Для чего нужен шпиндель

Шпиндель — один из самых важных ключевых частей фрезерного станка, от которого зависят такие факторы, как: используемый вид фрез, совместимый с данным оборудованием, способ крепления инструмента и его прямое назначение. Привод данного элемента ЧПУ, как правило, имеет встроенную конструкцию и представляет собой своеобразный высокопроизводительный электродвигатель с цанговым зажимом.

При этом качество играет здесь не последнюю роль – добротный шпиндель при правильной эксплуатации будет работать без сбоев и заминок, обрабатывая материал с должным качеством; нарушение требований инструкции может повредить как само оборудование, так и причинить тяжелые травмы рабочим.

Высокоскоростной шпиндель должен обеспечивать ряд технических требований, к которым, в первую очередь, относится:

• Высокая пиковая мощность и мощность постоянного действия.
• Максимальная скорость вращения.
• Соответствующая требованиям высокоскоростной обработки система крепления инструмента.
• Правильный выбор системы охлаждения: воздух или жидкость.
• Правильный выбор подшипников и способа их смазки.

0.8 кВт — с цангой ER-11

Неглубокие граверные работы по латуни, обработка пластика до 5 мм, немногослойной фанеры, фрезерование печатных плат и др.

1.2 кВт — с цангой ER-11

Работы с твёрдой древесиной, не превышающей значение 6 мм, и стали до 1.5 мм.

1.5 кВт — с цангой ER-11

Стандартные и мелкие граверные работы, поверхностное фрезерование по алюминию и латуни и др.

1.5 кВт — с цангой ER-16

Работы с твёрдой древесиной, сталью и акрилом до 15 мм.

2.2 кВт — с цангой ER-20

Работы с твёрдой древесиной, акрилом до 30 мм, гравировка и фрезеровка на мягких металлах, организация 3D рельефов на дереве и пластиках.

2.2 кВт — с цангой ER-16

Работы с металлами и твёрдой древесиной, гравировка и фрезеровка 3D рельефов на сталях, дереве и пластиках.

3 кВт — с цангой ER-20

Для 3D работ с твёрдой древесиной, акрилами, металлами и легкого фрезерования камня.

Работы с твёрдой древесиной и сталью. Используется при резке на большой глубине, когда мощности 3 кВт недостаточно.

4.5 кВт и более с цангами ER-25, ER-32

Работы по камню, мрамору и глубокой фрезеровки металлов и твердого дерева.

Тип шпинделя: с ременной передачей или со встроенным мотором.

В первом случае требуемая скорость вращения не превышает 12 000 – 15 000 об/мин. В то время как встроенный мотор гарантирует высокие скорости вращения без ограничений.

Крепление осуществляется с помощью цангового патрона. Разновидности: самозажимные, гидравлические, ручные, пневматические.

На оси шпинделя патрон может крепиться следующим образом:

• тип 1 – через промежуточный фланец;
• тип 2 – на фланцевые концы под поворотную шайбу по ГОСТ 12593 (конус);
• тип 3 – на фланцевые концы шпинделей по ГОСТ 12595 (конус, сквозное крепление).

В стандартных станках применяются цанги ЕР11, ЕР16 и ЕР20, позволяющие зажимать инструмент с хвостовиком до 3,2 мм. Промышленные цанги ЕР25 и ЕР32 используют в случае размера хвостовика до 6 мм. Такой инструмент предназначен для фрезерования толстых слоев металла.

Воздушная – это своеобразный вентилятор на рабочем валу шпинделя. Минус системы – это забивание шпинделя продуктами фрезерования и возможный перегрев и выход из строя при низких скоростях вращения. Водяная система очень эффективна, но может привести к коррозии внутри охлаждающей рубашки.

Без качественного подшипника невозможно обеспечить высокие скорости вращения, необходимый вращающий момент и мощность к инструменту, хорошую нагрузочную способность и длительный срок службы шпинделя.

Типы подшипников – роликовые, роликовые конические, шариковые подшипники с угловым контактом. Критерии выбора подшипников зависят от спецификации шпинделя, как это показано в таблице.

Определение годового объема выпуска шпинделя и типа производства. Анализ технологичности конструкции детали. Выбор и обоснование способа получения заготовки. Промежуточные расчетные размеры по обрабатываемым поверхностям для чистовой токарной обработки.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	28.06.2015
Размер файла	280,6 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Технологическая часть

1.1 Назначение детали в узле

Шпиндель — вал металлорежущего станка, передающего вращение закреплен-ному в нем инструменту или обрабатываемой заготовке. Шпиндель является одной из наиболее ответственных деталей станка. От него во многом зависит точность обработки. Поэтому к шпинделю предъявляется ряд повышенных требований. Конструкцию шпинделя определяют: а) требуемая жесткость, расстояние между опорами, наличие отверстия; б) конструкция приводных деталей и их расположение на шпинделе; в) тип подшипников и посадочные места под них; г) метод крепления патрона для детали или инструмента.

Шпиндели современных станков имеют довольно сложную форму. К ним предъявляются высокие требования по точности изготовления4 часто до половины всех проверок на точность, проводимых при изготовлении станка, приходится на шпиндельный узел. Технические условия на изготовление шпинделей устанавливаются ГОСТом для станков данного класса.

Весьма важным является выбор материала шпинделя. Сталь 40Х применяют при повышенных требованиях (шпиндели быстроходных станков).

Шпиндели рассчитываются на жесткость, и лишь для тяжелых нагруженных шпинделей производят проверочный расчет на прочность. Основным видом деформации шпинделя, влияющим на точность работы станка, является изгиб.

Опоры шпинделей в зависимости от их типа обеспечивают различные условия для поворота шпинделя при его изгибе. Поэтому при расчете на жесткость шпиндель рассматривается как балка на двух опорах, причем тип опоры выбирают в зависимости от типа подшипника. [5]

1.2 Определение годового объёма выпуска и типа производства

В случае если годовой объем выпуска деталей не указан в задании на курсовой проект (в моем случае), то он может быть определен по формуле:

где: m — количество одноименных деталей в машине (1 шт);

M — годовой объем выпуска машин (150000 шт);

г — 5…10 количество запасных частей в процентах;

д — 2…6 процент брака и технологических потерь, включая детали используемые для настройки станка, в процентах.

Тип производства определяется по годовому объему выпуска и массе детали по табл. 1

Вес детали 0,45 кг, следовательно, при годовом объёме выпуска больше 210000 деталей тип производства будет являться массовым.

Массовое производство характеризуется узкой номенклатурой и большим объёмом выпуска изделий, непрерывно изготовляемых в течение продолжительного периода времени. При массовом производстве технологические процессы разрабатываются подробно и хорошо оснащаются, что позволяет обеспечить высокую точность и взаимозаменяемость деталей, малую трудоёмкость, а, следовательно, и более низкую, чем при серийном производстве, себестоимость изделий.

При массовом производстве, возможно, более широко применять механизацию и автоматизацию производственных процессов, быстродействующие специальные приспособления, режущий и мерительный инструмент.

1.3 Анализ технологичности конструкции детали

Деталь должна изготавливаться с минимальными трудовыми и материальными затратами. Эти затраты можно сократить в значительной степени от правильного выбора варианта технологического процесса, и его оснащения, механизации и автоматизации, применения оптимальных режимов обработки.

При оценке технологичности учитываются следующие характеристики:

— Конструкция детали должна состоять из стандартных и унифицированных конструктивных элементов или быть стандартной в целом. Вал-шестерня состоит из простых геометрических фигур — цилиндров. Сложных фасонных поверхностей или поверхностей получение которых не представляется возможным при современных методах обработки нет. Все элементы (канавки, скругления, фаски) стандартизованы.

— Физико-химические свойства и механические свойства материала, жёсткость детали, её форма и размер должны соответствовать требованиям технологии изготовления. Свойства материала (Сталь 40Х) и геометрические параметры позволяют обрабатывать деталь без на имеющемся оборудовании с применением стандартных инструментов.

— Рациональность выбора заготовки. В крупносерийном и массовом производстве выгодно применять заготовки приближенные по размерам и форме к размерам и форме детали. Полученные штамповкой заготовки удовлетворяют этому условию.

— Технологичность отдельных элементов. Все элементы детали (фаски, скругления, канавки) выполняются с применением стандартного инструмента и не требуют изготовления специального.

