🗊Презентация Проектирование деревообрабатывающего оборудования и инструмента. Компоновка общих видов и функциональных узлов

Проектирование деревообрабатывающего оборудования и инструмента Компоновка общих видов и функциональных узлов 35.04.02 «Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств (уровень магистратуры)» Кафедра инновационных технологий и оборудования деревообработки

Методология конструирования машин Под методологией в данном случае понимается система методов, учитываемых и применяемых при проектировании деревообрабатывающих машин. Метод – это логическая основа способа действия, согласно которой в процессе конструирования осознанно применяются определенные правила. Таких правил за многовековую историю конструирования машин накопилось много. Главные из них сводятся к следующему: максимально возможная производительность, высокое качество обработки, простота и легкость обслуживания, малые металлоемкость и габариты, достаточно низкая первоначальная стоимость и малые эксплуатационные расходы, технологичность конструкции, безопасность работы и др. Содержание некоторых правил, которые вытекают из требований, предъявляемых к машине, более подробно изложено ниже.

Увеличение производительности Увеличение производительности – один из важнейших принципов, которым руководствуется конструктор при создании машин. Производительность машин зависит от различных параметров. Повышение скоростей рабочих движений. Увеличение скорости обработки детали позволяет увеличить количество обработанных деталей в единицу времени Непрерывность технологического процесса. Под непрерывностью понимается процесс безостановочной обработки детали. Непрерывность – один из главных способов повышения производительности труда. Непрерывность технологического процесса. Под непрерывностью понимается процесс безостановочной обработки детали с вращательным, поступательным, поточным движением. Непрерывность – один из главных способов повышения производительности труда. Прерывистые технологические процессы выполняются с возвратно-поступательными движениями, с остановами или прерываниями при переходе к следующей операции. В проходных станках заготовки подаются в станок с межторцовыми разрывами.

Продолжение Механизация и автоматизация. Механизация уменьшает или частично избавляет человека от тяжелого ручного труда. Автоматизация полностью исключает непосредственное участие человека в работе. Автомат самостоятельно выполняет все рабочие и холостые ходы цикла по программе, заранее составленной и отлаженной человеком. В этом случае рабочая машина заменяет уже не только мускулы, но и в известных пределах мозг человека. За человеком остается только функция контроля, наладки машины, подготовки и замены программ.

Повышение точности Точность обработанных деталей на станках зависит от ряда факторов: геометрической точности станков, погрешностей в геометрии лезвий режущих инструментов, погрешностей размеров заготовок, наладки и настройки станков, неточности кинематических цепей, нестабильности режимов резания, температурных перепадов и др. Геометрическая неточность станка является следствием относительного расположения его узлов и деталей, неточности базовых элементов. В результате этого в шпиндельных узлах, например, появляется радиальное и осевое биение вала. Непрямолинейность направляющих конвейерных механизмов подач прирезных станков приводит к искажению размеров и формы деталей. Непрямолинейность режущих кромок ножей фуговальных и рейсмусовых станков тоже вызывает искажение размеров и формы деталей. Неплоскостность столов фуговальных и рейсмусовых станков приводит к перебазированию заготовки и искажению формы детали.

Продолжение Обеспечение нормативной геометрической точности, предотвращение повышения температуры деталей станка и режущего инструмента, а также обеспечение технологической стабильности рабочей машины - залог получения деталей требуемой точности. Деревообрабатывающую машину называют технологически стабильной, если ее уровень настройки и поле рассеивания размеров сохраняются неизменными в течение времени обработки партии деталей.

Жесткость узлов станка Под жесткостью понимается сопротивление, которое оказывает тело или система тел деформирующему действию внешних сил в данной точке.

Виброустойчивость станков Виброустойчивость станков - это их способность оказывать сопротивление вибрациям, т.е. периодическим колебаниям большой скорости. В обычных условиях в колебаниях участвуют три группы сил: поддерживающие колебания - силы упругости; вызывающие колебания (периодические) - возмущающие силы; гасящие колебания - силы сопротивления среды Частота вынужденных колебаний, равная частоте собственных колебаний, называется резонансной. Конструкция изделия должна исключать возникновение резонансных колебаний.

Точность изготовления изделий Точность изготовления изделий из древесины регламентирована ГОСТ 6449.1-82 "Изделия из древесины и древесных материалов. Поля допусков для линейных размеров и посадки". ГОСТ устанавливает 9 квалитетов допустимых отклонений размеров (с 10 по 18 квалитет). Точность станка характеризуется отклонениями формы и расположения его поверхностей и валов (выпуклость, вогнутость плоскостей, их отклонения от параллельности, перпендикулярности, непараллельность валов и т.д.), погрешностями вращения валов (радиальное и осевое биение) и др. Точность станка определяется путем исследования отклонений поверхностей от плоскостности, перпендикулярности, параллельности, исследования радиального и осевого биения валов и сравнения из с принятыми нормами. Нормы установлены для каждого типа станка и приведены в паспорте станка. Точность работы станка, точность обработанных деталей на станке определяется при исследовании выборок деталей и их статистической обработке, определении поля рассеяния размеров и других параметров.

