Фрезерный консольный станок с ЧПУ модели ГФ2171

1. Техническое описание

1.   Назначение и область применения

Фрезерный консольный станок с ЧПУ модели ГФ2171 предназначен для многооперационной обработки разнообразных деталей сложной конфигурации по заданной программе.

Наличие инструментального  магазина и автоматической смены  инструмента станка ГФ2171 позволяет полностью автоматизировать процесс обработки деталей.

Наряду с фрезерными операциями на станках можно производить  сверление, зенкерование, развертывание и растачивание точных отверстий, связанных координатами.

Мощный привод главного движения, широкий диапазон подач и частот вращения шпинделя позволяют обрабатывать детали из стали, чугуна, цветных и легких сплавов на рациональных режимах резания с высокой производительностью и точностью.

Станок оснащен  следящерегулируемыми электроприводами подач и контурно-позиционной системой ЧПУ, обеспечивающей управление перемещениями рабочих органов одновременно по трем координатным осям:

- продольное  перемещение стола с обрабатываемой  деталью – ось X

- поперечное  перемещение салазок со столом - ось Y

- вертикальное  перемещение ползуна с инструментом  – ось Z.

Высокая степень  автоматизации станка позволяет применять многостаночное обслуживание и оперативное управление станком с последующей записью программы в память устройства ЧПУ.

Оснащение станка гидростанцией дает возможность использовать различные гидрофицированные устройства для закрепления обрабатываемых деталей на станке.

Рис.1. Общий вид  станка

2. Устройство станка
1. Кинематическая схема

От главного электродвигателя М1 вращение передается на первый вал коробки скоростей (смотреть графическую часть курсового проекта).

2. Станина

Станина является основным базовым узлом, на котором  монтируются узлы и механизмы  станка. Спереди станина имеет  вертикальные направляющие, по которым перемещается консоль. Для отсчета величины вертикального установочного перемещения консоли служит линейка, закрепленная на станине.

В левой нише станины размещены конечные выключатели  ограничения хода консоли. С левой стороны станины установлена коробка переключения скоростей. На привалочной плоскости горловины станины закреплена шпиндельная головка. Внутри корпуса станины имеется резервуар для масла. Станина устанавливается на основание и крепится к нему болтами.

3. Коробка скоростей

Коробка скоростей  смонтирована непосредственно в корпусе станины и имеет 18 различных чисел оборотов шпинделя. Вращение шпинделю сообщается электродвигателем переменного тока. Валы коробки скоростей смонтированы на шарикоподшипниках.

Смазка коробки скоростей осуществляется от плунжерного насоса. Насос работает от эксцентрика, смонтированного на валу коробки скоростей.

4. Коробка переключения скоростей

Самостоятельный узел, который смонтирован на левой  стенке станины. Коробка переключения скоростей обеспечивает получение 18 скоростей шпинделя и фиксирует их в выбранном положении.

На наружной плоскости коробки расположен лимб с обозначение чисел оборотов шпинделя, стрелка-указатель и кнопочная станция. С нижней стороны коробки находится рукоятка, имеющая два положения.

Процесс переключения скоростей осуществляется следующим образом: 1) опустить рукоятку вниз, вывести шип рукоятки из фиксирующего паза и отвести рукоятку на себя до упора; 2) вращая лимб, установить требуемое число оборотов против стрелки-указателя; 3) рукоятку плавным движение дослать в первоначальное положение, зафиксировав ее в пазу фланца.

Переключение  скоростей на ходу не допускается.

Если рукоятка не устанавливается в первоначальное положение, то необходимо нажать кнопку импульса, которая расположена на кнопочной станции коробки переключения скоростей.

5. Шпиндельная головка

Шпиндельная головка  закреплена на привалочной плоскости  горловины станины.

Шпиндель представляет собой двухопорный вал, смонтированный в выдвижной гильзе. Регулирование осевого люфта в шпинделе осуществляется подшлифовкой колец. Повышенный люфт в переднем подшипнике устраняют подшлифовкой полуколец и подтягиванием гайки.

