Разработка конструкции специального вертикального обрабатывающего центра C13

Разработка конструкции специального вертикального обрабатывающего центра C13

1.      Технико-экономическое обоснование

1.1 Бизнес-план научно технического проекта

Наименование проекта: разработка специального оборудования для фрезерования деталей АКТ. Краткое наименование организации: ТМС СибГАУ, гр. Т-91.

Назначение научно-технического продукта (НТП) - модуль для изготовления деталей АКТ. Краткое описание НТП: модуль построенных на принципах стабилизированных процессов резания, позволяет получать поверхности после фрезерования по 7 и 9 квалитету.

Основные технические параметры: размеры заготовок от 360 мм до 1330 мм по длине, габариты станка в пределах 2500х2120х2460 мощность привода МГД 15 кВт.

Краткий перечень работ при создании НТП: оформление заявки на патент, разработка конструкторско-технологической документации на изготовление промышленного образца с выполнением расчетов на прочность и жесткость, виброактивность и надежность. Оформление заказа на изготовление. Разработка технологических процессов изготовления оригинальных деталей агрегата. Изготовление деталей, механизмов резания и подачи, сборочные операции, настройки всей продукции. Контрольные и приемосдаточные испытания.

Запрашиваемый объем финансирования: 600 тыс. руб. Срок окупаемости проекта: 2,3 года.

Научно-технический задел по проекту. Первичные исследования выполнены на установках базового предприятия и станочной конструкции. СибГАУ показала возможность получения поверхностей 7 и 9 квалитета точности, не уступающих точности станков ведущих мировых производителей. Отработаны режимы резания и конструкция режущего инструмента. Теоретические проработки выполнены для создания серийного модуля.

Назначение НТП: вертикально обрабатывающий центр для производства изделий АКТ. Потребители НТП: металлообрабатывающая промышленность.

Оценка создаваемого НТП: НТП как создаваемое целое, представляющее улучшенную технологию изготовления деталей в мелкосерийном производстве с использованием ресурсосберегающих способов резания металлов.

Перспективы совершенствования продукта. Направление совершенствования потребительских свойств состоит в увеличении производительности, а эксплуатационные характеристики повысить в 1,2 раза в части ресурса точности, гарантийное обслуживание обеспечивается разработчиком по авторскому надзору, сроки достижения улучшений 18 месяцев после сдачи в эксплуатацию первого образца.

Форма реализации НТП: Реализация в виде товарного изделия, услуги в освоении технологии силового резания, монтажа и запуска в производство.

Состояние работ по проекту: имеется тех. документация для опытного образца, степень технологической проработки: имеется по режимам резания, мощности приводов, жесткости.

Технико-экономическое обоснование проекта

Цели и задачи проекта:

Разработка конструкторской документации и технических требований станка для фрезерования.

Разработка чертежей ВО, СБ., РЧ.

Освоение выпуска фрезерных станков.

Реализация проекта производится кафедрой ТМС.

Содержание проекта

Главная цель проекта - изготовление и внедрение станков.

Характеристика: Станок, отвечающий предъявляемым требованиям, позволяющим быть конкурентоспособным аналогичным моделям производства.

Ожидаемый результат: документальное обеспечение изготовления и внедрение станка новой модификации.

Организационная форма реализации проекта: Демонстрация на региональных выставках; изготовление и распространение рекламных проспектов с описанием технических характеристик станка.

Сроки выполнения проекта: 3 года.

Прогноз платежеспособного спроса

Рынки сбыта: Машиностроительная техника, автомобильная промышленность.

Динамика спроса: круглогодичная - постоянная. При реализации проекта ресурсные затраты учитывают согласно финансовому плану.

Анализ долговременных последствий проекта: увеличение сбыта станков; улучшение технических характеристик станка.

Неблагоприятные последствия: изготовления специализированных станков с ограниченным спектром действий.

1.2 Системный анализ аналогов и выбор прототипа

Для анализа и выбора прототипа берём станки: Fadal VMC 3016, ГФ 2171.С5, 6ДМ80ШФ, ГФ 3171M, CNC KNUTH WF4.2 (см. табл. 1).

