Модернізація приводу головного руху зі ступеневим регулюванням свердлильного верстата
СОДЕРЖАНИЕ: Розрахунок частоти обертання, чисел зубів зубчастих передач, радіальної та осьової жорсткості приводу шпинделів зі ступеневим регулюванням, двошвидкісним електродвигуном та автоматизованою коробкою передач. Визначення точності підшипників вузла.Міністерство освіти і науки України
Житомирський державний технологічний університет
Кафедра ТМ і КТС
Пояснювальна записка до курсової роботи з дисципліни:
Розрахунок та моделювання верстатами
на тему: Модернізація приводу головного руху зі ступеневим регулюванням свердлильного верстата
Житомир
2007
Глава 1. Розрахунок вихідних даних
1.1 Діаметри обробки
– приймаємо 
.
1.2 Глибина різання
,
де 
– діаметр обробки, мм;
1.3 Подача
Значення подачі 
, 
1.4 Швидкість різання
де 
– розраховується для чистового точіння при:
– найменшій глибині різання 
;
– стійкості різального інструмента 
;
– коефіцієнті 
для твердого сплаву;
– коефіцієнті 
; (показники ступенів 
,
та 
–для твердого сплаву);
– подача для чистової обробки вибирається з довідника.
де 
– розраховується при:
– найбільшій глибині різання 
;
– стійкості різального інструмента ;
– коефіцієнті швидкорізальної сталі;
– коефіцієнті 
; (показники ступенів , та –для швидкорізальної сталі);
Частоти обертання шпинделя:
1.5 Сила різання, потужність двигуна
Приймаємо 
,
де 
– для твердосплавного інструменту;
де 
– ефективна потужність, кВт.
Необхідна потужність електродвигуна:
,
де 
– коефіцієнт, який враховує потужність, що витрачається на рух подачі 
;
– потужність холостого ходу верстата, 
кВт.
Глава 2. Розрахунки кінематики приводу шпинделя зі ступеневим регулюванням
При відомих найбільшій та найменшій частотах обертання шпинделя кількість ступенів можна визначити за формулою:
,
де 
– діапазон частот обертання шпинделя.
Розрахунок починаємо з знаменника ряду 
:
– умова не забезпечується.
Проводимо розрахунок з знаменником ряду 
:
– умова не забезпечується
Проводимо розрахунок з знаменником ряду 
:
-- умова виконується
Одержане значення округлюємо до 
.
2.1 Приводи шпинделя з двошвидкісним електродвигуном та автоматизованою коробкою передач
Конструктивний варіант для випадку 
буде мати вигляд:
,
при цьому двошвидкісний двигун виконує роль першої структурної групи. Для доцільно вибирати двигун з діапазоном частот обертання вала 
.
Розширити діапазон регулювання АКП (і одночасно уникнути повторюваності частот) можна за рахунок використання вузла зворотного зв’язку.
Будуємо картину частот, прийнявши 
об/хв., 
об/хв.
2.2 Розрахунок чисел зубів зубчастих передач
З картини частот обертання шпинделя беремо передаточні відношення для кожної групи і виражаємо їх неправильним дробом.
Для І-ої групи:
, 
,
;
Розраховуємо мінімальне значення коефіцієнта корегування сумарного числа зубів у передачі:
,
де 
– найменша можлива кількість зубів в приводах головного руху верстатів, 
; 
– сума чисельника та знаменника найменшого передаточного відношення і групі; 
– чисельник найменшого передаточного відношення в групі;
Маємо:
Розраховуємо сумарну кількість зубів в кожній зубчастій передачі в групі:
,
Розраховуємо числа зубів ведучого та веденого коліс в кожній передачі:
Для ІІ-ої групи:
, 
,
;
Розраховуємо мінімальне значення коефіцієнта корегування сумарного числа зубів у передачі:
,
Розраховуємо сумарну кількість зубів в кожній зубчастій передачі в групі:
,
Розраховуємо числа зубів ведучого та веденого коліс в кожній передачі:
Для ІІІ-ої групи:
, ,
;
Розраховуємо мінімальне значення коефіцієнта корегування сумарного числа зубів у передачі:
,
Розраховуємо сумарну кількість зубів в кожній зубчастій передачі в групі:
,
Розраховуємо числа зубів ведучого та веденого коліс в кожній передачі:
Оскільки , кількість зубців в І-й групі збільшуємо до
2.3 Розрахунок зубчастих передач
Орієнтовно модуль зубчастих передач в групі розраховується для пари з найменшим передаточним відношенням:
де N – потужність електродвигуна, кВт;
– допустиме навантаження, Н/мм2
;
– розрахункова частота обертання колеса, хв-1
;
– коефіцієнт ширини зубчастого колеса, 
;
– кисло зубців колеса;
– коефіцієнт форми зубців;
– коефіцієнт швидкості.