Регулировку проводят в следующем порядке:

выдвигается гильза шпинделя;

демонтируется фланец;

снимаются полукольца;

с правой стороны  корпуса головки вывертывается резьбовая пробка;

через отверстие  отвертыванием винта расконтривается  гайка;

стальным стержнем гайка застопоривается.

Поворотом шпинделя за сухарь гайку подтягивают и  этим перемещают внутреннюю обойму подшипника.

После проверки люфта в подшипнике производят обкатку шпинделя на максимальном числе оборотов. При работе в течении часа нагрев подшипников не должен превышать 60⁰С;

замеряется величина зазора между подшипником и буртом шпинделя, после чего полукольца подшлифовываются на необходимую величину;

привертывается  фланец. Для устранения радиального  люфта в 0,01мм полукольца необходимо подшлифовать примерно на 0,12мм.

Вращение шпинделю передается от коробки скоростей  через пару цилиндрических зубчатых колес, смонтированных в головке.

Смазка подшипников и шестерен шпиндельной головки обеспечивается циркуляционной системой смазки.

6. Автооператор

Автооператор  осуществляет подачу инструмента из магазина в шпиндель и возврат  отработанного инструмента из шпинделя в магазин. Выбор инструмента  производится в любой последовательности.

В процессе смены  инструмента автооператор обеспечивает отвод его за пределы рабочей  зоны станка, что способствует сокращению максимального рабочего пространства и исключает возможность попадания стружки на рабочие поверхности инструментальных оправок.

Манипулятор и  магазин инструментов расположены  в зоне, удобной для обслуживания станка.

7. Механизм крепления инструмента

Механизм обеспечивает автоматическое крепление оправки  с режущим инструментом в шпинделе станка.

Механизм смонтирован в шпиндельной головке и состоит из шомпола с цанговым зажимом усилительного устройства с втулкой, шариком, втулкой и толкателем, пакета тарельчатых пружин, гидравлического цилиндра и устройства контроля.

Усилие зажима инструмента, равное 15680Н создается пакетом предварительно сжатых тарельчатых пружин, имеющих рабочий ход 1,5мм.

Конструкция механизма  позволяет демонтировать механизм шпиндельной головки, отвернув четыре наружных крепежных винта.

Смена инструментов в шпинделе станка происходит в следующей последовательности:

после остановки  шпинделя, его ориентация и подведения захвата автооператора к инструментальной оправке подается команда гидрозолотнику на подачу масла в нижнюю полость гидроцилиндра; верхняя полость гидроцилиндра соединяется со сливом;

втулка, выполняющая  роль поршня перемещается в нижнее положение, передвигая тем самым находящиеся в ней детали, что дает возможность шарикам выйти из рабочей зоны на цилиндрическую поверхность детали и тем самым, высвободив тарельчатые пружины, снять усилие зажима со штока;

шток, перемещаясь, раскрывает цанговый зажим и выталкивает  инструментальную оправку из конуса шпинделя. Величина выталкивания оправки 0,8мм;

при этом конечным выключателем контролируется положение «Отжато» и дается команда на замену инструмента.

После того как  захват автооператора вставит новую  инструментальную оправку в конус шпинделя, подается команда гидрозолотнику на подачу масла в верхнюю полость гидроцилиндра и происходит зажим инструмента в шпинделе станка.

Конец цикла, положение «Зажато» контролируется конечным выключателем, который разрешает включение привода главного движения.

8. Коробка подач

Коробка подач  представляет собой самостоятельный  узел смонтированный с левой стороны  консоли. Коробка подач дает 18 различных величин подач.

Переключение  подач производится при помощи механизма  переключения, прифланцеванного к корпусу  коробки подач. Коробка переключения имеет в передней своем части лимб с обозначение величин подач и грибок для переключения.

Указанные на лямбе значения подач относятся к предельным и поперечным подачам стола. Вертикальные подачи составляют 1/3 от предельных.