Таблица 1. Сравнение параметров станков

Параметры	Fadal VMC 3016	ГФ 2171.С5	6ДМ80ШФ2	ГФ 3171M	CNC KNUTH WF4.2 2
Размеры рабочей поверхности стола, мм	990 х 406	1600 х 400	320 х 800	1600 х 400	320 х 800
Рабочая зона Перемещение по оси X (продольное): мм Перемещение по оси Y (поперечное): мм Перемещение по оси Z (вертикальное): мм	762  406.4  508	1010  400  430	1000  400  400	1010  400  400	500  350  400
Скорость перемещения в режиме быстрого хода (X/Y/Z): м/мин	25.4	7	3	7	3
Скорость подачи в режиме резания: (X/Y/Z): м/мин	20.32	7	3	7	3
Скорость вращения шпинделя: об/мин	15000	2500	12000	8000	4000
Мощность кВт	11	7,5	26	7,5
Максимальная длина инструмента: мм	381	250	95	250	95
Максимальный диаметр инструмента: мм	76.2	25	15	25	15
Габаритные размеры, мм: длина ширина высота	2500 2120 2460	3100 3135 2850	2420 2760 2015	2600 2600 3250	2900 2150 2330
Масса, кг	3878	5700	3250	6800	2000

Для того чтобы станок обладал высокими техническими характеристиками, необходимо, чтобы его показатели качества находились в требуемых пределах в течение всего периода эксплуатации и обеспечивали изготовление продукции заданной точности. Поэтому необходимо оценить начальные (статические) показатели качества станков.

Для сравнения станков используются такие важные параметры, как: частота вращения шпинделя, влияющая на шероховатость обработки детали; мощность электродвигателя главного движения, влияющая на окружную скорость фрезы и силу резания при фрезеровании; категории ремонтной сложности, влияющие на время ремонта оборудования; индекс точности, влияющий на точность обработки заготовки; ресурс точности - время в течении которого станок сможет поддерживать необходимую точность без настройки; радиальное биение шпинделя, влияющее на точность обработки детали и другие параметры. Сравнивая параметры предложенных станков с нашим станком, делаем выводы о пригодности станка по выбранным параметрам сравнения.

Краткие сведения станков-аналогов.

Fadal VMC 3016 - Вертикально-фрезерные станки, выпущенные компанией Fadal, отличаются высоким качеством исполнения, надежностью и точностью в работе. Производитель предлагает широкий выбор фрезерных обрабатывающих центров, поэтому Вы без труда найдете удовлетворяющий всем Вашим требованиями станок. Следует отметить, что продукция Fadal отличается оптимальным сочетанием цена-качество.

Вертикально-фрезерный станок от компании Fadal отличается характеристиками, позволяющими качественно выполнять свои функции. ЧПУ, устанавливаемое на оборудование, обеспечивает его высокую производительность. Удобство работы со станками определяется возможностью просмотра микрокоманд на жидкокристаллических экранах, которыми оснащаются все модели вертикально-фрезерных станков.

ГФ 2171.С5 - Фрезерный станок по металлу с ЧПУ ГФ2171.С5 и МСИ на 12 инструментов - предназначен для обработки деталей сложной конфигурации из стали, чугуна, цветных и легких металлов, а также других материалов. Наряду с фрезерными операциями на станке можно производить точное сверление, растачивание, зенкерование и развертывание отверстий.

Большая мощность привода главного движения, широкий диапазон подач и частот вращения шпинделя, высокая жесткость конструкции фрезерного станка ГФ2171 позволяют применять фрезы, изготовленные из быстрорежущей стали, а также инструмент, оснащенный пластинками из твердых и сверхтвердых синтетических материалов.

Фрезерный станок с ЧПУ ГФ2171 оснащен трех-координатным устройством ЧПУ системы NC-210 и электроприводами подач OMRON (Япония), что позволяет производить обработку сложных криволинейных поверхностей.

ДМ80ШФ - Универсальный фрезерный с ЧПУ 6ДМ80ШФ2 с крестовым столом предназначен для выполнения всех видов фрезерных работ, сверления, зенкерования и растачивания отверстий на деталях из черных и цветных металлов, их сплавов и пластмасс в единичном, мелкосерийном и серийном производстве, что позволяет существенно расширить технологические возможности инструментального фрезерного станка.

