Автор: Пользователь скрыл имя, 30 Ноября 2011 в 06:59, курсовая работа
Конструирование металлорежущих станков по настоящее время остается, по-прежнему, во многом процессом творческим, где большую роль играют не точные расчеты на прочность, жесткость, экономичность, а дань традициям, существующим конструкторским решениям, опыт инженера-конструктора.
Тем не менее, часть процесса конструирования МРС уже достаточно отработана, например проектирование привода главного движения производится по стандартной готовой схеме, приводящейся во многих источниках.
Конструирование шпиндельного узла, напротив, является типичным примером интуитивного решения задачи. Оценить результат такой работы может лишь моделирование его специализированным ПО или проверка готового изделия.
Введение………………………………………………………………………………...5
1 Кинематические расчеты…………………………………………………………….6
1.1 Построение кинематической схемы и структурной сетки привода………….6
1.2 Построение графика частот вращения исполнительного звена………………7
1.3 Определение числа зубьев колес……………………………………………….9
1.4 Определение действительного значения частот вращения исполнительного звена…………………………………………………………………………………11
2 Силовые расчеты……………………………………………………………………13
2.1 Определение расчетной частоты вращения шпинделя………………………13
2.2 Определение величин крутящих моментов и мощностей на валах привода.13
2.3 Предварительное определение диаметров валов привода…………………..15
2.4 Расчет цилиндрических зубчатых колес……………………………………...16
3 Проектирование развертки сборочной единицы и конструкции шпиндельного узла……………………………………………………………………………………18
3.1 Шпиндельные узлы металлорежущих станков………………………………18
3.2 Методика проектирования шпиндельных узлов……………………………..19
4 Моделирование привода главного движения станка……………………………..21
4.1 Построение расчетной схемы привода………………………………………..21
4.2 Параметризация расчетной схемы привода…………………………………..21
4.3 Упрощение топологической схемы привода…………………………………30
4.4 Моделирование динамики привода в пакете DYNAR…………………….....32
4.5 Определение собственных зубцовых частот зубчатых передач……...…………36
5 Моделирование динамики шпинделя……………………………………………...38
5.1 Построение расчетной схемы динамики шпинделя………………………….38
5.2 Определение параметров опор шпинделя………………………………….....39
5.3 Определение точек приложения нагрузок и их расчет………………………40
5.4 Моделирование динамики шпинделя в пакете SPINCH……………………..41
5.5 Результаты моделирования прогиба шпинделя………………………………42
5.6 Результаты моделирования динамики шпинделя………………………….....43
Заключение…………………………………………………………………………….45
Список литературы……………………………………………………………………46
Приложение А
Для обеспечения требуемой точности обработки детали на станках, в пределах определенного срока службы, шпиндель должен обладать жесткостью (способность сопротивляться деформациям под действием приложенных сил); износостойкостью посадочных отверстий и шеек под патроны, планшайбы, инструмент; стабильностью положения оси вращения в процессе эксплуатации станка.
Различают две группы по конструктивным признакам:
Материалы, используемые для изготовления шпинделей – сталь 45, 50, 40Х с поверхностной закалкой до твердости 48-52 ; 20Х, 18ХГТ без закалки; 40ХГР, 40ХФА. Шпиндели тяжелых станков изготавливаются из серых чугунов СЧ20.
Основным критерием, определяющим размеры шпинделя, является величина допускаемых деформаций при нагружении.
Основной критерий расчета шпиндельного узла – расчет на жесткость. Жесткость шпиндельных станков нормальной точности должна быть не менее 250 Н/мкм.
Шпиндель рассчитывается на виброустойчивость. Частоты собственных колебаний шпинделя должны превышать частоты возмущающих колебаний, быть не менее 500-600 Гц.
Шпиндель рассчитывается на точность – определяется величина радиального биения внутреннего кольца переднего подшипника с учетом величин радиальных биений передних подшипников передней и задней опор.
Шпиндель рассчитывают на прочность.
Для проектирования шпиндельного узла необходимо выбрать исходные данные – максимальную частоту вращения, мощность, крутящий момент на шпинделе, тип опор.
По прототипу или по передаваемой мощности может быть задан диаметр передней опоре шпинделя.
| Станки | Мощность электродвигателя, кВт | |||||
| 1.5-2.5 | 2.5- 3.5 | 3.5-5.5 | 5.5-7.5 | 7.5-11 | >11 | |
| Токарно-винторезный | 60-80 | 70-90 | 70-105 | 95-130 | 110-145 | 140-165 |
| Консольно-фрезерный | 50-90 | 60-90 | 60-95 | 75-100 | 80-105 | 110-115 |
| Вертикально-сверлильный | 50 | 60 | 80 | 80 | ||
Таблица 3.1 – диаметр шпинделя в передней паре подшипников в зависимости от мощности электродвигателя
Тип опор выбирают в зависимости от требуемой точности. Для станков класса точности Н и П в шпиндельных узлах могут использоваться подшипники качения. Для высокоточных станков используются гидростатические подшипники. При небольших нагрузках и требуемой высокой точности используются подшипники с воздушной смазкой и магнитные опоры.
Для подшипников качения основным критерием является скоростной параметр - быстроходность, d – диаметр шейки шпинделя под передним подшипником, n – максимальная частота вращения шпинделя.
Выбирают схему компоновки опор шпиндельных узлов.
Определяют вылет переднего конца шпинделя а – прочерчивают эскизный проект шпиндельного узла, при этом первоначально выбирают межопорное расстояние L:
| (3.1) |
Рисунок
4 – Эскизный проект шпиндельного узла
- диаметр переднего конца
| (3.2) |
- диаметр межопорной части:
| (3.3) |
- диаметр шпинделя в задней опоре:
| (3.3) |
Примем L=240 мм, =75 мм, =70 мм, =60 мм.
