Расчет коробки скоростей продольно-фрезерного станка

Министерство образования Республики Беларусь

УО «Витебский технологический государственный университет»

Кафедра ТиОМП

Расчётно-пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине «КиРС»

на тему: Расчет коробки скоростей продольно-фрезерного станка.

Вариант № 59

Выполнил: ст. гр. 4Тм-22

Садовченко П.О.

Консультант:

Путеев Н.В.

Витебск 2013

Введение 3

Исходные данные: 4

1 Определение режимов резания 4

1.1 Режимы резания при черновой обработке. 4

1.2 Расчёт минимальной скорости вращения шпинделя: 5

1.3 Расчет максимальной силы резания. 5

1.4 Крутящий момент на шпинделе: 5

1.5 Мощность резания: 5

2 Кинематический расчет 6

2.1 Построение структурной сетки 6

2.2 Построение графика чисел оборотов: 6

2.3 Определение числа зубьев зубчатых колес 7

2.4 Строим кинематическую схему: 10

3 Силовой расчёт коробки скоростей: 10

3.1 Определим КПД коробки скоростей: 10

3.2 Выбор электродвигателя: 10

3.2.1 Требуемая мощность электродвигателя: 10

3.2.2 Выбор электродвигаиеля 10

3.3 Определяем фактическую частоту вращения каждого вала 10

3.4 Определяем мощность на каждом валу 10

3.5 Определяем крутящий момент на каждом валу: 11

3.6 Определяем модуль зубчатых зацеплений: 12

4 Расчёт элементов коробки скоростей. 11

4.1 Расчет геометрических параметров зубчатых колес 11

4.2 Предварительный расчет диаметров валов 13

5 Расчет шпинделя на жесткость 14

6 Расчет усилий на органах управления 15

7 Описание конструкции коробки скоростей 18

8 Анализ технико-экономической эффективности 18

Список использованной литературы 19

Приложение 19

Введение.

Продольно-фрезерные станки предназначены для обработки крупногабаритных деталей в основном торцовыми фрезами. Двустоечный станок имеет 4 фрезерные бабки – 2 с вертикальным и 2 с горизонтальным расположением шпинделя. Каждая фрезерная бабка имеет самостоятельный привод: электродвигатель и коробку скоростей. Левая горизонтальная бабка перемещается вертикально по направляющим типа ласточкин хвост.

Исходные данные:

Станок: продольно-фрезерный;

Коробка скоростей: левая горизонтальная;

Знаменатель пргрессии: <Object: word/embeddings/oleObject1.bin>;

Материал заготовки: чугун;

Размер заготовки: <Object: word/embeddings/oleObject2.bin>;

Механизм управления: однорукояточный.

Станок предназначен для токарного фрезерования плоских поверхностей с шириной фрезерования <Object: word/embeddings/oleObject3.bin>.

При определении предельных скоростей резания предпочтительно принимать <Object: word/embeddings/oleObject4.bin> для чистовых работ, <Object: word/embeddings/oleObject5.bin> для черновых работ, соответственно при минимальной подаче и глубине резания (чистовая обработка) и максимальных подаче и глубине резания (черновая обработка).

<Object: word/embeddings/oleObject6.bin> ( стр. 281 [1]);

<Object: word/embeddings/oleObject7.bin>;

Инструмент – торцовая дисковая фреза со вставными ножами из быстрорежущей стали (по ГОСТ 6469-69). <Object: word/embeddings/oleObject8.bin>; <Object: word/embeddings/oleObject9.bin>;<Object: word/embeddings/oleObject10.bin>; <Object: word/embeddings/oleObject11.bin> (стр. 187 [1] );

Глубина резания при черновой обработке <Object: word/embeddings/oleObject12.bin>;

Подача <Object: word/embeddings/oleObject13.bin>(стр. 283 табл. 34 [1]);

Скорость резания:

<Object: word/embeddings/oleObject14.bin> (стр. 282 [1]);