Переключение  подач осуществляется в следующем  порядке: 1) нажать на кнопку грибка и  потянуть грибок на себя до отказа; 2) поворотом  лимба за грибок установить требуемую величину подачи; 3) плавным движением дослать грибок вперед до отказа и отпустить кнопку; 4) проверить надежность фиксации грибка.

9. Консоль

Консоль является базовым узлом, объединяющим все  узлы цепи подач и распределяющим движение на предельную, поперечную и вертикальную подачи.

Консоль несет  на себе различные органы управления и устройства. С правой стороны консоли помещается электродвигатель подач.

Движение подач  идет от электродвигателя через коробку  подач на шестерни консоли. Включение вертикальных и поперечных подач осуществляется от кулачковых муфт сблокированных от одновременного включения, как между собой, так и с рукояткой подъема консоли и маховиком перемещения салазок.

Смазка механизма  консоли принудительная, от плунжерного насоса расположенного в нижней части консоли. От этого же насоса смазывается коробка подач.

10.  Стол и салазки

Салазки перемещаются по прямоугольным направляющим консоли  от винта поперечной подачи через гайку, закрепленную в кронштейне.

Зажим салазки  на консоли производится двумя эксцентриковыми зажимами.

На продольных направляющих салазок типа ласточкина хвоста, перемещается стол, являющийся последним элементом в цепи продольных подач, сосредотачивая в себе все движения, необходимые при фрезеровании с продольной подачей, а именно, ручные перемещения, механические подачи и быстрые хода, кроме того, за счет салазок и консоли, стол получает возможность поперечных и вертикальных перемещений.

Продольный ход  стола осуществляется вращающимся  винтом с трапецеидальной резьбой и неподвижной гайкой, при включении кулачковой муфты рукояткой продольного хода.

Реверс осуществляется изменением направления вращения электродвигателя подачи. Зажим стола производится двумя винтами, действующими через стержни со скосом и клин.

Рукоятка продольного  хода имеет три фиксирующих положения: «подача вправо», «подача влево», «стоп». Направление включения рукоятки продольного хода совпадает с направлением движения стола.

Смазка механизмов стола и салазки, происходит от автоматического насоса, расположенного в левом торце салазки.

11.  Система смазки

Смазка станка обеспечивается циркуляционной системой смазки привода главного двигателя  и шпиндельной головки и периодической  системой смазки приводов подач консольной группы.

Система смазки привода главного движения включает в себя резервуар, расположенный в станине фильтр и плунжерный насос. Насос работает от эксцентрика, смонтированного на валу коробки скоростей, и обеспечивает подачу масла для смазки коробки скоростей и через маслораспределитель – на смазку редуктора шпиндельной головки и направляющих ползуна.

Контроль уровня масла  в резервуаре осуществляется визуально  при помощи маслоуказателя. Система смазки направляющих консоли, стола, салазок и механизмов подач включает в себя резервуар, расположенный в консоли, насос смазки, фильтр, маслораспределитель с регуляторами подач масла к точкам смазки.

Наличие масла  в резервуаре проверяется по маслоуказателю. Насос смазки включается при пуске шпинделя и при включении электродвигателя перемещения консоли. Отключение насоса производится реле времени, время срабатывания которого 3-5 секунд.

Смазка подшипников  шпинделя, передачи «Винт-гайка качения» перемещения стола, подшипника опоры винта поперечного перемещения стола производится шприцем через пресс-масленки [3].

2. Расчет режимов резания

Черновая  обработка:

Рассчитаем режимы резания для длины обработки L=800мм, ширины B=100мм, высоты H=150мм и глубиной резания t=3мм. Обработка ведется только продольной подачей на фрезерном консольном вертикальном станке мод. ГФ2171. Используем универсальную торцевую фрезу SANDVIK Coromant из серии CoroMill 245 – R245-125Q40-12M. Характерные особенности: диаметр фрезы D=125мм, равномерный, нормальный шаг зуба (М), Z=8, n_max=10100 мин^-1, t_max=6мм. Пластина R245-12T3M-KM 1020 из твердого сплава для обработки чугуна [1].

Определение режимов  резания проводится путем их выбора на основе соответствующих справочных данных [2].

