Проектирование токарного станка с ЧПУ на базе модели 16К20Ф3

Проектирование  токарного станка с ЧПУ на базе модели 16К20Ф3

Введение

Данная  работа предполагает проектирование токарного  станка-аналога на базе станка 16К20ФЗ. Проектируемый станок должен отвечать всем требованиям современного станкостроения, основными из которых являются:

• повышение производительности станка путем интенсификации режимов обработки и сокращения вспомогательного времени;
• повышение точности обработки и формообразования
• жесткость
• прочность
• виброустойчивость
• теплостойкость
• высокий КПД главных и вспомогательных механизмов (приводов).

Высокую производительность процесса обработки  станок обеспечивает за счет быстроходности, мощности и автоматизации. Устройство числового программного управления позволяет повысить мобильность  производства и точность, а также  автоматически устанавливать необходимые  режимы обработки с учетом изменяющихся условий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Общее описание токарного станка

Токарно-винторезный станок16К20Ф3 с устройством ЧПУ NC-202 оснащен главным приводом Hyundai N300 и двумя приводами подач HA-075 по осям Z и X. Дополнительной особенностью данного станка является оснащение его приводом Delta VFD007 выполняющим функцию зажима-разжима пиноли, патрона и управление головой резцедержки. Он предназначен для токарной обработки в автоматическом режиме наружных и внутренних поверхностей деталей типа тел вращения со ступенчатым и криволинейным профилем различной сложности по заранее составленной управляющей программе. Область применения станка: мелкосерийное и серийное производство.

Особенности конструкции:

-высокопрочная станина выполненная литьем из чугуна марки СЧ20 с термообработанными шлифованными направляющими обеспечивают длительный срок службы и повышенную точность обработки. Станина станка имеет коробчатую форму с поперечными ребрами П-образного профиля, закаленные шлифованные направляющие. На станине устанавливаются шпиндельная бабка,  каретка, привод продольной подачи и задняя бабка. Для базирования каретки на станине передняя направляющая имеет форму неравнобокой призмы, задняя направляющая— плоская. Задняя бабка базируется на станине по малой задней призматической направляющей и по плоскости — на передней направляющей.

-привод главного движения, включающий главный двигатель  11 кВт и шпиндельную бабку обеспечивает  наибольший крутящий момент до 800 Нм

-Привод продольного перемещения. Привод    продольного    перемещения включает шариковую передачу винт—гайка качения, опоры винта, приводной электродвигатель постоянного тока с редуктором или асинхронный двигатель с частотным регулированием и редуктором, а также датчик обратной связи, который соединен с винтом через муфту. Выбор зазора в зубчатом зацеплении редуктора производится перемещением переходной плиты с электродвигателем при помощи поворота эксцентрика.

- Привод поперечного перемещения включает шариковую передачу винт—гайка качения, опору винта, приводной электродвигатель постоянного тока или асинхронный с частотным регулированием, датчик обратной связи, соединенный с типом через муфту.

 -высокоточный шпиндель с отверстием 55 мм (по заказу 64 мм), позволяющий обрабатывать детали из пруткового материала зона обработки может быть оснащена как линейной наладкой, так и револьверной головкой, в зависимости от требований

-На станке 16К20ФЗ используется автоматическая универсальная 6 - позиционная головка. Головки оснащены инструментальным диском на шесть радиальных или три осевых инструмента (6 - позиционная головка).

Заднее ограждение неподвижное    щитового типа со съемными щитками с задней стороны станка и переднее ограждение - подвижное с прозрачным экраном для наблюдения, закрывает зону резания

-надежная защита шарико-винтовых пар обеспечивает долговечность работы механизмов перемещения по координатам X и Z станок оснащается системами ЧПУ и электроприводами, как отечественного производства, так и производства зарубежных фирм

-Основание станка. Основание станка представляет  собой жесткую отливку, на которой  устанавливаются станина, электродвигатель главного движения.

Кинематика  станка. Главное движение – вращение шпинделя. Вращение шпинделю сообщается от частотно-регулируемого асинхронного электродвигателя с постоянной мощностью 20-2500 об/мин.

          Передача вращения шпинделю осуществляется  через клиновой ремень 2240Л20 с  передаточным отношением 1:2,5, т.е. Æ200/Æ280.  Далее возможен вариант: через зубчатую передачу 40/54 с I на III вал и передачу 65/43 на шпиндель IV.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Технические характеристики токарно-винторезного станка 16К20Ф3 с  ЧПУ NC-202.