где <Object: word/embeddings/oleObject15.bin>; <Object: word/embeddings/oleObject16.bin>; <Object: word/embeddings/oleObject17.bin>; <Object: word/embeddings/oleObject18.bin>; <Object: word/embeddings/oleObject19.bin>; <Object: word/embeddings/oleObject20.bin>; <Object: word/embeddings/oleObject21.bin>. (стр. 286 табл. 39 [1]);

Стойкость фрезы принимаем <Object: word/embeddings/oleObject22.bin>.(стр.290 табл. 40 [1]);

Коэффициенты: <Object: word/embeddings/oleObject23.bin>; <Object: word/embeddings/oleObject24.bin>; <Object: word/embeddings/oleObject25.bin>(стр. 261 – 263 табл. 1 – 4 [1]);

<Object: word/embeddings/oleObject26.bin>;

1.2. Расчёт максимальной и минимальной скорости вращения шпинделя:

<Object: word/embeddings/oleObject27.bin> – принимаем nmax=50об/мин

1.3. Расчет максимальной силы резания.

Максимальная сила резания будет возникать при черновой обработке:

<Object: word/embeddings/oleObject28.bin> (стр. 282 [1]),

где <Object: word/embeddings/oleObject29.bin>; <Object: word/embeddings/oleObject30.bin>; <Object: word/embeddings/oleObject31.bin>; <Object: word/embeddings/oleObject32.bin>; <Object: word/embeddings/oleObject33.bin>; <Object: word/embeddings/oleObject34.bin>; <Object: word/embeddings/oleObject35.bin> (стр. 291табл. 41 [1]);

<Object: word/embeddings/oleObject36.bin>;

1.4 Крутящий момент на шпинделе:

<Object: word/embeddings/oleObject37.bin> (стр. 290 [1]);

<Object: word/embeddings/oleObject38.bin>;

1.5 Мощность резания:

<Object: word/embeddings/oleObject39.bin> – фактическая скорость резания;

<Object: word/embeddings/oleObject40.bin>;

Принимаем стандартный ряд чисел скоростей:

n= 50; 56; 63; 71; 80; 90; 100; 112; 125; 140; 160; 180; 200; 224; 250; 280; 315; 355.

2. Кинематический расчет.

2.1. Построение структурной сетки.

Структурная формула будет иметь вид:

<Object: word/embeddings/oleObject41.bin>;

Строим график структурной сетки (рис.1):

Рис.1. Структурная сетка.

2.2. Построение графика чисел оборотов:

Рис. 2. График чисел оборотов.

Передаточное отношение должно входить в пределы:

<Object: word/embeddings/oleObject42.bin>

<Object: word/embeddings/oleObject43.bin> <Object: word/embeddings/oleObject44.bin> <Object: word/embeddings/oleObject45.bin> <Object: word/embeddings/oleObject46.bin>

<Object: word/embeddings/oleObject47.bin><Object: word/embeddings/oleObject48.bin><Object: word/embeddings/oleObject49.bin><Object: word/embeddings/oleObject50.bin><Object: word/embeddings/oleObject51.bin>

2.3. Определение числа зубьев зубчатых колес.

2.4.Определяем действительное значение частот вращения шпинделя с учетом конкретных чисел зубьев колес на каждом валу и сравниваем со стандартными значениями.

Отклонение действительных величин не должно превышать

<Object: word/embeddings/oleObject72.bin>;

Расчет ведем по формуле:

<Object: word/embeddings/oleObject73.bin>, где <Object: word/embeddings/oleObject74.bin>.

<Object: word/embeddings/oleObject75.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject76.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject77.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject78.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject79.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject80.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject81.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject82.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject83.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject84.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject85.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject86.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject87.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject88.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject89.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject90.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject91.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject92.bin>;

2.5. Строим кинематическую схему (рис.3):

Рис.3. Кинематическая схема коробки скоростей.

3. Силовой расчёт коробки скоростей:

3.1 Определим КПД коробки скоростей:

<Object: word/embeddings/oleObject97.bin> (стр. 106. [2]);

η = 0,9924 ∙ 0,9985 = 0,959;

3.2 Требуемая мощность электродвигателя:

<Object: word/embeddings/oleObject98.bin>;

3.3 Выбираем асинхронный двигатель типа 4А160М8У3 (закрытый, обдуваемый, с синхронной частотой вращения <Object: word/embeddings/oleObject99.bin>, мощностью 11кВт), (стр. 28, табл.3,1 [2]);

3.4 Определяем фактическую частоту вращения каждого вала.

В коробке скоростей универсальных станков в качестве расчетного числа оборотов берут не <Object: word/embeddings/oleObject100.bin> , а расчетную:

<Object: word/embeddings/oleObject101.bin>, где <Object: word/embeddings/oleObject102.bin>- диапазон регулирования;

<Object: word/embeddings/oleObject103.bin>

Принимаем nр = 45 об/мин.

По графику (рис.2) расчётная частота вращения каждого вала составляет:

<Object: word/embeddings/oleObject104.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject105.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject106.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject107.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject108.bin>.

3.5 Определяем мощность на каждом валу по формуле:

<Object: word/embeddings/oleObject109.bin>, где <Object: word/embeddings/oleObject110.bin>- КПД передач, подшипников.

<Object: word/embeddings/oleObject111.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject112.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject113.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject114.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject115.bin>.

3.6. Определяем крутящий момент на каждом валу (стр. 237 [3]):

<Object: word/embeddings/oleObject116.bin>,

<Object: word/embeddings/oleObject117.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject118.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject119.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject120.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject121.bin>.

3.7. Определяем модуль зубчатых зацеплений:

В соответствии со стандартным рядом значений модуля, принятом в станкостроении принимаем (стр. 150 [4]):<Object: word/embeddings/oleObject122.bin>=4мм; <Object: word/embeddings/oleObject123.bin>=4мм; <Object: word/embeddings/oleObject124.bin>=4мм; <Object: word/embeddings/oleObject125.bin> =4мм.

4. Расчёт элементов коробки скоростей.

4.1. Расчёт геометрических параметров зубчатых колёс:

<Object: word/embeddings/oleObject126.bin>, откуда <Object: word/embeddings/oleObject127.bin>

<Object: word/embeddings/oleObject128.bin>

Диаметр: <Object: word/embeddings/oleObject129.bin>

Диаметр вершин зубьев: <Object: word/embeddings/oleObject130.bin>

Диаметр впадин зубьев: <Object: word/embeddings/oleObject131.bin>

Межосевое растояние: <Object: word/embeddings/oleObject132.bin>

Степень точности колес определяется в зависимости от назначения:

Принимаем степень точности 7. Материал колёс – сталь 40Х.

4.2. Предварительный расчет диаметров валов.

Диаметр вала определяется из условия прочности на кручение при пониженных допускаемых напряжениях:

<Object: word/embeddings/oleObject133.bin>, где

T – крутящий момент ;

<Object: word/embeddings/oleObject134.bin>- допускаемое условное напряжение на кручение.

<Object: word/embeddings/oleObject135.bin> для промежуточных валов:

<Object: word/embeddings/oleObject136.bin> для входного и выходного валов.

Тогда:

<Object: word/embeddings/oleObject137.bin> принимаем <Object: word/embeddings/oleObject138.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject139.bin>, принимаем <Object: word/embeddings/oleObject140.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject141.bin>, принимаем <Object: word/embeddings/oleObject142.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject143.bin>, принимаем <Object: word/embeddings/oleObject144.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject145.bin>, принимаем <Object: word/embeddings/oleObject146.bin>.

5 Расчет шпинделя на жесткость

Прежде всего определяем допускаемые значения параметров жесткости для проектируемого шпинделя, согласно данным допускаемая минимальная жесткость конца шпинделя для станков составляет 200 Н/мкм;

Составляем расчетную схему, в которой на шпиндель действует сила резания <Object: word/embeddings/oleObject147.bin>, результирующая, приведенных в одну плоскость сил <Object: word/embeddings/oleObject148.bin> и <Object: word/embeddings/oleObject149.bin>, а задний конец шпинделя разгружен от изгибающих сил за счет установки гильзы.

С учетом защемляющего момента в передней опоре перемещение переднего конца шпинделя:

<Object: word/embeddings/oleObject150.bin> ; где

Ррез=13380 Н;

а=82мм=0,082м – вылет переднего конца шпинделя;

L=580мм=0,58м – расстояние между опорами;

<Object: word/embeddings/oleObject151.bin> и <Object: word/embeddings/oleObject152.bin> - жесткость подшипников передней и задней опор, которую определяем по графику.

<Object: word/embeddings/oleObject153.bin>=110 кг/мкм; <Object: word/embeddings/oleObject154.bin>=55 кг/мкм;

Е=<Object: word/embeddings/oleObject155.bin> Па – модуль упругости материала шпинделя;

G=<Object: word/embeddings/oleObject156.bin> Па – модуль сдвига материала шпинделя;

<Object: word/embeddings/oleObject157.bin> и <Object: word/embeddings/oleObject158.bin> - площадь сечения переднего конца и межосевой части шпинделя;

<Object: word/embeddings/oleObject159.bin>=0,0093 <Object: word/embeddings/oleObject160.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject161.bin>=0,007 <Object: word/embeddings/oleObject162.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject163.bin> и <Object: word/embeddings/oleObject164.bin> - среднее значение осевого момента инерции сечения консоли и сечения шпинделя в пролете между опорами;

Для кольцевого сечения: <Object: word/embeddings/oleObject165.bin>; <Object: word/embeddings/oleObject166.bin>;

<Object: word/embeddings/oleObject167.bin>+

+<Object: word/embeddings/oleObject168.bin>=10,31 мкм;

Фактическая жесткость переднего конца шпинделя:

<Object: word/embeddings/oleObject169.bin>=1298 Н/мкм > 200 Н/мкм, т.е. жесткость шпинделя обеспечена.

6 Расчет усилий на органах управления

Механизм управления должен обеспечивать переключение скоростей проектируемой коробки скоростей путем перемещения его подвижных элементов.

<Object: word/embeddings/oleObject170.bin>=40 Н – мах усилие на рукоятке;

<Object: word/embeddings/oleObject171.bin> - длина рукоятки;

r=34 мм – радиус сектора;

<Object: word/embeddings/oleObject172.bin>- суммарная сила, которую нужно приложить, чтобы преодолеть все силы сопротивления.<Object: word/embeddings/oleObject173.bin>, где <Object: word/embeddings/oleObject174.bin>- суммарная сила сопротивления 3 блоков при переключении; <Object: word/embeddings/oleObject175.bin>- суммарное усилие, которое нужно преодолеть для перемещения вилок переключения на штанах при их количестве 3-х штук.

<Object: word/embeddings/oleObject176.bin> - сила сопротивления повороту зубчатого колеса при введении во впадину зуба, при несовпадении зуба и впадины;

<Object: word/embeddings/oleObject177.bin>- сила, необходимая для преодоления усилия фиксатора.

Массы блоков колес и вилок определяем по справочнику.

1) Двойной блок <Object: word/embeddings/oleObject178.bin>=2,4 кг;

2) Тройной блок <Object: word/embeddings/oleObject179.bin>=3,7 кг;

3) Тройной блок <Object: word/embeddings/oleObject180.bin>=5,1 кг;

Массы вилок переключения принимаем 3 кг кождая, т.е.

<Object: word/embeddings/oleObject181.bin>=3·3=9 кг;

<Object: word/embeddings/oleObject182.bin> - сила, необходимая для преодоления силы тяжести 2-х блоков, при их переключении.

Определение суммарного усилия, необходимо для преодоления сил трения от массы перемещаемых блоков зубчатых колес.

