МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» Кафедра металлообрабатывающих станков и комплексов
А.Н. ПОЛЯКОВ, В.Н. МИХАЙЛОВ
КИНЕМАТИКА УНИВЕРСАЛЬНЫХ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
Рекомендовано к изданию Редакционно – издательским советом государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»
Оренбург 2004 1
ББК 34.7 я73 П 78 УДК 681.7. 053.2 (075.8) Рецензент кандидат технических наук, доцент Никитина И.П.
П 78
Поляков А.Н., Михайлов В.Н. Кинематика универсальных металлорежущих станков: Методическое руководство к лабораторной работе. – Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. – 18с.
В методических указаниях рассмотрены кинематические цепи токарно-винторезного станка 1К62. Методические указания рекомендуется использовать при выполнении лабораторных работ по дисциплинам: «металлорежущие станки» для специальностей 120200 и 120100; «оборудование отрасли» для специальности 030500; «механизмы металлообрабатывающего оборудования» 210200; «механизмы и оборудование отрасли» для специальности 060801 для студентов очной, очно-заочной и заочной форм обучения.
ББК 34.7 я 73 © Михайлов В.Н., 2004 © ГОУ ОГУ, 2004 2
Лабораторная работа №2 Кинематика универсальных металлорежущих станков
1 Цель лабораторной работы Цели данной лабораторной работы следующие; 1.1 Изучение кинематической структуры универсального токарно- винторезного станка; 1.2 Приобретение практических навыков анализа кинематических схем и структур универсальных металлорежущих станков.
2 Порядок выполнения работы 2.1. Изучить по разделу 3 методику формирования уравнения кинематического баланса и вывода формулы настройки. 2.2. С помощью стенда, управляемого микро-ЭВМ или рисунка 2 раздела 4, изучить кинематические цепи приводов главного движения, цепи приводов подач, винторезные цепи (для нарезания метрической и дюймовой резьбы) и цепь ускоренного перемещения суппорта универсального токарно-винторезного станка. 2.3. Выполнить выданные преподавателем индивидуальные задания по настройке станка на заданное значение продольной и поперечной подачи, нарезание метрической или дюймовой резьбы, либо выполнить эти задания, работая со стендом, управляемым микро-ЭВМ в режиме контроля знаний. 2.4. Оформить отчёт в соответствии с требованиями раздела 6.
3 Общие положения Результатом работы металлорежущего станка является образование поверхностей летали с заданными формой, размерами, точностью и шероховатостью. Для этого необходимо обеспечить требуемые условия кинематического согласования перемещений или скоростей исполнительных органов между собой и источником движения. Этот процесс называется кинематической настройкой станка. В большинстве металлорежущих станков с механическими связями для настройки кинематических цепей применяются органы кинематической настройки в виде гитар сменных зубчатых колес, ременных передач, вариаторов, регулируемых электродвигателей коробок скоростей и подач, характеристикой которых является общее передаточное отношение i органа. Значение передаточного значения органа настройки определяют по формуле настройки и затем его реализуют в гитарах сменных зубчатых колес подбором и установкой, соответствующих колес в гитаре, а в коробках скоростей и подач зацеплением зубчатых колес. Для вывода формулы настройки любого органа необходимо по кинематической схеме станка наметить такую цепь передач, которой располагается данный орган и известны перемещения или скорости конечных звеньев этой цепи, связанные функциональной или требуемой зависимостью. Желательно, чтобы такая цепь передач (она называется цепью согласования), включала в себя только один орган настройки, для которого выводится формула.
Для выбранной цепи согласования составляют условие кинематического согласования перемещений её конечных звеньев, совершающихся в течение определенного промежутка времени, или их 3
скоростей. Эти перемещения могут быть угловыми, линейно-угловыми и линейными. С учетом условия согласования перемещений или скоростей составляется уравнение кинематического баланса цепи согласования, в котором неизвестным является передаточное отношение i органа настройки. При этом следует учитывать, что при совпадении порядка записи с направлением передачи движения через орган настройки символ i записывается в числитель. Если порядок записи не совпадает с направлением передачи движения, то символ i записывается в знаменатель. Кроме того уравнение кинематического баланса может записываться от любого конца цепи согласования. Решение уравнения кинематического баланса относительно передаточного отношения i органа настройки представляет собой ф о р м у л у н а с т р о й к и .
