из гидроцилиндра 1,ползуна 2, рычага 3, оси 4, планки 5, плиты 6,прокладки 7, крышки 8, планки 9, прокладки 10,корпуса 11, винтов, колец и шайб.
Зажим прутка происходитследующим образом: шток гидроцилиндра 1 при перемещении вниз увлекает засобой плечо рычага 3, а второе плечо перемещает ползун 2 в левуюсторону, тем самым, зажимая и центрируя заготовку в призме. Разжим происходит в обратномпорядке: при движении штока вверх рычаг 3 поворачивается по часовойстрелке, ползуны расходятся.
Зажимной механизмпредупреждает перемещение заготовки относительно опор станочных приспособлений,обеспечивает позиционирование заготовок прутков круглого сечения и зажима дляудержания от сил резания при обработке фасок. Сила закрепления Рз определяется из условия равновесиясиловых факторов, действующих на заготовку. При расчете силы закрепления Рз учитываются силы резания, реакцииопор, соответствующие моменты.
Рассмотрим расчетнуюсхему закрепления прутка (рис.2.1).
Пруток с диаметром DЗ установлен в призмах с углом a а нагружен моментом М.
/>
Рис.2.1 Схема закрепления прутка
Расчет силы закрепленияпроизводится по методике ([2], табл. 8 на с.83).
Сила закрепленияопределяется по формуле (2.1)
/>, (2.1)
где К– коэффициент запаса, который определяется по формуле
/>, (2.2)
где К0= 1,5 – коэффициент гарантированного запаса;
К1 = 1,2 – коэффициент, учитывающий увеличение сил из-заслучайных неровностей на обрабатываемой поверхности;
К2 = 1 – коэффициент, характеризующий увеличение силрезания вследствие затупления режущего инструмента;
К3 = 1,3 – коэффициент, характеризующийпостоянство силы закрепления в зажимном механизме. Значениекоэффициента запаса, рассчитанное по формуле (2.2),
/>.
Таккак в результате расчета значение коэффициента запаса К меньше 2,5, топринимаем К = 2,5.
В формуле (2.1) М– крутящий момент, который определяется по формуле
/>, (2.3)
где Рz = 961 Н – тангенциальнаясоставляющая силы резания;
r = 0,02 м – радиус прутка.
Значениемомента, рассчитанное по формуле (2.3),
/>(Н.м).
В формуле (2.1) Dз = 0,04 м – диаметр прутка; f1 = f2 = 0,2 –коэффициенты трения соответственно в местах контакта прутка с опорами изажимным механизмом; a= 140 ° – угол призмы.
Значение силызакрепления, рассчитанное по формуле (2.1),
/> (Н).
Рассмотрим расчетнуюсхему (рис.2.2)
/>
Рис.2.2 Схема рычажногомеханизма
Значение силы на приводеможно найти из соотношения
/>, (2.4)
где РЗ= 6017 Н – сила закрепления;
a = 60 мм и b = 120 мм – плечи рычага.Значениесилы на приводе рассчитывается по формуле
/>; (2.5)
Значение силы на приводе,рассчитанное по формуле (2.5),
/> (Н).
Рассмотрим принципиальнуюсхему гидроцилиндра (рис. 2.3).
/>
Рис. 2.3 Принципиальнаясхема гидроцилиндраПлощадьпоршня гидроцилиндра находится по формуле
/>, (2.6)
где D – диаметр поршня, мм.
Принимаем D = 50 мм, тогда значение площадипоршня гидроцилиндра, рассчитанное по формуле (2.6),
/> (мм2).Активнаяплощадь поршня в штоковой полости определяется по формуле
/>, (2.7)
где D = 50 мм – диаметр поршня;
d – диаметр штока, мм.
Принимаем диаметр штока d = 32 мм.
Значение активной площадипоршня в штоковой полости, рассчитанное по формуле (2.7),
/> (мм2).
Необходимо определитьусилие, действующее на активную площадь А2 при наличиипротиводавления в штоковой полости.
Усилие, действующее наактивную площадь А2 определяется по формуле
/>, (2.8)
где р2– противодействие в штоковой полости;
А2 = 1159 мм2 – активная площадь поршня.
Принимаем противодействиев штоковой полости p2 = 0,5 МПа.
Значение усилия,рассчитанное по формуле (2.8),
/> (Н).Рабочеедавление определяется на основе уравнения
/>, (2.9)
где F1 – рабочее усилие, Н;
F = 3008,5 Н – сила на приводе.Формуладля определения рабочего давления имеет вид
/>. (2.10)
Значение рабочегодавления, рассчитанное по формуле (2.10),
/> (МПа).
Рабочееусилие (усилие на штоке гидроцилиндра) рассчитывается по формуле
/>; (2.11)
/> (Н).
2.3Разработка конструкции и расчет силовой головки
Силовая головкаобеспечивает ускоренную рабочую подачу режущего инструмента в зону обработки ипозволяет реализовать оптимальные скорости резания.
Силовая головка состоитиз муфты 1, крышек 2, 4, корпуса 3, пиноли 5,шпинделя 6, фланцев 7, 9, втулок 8, 12,кронштейна 10, плиты 11, командоаппарата 50, упора 51,электродвигателя 52, колец, гаек, винтов, болтов, шпилек, подшипников.
Вращение шпинделя 6осуществляется электродвигателем 52 через муфту 1, котораяпередает вращение через шлицевое соединение. Быстрое и медленное перемещениепиноли 5 с подшипниками обеспечивается гидросистемой. В начале цикла приподаче рабочей жидкости в правую канавку пиноль 5 вместе с подшипникамиперемещается влево. Командоаппарат 50 отслеживает это перемещение. Поокончании обработки подается сигнал на отвод. Жидкость подается в другуюканавку, пиноль 5 возвращается в исходное положение.