Применение в приводе подач серводвигателя с частотным бесступенчатым регулированием, в сочетании с оригинальным конструктивным решением автоматической раздачи движения на управляемые оси, дало возможность задания параметров обработки и последовательности перемещений рабочих органов станка непосредственно с пульта оператора.

Конструктивные особенности универсального фрезерного станка с ЧПУ по металлу 6ДМ80ШФ2 использование комплектующих изделий ведущих зарубежных фирм, таких как Merlin Gerin, Lenze, Mitsubishi Electric, позволили обеспечить максимальное удобство в работе, охватить широкий диапазон режимов обработки, повысить надежность и производительность станка и достичь наибольших показателей точности и качества обработки.

Вертикально-фрезерный станок с ЧПУ ГФ3171М предназначен для обработки деталей сложной конфигурации из стали, чугуна, цветных и легких металлов, а также других материалов. Наряду с фрезерными операциями на станках можно производить точное сверление, растачивание, зенкерование и развертывание отверстий.

Большая мощность привода главного движения, широкий диапазон подач и частот вращения шпинделя, высокая жесткость конструкции станков позволяют применять фрезы, изготовленные из быстрорежущей стали, а также инструмент, оснащенный пластинками из твердых и сверхтвердых синтетических материалов.

Вертикально-фрезерный станок с ЧПУ ГФ3171М оснащен трех или четырех-координатным устройством ЧПУ и следящими электроприводами подач, что позволяет производить обработку сложных криволинейных поверхностей.

Станки выпускаются в различных модификациях по напряжению и частоте питающей сети. Поставляются запасные части.

Комплектуются системами ЧПУ NC-210, NC-200, NC-110, FMS-3000, 4СК, МАЯК, SINUMERIC-802D.

По желанию заказчика станки могут быть оснащены любыми другими системами ЧПУ.

Основные преимущества вертикально-фрезерного станка с ЧПУ ГФ3171М.

Более высокие верхний предел частот вращения и мощность шпинделя позволяют эффективно использовать современный режущий инструмент, оснащенный пластинками из сверхтвердых композиционных материалов.

Увеличение скорости быстрых перемещений и рабочих подач делает станок более производительным.

Реверсивный привод главного движения вертикально-фрезерного станка с ЧПУ ГФ3171М обеспечивает технологическую возможность нарезание на станке резьбы метчиками без применения специального патрона.

Отсутствие подвижной консоли позволяет устанавливать на столе станка заготовки значительно большей массы.

Моноблочная компоновка станка (под крюк) без отдельно стоящих станции управления и гидростанции позволяет существенно сократить производственные площади, занимаемые станком.

CNC станок KNUTH WF 4.2 для универсального применения в мастерских.

·              Гасящие вибрации технические характеристики, благодаря массивной конструкции с ребрами жесткости;

·              Полностью закрытый рабочий стол обеспечивает защиту окружения от стружки и охлаждающей жидкости;

·              Лоток для стружки под рабочим столом для удобного удаления остатков материала;

·              Оптимальные затраты времени на оснастку, благодаря гидравлическому зажиму инструмента (стандартная комплектация);

·              Ход пиноли вертикальной фрезерной головки позволяет производить обработку в ручном режиме;

·              Закаленные направляющие с антифрикционным покрытием, которое уменьшает трение и износ сопряженных поверхностей, таким образом увеличивая срок службы деталей;

·              Бесступенчатая регулировка частоты вращения шпинделя (40 - 4000 об/мин) позволяет обработку разнообразных материалов;

·              ЧПУ GPlus 450 с интуитивным управлением способствует максимальной эффективности и рентабельности использования CNC-станка.

При рассмотрении вышеуказанных станков, сравнение их технических характеристик. Можно сделать вывод о том, что наиболее подходящим по размеру стола и мощности электродвигателя, частоте оборотов и рабочей зоне использования в качестве прототипа является вертикальный обрабатывающий центр Fadal VMC 3016.

