Проектирование шпиндельной сборки портального обрабатывающего центра

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время идёт непрерывное развитие станкостроения, как базовой отрасли машиностроения. Главной тенденцией развития машиностроения является его автоматизация на базе станков с ЧПУ, автоматов и полуавтоматов, гибких производственных модулей, автоматических линий и т.д. Серийное производство, в котором изготовляется более 75% всей машиностроительной продукции, должно обеспечиваться оборудованием, сочетающим достаточно высокую производительность с необходимыми универсальностью и гибкостью, что даёт возможность интенсивного обновления продукции без существенной замены основных фондов. Такие возможности даёт оборудование с ЧПУ, в особенности многоцелевые станки. Поэтому характерной особенностью современного производства является постоянное расширение номенклатуры многоцелевых станков.
Современный многоцелевой станок выполняет функции одновременно фрезерного, сверлильного и токарного станка. Технологические возможности и высокая степень автоматизации этих станков обеспечиваются наличием пяти и более независимо управляемых системой ЧПУ координатных перемещений рабочих органов, широкого диапазона бесступенчато-регулируемых частот вращения шпинделя и подач рабочих органов, автоматической смены режущих инструментов и заготовок, накапливаемых в магазинах или инструментальных головках и т.д.
Такие станки, а также системы высшего уровня, в которые они встраиваются, позволяют многократно увеличить производительность, путем уменьшения времени на обработку той или иной заготовки.
Целью дипломного проекта является проектирование шпиндельной сборки портального обрабатывающего центра.
Задачи дипломного проекта:
1. Анализ существующих компоновок обрабатывающих портальных центров, патентно-лицензионный поиск, анализ аналогов.
2. Определение основных технических параметров станка.
3. Силовой расчет и конструирование шпиндельного узла.
4. Описание детали, анализ технических требований и технологичности детали.
5. План обработки поверхностей детали, расчет припусков, режимов резания и норм времени.








1 АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Варианты компоновки портальных станков

Основные виды компоновок металлообрабатывающего оборудования можно разделить на несколько групп:
1. Cтанки с консольным расположением шпиндельной бабки на колонне;
2 – шпиндельная бабка
5 - стол

2. Cтанки с неподвижной поперечиной и подвижным столом


3. Cтанки с подвижной поперечиной и подвижным столом


4. Cтанки с подвижным порталом и неподвижным столом


1– левая колонна
2– шпиндельная бабка
3-поперечина
4 – правая колонна
5 - стол






Первый вариант в основном используется для обработки легких сравнительно малогабаритных деталей. Наиболее жесткая конструкция из последующих трёх достигается при выборе второго варианта. Именно этот вариант наиболее часто используется для обработки крупногабаритных заготовок.
В результате проведенного анализа выбираем вариант номер 2.
Базовой деталью такого станка является основание (станина). По замкнутым гидростатическим направляющим станины перемещается стол 5, осуществляющий продольное движение заготовки. Внутри стола располагается привод продольного перемещения. По обе стороны основания крепятся колонны 1, 4 (правая и левая). На колонах жёстко закреплена поперечина 3. По направляющим поперечины перемещается каретка, которая осуществляет поперечное движение. По вертикальным направляющим поперечины перемещается шпиндельная бабка 2, которая осуществляет движение по координате Z. На поперечине размещается привод поперечного перемещения (см. рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Основные узлы компоновки №2: 1 – левая колонна; 2- шпиндельная бабка; 3- поперечина; 4- правая колонна; 5- стол