Модуль в І-й групі:
,
Приймаємо m=3.
Модуль в ІІ-й групі:
,
Приймаємо m=6.
Модуль в ІІІ-й групі:
,
Приймаємо m=4.
Розраховуємо міжосьові відстані 
:
,
,
.
Визначаємо діаметри та ширину зубчастих коліс і діаметри валів, 
, 
.
Для І-ої групи:
Для ІІ-ої групи:
Для ІІІ-ої групи:
Оскільки 
, тобто не виконується умова монтажу, змінимо сумарну кількість зубців в парах (кратно передаточним відношенням), не виходячи за 
.
Збільшимо сумарну кількість зубців в ІІІ-ій групі в 2 рази, а в ІІ-ій – зменшимо в 2 рази, тоді міжосьові відстані матимуть значення:
Діаметри зубчастих коліс в ІІ-й та ІІІ-й групах:
Тепер умова монтажу виконується: 
.
Ширина зубчастих коліс:
Діаметри валів приймаємо орієнтовно 
:
4.2 Конструювання шпиндельного вузла
Шпиндельні вузли металорізальних верстатів проектуються в більшості випадків з підшипниками кочення в опорах. Використовують в опорах як кулькові, так і роликові підшипники. Підшипники опор повинні витримувати радіальне та осьове навантаження, що діють на шпиндель в процесі роботи верстата. Для протидії осьовому навантаженню упорні підшипники можна проектувати як в передній, так і в задній опорах. Використання радіально-упорних або упорних підшипників в передній опорі більш ефективне, тому що розвантажує шпиндель від осьових сил різання, але при цьому ускладнюється конструкція та розміри передньої опори.
Спеціальні роликові шпиндельні підшипники проектують в опорах шпинделів при максимальній частоті обертання 2000…2500 обертів за хвилину. Вкорочені циліндричні ролики підвищують допустиму швидкість обертання.
Передній кінець шпинделя повинен мати строго стандартизовані як форму, так і розміри.
4.3 Розрахунок радіальної жорсткості шпинделя, розвантаженого від згинного моменту
В процесі роботи металорізального верстата геометрична вісь шпинделя змінює своє положення внаслідок податливості опор від дії сил різання , згинних моментів та зсуву від поперечних сил. Фактичне положення геометричної осі шпинделя буде залежати від жорсткості шпиндельного вузла, яка може бути визначена за принципом суперпозиції.
Розрахункова схема:
Реакції в опорах:
;
;
Пружне переміщення тіл кочення та кілець підшипників в передній опорі:
.
Контактна деформація посадочних поверхонь підшипника і корпуса:
.
Жорсткість передньої опори:
.
Податливість передньої опори:
.
Пружне зближення тіл кочення та кілець підшипників в задній опорі:
.
Контактна деформація підшипників і корпуса задньої опори:
Жорсткість задньої опори:
.
Податливість задньої опори:
.
Переміщення переднього кінця шпинделя від згинних навантажень:
,
– момент інерції шпинделя між опорами;
– момент інерції консолі;
– коефіцієнт защемлення;
.
Переміщення переднього кінця шпинделя за рахунок податливості опор:
.
Переміщення переднього кінця шпинделя від зсуву за рахунок поперечних сил:
,
де 
– модуль зсуву,
– площа перерізу консолі шпинделя, мм2
;
– площа перерізу шпинделя між опорами, мм2
;
Радіальна жорсткість шпиндельного вузла:
,
.
Радіальне переміщення шпинделя в точці заміру жорсткості:
4.4 Розрахунок осьової жорсткості шпинделя, розвантаженого від згинного моменту
Осьову жорсткість шпинделя розраховують за осьовою силою, що діє на шпиндель.
Приймаємо осьове навантаження від сил різання:
Пружне переміщення тіл кочення та кілець підшипника передньої опори:
де – кількість кульок підшипника;
– діаметр кульок.
Контактна деформація стиків задньої опори в місцях дотику:
,
де 
– діаметр корпусу в зоні дотику, мм;
– внутрішній діаметр підшипника, мм;
– коефіцієнт деформації дотику.
Осьова жорсткість шпиндельного вузла:
.
Кут нахилу шпинделя в передній опорі:
.
4.5 Розрахунок точності підшипників шпиндельного вузла
У зв’язку з тим, що шпиндельний вузол є визначальним за точністю металорізального верстата, виникає необхідність провести розрахунки точності підшипників в шпиндельних опорах. Пов’язані ці розрахунки з визначенням биття осі шпинделя в опорах.
Приймаємо коефіцієнт 
, для верстатів нормальної точності.
Биття переднього кінця шпинделя:
;
У зв’язку з тим, що при експлуатації верстата биття в підшипниках збільшується в розрахунках приймають:
;
Биття осі шпинделя в передній опорі:
;
Биття осі шпинделя в задній опорі:
