Автоматизация шлифовального процесса путем разработки автоматической системы управления регулируемым натягом

Деталь крепится в патроне 7102-0078 ГОСТ 24351-80

1.8.1 Выбор режущего инструмента

Для обработки поверхности 6 берем резец 2102-0191, режущая часть которого выполнена из твердого сплава Т15К6 ГОСТ 21151-75.

1.8.2 Выбор измерительного инструмента

Для первого перехода используется штангенциркуль ШЦ1-125-0.1 ГОСТ 166-80.

1.8.3 Расчет режимов резания и определение мощности

1 переход

V=Vтабл.*k=157*1,4=220м/мин.

Определяем частоту вращения шпинделя.

Чистовое точение:

t=0.5 mm - глубина резания.

Режимы резания определяются табличным методом.

S=0.2 mm/об.

V=Vтабл.*k=230*1,4=322м/мин.

Определяем частоту вращения шпинделя.

2 переход

Черновое точение:

t=3.7 mm - глубина резания.

d=158 mm - диаметр заготовки.

Режимы резания определяются табличным методом.

S=0.5 mm/об.

V=Vтабл.*k=114*1,4=160м/мин.

Определяем частоту вращения шпинделя.

Чистовое точение:

t=0.3 mm - глубина резания.

d=150,6 mm - диаметр заготовки

Режимы резания определяются табличным методом.

S=0.15 mm/об.

V=Vтабл.*k=270*1,4=378м/мин.

Определяем частоту вращения шпинделя.

3 переход

t=2.6 mm - глубина резания.

d=150 mm - диаметр заготовки.

Режимы резания определяются табличным методом.

S=0.25 mm/об.

V=Vтабл.*k=107*1,4=149,8м/мин.

Определяем частоту вращения шпинделя.

4 переход

t=2.5 mm - глубина резания.

d=150 mm - диаметр заготовки.

Режимы резания определяются табличным методом.

S=0.25 mm/об.

V=Vтабл.*k=107*1,4=149,8м/мин.

Определяем частоту вращения шпинделя.

5 переход

Растачивание отверстия

t=2.5 mm - глубина резания.

d=108 mm - диаметр заготовки

Режимы резания определяются табличным методом.

S=0.5 mm/об.

V=Vтабл.*k=114*1,4=160 м/мин.

Определяем частоту вращения шпинделя.

Растачивание отверстия

t=2.5 mm - глубина резания.

d=115 mm - диаметр заготовки

Режимы резания определяются табличным методом.

S=0.3 mm/об.

V=Vтабл.*k=198*1,4=277,2 м/мин.

Определяем частоту вращения шпинделя.

1.8.4 Определение силы резания

Наибольшая сила резания возникает при наибольшем снятии припуска. В данном расчете наибольший припуск снимается во втором переходе, где Р=7.4 мм.

. (1.10)

для силы Рz

. (1.11)

Kp=0.84*1*1.1*1*1=0.924

x=1 y=0.75 n=-0.15

где KP=1.1 KP=1 KP=1 K=1 KP=0.84

PZ=10*300*3.71+0.50.75*160-0.15*0.924=3107H

для силы Рy

Kp=0.84*1*1.4*1*1=1.17

x=0.6 y=0.8 n=-0.3

где KP=1.1 KP=1 KP=1 K=1 KP=0.84

Pу=10*240*40.6+0.50.8*160-0.3*0.924=767H

для силы Рx

x=1.05 y=2 n=-0.4

где KP=1.4 KP=1 KP=1 K=1 KP=0.84

Px=10*130*3.71.05+0.50.2*160-0.4*1.17=685H

Мощность резания определяется по следующей формуле.

, (1.12)

1.8.5 Расчет режимов резания для шлифовального процесса

В проекте разрабатывается система для автоматизации процесса шлифования, для расчета привода его возможностей по управлению и регулированию его параметров необходимо знать силы которые будут возникать в проектируемом узле и которые предстоит компенсировать, и требуемые мощности привода. Рассчитаем их:

t=0.4 mm;

V=30 м/сек;

S=400 мм/дв.ход;

i=1.

. (1.13)

При малых t Ру=8-10*Рz рекомендуемая нагрузка Pz=50 H, Py=500 H. Используя график зависимости осевого смещения подшипников от схем монтажа и осевой нагрузки от процесса обработки Рис.1.1 получим предельное смещение опоры узла =6мкм., что произойдет при осевой жесткости подшипников этой серии j=250 H/мкм (монтаж по предложенной схеме увеличивает осевую жесткость на 20-25%, то j=300 H/мкм) достаточно для эффективной обработки с заданными параметрами.