В общем виде формула настройки показывает зависимость передаточного отношения органа настройки от переменных параметров условия кинематического согласования и её постоянной:
i = F(C, V ), где
i – передаточное отношение органа настойки; С – постоянная цепи согласования, зависящая от передаточных отношений ее промежуточных передач и постоянных параметров условия согласования; V – переменные параметры цепи согласования. Рассмотрим методику вывода формулы настройки на примере токарновинторезного станка для нарезания цилиндрической резьбы с шагом Р (мм), упрощенная кинематическая схема которого приведена на рисунке 1. Токарно-винторезный станок имеет два органа кинематической настройки: - винторезную гитару сменных зубчатых колёс: Iвинт.=А/В; - гитару сменных зубчатых колёс: IV = А′ /В′.
Через первый орган настройки устанавливается функциональное согласование вращения шпинделя и перемещения продольного перемещения суппорта с резцом, а через второй – согласование скоростей вращения источника движения – электродвигателя М и шпинделя станка.
Для вывода формул настройки Iвинт. и IV, надо составить условие согласования перемещений конечных звеньев цепей: - шпиндель станка – продольный суппорт; - двигатель – шпиндель станка. Затем сформировать соответствующие им уравнения кинематического баланса и решить их относительно Iвинт. и IV.
3.1 Вывод формулы настройки винторезной гитары Iвинт. : а) Кинематическая цепь согласования: шпиндель станка – продельный суппорт; б) Условие согласования конечны звеньев цепи:
1 оборот шпинделя ↔Р перемещения продольного суппорта с резцом, где Р - шаг нарезаемой резьбы, мм,
4
↔ - знак соответствия.
Рисунок 1 - Упрощенная кинематическая схема токарно-винторезного станка в) Уравнение кинематического баланса: - в общем виде:
1об.шп.⋅ Е⋅ Iвинт ⋅ Pх.в. = Р , где
Е – общее передаточное отношение всех постоянных передач цепи согласования за исключением передачи ходовой винт-гайка станка; Рх.в. – шаг ходового винта станка, мм
- для кинематической схемы на рисунке 1: 1 об.шп. ⋅
z3 A ⋅ ⋅ Pх.в. = Р , z4 B
г) Формула настройки:
- в общем виде: 5
I винт. = где
P = С винт ⋅ Р , Е ⋅ Р х.в.
Свинт. – постоянная цепи согласования.
- для кинематической схемы на рисунке 1.
А В
=
Р ⋅z 4 Р х.в. ⋅ z
. 3
3.2 Вывод формул настройки гитары IV : а) Кинематическая цепь согласования: электродвигатель – шпиндель станка; б) Условие согласования скоростей конечны звеньев цепи:
nдв.,
-1
мин эл. двигателя
↔ nшп , мин-1 шпинделя
в) Уравнение кинематического баланса: - в общем виде:
n дв. ⋅ R ⋅I v = n шп. ,
где
R – общее передаточное отношение всех постоянных передач цепи согласования. - для кинематической схемы на рисунке 1:
n
дв.
⋅
D1 z1 А ' ⋅ ⋅ = n шп . D2 z2 В'
г) Формула настройки: - в общем виде:
Iv =
nшп = Cv ⋅ nшп. nдв. ⋅ R
- для кинематической схемы на рисунке 1:
A ' n шп ⋅ Z 2 ⋅ D 2 = B ' n дв ⋅ Z 1 ⋅ D1 Таким образом с помощью формулы настройки можно определить необходимые для обеспечения условий согласования значения А, В, А′ , В′.