— Точность и шероховатость поверхностей;

— Обрабатываемость материала резанием;

Технологичность детали характеризуется коэффициентом использования материала:

где Q₁ — масса детали (0,45 кг);

Т.к. то можно сделать вывод, что материал расходуется рационально (малое количество металла уходит в стружку).

1.4 Выбор и обоснование способа получения заготовки

Рассматривая наиболее распространённые варианты получения заготовки, я пришла к выводу, что для моего задания наиболее подходит заготовка, полученная из штамповкой в закрытом штампе на кривошипном горячештамповочном прессе Так изготовление заготовки будет занимать минимальное время и трудоемкость.

1.5 Выбор технологических баз

Технологической называют базу, используемую для определения положения заготовки или изделия при его изготовлении или сборке.

Выбор технологических баз является одной из сложных задач проектирования технологического процесса. От правильного выбора технологических баз в значительной мере зависят:

· Точность получения заданных размеров;

· Правильность взаимного расположения поверхностей;

· Степень сложности технологической оснастки, режущего и измерительного инструментов.

Операция 005 Токарная:

Технологическая база — необработанная поверхность 15,5 мм и 12 мм, формовочный уклон.

Операция 010 Токарная (черновая):

Технологическая база — обработанная поверхность 31 мм, центровочное отверстие 2,5, коническая поверхность — обратный центр.

Операция 015 Токарная (чистовая):

Технологическая база — обработанная поверхность 30 мм, центровочное отверстие 2,5, коническая поверхность — обратный центр.

Операция 020 Токарная (чистовая):

Технологическая база — центровочное отверстие 2,5, коническая поверхность — обратный центр.

Операция 030 Сверление:

Технологическая база — обработанные поверхности 15 мм, центровочное отверстие 2,5.

Операция 035 Резьбонакатная:

Технологическая база — обработанные поверхности 15 мм и 12 мм.

Операция 040 Фрезерная:

Технологическая база — обработанные поверхности 15 мм.

Операция 045 Фрезерная:

Технологическая база — обработанная поверхность 30 мм, центровочное отверстие 2,5.

Операция 050 Круглошлифовальная:

Операция 055 Отрезная:

Технологическая база — обработанная поверхность 30 мм, центровочное отверстие 2,5.

Операция 060 Резьбонакатная:

Технологическая база — обработанные поверхности 15 мм и 12 мм.

1.6 Разработка маршрута обработки заготовки

Операция 000 Заготовительная:

Заготовку получаем штамповкой.

Операция 005 Токарная:

Подрезать торцы 8,5 мм и 12 мм, сверлить центровочное отверстие 2,5 мм.

Операция 010 Токарная (черновая):

1 установ — точить поверхность 8,5 мм на 20 мм, 12 мм на 47 мм, 23 мм на 80 мм, 15 мм на 19 мм, обработать коническую поверхность под на 4 мм.

2 установ — точить поверхности 12мм на длину 15 мм, 15мм на длину 44мм, 17 мм на 69 мм, 20 мм на 83 мм, 30 мм на 118 мм, 9,5 мм на 83 мм

Операция 015 Токарная (чистовая):

1 установ — точить поверхность 8,5 мм на 20 мм, 12 мм на 47 мм, 23 мм на 80 мм, 15 мм на 19 мм. Снятие фасок по 12 мм, 23 мм.

2 установ — точить поверхности 12мм на длину 15 мм, 15мм на длину 44мм, 17 мм на 69 мм, 20 мм на 83 мм, 30 мм на 118 мм, 9,5 мм на 83 мм. Снятие фасок по 15мм, 17 мм, 20 мм, 30 мм.

Операция 020 Токарная (чистовая):

Точение канавок на 8,5, 12 мм, 17 мм, 20 мм.

Операция 025 Термообработка:

Закалка ТВЧ на длине 80 мм.

Операция 030 Сверление:

Сверлить отверстие 2,5мм.

Операция 035 Резьбонакатная:

Нарезание резьбы М30х2 на длине 35 мм, М12 на длине 11 мм.

Операция 040 Фрезерование:

Фрезеровать шпоночный паз 5мм на длину 22 мм, 8мм на длину 35 мм.

Операция 045 Фрезерование:

Фрезерование винтовой поверхности 23мм.