1. Определяем длину рабочего хода

L_р.х. = L_р + L_п + L_д = 800 + 52 + 0 = 852мм

где  L_р = 800мм – длина резания

L_п = L_подв + L_врез + L_пер = 26 + 26 = 52мм – длина подвода, врезания и перебега инструмента

L_подв = L_врез + L_пер = 26мм

L_д = 0мм – дополнительная длина хода, определяемая наладкой

2. Рассчитаем подачу на оборот шпинделя

S_z = 0,2мм/зуб – подача на зуб фрезы

z = 8

S₀ = S_z * z = 0,2 * 8 = 1,6мм/об

3. Назначаем стойкости инструментов

T_p = T_м * λ * k = 120 * 0,94 * 0,3 = 33,84мин

λ = = = 0,94 – коэффициент времени резания

k = k₁ * k₂ = 0,3 – коэффициент загрузки фрезы

k₁ = 0,3 (ближайшее табличное значение)

k₂ = – коэффициент, учитывающий неравномерность ширины фрезерования

T_м = K_н * ∑Т_м1 = 1 * 120 = 120мин – стойкость

K_н = 1 – коэффициент, учитывающий число фрез в наладке

Т_м1 = 120мин

4. Рассчитаем скорость резания

υ = υ_табл * К₁ * К₂ = 130 * ,072 * 1,04 = 98,125м/мин

υ_табл = 130м/мин – скорость резания

К₁ = 0,72 (необходимое табличное значение)

К₂ = 1,04

5. Рассчитаем частоту вращения шпинделя станка

n = 250мин^-1 (паспортное значение)

6. Рассчитаем минутную подачу

S_м = S₀ * n = 1,6 * 250 = 400мм/мин

7. Рассчитаем основное время

T₀ = 2,13мин

8. Рассчитаем мощность резания

N_р = 5,5кВт (по данным сводной таблицы Q и S_z)

Q = 120см³/мин

9. Рассчитаем мощность электродвигателя

N_{эл. дв.} = 6,875кВт

η = 0,8 – коэффициент полезного действия для передачи n₉

10. Рассчитаем силу резания

∑P_z = 4287,9Н

Чистовая  обработка:

Рассчитаем режимы резания для длины обработки L=800мм, ширины B=50мм, высоты H=150мм и глубиной резания t=1мм. Обработка ведется только продольной подачей на фрезерном консольном вертикальном станке мод. ГФ2171. Используем универсальную торцевую фрезу SANDVIK Coromant из серии CoroMill 245 – R245-050Q22-12M. Характерные особенности: диаметр фрезы D=50мм, равномерный, нормальный шаг зуба (М), Z=4, n_max=16250 мин^-1, t_max=6мм. Пластина R245-12T3M-KM 1020 из твердого сплава для обработки чугуна [1].

Определение режимов  резания проводится путем их выбора на основе соответствующих справочных данных [2].

1. Определяем длину рабочего хода

L_р.х. = L_р + L_п + L_д = 800 + 28 + 0 = 828мм

где  L_р = 800мм – длина резания

L_п = L_подв + L_врез + L_пер = 14 + 14 = 28мм – длина подвода, врезания и перебега инструмента

L_подв = L_врез + L_пер = 14мм

L_д = 0мм – дополнительная длина хода, определяемая наладкой

2. Рассчитаем подачу на оборот шпинделя

S_z = 0,24мм/зуб – подача на зуб фрезы

z = 4

S₀ = S_z * z = 0,24 * 4 = 0,96мм/об

3. Назначаем стойкости инструментов

T_p = T_м * λ * k = 80 * 0,97 * 0,3 = 33,84мин

λ = = = 0,97 – коэффициент времени резания

k = k₁ * k₂ = 0,3 – коэффициент загрузки фрезы

k₁ = 0,3 (ближайшее табличное значение)

k₂ = – коэффициент, учитывающий неравномерность ширины фрезерования

T_м = K_н * ∑Т_м1 = 1 * 80 = 80мин – стойкость

K_н = 1 – коэффициент, учитывающий число фрез в наладке

Т_м1 = 80мин

4. Рассчитаем скорость резания

υ = υ_табл * К₁ * К₂ = 130 * ,069 * 1,1 = 98,91м/мин

υ_табл = 130м/мин – скорость резания

К₁ = 0,69 (необходимое табличное значение)

