Определение технической характеристики и кинематический расчет коробки скоростей металлорежущего станка (стр. 1 )

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

КАФЕДРА «ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ И

КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОРОБКИ СКОРОСТЕЙ

МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО СТАНКА

Методические указания к самостоятельной работе

по дисциплине «Металлорежущие станки»

РПК «Политехник»

Волгоград

2007

УДК 6

О – 62

Определение технической характеристики и кинематический расчет коробки скоростей металлорежущего станка: Методические указания к самостоятельной работе по дисциплине «Металлорежущие станки» / Сост. ; Волгоград. гос. техн. ун-т. – Волгоград, 2007. – 35 с.

Рассматриваются содержание и порядок определения технической характеристики и расчета коробки скоростей металлорежущего станка.

Предназначены для студентов направления 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительного производства».

Ил. 8. Табл. 5. Библиогр.: 8 назв.

Рецензент:

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

ã Волгоградский

государственный

технический

университет, 2007

1. Цель работы

Целью работы является приобретение студентами практических навыков в проектировании кинематической схемы привода металлорежущего станка и построении графика чисел оборотов.

2. Содержание работы

2.1. Используя литературу [1,4,5], конспект лекций и данные методические указания ознакомиться с порядком и содержанием кинематического расчета и проектирования коробок передач.

2.2. По исходным данным определить техническую характеристику проектируемой коробки передач: определить скорость резания и предельные частоты вращения шпинделя; определить диапазон регулирования частот вращения шпинделя, число ступеней частот вращения, произвести выбор знаменателя геометрического ряда и определить промежуточные числа оборотов.

2.3. Определить мощность привода и подобрать электродвигатель.

2.4. Провести кинематический расчет привода станка: определить число конструктивных и кинематических вариантов привода; построить структурные формулы, в общем, и развернутом виде; построить структурные сетки и кинематическую схему коробки передач; обоснованно выбрать наилучший вариант структурной сетки; построить график чисел оборотов, определить передаточные отношения и числа зубьев колес.

3. Общие положения

3.1. Методика определения основных технических характеристик станков

К основным техническим характеристикам станка, определяющим его производственные возможности, относятся:

1. Предельные частоты вращения шпинделя n тaх и n min.

2. Промежуточные частоты вращения шпинделя между n тaх и n min.

3. Предельные подачи S mак и S тin .

4. Промежуточные значения подач между S mox и S min.

5. Мощность электродвигателя привода главного движения.

Исходными данными к расчету основных технических характеристик станка являются:

- марка обрабатываемого материала и его механические свойства σв, НВ;

- характеристика поверхности (состояние поверхности заготовки с коркой или без корки);

- технические требования на обрабатываемую поверхность (квалитет точности, шероховатость Rz, Ra);

- размеры обработки: при сверлении, зенкеровании и развертывании: D max - максимальный диаметр отверстия, D min - минимальный диаметр отверстия; при токарной обработке: Dmax - максимальный размер обработки, Dmin - минимальный размер обработки.

- тип инструмента, его размеры, материал режущей части (для станков фрезерной группы Dmax - максимальный диаметр фрезы, мм; Dmin - минимальный диаметр фрезы).

3.1.1. Определение технических характеристик станков сверлильно-расточной группы

При сверлении наибольшая и наименьшая скорости резания определяются по формулам:

	(1)
	(2)

Здесь и далее в основу формул для определения скорости резания и мощности положены эмпирические зависимости, значения входящих в них коэффициентов и показателей степеней принимаются по [2].

Предельные частоты вращения шпинделя nmax и пmin определяют по формулам:

	(3)
	(4)

где: Vmax, Vmin - предельные скорости резания; Dmax, Dmin - предельные диаметры обработки.

Для выбора промежуточных частот вращением шпинделя, требуется определить диапазон регулирования частот вращения, знаменатель ряда и число ступеней частот вращения.

Отношение предельных значений частот вращения шпинделя на­зывается диапазоном регулирования частот вращения:

(5)

Для универсальных станков характерны диапазоны регулирования:

Токарные станки	20…200
Фрезерные	20…100
Карусельные	25…40
Радиально-сверлильные	20…100

Учитывая возможность совершенствования режущих инструментов и технологии обработки, значение Rn для проектируемого станка увеличивают примерно на 25%, соответственно изменяя верхний предел частот вращения шпинделя nmax.