Операция 050 Шлифование:

Шлифование поверхности 8,5h11 мм на длине 16мм, 12d9 мм на длине 27мм, 20k6 мм на длине 14 мм, 17h7 мм на длине 23мм, 15h6 мм на длине 12мм.

Операция 055 Отрезная:

Отрезание фальш-центра, снятие фаски по 12мм 1,6х45.

Операция 060 Резьбонакатная:

Нарезание резьбы М12 на длине 11 мм.

1.7 Расчет припусков

Определить значение припусков на механическую обработку Ш 20к6

Технологический переход при обработке

Как выбрать шпиндель

Профессиональные советы, которые помогут вам определиться какой шпиндель выбрать для станка с ЧПУ.

Шпиндель — основной рабочий агрегат фрезерного станка с ЧПУ.

Подбирается в зависимости от обрабатываемых материалов и режимов обработки.

Первое, с чем надо определиться, будет ли шпиндель со встроенным электродвигателем, или будет приводиться в движение через ременную или зубчатую передачу.

Выбор типа шпинделя

• развивают высокие скорости вращения (обычно 18-24 000 об/мин, некоторые модели до 120 000 об/мин)
• хорошо режут обычно на высокой скорости, теряя момент с оборотами
• используют относительно небольшие скоростные шарикоподшипники, из-за чего ограничены по нагрузкам
• не имеют обратной связи по положению и скорости, из-за чего невозможно выполнять некоторые операции, например, качественно и производительно нарезать резьбу.
• используют обычно цанговые зажимы типа ER или небольшие инструментальные конусы, часто типа ISO или BT

Выбор вида охлаждения электрошпинделя

Электрошпиндели по типу охлаждения бывают 2 видов — жидкостного и воздушного. Шпиндели водяного охлажденияотличаются следующим:

• Звук. Они существенно тише воздушных. Это преимущество нивелируется звуком от фрезы, который намного громче работающей крыльчатки
• Контур охлаждения. Это означает подключение помпы, трубки охлаждения, емкость с тосолом, и т. п. В идеале также контролировать силу потока и его температуру.
• Возможность работы на низких оборотах. Воздухоохлаждаемые же шпиндели быстро начинают перегреваться — поскольку крыльчатка устанавливается на вал шпинделя, с падением оборотов растет ток и одновременно падает воздушный поток.

Отличительные особенности шпинделей воздушного охлаждения:

• Звук. Крыльчатка воздушников весьма сильно воет
• Разлет стружки. Крыльчатка дует практически прямо в зону реза, что вызывает разлет стружки повсюду.
• Прочистка рубашки. Рубашка охлаждения может забиваться продуктами резания. Периодически её необходимо прочищать.
• Чувствительность к перегреву. Воздушное охлаждение менее эффективно, чем жидкостное, в связи с чем надо тщательно следить за температурой шпинделя. Обычно на них есть простой термодатчик (термопара), который можно завести в ЧПУ контроллер.
• Обороты ограничены снизу. На воздушниках нельзя работать на скоростях ниже определенного предела. Если в случае с жидкостными максимум что произойдет — момент упадет до минимума, фрезу заклинит и она сломается, то воздушник из-за перегрева может просто сгореть.

При прочих равных воздушные шпиндели хорошо себя показывают при обработке мягких материалов, там, где обработка идет на больших скоростях — МДФ, массива, пластиков и т.п.

Водяные шпиндели с равным успехом показывают себя при обработке как дерева/пластиков, так и мягких металлов (алюминий, медь и их сплавы).

Если вы определились какой шпиндель выбрать, и это воздушное охлаждение, далее вам надо определиться с брендом, после чего уже не будет большой проблемы выбрать конкретную модель.

Со шпинделями водяного охлаждения немного сложнее, т.к. разброс в их типах, сериях и т.п. достаточно велик. Обычно если в описании написано «для деревообработки и рекламных работ» — это означает, что шпиндель спроектирован исходя из минимальных требований, минимум подшипников, минимум защит, минимум точности при изготовлении. Дешево и сердито, по сути — расходный материал, ремонтопригодность близка к нулю, т.к. стоимость ремонта сопоставима с ценой нового шпинделя. Таковы серии популярных китайских шпинделей GDZ и TDK, в противоположность сериям GDK, в которых в переднем и заднем узле стоят полноценные дуплексы, с тщательным выполнением натяга, передний подшипниковый узел защищен от пыли накладкой и т.п.