К₂ = 1,1

5. Рассчитаем частоту вращения шпинделя станка

n = 630мин^-1 (паспортное значение)

6. Рассчитаем минутную подачу

S_м = S₀ * n = 0,96 * 630 = 604,8мм/мин

7. Рассчитаем основное время

T₀ = 1,37мин

8. Рассчитаем мощность резания

N_р = 1,4кВт (по данным сводной таблицы Q и S_z)

Q = 30,24см³/мин

9. Рассчитаем мощность электродвигателя

N_{эл. дв.} = 1,84кВт

η = 0,76 – коэффициент полезного действия для передачи n₁₃

10. Рассчитаем силу резания

∑P_z = 866.24Н

3. Графоаналитический расчет коробки скоростей

В соответствии с исходными данными, определенными  ранее, наибольшая частота вращения n_max=2000 мин^-1, а минимальная n_min=40 мин^-1.

На первом этапе  кинематического расчета выполняется выбор структурной сетки коробки скоростей (КС) в соответствии с соответствующими рекомендациями справочных данных [4].

Учитывая, что  в базовом станке количество ступеней, обеспечиваемых коробкой скоростей, составляет z=5, а обобщенная структурная формула имеет вид:     z = P(X₁) * P(X₂) * P(X₃) * P(X₄) * P(X₅) имеем:

X₁=1

X₂=P₁=3

X₃=P₁ * P₂ = 3 * 3 =9

z = 3₁ * 3₃ * 2₉ = 18

Соответствующий этому вариант структурной сетки приведен на рис.2.

Для выбора рациональной структурной сетки КС выполним проверку альтернативных вариантов по кинематическому и структурному критерию: составление альтернативных вариантов по кинематическому критерию показывает, что все варианты ему соответствуют, а по конструктивному критерию, условие которого X_i<X_i+1, полученный вариант верен. В этом случае выбираются минимальные габариты КС.

При построении графика частот вращения (ГЧВ) учитывается  следующее кинематическое условие: i 2.

Диапазон регулирования D=n_max/n_min=2000/40=50, количество ступеней частот вращения на выходном валу (шпинделе) z=18, знаменатель ряда частот вращения = 1,26

Рис. 2. Структурная сетка, z = 3₁ * 3₃ * 2₉ = 18

Рис. 3. Структурная  сетка, z = 2₁ * 3₂ * 3₆ = 18

Рис. 4. Структурная сетка, z = 3₁ * 2₃ * 3₆ = 18

Из всех возможных конструктивных и кинематических вариантов наивыгоднейшим следует признать тот, который обеспечивает наибольшую простоту, наименьшее количество передач и групп, малые радиальные и осевые размеры. Практически выгодно применять кинематический порядок, при котором минимальное передаточное отношение в группах уменьшается по мере приближения к шпинделю, достигая в последней группе предельного значения. В этом случае первые валы работают при более высоких скоростях, с меньшими нагрузками, имеют меньшие диаметры и модули зубчатых колес. Вместе с тем промежуточные валы не должны работать при очень больших угловых скоростях, так как при этом возрастают потери холостого хода и износ деталей. Эти условия будут выполнимы, если первая группа будет основной, а характеристики переборных групп передач возрастают по мере приближения к шпинделю.

В большинстве  случаев, наиболее удачными вариантами являются «веерообразные» структуры, так как в области высоких  частот вращения работает большое количество деталей привода. Главная редукция осуществляется на последней ступени, поэтому валы, зубчатые колеса и другие детали привода имеют меньшие размеры, так как при данной мощности передают меньшие крутящие моменты.