.3 Компоновка, конструктивные проработки и описание станка прототипа

Fadal VMC 3016 - Вертикально-фрезерный станок от компании Fadal отличается характеристиками, позволяющими качественно выполнять свои функции. ЧПУ, устанавливаемое на оборудование, обеспечивает его высокую производительность. Удобство работы со станками определяется возможностью просмотра микрокоманд на жидкокристаллических экранах, которыми оснащаются все модели вертикально-фрезерных станков.

Движения в станке

Компоновка шпиндельного узла - вертикальная.     

Главные движения:

·        Вертикальное перемещение фрезерной головки, которое осуществляется при помощи механизма подъема. (Y)

·        Поперечное перемещение фрезерной головки. (Z)

·        Продольное перемещение фрезерной головки. (X)

·        Вращение фрезы.

·    Автоматическое продольное перемещение стола.

1.4 Определение класса точности станка

Требуемый класс точности МРС для обработки деталей заданной точности принимается на основании расчетов и анализа.

Первый параметр R рассчитывается по данным рабочего чертежа по наиболее точному размеру и качеству поверхности.

,

где, - шероховатость детали

- допуск на размер, определяем по наиболее точному размеру и качеству поверхности, определяем для размера

 сравниваем с табличным, ближайшим для соответствующего класса точности станка по таблице 3.2.1

Таблица 3.2.1

	R	A	P (x)
Н	0.05	0.56	0.85
П	0.025	0.32	0.9
В	0.0125	0.25	0.99
А	0.0063	0.2	0.999
С	0.0032	0.6	0.9999

Принимаем класс точности станка - П

Определяем значение радиального биения для шпинделя

2.     
Технологическая часть

 

.1 Расчет режимов резания

. Определение скорости резания:

Скорость резания определяем по формуле:

,

где значения коэффициента С_v, периода стойкости Т и показателей степени, приведенные в таблице 3.3.1, взяты из [10]

Таблица 3.3.1

qxytmpUBSТ
234	0.44	0.24	0.26	3	0.37	0.13	0.1	30	0,1	80

Общий поправочный коэффициент на скорость резания учитывающий фактические условия резания определяется по формуле[10]:

,

где коэффициент, учитывающий качество обрабатываемого материала:

; ,,      ,

коэффициент учитывающий состояние поверхности заготовки:

,

коэффициент учитывающий материал заготовки: ,

Тогда скорость резания будет равна

.

2.2 Определение силы резания

Главная составляющая сила при фрезеровании - окружная сила, определяется по формуле [10]:

,

где z-число зубьев фрезы, n - частота вращения фрезы.

Таблица 3.3.2

Ср	х	у	U	q	w
12.5	0.85	0.75	1	0.73	-0.13

Поправочный коэффициент на качество обрабатываемого материала равен:

.

Тогда сила резания будет равна:

Определение мощности резания(эффективной)

Определение КПД

Подшипники (8) - 0.98

Ременные передачи (1) - 0.98

 

.3 Выбор марки двигателя

Правильный выбор электродвигателя, особенно по мощности, правильная установка имеют важное значение для нормальной работы станка. Если мощность двигателя занижена, то возможности станка не будут полностью использованы, возможны значительные сокращения срока службы и аварий электродвигателя. Завышение мощности ведет к систематической недогрузки электродвигателя и соответственно понижению его КПД. При работе электродвигателя с непрерывной, постоянной нагрузкой выбирают двигатель с равной или несколько большей номинальной мощностью.

Приведенная мощность резания

,

При выборе электродвигателя пользуемся [12]. Выбираем асинхронный двигатель марки 4АМ90L2У3 ГОСТ 215150-69 с синхронной частотой  и мощностью 3 кВт.

АМ90L2У3: 4 - порядковый номер серии; А - вид двигателя - асинхронный; станина и щиты чугунные или стальные; М - модернизированный; 90 - высота оси вращения ротора; L-высота оси вращения; 2 - число полюсов; У3 - климатическое исполнение и категория размещения (для работы в зонах с умеренным климатом) по ГОСТ 215150-69.