Суммарный вес блоков в Н:

<Object: word/embeddings/oleObject183.bin>=(<Object: word/embeddings/oleObject184.bin>+<Object: word/embeddings/oleObject185.bin>+<Object: word/embeddings/oleObject186.bin>)·g=(2,4+3,7+5,1)·9,8=110 H;

Тяговая сила на вилках переключения для перемещения блоков колес:

<Object: word/embeddings/oleObject187.bin>=110·0,15=16,5 Н;

Усилие, которое необходимо преодолеть для перемещения вилок переключения на штангах:

<Object: word/embeddings/oleObject188.bin>=9·9,8·0,15=13,23 Н;

Определение мощности холостого хода по формуле:

<Object: word/embeddings/oleObject189.bin>; где d – средний диаметр шестерни под подшипники всех промежуточных валов;

<Object: word/embeddings/oleObject190.bin>=50 мм; <Object: word/embeddings/oleObject191.bin> - диаметр шеек шпинделя <Object: word/embeddings/oleObject192.bin>=103мм;

<Object: word/embeddings/oleObject193.bin> - сумма частот вращения всех промежуточных валов;

<Object: word/embeddings/oleObject194.bin>=355+280+71=706 об/мин;

<Object: word/embeddings/oleObject195.bin><Object: word/embeddings/oleObject196.bin> - частота вращения шпинделя. <Object: word/embeddings/oleObject197.bin>=50 об/мин;

<Object: word/embeddings/oleObject198.bin>=0,15 кВт;

Момент на первом валу от мощности холостого хода:

Т=2,2 Н·м;

Окружная сила на колесе:

<Object: word/embeddings/oleObject199.bin>55 Н;

Необходимая осевая сила на шестерне для преодоления силы <Object: word/embeddings/oleObject200.bin>:

<Object: word/embeddings/oleObject201.bin>=63,5 Н;

Тогда сила сопротивления повороту зубчатого колеса при введении во впадину зуба при несовпадении зуба и впадины:

<Object: word/embeddings/oleObject202.bin>= 31,75 Н;

Рассчитываем усилие, необходимое для преодоления действия силы фиксатора блока колес, расположенных на 3 вилках переключения. Т.к. оси перемещаемых зубчатых колес расположены вертикально, а осевые силы во время вращения зубчатых колес отсутствуют (зубчатое зацепление прямозубое), то силу фиксации принимаем <Object: word/embeddings/oleObject203.bin>=10 Н для всех зубчатых колес.

Момент на рукоятке:

<Object: word/embeddings/oleObject204.bin>;

В тоже время: <Object: word/embeddings/oleObject205.bin>;

Длина рукоятки: <Object: word/embeddings/oleObject206.bin>=170мм.

7 Описание конструкции коробки скоростей

Механизм коробки скоростей расположен в корпусе, отливка из серого чугуна. Вращение на первый вал коробки передается через втулочно-пальцевую муфту. Коробка состоит из 4-х валов и шпинделя. На 1-м валу консольно насажена цилиндрическая шестерня, находящаяся в постоянным зацеплении с колесом на втором валу. Подвижные блоки базируются на шлицевом зацеплении валов. Зубчатые колеса 2, 3 и 4 валов передают крутящие моменты через шпонки. На 4 валу базируется шестерня на радиальных подшипниках, находящаяся в постоянным зацеплении с колесом пятого вала. Передача крутящего момента осуществляется с помощью упругой муфты. Применение муфты обусловлено значительными габаритами шестерни и в случае ее перемещения возникают значительные усилия на рукоятке управления.

Зубчатые колеса шпинделя (пятого) вала выполняем в виде блока колес, передача крутящего момента на шпиндель – посредством шлицевого зацепления.

Опоры шпинделя монтируются в пиноли, которая имеет возможность осевого колодочного перемещения посредством червячного и реечного зацепления с помощью моховика. После установки требуемого осевого положения пиноли производится ее фиксация винтовым зажимом с помощью клиновых втулок.

8 Анализ технико-экономической эффективности

Разработанная коробка скоростей отвечает следующим показателям эффективности:

1) Применяется структурная сетка с веерообразной структурой, что обеспечивает минимальные габариты.

2) Количество деталей сведено к минимуму, что повышает надежность коробки.

3) Повышает производительность за счет применения однорукояточного механизма управления по сравнению с другими(барабанного типа и др.).

4) Органы управления расположены с максимально возможным удобством для рабочего. Их конструкция проста и надежна.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