Пояснительная записка к выпускной квалификационной работе (форма вкр) (тема вкр) Выполнил Подпись

• Название: Пояснительная записка к выпускной квалификационной работе (форма вкр) (тема вкр) Выполнил Подпись
• Дата: 23.06.2019
• Размер: 1.6 Mb.
• Имя файла: VKR_ZhUKOV_TP_ShPINDEL.docx
• Тип: Пояснительная записка; #82769
• страница: 5 из 7

6. ВЫБОР И РАСЧЕТ КУЛАЧКОВОГО САМОЦЕНТРИРУЮЩЕГО ПАТРОНА ДЛЯ СТАНКА 16К20Ф3

6.1 СБОР ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

Токарный патрон – важный элемент оснастки токарного станка. От того, насколько надежно закреплена заготовка на станке, зависит точность обработки. От качества изготовления патрона зависит длительность эксплуатации. В процессе совершенствования металлообрабатывающих технологий было разработано множество конструкций патронов из которых были выбраны наиболее эффективные.

В разработанном технологическом процессе детали "шпиндель" используется токарный станок 16К20Ф3, на данном станке могут применятся различные типы патронов, определенного наружного диаметра и с различным количеством кулачков. Наружный диаметр токарных патронов находится в пределах 80–1000 мм, из которых наибольшей популярностью пользуются патроны диаметром 80–400 мм.

Виды токарных патронов:

Токарные патроны делятся на такие виды:

Механические: Наиболее распространенный класс патронов, разделяется на кулачковые, поводковые, цанговые. Первая группа сейчас практически вытеснила вторую, и в свою очередь делится на самоцентрирующиеся, обычно с 3 кулачками, и несамоцентрирующиеся, у которых количество кулачков может быть 2, 4 или 6. Шестикулачковые патроны используются реже всего.

Механизированные: Пневматические, гидравлические, электрические. Автоматизируют процесс зажима–разжима заготовки с заданным усилием. Гидравлические патроны чаще используются на станках с диаметром патрона больше 200 мм. Пневматические патроны применяются на токарных автоматах. Цанговые патроны служат для зажима прутковой заготовки относительно небольшого диаметра. 

Электрические:  не получили широкого распространения.

В зависимости от количества кулачков, существуют двухкулачковые, трехкулачковые и четырехкулачковые токарные патроны.

Двухкулачковые патроны (Рисунок 6.1):

Патроны этого типа имеют достаточно простое строение. Они могут быть ручными с двухзаходным винтом или с механическим приводом. В ручных устройствах винт располагается либо среди кулачков, либо сбоку.

Главный недостаток двухкулачковых патронов – при перекосе кулачков в направляющих из-за боковых зазоров происходит смещение центра заготовки. Поэтому направляющие тщательно шлифуют, а кулачки подгоняют под них с минимальным зазором.

Ходовой винт выполняется из прочных легированных сталей с высоким содержанием хрома. Кулачки производятся из цементируемой стали, термическая обработка которой придает высокую прочность.



Рис. 6.1 - Двухкулачковый патрон
Трехкулачковые патроны (Рисунок 6.2):

Трехкулачковый патрон получил наибольшее распространение. Причина высокой популярности – быстрота крепления деталей, что особенно важно в мелкосерийном производстве, где смена заготовок происходит весьма часто.

В отличие от патронов клинореечного типа, этот патрон не требует времени на переналадку, когда устанавливается заготовка другого размера. Центрирование патрона может выполняться цилиндрическим пояском или конусом.

Патрон представляет массивную планшайбу, в которой прорезаны радиальные пазы. В них перемещаются три кулачка, приводимые в действие конической зубчатой передачей, которая смонтирована внутри планшайбы. Одно из колец снабжено торцевой резьбой, называемой спиралью Архимеда, при помощи которой его можно вращать ключом. При вращении этой спирали происходит одновременное перемещение всех кулачков.



Рис. 6.2 - Трехкулачковый патрон
Четырехкулачковые патроны (Рисунок 6.3):

Патрон этого типа имеет кулачки, которые перемещаются независимо друг от друга, что обеспечивает ему широкие возможности. С другой стороны, из-за потребности в центрировании заготовки закрепление детали требует большего времени, чем на самоцентрируемых устройствах.

Наиболее простые четырехкулачковые токарные зажимы представляют собой чугунную планшайбу, на которой винтами зажимаются кулачки. Планшайба имеет лучевые пазы, на которых возможно размещение дополнительной оснастки.

Для крупных станков используются массивные патроны с Т–образными пазами. Перемещение кулачков выполняется винтами, ось которых лежит на плоскости планшайбы. В таких патронах часто используются составные кулачки.