Рис 1.1 Зависимость осевого смещения подшипников от схем монтажа и преднатяга. Подшипники типа 46216. осевой преднатяг: легкий А0=190 Н; средний А0=560 Н

Полученные результаты будут использоваться как база для расчета возможностей привода при осевом смещении ротора.

1.9 Техническое нормирование

Технически обоснованной нормой времени называется время, необходимое для выполнения операции в определенных организационно-технологических условиях, наиболее благоприятных для данного производства.

На основании габаритных размеров обрабатываемой заготовки и найденных режимов резания определяется основное время операции, вспомогательное время, оперативное время, время технического обслуживания, организационного обслуживания, время перерывов в работе по естественным надобностям, подготовительно-заключительное время на операцию, штучное и штучно-калькуляционное время.

Расчет производится по следующим формулам:

Тшт=t0+tB+tобс+tn, (1.14)

где

tВ - вспомогательное время на операцию составляет 15% от оперативного времени, мин

t0= t0j- основное время на операцию (машинное время). (мин.)

t0j- основное время на выполнение j перехода обработки элементарной поверхности.

, (1.15)

где

L - длинна обрабатываемой поверхности (мм.).

l - длинна перебега и глубина врезания инструмента.

i- число рабочих ходов.

n- частота вращения заготовки.

S- подача на один оборот.

Для первой операции.

t01=t011+t012

t01- основное время на первый переход.

t011- основное время для чернового точения на первый переход.

t012 - основное время для чистового точения на первый переход.

t01=t011+t012=0,061+0,51=0,571мин

Для второй операции.

t02=t021+t022

t02- основное время на второй переход.

t021- основное время для чернового точения на второй переход.

t022 - основное время для чистового точения на второй переход.

t02=0,23+0,58=0,81мин

Для третей операции.

t03- основное время на третий переход.

Для четвертой операции.

t04- основное время на четвертый переход.

Для пятой операции.

t05=t051+t052

t05- основное время на пятый переход.

t051- основное время для чернового точения на пятый переход.

t052 - основное время для чистового точения на пятый переход.

t05=0,12+0,11=0,23мин

t0=0,57+0,81+0,2+0,12+0,23=1,931 мин.

tв= tвy+tmB, (1.16)

где

tв- вспомогательное время на операцию.

tвy=1,31мин.- время на установку и снятие заготовки.

tmB=0,19 мин. - вспомогательное время.

tв=1,5 мин.

tобс- время на обслуживание оборудования- время (уборка стружки, смазка), мин.

tобс= 10% tо,(1.17)

tобс= 10% *1,931=0,1931

tп- время на личные потребности.

tп= 0,05 tо

tп= 0,05 *1,931=0,0965 мин.

Тшт=1,931+1,5+0,1931+0,0965=3,72 мин.

Определим штучно калькуляционное время.

, (1.18)

где

ТПЗ- подготовительно заключительное время.

n - партия деталей, шт.

,

где

N - годовой объем выпуска, шт.;

250 - кол-во рабочих дней в году;

5 - кол-во дней хранения заготовки на складе;

шт.

ТПЗ= ТПЗ 1+ ТПЗ 2 + ТПЗ 3

где

ТПЗ 1=6.2 мин.

ТПЗ 2 -=25,5 мин. - время учитывающее дополнительные работы.

ТПЗ 3=10,5 мин. - время на пробную обработку.

ТПЗ=6,2+25,5+10,2=42,2 мин.

Тшт.к=3,72+(42,2:30)=5,12 мин

2. Конструкторский раздел

2.1 Анализ влияния величин натяга на производительность и точность обработки

В настоящее время большее количество станков выпускаются со шпиндельными узлами на подшипниках качения. Поэтому очень важно в каждом случае выбрать оптимальную конструкцию шпиндельного узла.

Все конструктивные схемы разбиты на три группы: низкоскоростные, среднескоростные и высокоскоростные, по мере увеличения их быстроходности, однако при этом происходит уменьшение жесткости и несущей способности (передаваемой мощности).

Шпиндели, работающие на приделах своих скоростей, неизбежно дают погрешности на точность обработки за счет линейного расширения от нагрева, повышенных вибрации в опорах. Эти параметры учтены таблицами и решаются еще на технологическом этапе проектирования узлов станка, но их также можно регулировать в процессе обработки за счет величин зазор-натяга в подшипниках несущих опор. Этим достигается уменьшение температурного удлинения переднего конца шпинделя, увеличивается жесткость и виброустойчивость при резании (в зависимости от режимов).

Влияние внутреннего зазора-натяга переднего двухрядного конического подшипника на показатели работоспособности шпиндельного узла показано на рис.2.1 и 2.2.