Наименование  параметров	Ед.изм.	Величины
Наибольший диаметр изделия, устанавливаемого над станиной	мм	500
Наибольший диаметр изделия, обрабатываемой над станиной	мм	320
Наибольший диаметр обрабатываемого  изделия над суппортом	мм	200
Наибольшая длина устанавливаемого изделия в центрах	мм	1000
Диаметр цилиндрического  отверстия в шпинделе	мм	55
Наибольший ход суппорта поперечный	мм	210
Наибольший ход суппорта продольный	мм	905
Максимальная рекомендуемая  скорость рабочей продольной подачи	мм/мин	2000
Максимальная рекомендуемая  скорость рабочей поперечной подачи	мм/мин	1000
Количество управляемых  координат		2
Количество одновременно управляемых координат		2
Точность позиционирования	мм	0,01
Повторяемость	мм	0,003
Диапазон частот вращения шпинделя	1/об.	20...2500
Максимальная скорость быстрых  продольных перемещений	м/мин	15
Максимальная скорость быстрых  поперечных перемещений	м/мин	7,5
Количество позиций инструментальной головки		6
Мощность привода главного движения	кВт	11
Суммарная потребляемая мощность	кВт	кВт
Габаритные размеры станка	мм	3700х2260х1650
Масса станка (без транспортера стружкоудаления)	кг	4000

Разработка технического задания  на проектирование станка

Область применения станка и тип  производства.

        Проектируемый станок предназначен  для обработки  в замкнутом  полуавтоматическом цикле деталей  типа тел вращения со ступенчатым  и криволинейным профилем, включая  нарезание крепежных резьб. Станок-аналог оснащен устройством ЧПУ с вводом программы обработки изделия с клавиатуры, магнитной кассеты или с перфоленты.

Класс точности станка «Н», область  применения - индивидуальное, мелкосерийное  и серийное производство с мелкими  повторяющимися партиями деталей.

Наладка станка является одним  из ответственных этапов его эксплуатации. Правильная наладка способствует повышению  производительности труда, качества продукции  и сохранению долговечности оборудования.

Наладка — подготовка технологического оборудования и технологической  оснастки к выполнению технологической  операции.

Подналадка — дополнительная регулировка технологического оборудования и (или) технологической оснастки при выполнении технологической операции для восстановления достигнутых при наладке значений параметров. Под наладкой следует понимать большой комплекс действий, направленных на подготовку, как нового, так и находящегося в эксплуатации станка к работе и на поддержание его в работоспособном состоянии. Сокращение времени наладки особенно важно в связи с расширением области использования станков с ЧПУ в мелкосерийном производстве.

Наладка станка с ЧПУ включает в себя подготовку режущего инструмента  и технологической оснастки, размещение рабочих органов станка в исходном для работы положении, пробную обработку  первой детали, внесение корректив  в положение инструмента и  режим обработки, исправление погрешностей и недочетов  в управляющей  программе.

В единичном и мелкосерийном  производстве, когда требуемая точность обработки достигается методом  пробных ходов и измерений, задачами наладки являются:

1. Установка приспособления и режущих инструментов в положения, обеспечивающие наивыгоднейшие условия обработки   (высокая   производительность обработки и стойкость режущего инструмента, требуемое качество обрабатываемой  поверхности и хорошие условия стружкообразования);

 

2. Установка режимов работы станка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчёт режимов резания

Наибольший диаметр обработки D_max=500мм;

Высота  центров H=D_max/1.25=400 мм;

Принимаем по ГОСТ 440-57 Н=400 мм;

Наименьший диаметр обработки D_min=D_max/5...6=80…100 мм; Принимаем D_min=80 мм.

Предельный припуск на обработку 

0.75- С_t-коэффициент зависящий от материала и вида заготовки (С_t=0.6 для чугунов и бронз, С_t=0.7-0.8 для стальных заготовок).

Предельная подача

Наибольшая и наименьшая частоты  вращения шпинделя:

При V_max= 800м/мин V_min=30м/мин

n_max=1000Vmax/πDmin=1000*800/3,14*80=3185 об/мин Принимаем 3000об/мин

n_min=1000 V_min /πD_max= 1000*30/3,14*500=19об/мин. Принимаем 20об/мин

Скорость холостых ходов  V_x=6м/мин

 

Диапозон регулирования привода

 

Число ступеней частот вращения двигателя 

 

Число ступеней частот вращения коробки скоростей

z_k=lg(n_max/n_min)/lgφ=2.18/0.09=24

P_z=P_zтабK₁K₂

Р_таб=690=Pz –определяется из карты для максимальных величин подачи и глубины резания; K₁K₂ –коэффициетны, зависящие от обрабатываемого материала к величине переднего угла резца соответственно.