Регулирование скоростей (в данном диапазоне) может быть ступенчатым и бесступенчатым. Современные станки общего назначения в большинстве случаев имеют ступенчатое регулирование частот вращения шпинделя. Коробки скоростей со ступенчатым регулированием более компактны и просты, имеют высокий к. п.д. Частоты вращения шпинделя распределяются по геометрическому ряду, что позволяет обеспечивать постоянный перепад скоростей, а также дает возможность проектировать сложные коробки скоростей, состоящие из элементарных двухваловых передач, также построенных по геометрическому ряду. Геометрический ряд частот вращения имеет следующие стандартные значения:

1,06; 1,12; 1,26; 1,41; I,58; 1,78; 2,00

Они имеют следующую область применения:

φ=1,06 имеет вспомогательное значение;

φ=1,12 применяется в автоматах, где требуется более точная настройка на заданный режим;

φ=1,26 и 1,41 основные ряды в универсальных станках;

φ=1,58 и 1,78 применяются в станках, где время обработки невелико по сравнению со временем холостых ходов;

φ=2,00 применяется редко и имеет вспомогательное значение при расчете промежуточных множительных коробок скоростей.

Число ступеней частот вращения шпинделя определяется по формуле:

(6)

Расчетное число ступеней частот вращения шпинделя можно округлить до стандартного значения: 4; 6; 8; 9; 12; 16; I8; 24; 36.

Далее определяются промежуточные значения чисел оборотов:

n1=nmin

n2=n1φ

…………..

nz=nmax=n1φz-1

Полученные значения промежуточных чисел оборотов шпинделя округляются, используя ГОСТ 8032-56 «Предпочтительные числа и ряды предпочтительных чисел» (см. Приложение В).

Мощность привода главного движения определяется по наибольшей эффективной мощности, необходимой для резания. Для сверлильных станков:

, кВт

(7)

где - no число оборотов детали или инструмента об/мин:

, об/мин

(8)

M - крутящий момент, определяемый по формуле:

, Нм

(9)

Исходя из максимальной эффективной мощности определяют мощность электродвигателя:

, кВт

(10)

где: η - к. п.д. привода станка, который принимается η =0,8.

По мощности Nдв и наибольшей полученной частоте вращения nmax выбирается электродвигатель [6].

3.1.2. Определение технических характеристик станков фрезерной группы

При фрезеровании наибольшая и наименьшая скорости резания определяются по формулам:

,	(11)
	(12)

Предельные частоты вращения шпинделя nmax и nmin определяются по формулам 3 и 4, Dmax , Dmin – предельные диаметры фрез.

Диапазон регулирования частот вращения, знаменатель геометрического ряда, число ступеней частот вращения и промежуточные значения чисел оборотов определяются так же как и для станков сверлильно-расточной группы.

мощность привода главного движения определяется по наибольшей эффективной мощности, необходимой для резания. Для фрезерных станков:

, кВт

(13)

где тангенциальная составляющая силы резания определяется по формуле:

, Н

(14)

где коэффициенты Ср и Кр, показатели степеней выбираются по справочнику [2]; tmax - максимальная глубина фрезерования; Smax - максимальная подача, мм/об; вmax - максимальная ширина фрезерования, мм; zmax - число зубьев у фрезы с Dmax; Dmax - диаметр фрезы, мм; nmin - минимальное число оборотов шпинделя, об/мин;

Исходя из максимальной эффективной мощности, определяют мощность электродвигателя:

, кВт

(15)

где: η =0,8 – к. п.д. привода станка.

По мощности Nдв и наибольшей полученной частоте вращения nmax выбирается электродвигатель [6].

3.1.3. Определение технических характеристик станков токарной группы

Минимальный диаметр обработки принимается равным:

Dmin=0,25 Dmax

(16)

Глубина резания определяется по формулам:

;

(17)

где: Ct - коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала
(Ct= 0,6 - если обрабатывается чугун, Ct = 0,7 - если обрабатывается сталь); Dmax, Dmin - максимальный и минимальный диаметр обработки; L - длина обрабатываемой заготовки (принимается L=2500);

Далее определяются величины подач, наибольшей Smax и наименьший Smin по допускаемой чистоте обработанной поверхности, Smax - при обдирке изделия диаметром Dmax с глубиной резания tmax , a Smin - при отделке изделия диаметром Dmin с глубиной резания tmin .