6
4 Кинематика токарно-винторезного станка 1К62 (рисунок 2): Станок предназначен для выполнения разнообразных токарных работ в том числе для нарезания различных резьб и используется главным образом в условиях единичного и мелкосерийного производства. Основные узлы станка: - СТАНИНА, которая служит для соединения между собой всех узлов станка;
- ПЕРЕДНЯЯ БАБКА, в которой помещены шпиндель и коробка скоростей; - СУППОРТ, на котором закрепляется режущий инструмент; - ЗАДЯЯ БАБКА; - КОРОБКА ПОДАЧ, передающая вращение ходовому валу и ходовому винту; ТУМБА. Движения в станке: - Вращение шпинделя (главное движение); - Продольное и поперечные подачи суппорта; - Быстрые перемещение суппорта.
7
8
Рисунок 2 – Кинематическая схема токарно винторезного станка 1К62
4.1 Кинематическая цепь привода главного движения Эта кинематическая цепь обеспечивает передачу вращения от электродвигателя М1 шпинделю VI c возможностью включения различных частот вращения. Шпиндель станка может иметь правое и левое направление вращения. При правом направлении вращения шпинделя уравнение кинематического баланса привода главного движения запишется так (муфта МФ1 включена влево): 1450⋅
142 254
⋅0.985
51 39 56 34
⋅
21 55 29 47 38 38
⋅
22 22 ⋅ 88 88 45 22 ⋅ 45 88 45 45 ⋅ 45 45 65 43
= ⋅
nшп мин ,
-1
27 54
При правом направлении вращения шпинделя может быть настроено 23 частоты
n
вращения в диапазоне шп = 12,5÷2000 мин-1. При левом направлении вращения шпинделя уравнение кинематического баланса привода главного движения запишется следующим образом (муфта МФ1 включена вправо): 1450⋅
142 254
⋅0.985
50 ⋅ 36 24 38
⋅ 21 55 29 47 38 38
⋅
22 22 ⋅ 88 88
=
nшп мин ,
-1
27 45 22 ⋅ ⋅ 54 45 88 45 45 ⋅ 45 45 65 43
При левом направлении вращения шпинделя может быть реализовано 12 частот вращения в диапазоне
n
шп.
= 19 ÷2420 мин-1.
4.2 Кинематическая цепь привода продольной подачи Для настройки на станке всех видов продольных и поперечных подач нужно смещенные блоки гитары Б8 и Б9 поставить так, чтобы передача осуществлялась через колеса с передаточным отношением U(VIII-IX)=42/95*95/50, включить муфты МФ4, МФ5. При таком положении муфт ступенчатый конус шестерен Б10 (конус Нортона) становиться ведущим и включается передача через ходовой вал XVI.
На станке можно настраивать нормальную подачу суппорта, подачу, увеличенную вдвое, и подачу, увеличенную в большей число раз. 9
4.2.1 Нормальная подачи Для настройки станка на эти подачи блок Б6 переключают в левое положение U(VI-VII)=60/60, а блок Б7 в среднее положение - U(VII-VIII)=28/56.
Управление кинематического баланса в этом случае запишется следующим образом:МФ7
1. об.шп. ⋅
⋅
4 20
⋅
60 28 42 95 Z 25 28 27 20 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ( МФ2) ⋅ ⋅ ⋅ (МФ3) ⋅ U2 ⋅ ⋅ (МФ6) ⋅ ⋅ ⋅ (МФ7 60 56 95 50 36 28 56 20 28
40 37
⋅ (МФ8 или МФ9)
⋅
14 66
⋅ 10 ⋅ 3 = Sпр., мм/об,
40 45 ⋅ 45 37 где МФ6 - обгонная муфта для включения цепи подач от электродвигателя М2 при быстром перемещении суппорта; МФ7 - предохранительная муфта, пробуксовывающая при перегрузке механизма подач; МФ8, МФ9 – муфты для включения подачи суппорта влево или вправо; Z - число зубьев шестерни ступенчатого конуса Б10, которая находится в зацеплении с накидной шестерней Z=36; U2 - передаточное отношение передачи от вала XII валу XIV, которая переключается блоками Б11 и Б12. Формула настройки: Z⋅U2/46=Sпр, мм/об. Подставляя в формулу настройки семь значений Z (26, 28, 32, 36, 40, 44, 48) и четыре значения U2(1/8, 1/4, 1/2, и 1), определяют величины 28 ступеней подач в пределах: Sпр=0,07÷1,04 мм/об.
4.2.2 Подачи, увеличенные вдвое Эти подачи настраиваются перемещением блока Б7 в левое положение, при котором U (VII-VIII) = 42/42 = 1. в остальном кинематическая цепь совпадает с указанной выше. В результате подачи будут увеличены вдвое по сравнению с нормальными Sпр=Z⋅U2/23.
4.2.3 Подачи, увеличенные в большее число раз Эти подачи настраиваются установкой блока Б6 так, чтобы его шестерня Z=45 зацеплялась с шестерней Z=45 на валу III, тогда вращение с вала VI на вал VII передается уже через зубчатые передачи на валах III, IV, V.
10
4.3 Кинематическая цепь поперечных подач До вала XVIII включительно кинематическая цепь поперечных подач совпадает с цепью продольных подач. Включение поперечных подач осуществляется муфтой МФ10 или МФ11, в результате чего вращение от вала XVIII передается на винт XXII поперечного суппорта. Управление кинематического этой кинематической цепи при нормальной подачи запишется так:
1 об.шп. ⋅
⋅
4 20
⋅
60 28 42 95 Z 25 28 27 20 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ( МФ2) ⋅ ⋅ ⋅ (МФ3) ⋅ U2 ⋅ ⋅ (МФ6) ⋅ ⋅ ⋅ (МФ7) 60 56 95 50 36 28 56 20 28
40 37
⋅
(МФ10 или МФ11)
⋅
40 ⋅ 61 ⋅ 5 = Sпоп., мм/об 61 21
40 45 ⋅ 45 37 Величины поперечных подач получаются в 2,11 раза меньше величины продольных подач.
4.4 Винторезная кинематическая цепь При нарезании всех видов резьб на продольное перемещение суппорта осуществляется уже холодным винтом XV. Для этого включается муфта МФ5, а шестерня Z=10 выводится из зацепления с зубчатой рейкой. Подача суппорта производится при включении гайки ходового винта XV.
4.4.1 Нарезание метрических резьб Настройка механизма подач для нарезания метрической резьбы производится путем установки блоков гитары Б8 и Б9 так, чтобы передача осуществлялась через колеса с передаточным отношением U(VIII-IX)=42/95∗95/50 включением муфт МФ2, МФ3 и МФ5. Блок Б10 становится в этом случае ведущим.
Уравнение кинематического баланса запишется так: 42 60 1об.шп. ⋅ ⋅ 42 ⋅ 60 35 28 ⋅ 28 35 Z 25 42 95 ⋅ ⋅ (МФ 2) ⋅ ⋅ ⋅ (МФ 3) ⋅ U 2 ⋅ (МФ5) ⋅ 12 = Р, мм 95 60 36 28 Формула настройки этой цепи: Z⋅U2/4 = P, мм.
11
Подставляя семь указанных значений Z и четыре значения U2, можно получить 28 значений шагов резьбы в пределах Р = 0,8125÷12 мм. Из 28 только 19 значений шагов совпадают с применяемыми метрическими резьбами.
4.4.2 Нарезание модульных резьб Настройка механизма подач станка для нарезания модульных резьб производится также, как для нарезания метрических, но блоки гитары Б8 и Б9 устанавливаются так, чтобы передача осуществлялась через колеса с передаточным отношением U’(VIIIIX)=64/95⋅95/97, при этом получаемый шаг резьбы изменяется в число раз, равное (64/95⋅95/97)/(42/95⋅95/50)=0,78552. Поэтому получаемый шаг модульной резьбы равен P’=(0,78552⋅Z⋅U2)/4, а модуль:
М=
Р'
р
=
Z ⋅ U2 16
4.4.3 Нарезание дюймовых резьб Настройка механизма подач для нарезания дюймовых резьб производится также, как и на метрические, но при этом включается только муфта МФ5, а все остальные выключаются. В результате этого блок Б10 зубчатых колес становится ведомым. Уравнение кинематического баланса в этом случае запишется следующим образом:
42 60 42 1об.шт.⋅ 35⋅ 28 60 ⋅ 28 35
=
⋅
42 95 35 37 28 36 35 28 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ U2⋅ (МФ5)⋅12= 95 50 37 35 25 Z 28 35
254016 U2 U2 ⋅ = 406,4 ⋅ = P, мм; 625 Z Z Формула настройки:
16 ⋅ 25,4 ⋅ U2 = P, мм. Z
Дюймовые резьбы характеризуются не шагом, а числом ниток К на один дюйм длины резьбы. Число ниток находят из формулы:
К=
25,4 25,4 Z Z = ⋅ = Р 16 ⋅ 25,4 U2 16 ⋅ U2
Подставляя в формулу семь значений Z и четыре значения U2, получают 28 различных значений К, из которых 20 - стандартные.
12
4.4.4 Нарезание притчевых резьб При нарезании притчевых резьб пользуются такой же кинематической цепью, как и при нарезании дюймовых резьб, только на гитару вместо колес 42/95 ⋅ 95/50 устанавливают сменные зубчатые колеса 64/95⋅95/97. При этом полученный шаг резьбы изменяется в 0,78552 раза и равен:
Р = 0,78552 ⋅ 16 ⋅ 25,4 ⋅
U2 , Z
А число ниток находят из формулы:
K=
Z 0,78552 ⋅ 16 ⋅ U2
Между диаметральным питчем DP и числом ниток К на один дюйм существует соотношение:
DP = K ⋅ р , Поэтому:
DP = K ⋅ р =
Z Z ⋅р= 0,78552 ⋅ 16 ⋅ U2 4 ⋅ U2
4.4.5 Нарезание резьбы с увеличенным шагом Все кинематические цепи, написанные ранее, относились к резьбам с нормальным шагом. Для получения увеличенного шага резьбы шестерня Z=45 блока Б6 вводилась в зацепление с шестерней Z=45 вала III. В этом случае передача от вала VI на VII осуществляется через валы V, IV и III со следующими передаточными отношениями: а) при частоте вращения шпинделя в диапазоне N=12,5÷40 мин-1 педаточное отношение U(перебора) =1/16
U ' (VI − VII) =
54 88 88 45 ⋅ ⋅ ⋅ = 32; 27 22 22 45
б) при частоте вращения шпинделя в диапазоне N=50÷160 мин-1 педаточное отношение U(перебора) =1/4
U ' (VI − VII) =
54 88 45 45 ⋅ ⋅ ⋅ = 8; 27 22 45 45
В результате полученный шаг метрических и модульных резьб увеличивается в 8 или32 раза, а число ниток на один дюйм и питч уменьшается в то же число раз. При нарезании резьб с увеличенным шагом более высокой частотой вращения, чем 160 мин-1 не пользуются.
13
4.4.6 Нарезание точных резьб При нарезании точных резьб включаются муфты МФ2, МФ4, МФ5. В этом случае передача осуществляется от шпинделя через сменные шестерни гитары U(VIIIIX)=A/B⋅C/D на вал IX и далее напрямую на ходовой винт XV.