Частота асинхронная будет равна:

где f = 50 Гц - частота тока, Гц= 1 - число пар полюсов= 4.6% = 0,046 - коэффициент скольжения

Рисунок 3.4.1

Эскиз электродвигателя

Габаритные размеры электродвигателя

Двигатель	Габаритные размеры			Установочные и присоединительные размеры
	l30	h31	d30	l1	l10	l31	d1	d10	b10	h
ГОСТ 215150-69	350	243	208	50	125	56	24	10	140	90

2.4 Разработка кинематической схемы механизма главного движения

При проектировании для передачи вращательного движения от двигателя к шпинделю главного движения используем клиноременную передачу.

Определяем диаметр шкива шпинделя, мм

,

где N - мощность резания, кВт

- число оборотов шпинделя, мин^-1.

,

где  - скорость резания

Определяем диаметр шкива на двигатель

Принимаем  по ГОСТ 20889-75

Уточняем число оборотов шпинделя, мин^-1.

В ременной передаче будем использовать плоский хлопчатобумажный цельнотканый пропитанный ремень.

Межосевое расстояние, мм

Угол обхвата меньшего шкива

Длина ремня, мм

Ширина ремня, мм

,

где  - допускаемая удельная окружная сила на единицу ширины, Н/мм.

 - поправочный коэффициент, зависящий от рода и расположения передачи,

 - поправочный коэффициент на влияние угла обхвата,

 - поправочный коэффициент на влияние скорости,

 - поправочный коэффициент на влияние режима работы.

В соответствии со стандартом принимаем ширину ремня 20 мм.

3.      Конструкторская часть

.1 Расчет и выбор параметров шпинделя

Шпиндель, являющийся конечным звеном привода главного движения и предназначенный для крепления инструмента или заготовки оказывает существенно, часто лимитирующее, влияние на точность, производительности и надежность всего станка. Шпиндельные узлы станков в соответствии с предъявляемыми к ним требованиям должны обеспечить следующее:

1.       Передачу на инструмент или заготовку расчетных режимов для заданных технологических операции.

2.       Точность вращения, оцениваемую радиальным и осевым биением переднего конца шпинделя.

.        Жесткость (радиальная и осевая), определяемая по деформации шпинделя под нагрузкой. Деформация шпиндельных узлов в общем балансе упругих перемещений доходит до 50%. Исходя из нормальной работы подшипников, жесткость на участках между опорами ограничивают величиной 500-700 Н/мкм.

.        Высокие динамические качества, которые определяются амплитудой колебаний переднего конца шпинделя и частотой собственных колебаний. Желательно что бы собственная частота шпинделя была не ниже 500-600 Гц.

.        Минимальные тепловыделения и температурные деформации шпиндельного узла.

.        Долговечность шпиндельных узлов.

Для шпинделя станка выбираем материал Сталь 40Х ГОСТ 4543-71, с поверхностной закалкой с нагревом ТВЧ до твердости HRC_в 48-56

Метод смазывания определяется надежностью работы шпиндельного узла. Метод циркуляционного смазывания более всего оптимален для данного станка.

Для уплотнения шпинделя используем контактное манжетное резиновое армированное уплотнение с пружиной.

Определяем минимальный диаметр шпинделя по условию жёсткости, так как этот способ отвечает всем ограничениям по условию прочности, поэтому расчёт считается достаточным.

где N_дв - мощность двигателя МГД, кВт;

n_р - рабочая частота вращения шпинделя (6-я), об/мин.

Исходя из соображений оптимальной массы вала и необходимых размеров под конус ВТ45, принимаем диаметр 80 мм под сдвоенные подшипники.

Общую длину шпинделя (l) примем равной длине шпинделя из прототипа, равной 500 мм

Вылет шпинделя со стороны режущего инструмента:

Левая консоль:

Расстояние между опорами:

Проверка:

Корпус шпиндельного узла имеет форму параллелепипеда. Жесткость корпуса увеличивается за счет увеличения жесткости стенок непосредственно в местах приложения нагрузки путем простановки бобышек и ребер.

Ориентировочно толщина стенки (по литейным условиям) равна

.

где L, B, H габаритные размеры корпуса.

