Курсовая работа (т): Проект консольно-вертикально фрезерного станка с разработкой привода вращательного движения шпинделя и конструкции шпиндельного узла

 - постоянная зубчатая передача между II и III валами.

.10 Определение диаметров шкивов клиноременной передачи и числа зубьев зубчатых передач

Передаточное отношение клиноременной передачи:

 (2.30)

Выбираем диаметр ведущего шкива равный 128 мм и диаметр ведомого шкива равный 128 мм.

Передаточные отношения зубчатого блока:

 (2.31)

 (2.32)

Выбираем число зубьев для этой передачи .

Передаточное отношение постоянной зубчатой передачи между II и III валами:

 (2.33)

Выбираем число зубьев для этой передачи .

Построим кинематическую схему привода.

Рисунок 2.4 - кинематическая схема привода

. Силовой расчет привода главного движения консольно-вертикально-фрезерного станка

.1 Определение расчетного числа оборотов шпинделя

Во время работы станка крутящий момент на приводе электродвигателя уравновешивается моментами от силы резания и сил трения в узлах и механизмах станка.

Возникающие в приводе внутренние силы (реакции опор, усилия в зубчатых парах и так далее) являются производными от внешних сил и образуют для каждого элемента систему сил, служащих для его расчета.

Усилия резания определяют крутящий момент на приводе электродвигателя, а также крутящий момент на шпинделе М, Нм, по формуле:

 (3.1)

где Р - окружная сила резания, Н;

d - диаметр обрабатываемой заготовки, мм.

Зная крутящий момент на шпинделе , можно определить мощность резания Р, кВт, по формуле:

 (3.2)

где n - частота вращения шпинделя, об/мин.

С точки зрения разумной эксплуатации, станку необходимо работать при использовании мощности во всем диапазоне регулирования, или иметь на шпинделе одинаковую мощность при любой частоте вращения.

При минимальной частоте вращения шпинделя:

 (3.3)

Нужен ли максимальный крутящий момент на шпинделе при минимальной частоте его вращения.

Статические данные показывают, что в реальных производственных условиях на низких частотах вращения шпиндель выполняет операции, которые не требуют максимального крутящего момента (нарезание резьбы, развертывание отверстий и так далее).

Полное использование мощности электродвигателя имеет место в средней части диапазона регулирования.

Исходя из вышесказанного, при силовом расчете элементов привода в качестве числа оборотов при котором производится расчет диаметров валов, модуль зубчатых колес и т.д. принимается не n_{min шп}, а n_расч при котором и определяется крутящий момент на шпинделе М_кр , Нм.

При использовании в приводе регулируемых двигателей постоянного тока силовой расчет элементов приводов ведется при номинальной частоте вращения двигателя. На этой частоте вращения двигатель развивает максимальный крутящий момент.

.2 Определение значений крутящего момента

Крутящий момент на валу электродвигателя , Нм, определяем по формуле:

 (3.4)

где  - мощность двигателя, кВт;

 - номинальная частота вращения двигателя, об/мин.

Крутящий момент на I валу привода , Нм, определяем по формуле:

 (3.5)

где  - КПД участка цепи привода между двигателем и первым валом;

 - передаточное отношение участка цепи привода между двигателем и первым валом.

КПД участка цепи привода между двигателем и первым валом , определяем по формуле:

 (3.6)

где  - КПД ременной передачи;

 - КПД радиально-упорных подшипников.

Крутящий момент на II валу привода , Нм, определяем по формуле:

 (3.7)

где  - КПД участка цепи привода между I и II валом;

 - передаточное отношение участка цепи привода между I и II валом.

КПД участка цепи привода между двигателем и первым валом , определяем по формуле:

 (3.8)

Крутящий момент на III валу привода , Нм, определяем по формуле:

 (3.9)

где  - КПД участка цепи привода между II и III валом;

 - передаточное отношение участка цепи привода между II и III валом.

КПД участка цепи привода между двигателем и первым валом , определяем по формуле:

 (3.10)

.3 Определение значения мощности привода

Определим значения мощности на валах привода.

Значение мощности на валу электродвигателя  равно 3,4 кВт.

Мощность на первом валу привода , кВт, определим по формуле:

 (3.11)

Мощность на втором валу привода , кВт, определим по формуле:

 (3.12)

Мощность на третьем валу привода , кВт, определим по формуле:

 (3.13)

.4 Определение диаметров валов

Расчет диаметра i-того вала , мм, можно производить на чистое кручение по пониженному допускаемому напряжению  без учета влияния изгиба:

 (3.14)

где  - крутящий момент на i-том валу привода, Нмм;

 - допускаемое напряжение на кручение, для валов из сталей 40, 45 принимают пониженное значение  = 10 ÷ 15 (Н/мм²), тогда

 (3.15)

Диаметр первого вала , мм, определим по формуле:

 (3.16)

Примем, по второму ряду предпочтительных чисел, диаметр под подшипниками  равный 32 мм, а диаметр под шестерней  равный 40 мм.

Диаметр второго вала , мм, определим по формуле:

 (3.17)

Примем, по второму ряду предпочтительных чисел, диаметр под подшипниками  равный 50 мм, а диаметр под шестерней  равный 63 мм.

Диаметр третьего вала , мм, определим по формуле:

 (3.18)

Примем, по второму ряду предпочтительных чисел, диаметр под подшипниками  равный 50 мм, а диаметр под шестерней  равный 63 мм.

.5 Расчет зубчатых пар

Расчет ведется с тех зубчатых пар, которые находятся в кинематической схеме. Модули зубчатых колес рассчитываются по контактным напряжениям и напряжениям изгиба. Специфика расчета в том, что в формулы для определения модулей и входит частота вращения шестерней, которая выбирается из графика частот вращения для расчетной кинематической цепи. Для расчета зубчатых пар используется программа «ZUB».

4. Проектирование развертки сборочной единицы и конструкции шпиндельного узла

.1 Шпиндельные узлы металлорежущих станков

Шпиндель - наиболее ответственная деталь станка, служащая для закрепления детали, заготовки или инструмента и обеспечивающая взаимное расположение инструмента и заготовки в процессе обработки.

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 ны, планшайбы, инструмент; стабильностью положения оси вращения в процессе эксплуатации станка.

Различают две группы по конструктивным признакам:

) шпиндели, подверженные действию изгибных и крутящих моментов (токарные, фрезерные, шлифовальные станки);

) шпиндели, подверженные действию только крутящих моментов (сверлильные станки).

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.

.2 Методика проектирования шпиндельных узлов

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.

Таблица 4.1

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, мм, по формуле:

 (4.1)