1.2 Обзор конструкции шпиндельного узла фрезерного портального станка

В современных портальных станках преобладаем следующая конструкция шпиндельных узла.
Шпиндельная бабка перемещается по оси Z по вертикальным направляющим каретки, оснащенными бронзовыми накладками. Необходимый зазор на боковых плоскостях, направляющих достигается регулировкой клина. От опрокидывания ползун удерживается поджимными планками. Для увеличения жесткости и точности перемещения ползун поджимается к боковой и лицевой направляющим каретки пружинно-гидравлическими поджимами через роликовые опоры качения. Ползун зажимается камерными гидрозажимами, расположенными в поджимных планках. Перемещение ползуна осуществляется от высокомоментного двигателя через зубчатую передачу посредством шариковой винтовой передачи. Уравновешивание ползуна осуществляется двумя гидроцилиндрами. Оно предназначено для разгрузки цепи привода подач от веса ползуна.
Привод главного движения осуществляется от частотно регулируемого электродвигателя через планетарный редуктор и зубчатую передачу. Редуктор обладает возможностью изменения передаточного отношения, что дает возможность вести чистовую обработку на высоких скоростях, и черновую с высокими моментами.
Крепление инструмента в корпусе шпинделя производится электромеханической зажимной головкой с тянущим приводом с помощью шомпола, получающего возвратно-поступательное движение от головки и зажимной цанги.
Инструмент с конусом 60 вставляется непосредственно в конус шпинделя, а инструмент с конусом 50 в переходном патроне.
Привод торцевой головки осуществляется от основного шпинделя через переходной патрон, имеющий шпонки, через которые передается крутящий момент ведущей шестерне головки.
Крепление инструмента на оправках механизировано. Зажим оправки осуществляется пакетом тарельчатых пружин через тягу и цанговый захват. Отжим оправки осуществляется от механизма крепления инструмента в основном шпинделе. Шомпол перемещает тягу патрона и тягу головки. Последняя через систему рычагов сжимает тарельчатые пружины, захват раскрывается и освобождает оправку.
Головка состоит из двух частей – поворотной и неповоротной. В исходном положении поворотная часть прижата к неповоротной пружинами с общим усилием 160 000 Н и зафиксирована выступами на неповоротной части, входящими в пазы поворотной части.
Поворот поворотной части осуществляется от основного шпинделя на угол, кратный 90°.
Чтобы установить головку на заданный угол необходимо подать давление в гидроцилиндры, встроенные в фиксаторную плиту. Тарельчатые пружины сжимаются, винты, скрепляющие части головки опускаются. Поворотная часть головки отходит под действием собственного веса. Выступы, закрепленные на неповоротной части выходят из пазов, а шпонки на поворотной части входят в пазы. Головка готова к повороту.
Поворот производится при медленном вращении шпинделя.
После поворота пружины прижимают поворотную часть к неповоротной, и они фиксируются относительно друг друга с помощью выступов и впадин. Крепление головки к ползуну осуществляется четырьмя винтами.
Предложено использовать конструкцию шпиндельного узла с двухсторонним гидроприводом механизма зажима инструмента.



1.3 Патентно-лицензионный поиск

Рассмотрим несколько патентов на тему: автоматизация или улучшение механизма зажима инструмента в шпинделе.
Патент SU 1495026 А1 (Ленинградское специальное конструкторское бюро тяжелых и уникальных станков, дата подачи 23.12.87.)
Суть изобретения – гидроцилиндры расположены перпендикулярно оси шпинделя и также работают только на разжим механизма зажима с тарельчатыми пружинами.
Более подробно. Целью изобретения является повышение долговечности шпинделя путем разгрузки его подшипников.
Отжим инструмента (рис.1.2) производится гидроцилиндрами поз.12, расположенным перпендикулярно оси шпинделя поз.1. При этом штоки поз.12 и 13 нажимают на Г-образные рычаги поз.10, оси поз.11 которых закреплены на шпинделе, а свободные концы нажимают на конец тяги поз.3, подпружиненной пакетом тарельчатых пружин 4. Вывод: усилие отжима инструмента не передается на подшипники поз.2 шпинделя поз.1 и поз.2.


Рисунок 1.2 – Эскиз к изобретению с кинематической схемой

По кинематической и силовой схеме: когда штоки поз.13 нажимают на Г-образные рычаги поз.10, а они, в свою очередь, сжимают пакет тарельчатых пружин поз.4, тяга поз.3 перемещается, и цанговый захват поз.5 освобождает инструментальную оправку поз.6, силы F1, с которыми воздействуют расположенные напротив друг друга гидроцилиндры поз.12 на Г-образные рычаги поз.10 шпинделя поз.1, уравновешивают друг друга. А силы F2, с которыми Г-образные рычаги поз.10 воздействуют на пакет тарельчатых пружин поз.4, полностью уравновешены реакциями F3 в осях поворота Г-образных рычагов. Вывод: усилие отжима инструмента не передается на подшипники поз.2 шпинделя, что разгружает их и повышает долговечность шпинделя.

Патент SU 405666 А1. (Автор белгородский И.В., публикация 1973.11.05.)
Устройство для механизированного зажима концевого инструмента.

Известны устройства для механизированного зажима концевого инструмента в шпинделе, содержащие подпружиненную тягу, взаимодействующую посредством захватного устройства с инструментальной оправкой и перемещаемую вдоль оси шпинделя с помощью силового органа. Но наличие на шпинделе весьма значительного, консольного расположенного груза вызывает вибрацию шпинделя и особенно нагружает подшипники расточной головки (а такие операции часто применяются при обработке корпусов) при высоком числе оборотов.
Предлагаемое устройство отличается от известных тем, что гидроцилиндр упруго-подвижно смонтирован в корпусе на расположенных в нем