3.2 Выбор подшипников

Работа шпинделя зависит от выбора его опор. Жесткость шпиндельного узла, его виброустойчивость, а так де точность вращения связаны с конструкцией опор. В качестве опор шпинделя применяют подшипники качения и подшипники скольжения с жидкостным трением.

Выбор опор осуществляется исходя из основных требований, предъявляемый к опорам шпинделей:

1.       Высокая точность вращения;

2.       Опоры шпинделя должны быть долговечны. Нормальный срок службы подшипников качения принимается 5000 часов;

.        Виброустойчивость опор;

.        Одинаковая работа во всем диапазоне применяемых скоростей и нагрузок;

.        Эксплуатационные преимущества;

На точность вращения шпинделя так же влияет точность шейки шпинделя.

Исходя из заданной схемы установки подшипников на шпинделе: 202Х. Для восприятия радиальных нагрузок выбираем двухрядные радиально-упорные подшипники[5].

Для первой опоры выбираем подшипник шариковый радиально-упорный сдвоенный легкой серии 236216 ГОСТ 832-78.

Таблица 3. Геометрические и конструктивные параметры подшипника С222-236216 ГОСТ 832-78

d	B	r	r1	Масса, кгС, Н
80	140	52	3	0,5	0,3242563

Обозначение подшипников:

Подшипник С222-236216 ГОСТ 832-78

С - категория вибрации подшипника,

- ряд момента трения;

- группа радиального зазора;

-класс точности подшипника;

-конструктивное исполнение;

-тип подшипника;

-серия диаметров;

-диаметр отверстия.

Для второй опоры выбираем подшипник шариковый радиально-упорный сдвоенный легкой серии 336216 ГОСТ 832-78.

Таблица 4. Геометрические и конструктивные параметры подшипника С222-336216 ГОСТ 832-78

dDBrr1Масса, кгС, Н
80	140	52	3	0,5	0,3227376

Обозначение подшипников:

Подшипник С222-336216 ГОСТ 832-78

С - категория вибрации подшипника,

- ряд момента трения;

- группа радиального зазора;

-класс точности подшипника;

-конструктивное исполнение;

-тип подшипника;

-серия диаметров;

-диаметр отверстия.

Список литературы

1.     Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3. т. М.: Машиностроение. Т.3. 1980. 575 с.

2.       Кучер А.М. и др. Металлорежущие станки (альбом общих видов, кинематических схем и узлов). Л.: Машиностроение, 1972. 365 с.

.        Металлорежущие станки и промышленные работы: Метод. указания, контрольные задания и рабочая программа для студентов заочной формы обучения спец. 120100 / Сост. Ю.А. Филиппов, Л.В. Ручкин, З.С. Дроздова, В.Д. Утенков; САА. Красноярск, 2002,84 с

.        Обработка металлов резанием: Справочник технолога[Текст]/А.А. Панов, В.В. Аникин, Н.Г. Бойм; под общ. ред. А.А. Панова. 2-е изд, перераб и доп.-М.: Машиностроение, 2004.-784с, ил.

.        Подшипники качения: справочник-католог / под ред. В.Н. Нарышкина и Р.В. Коросташевского. - М.: Машиностроение, 1984. - 240 с, ил.

.        Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: Справочник - учебник. В 3-х т./А.С. Проников, Е.И. Борисов, В.В. Бушуев и др, под общ. ред. А.С. Проникова. - М.: Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана: Машиностроение, 1995-317 с, ил.

.        Проников А.С. Расчет и конструирование металлорежущих станков. Изд. 2-е. «Высшая школа», 1968,431 с, ил.

.        Проников.А.С. Металлорежущие станки и автоматы. М.: Машиностроение, 1985. 479 с.

.        Пуш В.Э. Металлорежущие станки. М.: Машиностроение, 1986. 562 с.

.        Справочник технолога - машиностроителя. В 2. т./ Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение. Т.2. 1986. 496 с.

.        Тарзиманов Г.А. Проектирование металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1980. 288 с.

.        Шейнблит А.Е., Курсовое проектирование деталей машин: Учеб. Пособие для техникумов. - М.: Высшю шк., 1991. -423 с.

станок точность центр резание