Как выбрать скорость и мощность шпинделя

Скорость вращения шпинделя определяется видами фрез и обрабатываемыми материалами. Обычно последовательность такая — исходя из изделий определяется диапазон моделей фрез, исходя из него по каталогам производителей определяется диапазон скоростей резания, а по ним соот-но диапазон скоростей вращения шпинделя.

Вы планируете работать по дереву, вырезая рельефы с большим количеством мелких деталей.

В этом случае вы много будете работать с мелкими фрезами и граверами, для чего требуется шпиндель с большими оборотами — 24000 об/мин(а лучше больше, например 36000), и станок с высокой скоростью подачи (5000 мм/мин). А также будут использоваться фасонные и пазовые фрезы большого диаметра, что накладывает ограничения на минимальную мощность шпинделя — она должна быть достаточно большой, чтобы фреза не вязла в материале, в зависимости от диаметра фрез и режима работы — от 2.2 до 7 кВт.

Планируется станок для обработки алюминиевых сплавов небольшими цельными твердосплавными фрезами.

Исходя из чертежа изделий, максимальный диаметр фрезы, который потребуется — 16 мм, минимальный — 0.2 мм, основная работа будет вестись фрезами диаметром 6-10 мм. Согласно каталогам производителя фрез ZCC-CT, рекомендуемая скорость вращения фрез диаметром 6 мм — 13000 об/мин с подачей 1250 мм/мин, 10 мм — 8000 об/мин с подачей 1600 мм/мин,откуда следует задача подобрать шпиндель, оптимально работающий на скорости 10-12 тыс. об/мин, но при этом имеющий запас как по увеличению скорости, так и по уменьшению. Ременноприводные шпиндели не разгоняются выше 8 тыс. оборотов, поэтому работа мелкими фрезами будет происходить очень медленно, а обычные водоохлаждаемые электрошпиндели в целом хотя могут работать в таком режиме, но могут возникнуть проблемы с работой большими фрезами на низких оборотах, поэтому наиболее подходящим вариантов видятся электрошпиндели с 2 парами полюсов — у них базовая частота вращения ниже вдвое (до 12 000 об/мин обычно), но за счет этого момент вращения увеличен пропорционально — на 8000 об/мин они выдадут момент в несколько раз больший, чем водник с одной парой полюсов, а кроме того, ничто не запрещает настроить частотник на превышение базовой частоты, что(с падением момента, конечно) позволит фрезеровать мелкими фрезами с частотой выше базовой.

Планируется станок для обработки небольших алюминиевых и стальных деталей, с небольшим съемом и заглублением.

Данная задача несколько противоречива, сталь настолько по режимам обработки отличается от алюминия, что для них по-хорошему нужны 2 разных станка. Если такое невозможно, то надо определиться, либо мы хорошо обрабатываем алюминий и кое-как сталь, либо хорошо обрабатываем сталь и медленно алюминий. В случае второго варианта мы для начала сразу отказываемся от скоростных электрошпинделей — в них стоят слишком слабые подшипники, они рассчитаны на большую скорость и маленькие усилия, тогда как при обработке стали все наоборот и подшипники просто долго не проживут. Во вторую очередь — шпиндель по стали требуется весьма крупный, по той же причине (размер подшипников), и конусов типа BT30/ISO30 очевидным образом будет недостаточно. Ну и далее определяется, какого размера будут фрезы и скорость вращения. Для фрезы диаметром 6 мм требуется 7000 об/мин при подаче 675 мм/мин, для фрез 20 мм — 2000 об/мин, таким образом нам подойдет шпиндель с конусом BT40 и скоростью вращения до 8000 об/мин. Если работа будет в основном мелкими фрезами, то задача несколько усложняется — использовать шпиндели с механическим приводом также возможно, но подачи станут совсем низкими.
Также, скорее всего вам потребуется шпиндель с отверстием для подачи СОЖ в конус — инструмент склонен очень сильно греться при работе со сталью, просто полива может не хватать и многие виды работ потребуют подачи СОЖ сквозь фрезы и сверла.

После определения основных моментов, можно попробовать дополнительно сузить выбор.