Подачи находятся по следующим формулам:

	(18)
	(19)

Наибольшая и наименьшая скорость резания определяется:

,	(20)
	(21)

Предельные частоты вращения шпинделя nmax и nmin определяют по формулам 3 и 4: где Dmax , Dmin - предельные диаметры обработки.

Диапазон регулирования частот вращения, знаменатель геометрического ряда, число ступеней частот вращения и промежуточные значения чисел оборотов определяются, так же как и для станков сверлильно-расточной группы.

мощность привода главного движения определяется по наибольшей эффективной мощности, необходимой для резания. Для токарных станков:

, кВт	(22)
,Н	(23)

Исходя из максимальной эффективной мощности, определяют мощность электродвигателя:

, кВт

(24)

где: η =0,8 – к. п.д. привода станка.

По мощности Nдв и наибольшей полученной частоте вращения nmax выбирается электродвигатель [6].

3.2. Кинематический расчет привода станка

3.2.1. Общая часть

Привод главного движения металлорежущего станка состоит из коробки скоростей и электродвигателя. Преимущественное распространение в станках получили асинхронные электродвигатели, что связано с низкой их стоимостью, высокой надежностью и жесткой механической характеристикой.

Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей используют сравнительно редко и заключается оно либо за счет переключения числа пар полюсов, либо за счет изменения частоты питания. Односкоростные электродвигатели используются с синхронной частотой вращения: nэ = 750, 100, 1500, 3000, многоскоростные (двухскоростные) nэ = 500/1000, 750/1500, 1500/3000, трехскоростные и четырехскоростные применяются значительно реже.

Коробки скоростей в металлорежущих станках, с точки зрения их кинематической структуры, подразделяются на два вида:

-  коробки скоростей с множительной структурой;

-  коробки скоростей со сложенной структурой.

Коробка скоростей с множительной структурой состоит из последовательно расположенных элементарных групповых передач. Элементарная групповая передача – это двухваловая передача на 2, 3 и 4 скорости (рис.1а, б, в). Она состоит из одной кинематической цепи. Общее число скоростей получается путем перемножения чисел скоростей элементарных двухваловых передач (2, 3 и 4 соответственно на рис. 1 а, б и в).

а) б) в) Рис. 1 Кинематические схемы элементарных групповых передач.

Коробки скоростей со сложенной структурой строятся по принципу суммирования двух и более кинематических цепей передач, каждая из которых является множительной структурой (подробнее см.[1], стр356).

Кинематический расчет коробки скоростей ведется в следующей последовательности:

1.  Построение структурных формул в общем и развернутом виде;

2.  Построение структурных сеток и кинематической схемы;

3.  Выбор наилучшего варианта структурной сетки;

4.  Построение графика чисел оборотов, определение передаточных отношений и чисел зубьев;

Исходными данными для расчета являются:

¾  число ступеней скорости вращения шпинделя Z;

¾  минимальная частота вращения шпинделя nmin ;

¾  знаменатель геометрической прогрессии ряда φ;

¾  число оборотов электродвигателя - nэ.

3.2.2. Построение структурных формул в общем и развернутом виде

Множительная структура привода станка состоит из последовательно включенных групп передач. Число ступеней скоростей такой структуры определяется ее структурной формулой:

z= P1 × P2 × P3…× PК, (25)

где z – число ступеней скорости привода; P1, P2, P3…., Pk – число передач в группах, К – число элементарных групповых передач.

Если в качестве привода используются двухскоростной электродвигатель, то структурная формула запишется:

z= Pэ × P2 × P1 …× PК, , (26)

где Pэ – число ступеней скоростей электродвигателя.

При заданном числе ступеней частот вращения шпинделя количество групп передач, количество передач в каждой группе и порядок расположения групп может быть различным. Этот выбор, в основном, и определяет кинематику и конструкцию коробки скоростей.

Таблица 1. Конструктивные варианты приводов для различных чисел ступеней скорости

6	8	12	16	18	24
2 3	2 2 2	3 2 2		2 3 3
3 2	4 2	2 3 2	4 2 2	3 2 3
	2 4	2 2 3	2 4 2	3 3 2
		3 4	2 2 4
		4 3	4 4		2 3 4
					2 4 3
					3 2 4
					3 4 2
					4 2 3
					4 3 2

При заданном значении z порядок получения промежуточных чисел оборотов от nmin до nmax может быть различным и зависит от принятого порядка переключения групп в передачи. Порядок кинематического включения групп в передачи находит отражение в структурных формулах в развернутом виде.