Уравнение кинематического баланса винторезной цепи в этом случае запишется так:
42 60 1об.шп.⋅ ⋅ 42 60 35 28
⋅
A C ⋅ ⋅ (МФ 2) ⋅ (МФ4) ⋅ (МФ5) ⋅ 12 = Р, мм B D
⋅ 28 35
Из уравнения получаются формулы для подбора чисел зубьев сменных колес гитары: - для метрической резьбы:
A C P ⋅ = ; B D 12
- для модульной резьбы с шагом P =
- для дюймовой резьбы с шагом
для питчевой резьбы с шагом
P=
P=
π⋅M :
A C π ⋅ M 11 ⋅ M ⋅ = = ; B D 12 42
25.4 A C 25,4 127 ⋅ = ⋅ : ; K B D 12 ⋅ K 60 ⋅ K
25.4 ⋅ π A C 25,4 ⋅ π 127 ⋅ 11 ⋅ = = : . DP B D 12 ⋅ DP 60 ⋅ 7 ⋅ D
Комплект сменных зубчатых колес, нужных для нарезания точных резьб поставляется к станку по особому заказу.
4.5 Кинематическая цепь ускоренного перемещения суппорта Привод этой цепи осуществляется от электродвигателя М2 со скоростью: - в продольном направлении:
Vпоп
40 85 27 20 4 = 1410 ⋅ ⋅ 0,985 ⋅ ⋅ ⋅ ( МФ 7 ) ⋅ 37 ⋅ 147 20 28 20 40 45 ⋅ 45 37
⋅ (МФ8илиМФ 9) ⋅
14
14 π ⋅ 10 ⋅ 3 = 3,35, м/мин; ⋅ 66 1000
- в поперечном направлении:
85 27 20 4 40 Vпоп = 1410 ⋅ ⋅ 0,985 ⋅ ⋅ ⋅ ( МФ 7 ) ⋅ ⋅ 37 147 20 28 20 40 45 ⋅ 45 37 40 40 5 ⋅ ( МФ 10 илиМФ 11 ) ⋅ ⋅ ⋅ = 1,6 м/мин; 61 61 1000
5 Контрольные вопросы 5.1 Что понимается под кинематической настройкой станка? 5.2 Для чего необходимы органы настройки? 5.3 Что такое уравнение кинематического баланса? 5.4 Каким образом выводится формула настройки и зачем она нужна? 5.5 В каких случаях блок зубчатых колес Б10 (конус Нортона) является ведущим, а в каких ведомым? 5.6 В какой кинематической цепи используется ходовой винт станка? 5.7 В какой кинематической цепи используется ходовой вал станка?
6 Отчет по лабораторной работе универсальных металлорежущих станков»
«Кинематика
Отчет по лабораторной работе должен содержать: 1) Дату выполнения работы; 2) Наименование лабораторной работы; 3) Уравнение кинематического баланса: цепи главного движения, цепи подач (продольной и поперечной), винторезных кинематических цепей (метрической и дюймовой); 4) Ответы на вопросы раздела 5; 5) Подпись студента; 6) Подпись преподавателя и дату приема зачета.
15
Список использованных источников 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
16
Власов С.Н., Годович Г.М., Черпаков Б.И. Устройство, наладка и обслуживание металлообрабатывающих станков и автоматических линий. - М.: Машиностроение, 1983.-324с. Чернов Н.Н. Металлорежущие станки. - М.: Машиностроение, 1988.-240с.. Голофтеев С.А. Лабораторный практикум по курсу "Металлорежущие станки": Учеб. пособие для техникумов.- М.: Высш.шк.,1991. -240 с. Ничков А.Г. Фрезерные станки. - М.: Машиностроение, 1977. -184с.; Барбашев Ф.А. Фрезерное дело. Учебное пособие для сред. проф.-тех.училищ. Изд.2-е. - М.: Высшая школа, 1975.- 216с. Колев Н.С. и др. Металлорежущие станки. - М.: Машиностроение, 1980. - 486 с. Металлорежущие станки: Учебник для машиностроительных вузов. /Под ред. В.Э. Пуша – М. : Машиностроение, 1986. -256 с. Сысоев В.И. Справочник молодого сверловщика. - М.: Профтехиздат, 1962.- 272с. Барун В.А. Работа на сверлильных станках.: Учебное пособие для сред. проф. тех.училищ. - М.: Профтехиздат, 1963.- 296с. Трофимов А.М. Металлорежущие станки . – М.: Машиностроение, 1979. - 78с.