Данным условиям удовлетворяет структурная сетка  на рис.2 со структурной формулой: z = 3₁ * 3₃ * 2₉ = 18

Диапазон регулирования  определяется по формуле:

D = n_max/n_min = 2000/40 = 50

где: n_max – максимальная частота вращения, мин^-1

       n_min – минимальная частота вращения, мин^-1

Знаменатель ряда определяется как:

= 1,26

где z = 3₁ * 3₃ * 2₉ = 18 – число ступеней коробки скоростей станка.

Таблица 1. Частоты  вращения шпинделя проектируемого станка

Характеризуя  привод, структурные сетки являются общими для многих конкретных случаев, однако они не дают представления  о частотах вращения валов и величине передаточных отношений передач. Поэтому для определения указанных параметров применительно к конкретным условиям привода стоят графики частот вращения.

4. Исходные данные для расчета узлов и деталей станка

Определение исходных данных для расчета узлов и  деталей станка проводится путем их расчета на основе соответствующих справочных данных [4].

Расчетная частота  вращения шпинделя определяется по формуле:

n_рш = n₁ = 40 * 106 мин^-1

С учетом фактических  частот вращения шпинделя (табл.1) принимаем  ближайшее меньшее значение : n_рш = n₅ = 100 мин^-1

В соответствии  с принятой расчетной частотой вращения шпинделя по графику частот вращения получим следующие значения расчетных  частот вращения промежуточных валов:

 n_pII = 800, n_pIII = 630, n_pIV = 400, n_pV = 100, n_pVI = 100, n_pVII = 100 мин^-1.

Расчетная мощность определяется мощностью электродвигателя с учетом КПД участка цепи до рассчитываемого элемента.

КПД участков цепи до соответствующих валов составляют:

_II = _з * _п = 0,98 * 0,99² = 0,96

_III = _з * _п = 0,98² * 0,99⁴ = 0,92

_IV = _з * _п = 0,98³ * 0,99⁶ = 0,89

_V = _з * _п = 0,98⁴ * 0,99⁸ = 0,85

_VI = _з * _п = 0,98⁵ * 0,99¹⁰ = 0,82

_VII = _з * _п = 0,98⁶ * 0,99¹² = 0,79

_VIII = _з * _п = 0,98⁷ * 0,99¹⁴ = 0,76

где _з = 0,98 – для зубчатых передач

      _п = 0,99 – для подшипников.

Соответственно  определяется расчетная мощность и  крутящие моменты на валах:

N_pj = N_{эл. дв.} * η_j , кВт

N_pII = N_{эл. дв.} * η_II = 7,5 * 0,96 = 7,2

N_pIII = N_{эл. дв.} * η_III = 7,5 * 0,92 = 6,9

N_pIV = N_{эл. дв.} * η_IV = 7,5 * 0,96 = 6,675

N_pV = N_{эл. дв.} * η_V = 7,5 * 0,96 = 6,375

N_pVI = N_{эл. дв.} * η_VI = 7,5 * 0,96 = 6,15

N_pVII = N_{эл. дв.} * η_VII = 7,5 * 0,96 = 5,925

N_pVIII = N_{эл. дв.} * η_VIII = 7,5 * 0,96 = 5,7

M_kj = 9750 * N_pj/n_pj , H*m

M_kII = 9750 * N_pII/n_pII = 9750 * 7,2/800 = 88

M_kIII = 9750 * N_pIII/n_pIII = 9750 * 6,9/630 = 107

M_kIV = 9750 * N_pIV/n_pIV = 9750 * 6,675/400 = 162

M_kV = 9750 * N_pV/n_pV = 9750 * 6,375/100 = 621

M_kVI = 9750 * N_pVI/n_pVI = 9750 * 6,15/100 = 599

M_kVII = 9750 * N_pVII/n_pVII = 9750 * 5,925/100 = 578

M_kVIII = 9750 * N_pVIII/n_pVIII = 9750 * 5,7/100 = 556

5. Расчет зубчатых колес с помощью программы APM WinMachine 9.6

Расчет зубчатого  зацепления z=29/z=36

Курсовая работа

Лист

   - -

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата