Комплекс учебно-методических материалов

 

ЧАСТЬ 2

 

Рекомендовано Ученым советом Нижегородского государственного

технического университета им. Р.Е. Алексеева в качестве

учебно-методического пособия для студентов очной, очно-заочной,

заочной и дистанционной форм обучения по специальностям

151001.65 «Технология машиностроения»,

151002.65 «Металлообрабатывающие станки и комплексы»,

150401.65 «Проектирование технических и технологических комплексов»

 

 

Нижний Новгород 2009

УДК 621.9.00

 

 

Гондин Ю.Н., Колюнов В.А., Устинов Б.В. Металлорежущие станки: комплекс учебно-методических материалов: Ч.2 / Ю.Н. Гондин, В.А. Колюнов, Б.В. Устинов; Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева. Нижний Новгород, 2009. – 154 с.

 

Излагается методика проектирования металлорежущих станков, начиная с обоснования их технической характеристики и заканчивая разработкой рабочей документации. Представлены рекомендации по выполнению кинематических схем приводов главного движения и подач, обоснованию компоновок, конструированию шпиндельных узлов, механизмов передач и несущих систем, а также по установке станков на фундамент.

Предназначается для студентов очной, очно-заочной, заочной и дистанционной форм обучения технических специальностей.

 

 

Редактор Е.В. Комарова

 

Подписано в печать 15.07.2009. Формат 60х84¹/₁₆.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 9,75.

Уч.-изд. л. 9,0. Тираж 300 экз. Заказ   .

______________________________________________________________________________________________________________________

 

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева.

Типография НГТУ. 603950, ГСП-41. г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

 

© Нижегородский государственный

технический университет

им. Р.Е. Алексеева, 2009

 

© Гондин Ю.Н., Колюнов В.А.,

Устинов Б.В., 2009

СОДЕРЖАНИЕ

Опорный конспект лекций........................................	4
1. Основные этапы конструирования станков.....................	4
2. Определение основных технических характеристик станка.......	9
2.1. Определение предельных значений частот вращения шпинделя и предельных значений подач................................	9
2.2. Предварительное определение мощности электродвигателя......	16
3. Разработка кинематической схемы.............................	19
3.1. Выбор типа привода........................................	20
3.2. Компоновка привода главного движения.......................	24
3.3. Выбор типа последней передачи..............................	25
3.4. Кинематические расчеты коробок скоростей...................	27
3.4.1. Множительные структуры коробок скоростей.............	27
3.4.2. Коробки скоростей с бесступенчатым регулированием.....	37
3.4.3. Коробки скоростей со сложенной структурой.............	40
3.4.4. Особые множительные структуры.......................	43
3.5. Особенности кинематического расчета коробок подач...........	50
4. Компоновки станков..........................................	56
4.1. Структурный анализ базовых компоновок......................	59
4.2. Установление и фиксация взаимосвязи отправных позиций проекта общего вида станка.................................	63
5. Шпиндельные узлы станков....................................	66
5.1. Конструкции шпиндельных узлов на подшипниках качения......	67
5.2. Конструкции шпиндельных узлов на подшипниках скольжения...	80
5.3. Алгоритм проектирования шпиндельного узла..................	85
6. Проектирование привода главного движения станка..............	90
6.1. Устройства для соединения вала двигателя с первым валом коробок скоростей.........................................	95
6.2. Передачи зацеплением......................................	102
6.3. Валы.....................................................	105
6.4. Специфика расчета передач коробок скоростей.................	108
6.5. Механизмы переключения коробок скоростей..................	112
7. Базовые детали и направляющие...............................	115
7.1. Конструктивные формы базовых деталей и материалы...........	116
7.2. Расчет базовых деталей.....................................	121
7.3. Конструкция направляющих станков и их расчет................	125
8. Фундаменты станков..........................................	136
8.1. Рекомендации по установке станков нормальной точности на фундаменты............................................	141
8.2. Расчеты фундаментов.......................................	144
9. Контроль знаний..............................................	147
Глоссарий.......................................................	150
Список литературы...............................................	153

ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

 

1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ СТАНКОВ

 

Процесс конструирования является первым этапом создания станка. Следующим этапом является технологическая подготовка производства, а затем этап изготовления деталей и сборки отдельных узлов и всего станка [12].

Затраты труда, связанные с конструированием станка, составляют значительную часть всех затрат и, по некоторым данным, доходят до 60%. Затраты на конструирование принципиально новой техники, когда необходимы значительные предварительные исследования и эксперименты, возрастают еще в большей степени. Таким образом, совершенствование процесса конструирования, его автоматизация и повышение производительности труда конструкторов существенно влияют на весь процесс создания станка и на его экономическую эффективность.

При конструировании станка основные усилия должны быть направлены на поиски принципиально новых решений, на изобретение конструкций, превосходящих существующие по всем основным показателям. Лишь на стадии конструирования в полной мере можно из различных многочисленных вариантов выбрать действительно оптимальное решение. Применение средств вычислительной техники уже на ранней стадии конструирования дает возможность проанализировать большое число различных решений и гораздо точнее решить задачу оптимизации.

Порядок проектирования и оформления технической документации на новые образцы металлорежущих станков и комплектующих изделий установлен отраслевым стандартом и «Положением о порядке разработки, изготовления и приемки новых образцов станков, машин, нормализованных изделий и передачи их в серийное производство». Стандарт распространяется на следующие группы оборудования [18]:

1. Станки универсальные (общего назначения), предназначенные для выполнения одного или нескольких видов обработки на деталях различных наименований;

2. Станки специализированные, предназначенные для обработки однотипных деталей различных размеров;

3. Станки специальные, предназначенные для выполнения определенных операций при обработке деталей одного типоразмера;

4. Станки агрегатные – специальные станки, состоящие в основном из нормализованных узлов;

5. Автоматические линии;

6. Комплектующие изделия общего назначения;

7. Комплектующие изделия узкого назначения, изготовляемые по специальному заказу.

В зависимости от степени специализации и назначения предусматривается различный порядок проектирования, изготовления и приемки новых образцов станков и нормализованных изделий.

Проектирование универсальных и специализированных станков и нормализованных изделий разбивается на следующие стадии: разработку технического задания, разработку технического предложения, эскизный, технический и рабочий проекты.

Техническое предложение разрабатывается исполнителем на основании типажа, плана и т.п. Техническое предложение на универсальные станки разрабатывается на весь размерный ряд (гамму) станков с учетом последних достижений науки и техники, действующих стандартов, отраслевых нормалей и результатов эксплуатации ранее выпущенных станков. Когда отсутствует необходимость унификации со станками соседних размеров или всего размерного ряда, допускается разработка технических предложений на отдельные станки.

На основании утвержденного технического предложения разрабатываются сначала эскизный, а затем технический и рабочий проекты [4].

Весь процесс конструирования станка можно условно разделить на ряд последовательных этапов (рис. 1.1). Выполнение работ требует учета влияния различных этапов, так как все они взаимно связаны. Решение, принятое в ходе конструирования одного из узлов, может оказать влияние на многие другие узлы, а окончательный выбор компоновки станка, например, существенно влияет на конструкцию ряда узлов. Исходные данные для конструирования станка основываются на потребности в размерной обработке множества деталей. В техническом задании указывают функциональное назначение станка и уточняют его основные технико-экономические параметры [12].

Для обрабатываемых деталей следует указать размеры и формы, совокупность обрабатываемых поверхностей, обрабатываемый материал и те основные требования, которые предъявляют к качеству их обработки. К исходным данным относится также количество обрабатываемых деталей и их разнообразие. Сведения об обрабатываемых деталях служат основой для выбора соответствующих видов обработки и необходимых режущих инструментов.

Исходные данные на основе тщательного анализа могут быть обоснованно уточнены. В окончательном виде они определяют функциональное (служебное) назначение станка и его технико-экономические параметры. Данные об обрабатываемых деталях являются основанием и для определения основных технических характеристик станка – диапазона рабочих скоростей и скоростей вспомогательных движений всех рабочих органов станка, мощности приводов, способа регулирования и степени оснащения станка вспомогательными устройствами.

Технические характеристики станка являются исходными данными для разработки всех его принципиальных схем: кинематической, электрической, гидравлической или пневматической. При конструировании станка или автоматической линии узкого назначения выявляют целесообразную последовательность отдельных операций на станке, которую оформляют в виде циклограммы. С учетом требуемых критериев качества станка и характера движений его рабочих органов осуществляют анализ возможных вариантов компоновки станка и выбор оптимального варианта для конкретных условий.

 

Рис. 1.1. Схема процесса разработки нового станка

 

Перечисленные ранее этапы конструирования станка оформляют в виде технического предложения, согласуемого с заказчиком, которое служит основанием для дальнейшего проектирования.

Конструирование узлов станка связано с решением самостоятельных задач и может быть представлено в виде некоторой последовательности этапов (рис. 1.2). Решение любой конструкторской задачи после формулирования исходных данных сводится прежде всего к поиску различных возможных вариантов осуществления конструкции. Реальность вариантов конструкции подтверждается предварительными (проектными) расчетами. Затем следует сравнительный анализ вариантов конструкции, на основе которого выбирают обоснованный оптимальный для данных конкретных условий вариант конструкции. После проверки функциональной пригодности выполняют сборочный чертеж узла.

 

 

Рис. 1.2. Основные этапы конструирования станочного узла

 

Разработку конструкции ведут, как правило, по схеме: формулирование технической задачи – разработка вариантов решения – сравнительный анализ работоспособности вариантов – принятие оптимального решения.

Разработка технического задания является одним из наиболее ответственных этапов проектирования, который в значительной степени предопределяет эффективность разработки [2].

Перед началом разработки необходимо выполнить следующее:

– сформулировать задачу;

– разработать требования с ограничениями.

Формулирование задачи. При любой постановке задачи нужно ответить на три основных вопроса:

1. Какой цели должно служить проектируемое изделие?

2. Какие обстоятельства, требования и ограничения должны учитываться?

3. Какая последовательность действий, приводящих к выполнению этих требований, и чем заканчивается разработка?

Разработка технических требований с ограничениями. Очень важно указать, является ли данный показатель требованием или пожеланием, которое можно не выполнять, а руководствоваться, например, при оценке вариантов.

Требования могут быть следующих типов:

1. Жесткие, при которых значение параметра выдерживается жестко (мощность станка, производительность автоматической линии и др.);

2. Жесткие, ограниченные диапазоном, не допускающие выход за определенные границы (производительность 10-12 шт./чи др.);

3. Целевые с ограничениями и без них. Степень выполнения этих требований может служить мерой оценки варианта (например, сила, прилагаемая к рукоятке, менее 0,5 Н), т.е. целевые требования можно выполнять в разной степени;

4. Необязательные (пожелания). Их можно включать или не включать в состав требований.

Основные показатели должны охватывать все наиболее важные стороны изделия и быть, по возможности, независимыми один от другого. Они могут иерархически разделяться на несколько ступеней (различная значимость) и касаться различных сторон (экономических, технических и др.); показатели желательно оценивать количественно, но можно и качественно (лучше, хуже), что важно при оценке вариантов.

Состав требований. В зависимости от назначения изделия в состав требований могут входить различные признаки (от размеров до способов утилизации):

· геометрия (размеры, число и др.);

· кинематика (вид и направление движения, скорость, ускорение);

· сила (значение и направление, частота нагружения, деформации, жесткость);

· энергия (мощность, КПД, трение, вентиляция, параметры состояния такие, как давление, температура, влажность, входящая энергия и др.);

· материал (физические и химические свойства основного, вспомогательного и рекомендуемого материалов);

· безопасность (защитные системы, техника безопасности, окружающая среда);

· эргономика (отношение человек – машина, учет физиологических возможностей человека, условия обслуживания);

· изготовление (условия изготовления, качество, ограниченность площадей);

· контроль (возможность контроля, особые предписания);

· монтаж (условия монтажа, сборка, фундамент);

· транспортирование (ограничение размеров, грузоподъемность транспортных и подъемных средств, условия доставки);

· использование (уровни шума, износ, условия эксплуатации);

· технический уход (наладка, покраска, смазка, инспекция);

· утилизация (вторичное использование, уничтожение, повторное применение);

· цена (допустимые издержки производства, стоимость инструмента, амортизация и инвестиции);

· срок (окончание разработки, сетевое планирование, срок поставки).

Техническое задание в значительной степени охватывает постановку задачи и основные требования к разрабатываемому изделию.

Процедура разработки требований заключается в следующем:

1. Проводится основательный анализ конкурирующих изделий с выявлением слабых и сильных сторон;

2. Учитываются техническое задание заказчика, результаты обсуждений специалистов, данные, полученные из различных источников, здравый смысл;

3. Используется имеющийся опыт.

Разработка исходных основных требований к изделию является весьма важным этапом конструирования, так как служит для дальнейшего уяснения, уточнения и детализации поставленной задачи, используется и дополняется в течение всего процесса конструирования (на любом этапе) и может лежать в основе оптимизации конструкторских решений.

 

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАНКА

 

Основными техническими характеристиками станка, определяющими его производственные возможности, являются:

· предельные частоты вращения шпинделя (числа двойных ходов столов и др.) n _max и n _min;

· промежуточные значения частот вращения шпинделя (чисел двойных ходов столов и др.) между n _max и n _min;

· предельные подачи s _max и s _min;

· промежуточные значения подач между s _max и s _min;

· мощность электродвигателя привода главного движения;

· тяговое усилие привода подач и мощность электродвигателя;

· габаритные размеры заготовки.

Обычно в станках создается несколько исполнительных движений (скорости резания, подачи, врезания, вспомогательные и т.д.). Исполнительные движения в зависимости от их траектории могут быть простыми и сложными (последние встречаются, например, в зуборезных, затыловочных, копировальных и других станках). В случае простых исполнительных движений механизмы для создания этих движений представляют собой кинематические цепи с органами настройки, осуществляющие передачу движения от источника движения – электродвигателя к исполнительным органам. Главными из этих цепей (цепей привода) являются цепи скорости резания и подачи [18].