Выбор материала и разработка технологии изготовления шпинделя шлифовального станка

Министерство науки и  образования РФ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

 

Институт педагогики, психологии и  социологии

 

Кафедра «МиТОМ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

Выбор материала и разработка технологии изготовления шпинделя шлифовального  станка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Преподаватель                           ______________             А. М. Токмин

                                                                         подпись, дата                         инициалы, фамилия

 

Студент ИП08-02                      ______________           П. В. Князев

                              код (номер) группы        подпись, дата                         инициалы, фамилия

  

 

 

 

 

 

 

 

 

Красноярск 2013 

ЗАДАНИЕ

 

Задачей курсовой работы является комплексное решение  вопросов оптимального выбора материала  и технологии обработки детали, работающей в заданной среде при заданных условиях. Основные решаемые вопросы:

- анализ  существующих деталей в аналогичных  условиях, выявление их достоинств  и недостатков;

- выбор и  обоснование комплекса необходимых  свойств для данной детали;

- анализ  существующих материалов на предмет  обладания заданными свойствами, выявление их достоинств и  недостатков;

- выбор и  обоснование материала и последующей  технологии его обработки, удовлетворяющей  техническому заданию;

- составление  списка необходимого оборудования  для производства детали по  разработанной технологии;

- расчет  стоимости и сроков производства  готовой детали в нужном объеме;

- расчет  рентабельности и экологичности производства данных деталей.

Задание: выбор материала и разработка технологии изготовления шпинделя шлифовального станка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение…………………………………………………………………….4

1 Характеристика изделия……………………………………………….	5
2 Общие технические условия работы шпинделя шлифовального станка……………………………………………………………………………..	8
2.1 Основные параметры и размеры………………………………….	8
2.2 Технические требования…………………………………………...	9
3 Характеристика сталей для шпинделя шлифовального станка…….	11
4 Технология изготовления шпинделя шлифовального станка………	13
Заключение………………………………………………………………...	16
4 Список использованных источников……………………………………	17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Машиностроительная  отрасль является основной технологической  базой, определяющей развитие всей промышленности любой страны. Поэтому темпы роста  машиностроения должны значительно  превышать аналогичные показатели других отраслей народного хозяйства. В настоящее время машиностроение, как ни одна из других отраслей, сильно отстает от научно-технического прогресса, в связи со сложностью выпускаемого технологического оборудования.

Новейшие  выпущенные станки и другое оборудование являются, в настоящее время, морально устаревшими, так как очень много  времени уходит на разработку конструкторской  и технологической документации, подготовку производства и другие организационные  работы. Поэтому в данный момент перед машиностроением стоит  огромное число сложных и важных задач, таких как: планирование и  разработка перспективных технологий; создание высокопроизводительных энерго- и материалосберегающих технологий; повышение качества и технического уровня машиностроительной продукции; применение средств автоматизации и механизации производства.

 

 

 

 

 

 

1 Характеристика изделия

 

Шпинделем называется главный вал  металлорежущих станков, предназначенный  для непосредственной передачи вращения заготовке, либо режущему инструменту. Вместе с опорами он образует шпиндельный узел – наиболее ответственный узел станка. От его точности, жесткости и износостойкости во многом зависит точность изготовления изделия. Конструктивные формы шпинделей различны. Они определяются характером установки и закрепления на нем инструмента и заготовки, типом применяемых опор.

 

Рисунок 1 – Шпиндель

 

Шпиндель представляет собой полый  вал ступенчатой формы, обеспечивающий надежную установку, закрепление и  направление насаженных на него деталей. Передний конец имеет поверхности  и элементы, предназначенные для  установки, точного направления  и закрепления заготовок или  инструмента. Конструкции концов шпинделей  различных станков стандартизированы. Заготовки устанавливаются и  закрепляются в патронах или центрах. Планшайбы патронов жестко соединяются  с концами шпинделя. Планшайбы  закрепляют с помощью резьбы. Для  установки и центрирования инструмента  передние концы шпинделя снабжены конусными  отверстиями или наружными конусами. У большинства станков отверстия  шпинделей выполнены по размерам конусов Морзе.

Шпиндель  является одной из наиболее ответственных  деталей станка. От его точности, жесткости, вибростойкости и износостойкости во многом зависит точность изготовляемого изделия. Поэтому к шпинделю предъявляется ряд повышенных требований. Конструкцию шпинделя определяют:

а) требуемая  жесткость, расстояние между опорами, наличие отверстия (для пропуска материалов и для других целей);

б) конструкция  приводных деталей (зубчатые колеса, шкивы) и их расположение на шпинделе;

в) тип подшипников  и посадочные места под них;

г) метод  крепления патрона для детали или инструмента (определяют конструкцию  переднего конца шпинделя).

 

Рисунок 2 – Вал и эпюра напряжения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Шпиндели  современных станков имеют довольно сложную форму. К ним предъявляются  высокие требования по точности изготовления; часто до половины всех проверок на точность, проводимых при изготовлении станка, приходится на шпиндельный  узел. Компоновка шпиндельных узлов  связана с компоновкой всего  станка, так как шпиндель является одним из главных его элементов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – «Дерево свойств»

 

 

 

 

 

2 Общие технические условия работы шпинделя шлифовального станка

 

2.1 Основные параметры и размеры

 

В зависимости  от условий обеспечения заданной точности обработки и быстроходности узла выбирают тип опор шпинделя. Параметр быстроходности влияет на выбор компоновочной схемы узла. Расчетную схему узла обычно представляют в виде балки с консолью на двух шарнирных опорах.