Рис 2.1. Зависимость жесткости С, динамической податливости К, некруглости обработанных деталей r, момента трения М. и коэффициента демпфирования h от осевого зазора-натяга в конических роликоподшипниках.

Рис. 2.2 Зависимость жесткости С, предельной стружки t, некруглости обработанных деталей r и избыточной температуры нагрева от радиального зазора-натяга в конических роликоподшипниках

Как видно для обеспечения высокой жесткости и виброустойчивости и незначительного нагрева необходимо устанавливать при сборке требуемый внутренний зазор-натяг. Для опор с радиальными и радиально-упорными подшипниками натяг создается путем смещения наружного кольца относительно внутреннего, а также за счет натяга посадки. Смещение колец подшипника определяет преднатяг опоры - легкий, средний и тяжелый. С увеличением преднатяга жесткость увеличивается, а предельная частота вращения уменьшается, и это уменьшение значительно (рис. 2.3).

Рис. 2.3 Зависимость быстроходности d nспаренных (дуплекс) радиальных шарикоподшипников класса точности 2 от силы преднатяга A0.

Но потеря в скорости обработки, а соответственно и в производительности компенсируется точностью обработки см. Рис.2.4

Рис. 2.4 Зависимость жесткости j, биения вращения , некруглости деталей r, избыточного нагрева t, предельной стружки t от зазор-натяга H посадки наружных колец подшипников 3102110(а) и 46208(б)

Жесткость шпиндельных узлов в значительной мере определяет точность обработки детали на металлорежущих станках. Упругие отжимы шпинделя возникают в результате податливости опор шпинделя, собственного прогиба шпинделя, деформации сопряженных с подшипником детали.

Упругие смешения в опорах качения складываются из упругих сближений /г тел качения и колец, контактных деформаций //г на поверхность посадки колец на шпиндель и в корпус.

Общее упругое сближение:

г =/г+//г. (2.1)

Параметры контактных деформаций //г и величены упругого смещения также определяются величиной зазор-натяга, входящей в их расчетные формулы и коэффициенты их определяющие.

/г=К1Ра (мм), (2.2)

где

К1,а - коэффициент и показатель степени для опор различных типов.

Р- нагрузка (кГ).

Р=izCrf(),.3)

где

=e/2r;

f()=1/;

z - число тел качения в одном ряду подшипника;

i - количество рядов. e-предварительный натяг (мм);

f() - интервал распределения нагрузок;

C - коэффициент типа подшипника (кГ/мм.);

d - диаметр отверстия подшипника.

Рис. 2.5 Определение радиальной податливости шпинделя на роликоподшипниках типа 3182100 и 4162900 в зависимости от прилагаемой нагрузки F и диаметра вала d.

//г=, (мм) (2.4)

где

d, D - внутренний и наружный диаметры подшипника (мм.)

b - ширина подшипника (мм.)

k2=0.0050.025 мм3/кГ.

Меньшее значение k2будет при повышенной точности, больших натягах и при установке внутреннего кольца на конус.

Рис. 2.6. График для определения коэффициента К2 для расчета податливости двухрядных роликоподшипников типа 3182100 и 4162900

Ѕ*1/() для 0<<1

F()= Ѕ для >=1 (2.5)

ј для =0

Жесткость подшипника определяется как:

J=P/r. (2.6)

Очевидно, что увеличение предварительного натяга выше граничного значения е, соответствующего значению =1, не приводит к дальнейшему увеличению жесткости опоры. Только между значениями = 0 и = 1 находится область, где изменение натяга приводит к существующему изменению жесткости подшипников.

Такой результат соответствует физической картине деформации подшипников, если рассматривать внутреннее кольцо подшипника как тело, установленное между двумя пружинами (нижняя пружина -- нижняя половина комплекта роликов; верхняя пружина -- верхняя половина комплекта роликов; плоскость раздела комплекта роликов перпендикулярна направлению радиальной нагрузки на подшипник). При установке подшипника с зазором нагрузки воспринимают лишь ролики, расположенные ниже плоскости раздела, при монтаже с натягом “включаются” ролики верхней половины комплекта (вторая пружина). Поиск оптимального распределения нагрузок в опорах - является одной из основных задач при проектировании ШУ. Этот оптимум и даст величины максимальной скорости обработки при поддержании жесткости достаточной для получения требуемой точности.

2.2 Обзор способов создания предварительного натяга

2.2.1 Само регулируемые подшипниковые опоры

Известны подшипниковые опоры, которые содержат радиально упорный подшипник и регулятор его натяга. Регуляторы создают натяг или расслабляют опору в зависимости от величины от центробежных сил, что весьма ограничивает их применение, но при этом саморегулирование исключает сложности с устройством систем управления этого параметра.