4 Моделирование привода главного движения станка
Прежде чем приступить к моделированию, необходимо получить математическую модель динамики привода. Для этого строится расчетная схема привода по эскизу коробки скоростей, приведенному на рисунке 4.1.
Основные элементы расчетной схемы:
– сосредоточенный момент инерции, J, кг∙м;
– крутильная податливость участка вала, е, м/Н.
Расчетная схема строится следующим образом. Элементы коробки скоростей, имеющие массу (валы, шестерни, блоки), обозначаются как сосредоточенный момент инерции, а кинематические передачи (ременная, зубчатая), шпонки, шлицы обозначаются как крутильные податливости. Если на валу находится две или более шестерни или блока, то этот вал испытывает кручение между этими шестернями. Чтобы этого избежать, вал разбивают на части: между торцами шестерен проводится условное сечение. Участки валов заменяются моментами инерции и соединяются податливостями валов. Расчетная схема промежуточных валов строится в направлении передачи момента. Все элементы расчетной схемы вала, стоящие на пути передачи момента, желательно располагать горизонтально, а элементы, не стоящие на пути передачи момента, располагать вертикально.
После того как расчетная схема построена, производится параметризация элементов расчетной схемы.
Детали привода (валы, шестерни, зубчатые колеса) имеют цилиндрическую форму с некоторым количеством уступов. Для вычисления момента инерции J - й детали ее условно разбивают на i-ые участки постоянного диаметра и определяют момент инерции каждого участка, J, кг∙м, по формуле
| (4.1) |
где r - плотность стали, 8000кг/м3 ;
lji – длина i-го участка j-ой детали, м;
Dji , dji – наружный и внутренний диаметры i-го участка, м,
а затем полученные моменты инерции участков складывают:
| (4.2) |
Для упрощенных расчетов допускается представлять сложные многоступенчатые детали в виде простых цилиндрических деталей.
Рисунок
4.1 – Развертка коробки скоростей привода
Рисунок
4.2 – Топологическая схема привода
Расчетные значения моментов инерции, а так же геометрические размеры участков валов и деталей привода приведены в таблице 4.1.
Таблица 4.1 – Расчет моментов инерции элементов привода
| Плотность материала, кг/м3 7800 | ||||||
| Элементы | Обоз. | № цилин. | L, м | D, м | d, м | J, кг·м2 |
| Вал двигателя | ||||||
| Сумма | JвΣдв | 0,014237 | ||||
| Ротор | Jр | 0,014 | ||||
| Шкив | Jшк1 | 1 | 0,016 | 0,067 | 0,030 | 0,237×10-3 |
| Первый вал | ||||||
| Сумма | JвΣ1 | 0,4816×10-3 | ||||
| Шкив | Jшк2 | 1 | 0,016 | 0,071 | 0,041 | 0,3004×10-3 |
| 2 | 0,004 | 0,057 | 0,041 | |||
| Крышка | Jкр. | 1 | 0,005 | 0,057 | 0,041 | 0,0445×10-3 |
| 2 | 0,010 | 0,041 | 0,036 | |||
| 3 | 0,003 | 0,036 | 0,020 | |||
Продолжение таблицы 4.1
| Элементы | Обоз. | № цилин. | L, м | D, м | d, м | J, кг·м2 |
| 4 | 0,004 | 0,036 | 0,020 | |||
| Участок вала 1 | Jв1’ | 1 | 0,002 | 0,020 | 0 | 0,0047×10- |
| 2 | 0,003 | 0,016 | 0 | |||
| 3 | 0,011 | 0,018 | 0 | |||
| 4 | 0,0105 | 0,027 | 0,018 | |||
| Участок вала 2 | Jв1’’ | 1 | 0,064 | 0,020 | 0 | 0,0277×10-3 |
| 2 | 0,062 | 0,025 | 0 | |||
| 3 | 0,011 | 0,020 | 0 | |||
| Блок зуб. 1 | Jбл.1 | 1 | 0,020 | 0,0355 | 0,025 | 0,1042×10-3 |
| 2 | 0,004 | 0,032 | 0,025 | |||
| 3 | 0,010 | 0,0475 | 0,025 | |||
| 4 | 0,0045 | 0,032 | 0,025 | |||
| 5 | 0,010 | 0,054 | 0,025 | |||
| Второй вал | ||||||
| Сумма | JвΣ2 | 0,8845×10-3 | ||||
| Шестерня 2 | Jш2 | 1 | 0,010 | 0,054 | 0,025 | 0,0732×10-3 |
| 2 | 0,013 | 0,035 | 0,025 | |||
| Участок вала 2 | Jв2’’ | 1 | 0,023 | 0,025 | 0 | 0,0069×10-3 |
| Участок вала 1 | Jв2’ | 1 | 0,034 | 0,025 | 0 | 0,0115×10-3 |
| 2 | 0,011 | 0,020 | 0 | |||
| Шестерня 1 | Jш1 | 1 | 0,009 | 0,060 | 0,025 | 0,0977×10-3 |
| 2 | 0,013 | 0,035 | 0,025 | |||
| Участок вала 3 | Jв2’’’ | 1 | 0,1335 | 0,025 | 0 | 0,0413×10-3 |
| 2 | 0,011 | 0,020 | 0 | |||
| 1 | 0,0095 | 0,052 | 0,025 | |||
| 2 | 0,010 | 0,034 | 0,025 | |||