Py=(0.4-0.5)*Pz=276

Px=(0.3-0.4)*Pz=207

Параметры режимов резания:

V = 240 м/мин;

S = 0.3 мм/об;

t = 5 мм;

Эффективная мощность, потребная  на резание, определяется по формуле:

N_эф=2πМ_крn₀= 2*3,14*1207.5*73=9226 Вт

М_кр - момент от сил резания, n – частота вращения заготовки при наиболее жестких режимах резания .

Момент силы резания 

Мkp=Рz*d/2*0.01=1207.5 Нм

d=(0.7-0.8)Dmax=350мм

n₀=1000V_черн/πd=73 об/мин (V_черн=80 м/мин)

Мощьность электродвигателя главного движения  N=Nэф/кпд=9226/0,8=11,5 кВт

Максимальный крутящий момент на шпинделе:

М_кр=N/2πn_расчη=11533/2*3,14*68,4=34,06

n_расч – расчетное число оборотов шпинделя, определяемое по формуле:

n_расч=n₁₌₁₉ об/мин

n₁ – минимальная частота вращения шпинделя , об/мин; D_рег – диапозон регулирования привода главного движения;

Выбор двигателя

Конструкции коробок скоростей, применяемых в станках с ЧПУ, отличаются большим разнообразием. В процессе проектирования стремятся  уменьшить их габариты, увеличить  передаваемую мощность, обеспечить мелкую градацию и большой диапазон частот вращения. Особенность расчёта привода главного движения, состоит в необходимости подобрать коробку скоростей и двигатель, которые бы обеспечили заданный диапазон регулирования частот вращения шпинделя с требуемыми параметрами.

По известной мощности резания с учетом КПД подберем стандартный двигатель, используя методику:

Двигатель: МР132М;

Номинальная мощность: P_н = 11 кВт;

Номинальная скорость: n_ном = 1000 об/мин;

Максимальная скорость: n_max = 3500 об/мин;

Момент инерции: J = 0.141 кг/м²

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Кинематический расчет привода главного движения

Рассчитаем передаточные отношения:

U₁=n_расч/n_ном=176/1000=0,18-понижающая передача;

 U₂=n_{max шп}/n_{max дв}=3000/3500=0,9-повышающая передача;

U₂=1-постоянная, т.к. диаметры шкивов выходного вала коробки скоростей и шпинделя равны.

Исходные данные для расчета:

D_max = 500 мм – максимальный диаметр обрабатываемого изделия;

D_min = 80 мм – минимальный диаметр;

V_max = 800 м/мин – максимальная скорость резания;

V_min = 30 м/мин – минимальная скорость резания;

Знаменатель геометрического ряда

Определим частоты вращения:

 

 

 

 

n_z = n_max = 3000 об/мин;

n = n_min = 20 м/мин

При расчёте коробок скоростей  с регулируемыми электродвигателями используют следующие выражения:

Диапазон регулирования  коробки скоростей находим по выражению:

 

 

Расчётная частота вращения шпинделя, об/мин:

 

 

Диапазон регулирования  частот вращения шпинделя с постоянной мощностью:

 

Диапазон регулирования  двигателя с постоянной мощностью:

 

Зададимся величиной передаточных отношений в группе передач, примем . Тогда диапазон переключения в группе будет равен:

 

Определим количество степеней скорости в механической части привода:

 

Примем z_k = 2

Определим максимальную частоту  вращения вала II, задавшись i₃ = 2:

 

 

Нанесем передаточное отношение  i₃ на график. Определим по графику i₁:

 

 

 

Определим частоту вращения шпинделя при частоте вращения двигателя  nд.р.max и минимальном передаточном отношении коробки скоростей (i₂=0.33):

 

 

Найдем частоту вращения вала II при включении на шпинделе расчетной частоты n_p = 70 об/мин:

 

 

При этом двигатель должен обеспечить частоту:

 

 

 

 

4. Расчет числа зубьев зубчатых колес

Наиболее важными задачами, которые должны решаться при расчете  и конструировании коробки скоростей, являются:

- увеличение КПД

- увеличение нагрузочной  способности деталей и надежности  их работы