Точность обработкина станке определяется в значительной мере точностью вращения шпинделя,передающего движение закрепленному в нем инструменту. В связи с этим к силовойголовке предъявляются следующие основные требования:
1. Точностьвращения – характеризуется биением переднего конца шпинделя. Дляразрабатываемого специального станка для обработки фасок на прутках круглогосечения точность вращения назначается с учетом требуемой точностиобрабатываемой на станке детали.
2. Жесткость –определяется правильностью положения шпинделя под действием рабочих сил.Слишком большие деформации шпинделя неблагоприятно отражаются на точностиобработки и на работоспособности опор шпинделя и его привода.
Указанныетребования обеспечиваются правильным выбором материала шпинделя.
Так как основнымтребованием для шпинделя является достаточная жесткость, зависящая от модуляупругости материала шпинделя. В связи с тем, что модуль упругости различныхсталей практически одинаков, нет оснований применять для шпинделей легированныестали, поэтому в качестве материала для изготовления шпинделя в станке дляобработке фасок используется среднеуглеродистая конструкционная сталь 45 споследующим улучшением (закалка высоким отпуском до твердости HRC 22-28).
Выбор конструкции шпиндельного узла.
Вшпиндельном узле станка для обработки фасок на прутках круглого сечения однаопора делается плавающей, а другая жестко закреплена. При нагреве шпиндельногоузла может произойти его удлинение, что повлечет за собой затяжку подшипника иего быстрый износ. Плавающая опора смещается вдоль оси шпиндельного вала ипредотвращает заклинивание подшипника.
Взависимости от скоростного коэффициента выбирается тип подшипников и схемашпиндельного узла.
Скоростнойкоэффициент определяется по формуле
/>; (2.12)
где KV – скоростной коэффициент, зависящийот схемы шпиндельного узла;
d – диаметр под передней опорой, мм;
n – максимальная частота вращенияшпинделя, об/мин.
Значение скоростногокоэффициента, рассчитанное по формуле (2.12),
/>.
В соответствии срекомендациями [6] принимаем схему шпиндельного узла (рис. 2.4).
/>Рис. 2.4Схема шпиндельного узла
Выбор точности подшипников шпиндельного узла.
Дляшпинделей металлорежущих станков требуются подшипники, обеспечивающие высокуюточность и стабильность положения оси вращающегося шпинделя.
Приизготовлении высококачественных подшипников трудно сделать абсолютно точныеповерхности качения и поверхности дорожек, по которым движутся тела качения.При работе подшипника возникают биения, которые, в свою очередь, воздействуютна шпиндель и обрабатываемую поверхность. Необходимо определить класс точностиподшипников и сборку их в шпиндельном узле, для этого рассмотрим две схемыустановки подшипников и примем наилучший вариант.
/>
Рис. 2.5 Схема установкиподшипников
На рис. 2.5 показанасхема биения подшипников, биение направлено в противоположные стороны(наихудший вариант). Из [7] (для данного аналога типа станка Dнаиб = 80 мм) выбираем величину биенияконца шпинделя, принимаем /> мкм. Из [6] известно, что биениеподшипников формирует приблизительно 1/3 погрешности вращения шпинделя, /> мкм.
/>; (2.13)
где /> – отношение длинывылета к длине между опорами (чертеж 04.36.616.01.000.СБ ),
/>.
/> – требуемое биение переднейопоры, мкм.
Значение биения впередней опоре, рассчитанное по формуле (2.13),
/>(мкм).
Биение в задней опорерассчитывается по формуле
/>; (2.14)
/>( мкм).
Так как подшипника с биением /> мкм нет, то рассмотрим следующуюсхему.
/>
Рис. 2.6 Схема установкиподшипников
На рис. 2.6 показанаспециальная сборка подшипников в шпиндельном узле, так что биение подшипников впередней и задней опоре направлены в одну сторону.
По табл. 9 [6] длядиаметров подшипников da= 55 мм, предварительно принимаем 2 класс точности подшипника /> мкм. Для dв = 50 мм предварительно принимаем 4класс точности подшипника /> мкм.
Биение переднего концашпинделя можно рассчитать по формуле
/>; (2.15)
где /> – количествоподшипников в опоре />=2, />=2 .
/> (мкм);
Так как />, то условиевыполняется.
Для подшипника диаметром da= 55 мм в передней опоре принимаем 2класс точности подшипника. Для подшипника диаметром dв= 50 мм принимаем 4 класс точности подшипника.Произведемпроверочный расчет шпинделя. Рассмотрим схему приложения сил на него (рис. 2.7).
/>
Рис. 2.7 Схема сил,действующих на шпиндельный вал
Проверочный расчет валапроизведен в программном пакете APM WinMachine.
Крутящий момент,действующий на вал, рассчитывается по формуле
/>, (2.16)
где N = 3000 Вт – мощностьэлектродвигателя, Вт;
щ – угловаяскорость вращения, рад/с.
В формуле (2.16) угловаяскорость рассчитывается по формуле
/>, (2.17)
где n = 950 об/мин – частота вращениявала.
/> (об/мин);
Значение крутящегомомента, рассчитанное по формуле (2.16),
/> (Нм).
Исходные данные,необходимые для расчета: Рx= 733 Н, Рy = 278 H, Рz = 964 Н – составляющие силы Р; Мкр= 30 Нм.
На рис. 2.8 – 2.16приведены результаты проверочного расчета вала в программном пакете APM WinMachine.
Момент изгиба, Н.м
/> Длина вала, мм
Рис. 2.8 Момент изгибавертикальный