Определяются  основные размеры шпинделя: диаметры шеек под переднюю и заднюю опоры, переднего конца шпинделя, шпинделя между опорами, сквозного отверстия; вылет шпинделя;  расстояние между  опорами. 

Минимальное значение диаметра шейки под передней опорой зависит от мощности привода главного движения и типа шпинделя. Выбор значения этого диаметра влияет на величины диаметров переднего конца шпинделя между опорами. Вылет шпинделя зависит от параметров переднего конца для крепления инструмента или приспособления, размеров уплотнений под подшипники,  ширины первого подшипника.  Его значение влияет на выбор величины расстояния между опорами.

Определяются реакции в опорах в зависимости от значения силы резания на переднем торце узла. Рассчитывают моменты инерции передней и межопорной частей шпинделя, радиальную податливость опор и прогиб переднего торца. Полученное значение прогиба сравнивают с допустимым значением, и при его превышении необходим пересчет размеров вала.

Шпиндельные узлы современных станков являются наиболее ответственным элементом  в общей цепочке обеспечения качества обрабатываемых поверхностей.  Высокие скорости вращения шпинделей ведут к тому, что сравнительно небольшие дефекты в его подшипниковых узлах через короткое время приводят к деградации подшипника и потере точности станка в целом. На ранней стадии развития дефекты подшипника еще не сказываются на точности обработки, но они уже  позволяют программировать будущий отказ.

Методы вибро-акустической диагностики – наиболее эффективный инструмент для выявления зарождающихся дефектов подшипниковых узлов. Эти методы целесообразно применять и на стадии создания технологического оборудования, и на стадии эксплуатации для принятия своевременных мер по техническому обслуживанию или ремонту шпиндельного узла.

Подшипник скольжения — опора или направляющая механизма или машины, в которой трение происходит при скольжении сопряжённых поверхностей. Радиальный подшипник скольжения представляет собой корпус, имеющий цилиндрическое отверстие, в которое вставляется рабочий элемент — вкладыш, или втулка из антифрикционного материала и смазывающее устройство. Между валом и отверстием втулки подшипника имеется зазор, заполненный смазочным материалом, который позволяет свободно вращаться валу.

Смазка является одним из основных условий надёжной работы подшипника и обеспечивает: низкое трение, разделение подвижных  частей, теплоотвод, защиту от вредного воздействия окружающей среды и  может быть:

• жидкой (минеральные и синтетические масла, вода для не металлических подшипников),
• пластичной (на основе литиевого мыла и кальция сульфоната и др.),
• твёрдой (графит, дисульфид молибдена и др.) и
• газообразной (различные инертные газы, азот и др.).

Наилучшие эксплуатационные свойства демонстрируют пористые самосмазывающиеся  подшипники, изготовленные методом порошковой металлургии. При работе пористый самосмазывающийся подшипник, пропитанный маслом, нагревается и выделяет смазку из пор на рабочую скользящую поверхность, а в состоянии покоя остывает и впитывает смазку обратно в поры.

 

2.2 Технические требования

 

Работа шпинделя зависит от типа его опор. В большинстве  случаев условия работы шпинделя определяют и наиболее целесообразный тип подшипников.

К опорам шпинделей  предъявляют следующие специфические  для металлорежущих станков требования:

1. точность направления (радиального и осевого) шпинделя;
2. приспособляемость к переменным условиям работы.

Кроме того, к опорам шпинделей предъявляют  также требования общие для опор валов, – достаточная долговечность, малые габариты, простота изготовления (подшипников скольжения), простота и удобство сборки, регулирования и разборки и т.д.

В качестве опор шпинделей шлифовальных станков  используют подшипники скольжения. Для надежной работы подшипника необходимо, чтобы несущий масляной слой между шейкой шпинделя и подшипником имел необходимую толщину и жесткость во всем диапазоне скоростей и нагрузок. При износе и значительном изменении режима работы станка должна быть предусмотрена возможность регулирования зазора в подшипнике. Желательно, чтобы при этом не произошло искажения формы подшипника, так как это может повлиять на условия жидкостного трения.

В станкостроении используют многоклиновые гидродинамические подшипники, так как одноклиновые не могут обеспечивать требуемой жесткости и точности вращения. Подшипники с несколькими клиньями (многоклиновые подшипники) обеспечивают высокую точность вращения за счет центрирования шпинделя гидродинамическим давлениями, создаваемыми в нескольких зонах по окружности. Клиновые пространства создаются в подшипниках этого типа, либо неравномерным деформированием вкладыша, либо применение вкладыша из нескольких самоустанавливающихся частей, равномерно установленных по окружности.

Существенным  недостатком гидродинамических  опор является изменение положения  оси шпинделя при изменении частоты вращения шпинделя.

Исследования  показали, что гидродинамические  подшипники могут обладать высокой  жесткостью и большой несущей  способность. Однако, при высоких скоростях скольжения применение подшипников с жидкостным трением ограничивается как тепловыделением, так и возрастанием момента трения в смазочном слое. Уменьшение этого момента применением шпинделей меньших диаметров приводит к снижению их жесткости и виброустойчивости.

В связи с  этим большой интерес представляет применение подшипников с газовой  смазкой. Ее малая вязкость уменьшает  момент трения и соответственно тепловыделения, поэтому не требует специальных устройств для отвода тепла, кроме вентиляции. Температура и давление воздуха практически не влияют на его вязкость, что обеспечивает стабильность работы подшипника.