Рис. 6.3 - Трехкулачковый патрон
6.2 ВЫБОР ТОКАРНОГО ПАТРОНА

Выбор патрона ведется в зависимости от обрабатываемой детали. Двухкулачковые патроны применяются для зажима небольших фасонных заготовок. Для простых симметричных заготовок чаще всего используются трехкулачковые патроны, которые позволяют быстро закрепить деталь на шпинделе. Чтобы зажать несимметричную деталь, применяются двухкулачковые или четырехкулачковые патроны. Благодаря независимому перемещению кулачков, их можно настроить на детали различной формы.

Для операций необходимых для изготовления детали "шпиндель", приведенных в разработанном технологическом процессе, в соответствии со справочными данными в зависимости от размеров обрабатываемой детали оптимально подойдет самоцентрирующийся трехкулачковый токарный патрон с наружным диаметром 250 мм.

Произведем расчеты патрона для операции 040 (черновое растачивание внутреннего конуса) разработанного технологического процесса детали "шпиндель".

Вид и материал заготовки – поковка, сталь 38Х2МЮА.

Вид обработки – черновая.

Применяемый инструмент – резец расточной с механическим креплением пластины из стали Т30К4.

Режимы резания: глубина t=3мм, подача S=0,2мм/об; V=100 м/мин.

Металлорежущий станок – 16К20Ф3 (наибольший диаметр патрона – 250мм, внутренний конус шпинделя – Морзе 6).
6.3 РАСЧЕТ СИЛ РЕЗАНИЯ

Проведем расчетсил резания. При внутреннем точении составляющие P_z, P_y силы резания рассчитываются по формуле:



где С_р, Х, У, n – постоянная и показатели степени для конкретных условий обработки. При обработке стали резцом, оснащенным пластиной из твердого сплава, равны:

– для расчета P_z

С_р=300, Х=1, У=0,75, n=-0,15

– для расчета P_у

С_р=243, Х=0,9, У=0,6, n=-0,3

Поправочный коэффициент К_р представляет собой произведение ряда коэффициентов, учитывающий фактические условия резания



Где - коэффициент, учитывающий влияние качества обрабатываемого материала на силовые зависимости (n=0,75 для стали 38Х2МЮА).

К_φр–коэффициент, учитывающий влияние угла в плане резца на силы.

К_γр – коэффициент, учитывающий влияние переднего угла резца на силы.

К_λр – коэффициент, учитывающий влияние угла наклона режущей кромки.

– для расчета Р_z:

К_φр=0,94, К_γр=1,1, К_λр=1

– для расчета Р_у:

К_φр=0,77; К_γр=1,4; К_λр=1,25










6.4 РАСЧЕТ УСИЛИЯ ЗАЖИМА

В процессе обработки заготовки на нее воздействует система сил. С одной стороны действует составляющие силы резания, с другой – сила зажима препятствующая этому. Из условия равновесия моментов данных сил и с учетом коэффициента запаса определяются необходимые зажимное и исходное усилия.

Суммарный крутящий момент от касательной составляющей силы резания, стремящейся провернуть заготовку в кулачках равен:



Повороту заготовки препятствует момент силы зажима, определяемый следующим образом:



Из равенства М_р’ и M_з’ определяем необходимое усилие зажима, препятствующее повороту заготовки в кулачках.



Где d₁ = 69.85 мм – диаметр обрабатываемой поверхности;

d₂ = 95 мм – диаметр зажимной поверхности;

P_z = 295Н – составляющие силы резания;

f = 0,4 – коэффициент трения на рабочей поверхности приспособления;

K– коэффициент запаса.



– для расчета W’

К_о=1,5; К₁=1,2; К₂=1; К₃ =1; К₄=1; К₅ =1; К₆=1.

К=1,8

– для расчета W’’

К_о=1,5; К₁=1,2; К₂=1.4; К₃ =1; К₄=1; К₅ =1; К₆=1.

К=2.52



Сила Р_у стремится вывернуть заготовку из кулачков.



Данному моменту препятствует момент от силы зажима



Необходимая сила зажима равна:



Где d₂=95мм;P_у=710Н; f=0,4; l=415мм; К=2,52.



Для дальнейших расчетов принимаем наихудший случай

W=29309H

Величина усилия зажима W₁ прикладываемая к постоянным кулачкам несколько увеличивается по сравнению с усилием W и рассчитывается по формуле:



где l_k – вылет кулачка, расстояние от середины рабочей поверхности сменного кулачка до середины направляющей постоянного кулачка.

Н_к – длина направляющей постоянного кулачка, мм;

f – коэффициент трения в направляющих постоянного кулачка и корпуса;

В_с= 30мм – толщина сменного кулачка;

В_к+В_з=20+30 = 50мм – толщина постоянного кулачка;

В_к = 40мм – ширина направляющей постоянного кулачка;

В₁= 25мм – ширина сменного кулачка;

Н_к = 80мм;

l_k = 62мм;

f = 0,1

Подставим исходные данные в формулу:


6.5 РАСЧЕТ ЗАЖИМНОГО МЕХАНИЗМА ПАТРОНА

Приступая к расчету зажимного механизма необходимо определиться с его конструкцией. В самоцентрирующих механизмах установочные элементы (кулачки) должны быть подвижными в направлении зажима и закон их относительного движения необходимо выдержать с высокой точностью. Поэтому на движение кулачков накладываются условия: разнонаправленность, одновременность и равная скорость движения. Данное условие можно выдержать, обеспечивая движение трех кулачков от одного источника движения.

В кулачковых патронах наибольшее применение получили рычажные и клиновые зажимные механизмы, движение которым передается центральной втулкой, связанной с силовым приводом.

Рычажный механизм представляет собой неравноплечий угловой рычаг, смонтированный в корпусе патрона на неподвижных осях, и которые своими сферическими концами входит с посадкой в пазы постоянного кулачка и центральной втулки.

При расчете зажимного механизма определяется усилие Q, создаваемое силовым приводом, которое зажимным механизмом увеличивается и передается постоянному кулачку



где i_с – передаточное отношение по силе зажимного механизма

Данное отношение для рычажного механизма равно



где А и Б – плечи рычага

На этапе расчета наружный диаметр патрона можно определить по формуле:

близжайщий стандартный патрон для станка 16К20Ф3 – 250мм. Так как Д_п>200мм, выбираем рычажный зажимной механизм с i_с = 2.


6.6 РАСЧЕТ СИЛОВОГО ПРИВОДА

Для создания исходного усилия Q используется силовой привод, устанавливаемый на задний конец шпинделя. В его конструкции можно выделить силовую часть, вращающуюся совместно со шпинделем, и муфту для подвода рабочей среды. В качестве приводов наибольшее применение получили пневматические и гидравлические вращающиеся цилиндры.

Следует попытаться применить пневматический привод, так как в любом производстве имеются трубопроводы для подачи сжатого воздуха. Диаметр поршня пневмоцилиндра определяется по формуле:



где Р – избыточное давление воздуха. Р = 0,4МПа.

В конструкции станка 16К20Ф3 можно встроить силовой привод с диаметром поршня не более 120мм. Если при расчете по формуле
диаметр получится более 120 мм, то следует применять гидравлический привод, где за счет регулирования давления масла можно получить большие исходные усилия. При заданном усилии Q подбираем давление масла (Р_г=1; 2,5; 5; 7,5МПа), чтобы диаметр поршня не превышал 120мм.



При Р_г = 1Мпа



При Р_г = 2,5Мпа



Из расчетов следует что условие D_поршня больше или равно 120мм выполняется при давлении масла 2,5МПа. Из этого следует, что можно применить пневматический привод для данного патрона, при токарной обработке конуса делали "шпиндель".
6.7 РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТИ УСТАНОВКИ ЗАГОТОВКИ В ПРИСПОСОБЛЕНИЕ

Погрешность установки определяется по формуле:

, где ε_δ – погрешность базирования, равная нулю, так как измерительная база используется в качестве технологической.

ε_з – погрешность закрепления – это смещение измерительной базы под действием сил зажима. ε_з=0;

ε_пр – погрешность элементов приспособления, зависящая от точности их изготовления.



∆₁, ∆₃ – погрешности, возникающие вследствие неточности изготовления размеров А1 и А3 (∆₁ = 0,013мм, ∆₃ = 0,008мм)

∆₂, ∆₄, ∆₆ – погрешности из-за колебания зазоров в сопряжениях (∆₂ = 0,009мм, ∆₄ = 0,013мм)

∆₅ – погрешность, появляющаяся из-за неточности изготовления плеч рычага.









Условие выполняется.

7. МОДЕРНИЗАЦИЯТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ “ШПИНДЕЛЬ”

7.1 ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ

На сегодняшний день в технологии машиностроения заметно увеличился удельный вес процессов обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД). Большой интерес к методам ППД связан с их возможностью совмещать в одном процессе эффекты отделочной и упрочняющей обработки, что позволяет заменять операции, например, тонкого точения, шлифования, полирования или суперфиниширования на финишную обработку упрочнением.

Целью настоящего исследования является сравнение параметров обработанной детали "Шпиндель" после механической обработки суперфинишированием и алмазным выглаживанием, а так же замена в разработанном технологическом процессе одной операции на другую.
7.2 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

7.2.1 ОБРАБОТКА МЕТОДАМИ

ПОВЕРХНОСТНО–ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Эксплуатационные свойства деталей машин и приборов в значительной степени определяются качеством их поверхности. Оно характеризуется шероховатостью, волнистостью и совокупностью физико–химических свойств поверхностного слоя.

Шероховатость, определяемая как совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине, является одним из важнейших показателей качества поверхности. Несмотря на относительно малые размеры неровностей, составляющие шероховатость, они оказывают существенное влияние на самые разнообразные эксплуатационные свойства деталей и их сопряжений: трение и износ; контактные деформации; концентрацию напряжений и усталостную прочность; коррозионную стойкость; прочность прессовых соединений; вибрационную активность; электроконтактное сопротивление; прочность и качество покрытий, а также на многие другие свойства. Поэтому нормирование и технологическое обеспечение требуемой шероховатости поверхностей деталей являются весьма ответственными задачами в машиностроении.

Шероховатость поверхности детали определяется совокупностью применяемых при обработке технологических методов и режимов. В основном формирование шероховатости поверхности деталей происходит при окончательной обработке. Однако в ряде случаев в силу явлений технологической наследственности наблюдается существенное влияние предшествующих операций.

Шероховатость поверхности при обработке резанием зависит от многих факторов: режимов обработки, геометрии инструмента и его износа, структуры и свойств материалов детали и инструмента, условий охлаждения и смазки, жесткости технологической системы и др. Изменяя условия резания, можно управлять качеством поверхностного слоя. Вместе с тем возможности достижения оптимальных, по условиям эксплуатации параметров качества поверхности деталей при обработке резанием, являются ограниченными, поэтому возникает необходимость применения других методов обработки.

Одним из наиболее простых и эффективных путей повышения качества поверхностей деталей является обработка методами поверхностного пластического деформирования.

На основании множества известных примеров практической реализации методов ППД можно прийти к выводу, что они внедрены по большей части в мелкосерийном производстве и для ответственных деталей, c повышенными требованиями по усталостной прочности, и т.д. (авиастроение, энергомашиностроение).

Существуют различные методы пластического деформирования поверхностных слоев, условно делящихся на две группы. В первую группу входят такие способы, предполагающие, создание от инструмента деформационного усилия с помощью непрерывного контакта с деталью, второй группе принадлежат способы, при которых деталь подвергается ударным действиям рабочими телами или инструментом. Совокупность основных процессов и влияние на обработанную поверхность металла объединяет эти две различные группы методов ППД.

Один из главных результатов поверхностного пластического деформирования – это образование остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое металла. В процессе выглаживания поверхностный слой увеличивается в объёме, но ему препятствует нижний слой, из за чего он испытывает под действием остаточных напряжений сжатие. Применение ППД изменяет микрорельеф поверхности повышая твердость поверхностного слоя, предел текучести и сопротивление отрыву.

Изменения происходят посредством движения, размножения и взаимодействия дефектов кристаллов (дислокации, дефекты упаковки, скопления точечных дефектов и др.). Существует одиннадцать возможных механизмов пластической деформации, которые можно подразделить на три основные группы. В первую группу входят сдвиговые процессы, во вторую – диффузионные, в третью – процессы пластической деформации, вызванные относительным перемещением зерен, блоков зерен и границ, или так называемые периферийные процессы.

Обработке ППД могут подвергаться поверхности с концентраторами напряжений. Концентраторами напряжений являются отверстия и пазы. В обоих случаях эффективность упрочнения приблизительно равна и может быть определена режимами обработки в зоне концентраций напряжений.

Процесс ППД нуждается в контроле режимов обработки и силовых параметров. Стабильность и качество поверхностного упрочнения достигается за счет соблюдения режимов обработки. Форму и размеры деталей контролируют с учетом возможного коробления поверхностей (например, изменения диаметра упрочнению отверстия по длине).

Одним из наиболее известных и эффективных методов финишной обработки деталей ППД является алмазное выглаживание, применяемое для упрочнения точных и высоконагруженных деталей.

Методу выглаживания посвящены ряд исследований (работы Г. И. Чекина, Э. Г. Грановского, М. М. Иоффе, Л. И. Маркуса, В. М. Смелянского, Я.И. Бараца, Л. А. Хворостухина и других). Алмазное выглаживание сопоставимо с такими методами отделочной обработки, как суперфиниш, хонингование, полирование, тонкое шлифование, тонкое точение, обработка роликами и шариками. Вопрос о целесообразности применения выглаживания вместо других методов отделочной обработки необходимо решать в каждом конкретном случае с учетом как технических требований к обрабатываемой поверхности и необходимой производительности, так и получаемой надежности обработанных деталей.