Повышение надежности Свойство машины выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования называется надежностью Надежность машины обеспечивается совокупностью трех свойств: безотказностью, долговечностью и ремонтопригодностью. Безотказность характеризуется полным сохранением работоспособности в течение определенного периода работы в эксплуатационных условиях. Потеря работоспособности станка из-за неисправностей называют отказом. Долговечность. Долговечность - это свойство машины длительно, с учетом ремонтов, сохранять работоспособность в условиях эксплуатации до разрушения или другого состояния, при котором невозможна дальнейшая нормальная эксплуатация. Ремонтопригодность - это свойство объекта техники, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений, поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов

Технологичность конструкции Под технологичностью конструкции понимается возможность изготовления ее деталей с наименьшими трудовыми затратами при рациональном расходовании материала. Для обеспечения технологичности конструкции изделия следует пользоваться следующими правилами. 1. Соответствие конструкции масштабам выпуска и условиям производства. Одна и та же конструкция может быть технологичной для крупносерийного производства, т.к. в ней заложено использование прогрессивных методов производства, и будет нетехнологичной для мелкосерийного производства, т.к. на таком предприятии нет необходимого для этого оборудования, и современные технологии не применяются. 2. В технологичной конструкции форма и размеры деталей максимально соответствуют форме и размерам заготовок, а обработка их происходит с одного установа с исключением ручного труда. Для создания технологичной конструкции конструктор должен четко представлять себе технологию изготовления каждой детали и сборки изделия в условиях конкретного предприятия. 3. Простота и целесообразность конструкции. Проектируемый станок должен иметь максимальное количество простых, минимальной массы деталей, которые удобны для изготовления и сборки. Детали должны иметь по возможности только цилиндрические и плоские поверхности, а обработке должны подвергаться минимальное количество поверхностей.

Продолжение 4. Экономичный способ получения заготовок. Заготовки для изготовления деталей могут быть получены из проката, поковок, путем штамповки, литья в песчаные формы, в кокиль и др. Выбор заготовок всегда связан с выбором материала деталей. В качестве материала служит чугун, стальное литье и прокат, литье и прокат цветных металлов. Выбранный материал должен обеспечить необходимую прочность детали и заданную долговечность при приемлемой себестоимости. Уже на стадии конструирования выбирается материал деталей и вид заготовок. Сделанный выбор влияет на технологичность конструкции. 5. Экономически обоснованные точность и шероховатость обработанных поверхностей. Повышение точности изготовления деталей и изделия в целом требует применения более точного оборудования, сложной дорогостоящей оснастки, высокой квалификации рабочих и выполнения пригоночных работ при сборке. Все это повышает трудоемкость и себестоимость изделия. Шероховатость обрабатываемых поверхностей тоже назначается из условий работы сопрягаемых поверхностей. Излишне завышенные требования к шероховатости повышают трудоемкость изготовления деталей и требуют применения специального оборудования и инструмента. Шероховатость и точность сопрягаемых поверхностей взаимосвязаны между собой. Средняя высота микронеровностей не может быть больше величины допуска. Иногда шероховатость не связывается с точностью размеров, например при обработке трущихся поверхностей, поверхностей, которые готовятся для металлопокрытия (хромирования и т.д.).

Продолжение 6. Минимальный объем механической обработки. При конструировании деталей, подлежащих механической обработке, должны соблюдаться следующие рекомендации. Детали должны быть достаточно жесткими и удобными для крепления на станке. Ширина канавок, величина радиусов закругления должны соответствовать форме и размерам нормализованного режущего инструмента. Детали сложной формы следует разделить на ряд простых по конфигурации деталей, соединенных сваркой, запрессовкой, склеиванием и т.д. Плоские поверхности деталей должны располагаться на одном уровне параллельно или перпендикулярно одна другой. Деталь, обрабатываемая на токарном станке, должна иметь минимальный припуск на обработку и минимальное количество ступеней вала. Большое значение для технологичности деталей имеет правильный выбор технологических баз и принятая система простановки размеров на рабочих чертежах. Система простановки размеров должна позволить с минимальными затратами, надежно и просто обмерять деталь на станке а также указать рациональную последовательность обработки детали.

Продолжение 7. Многократное использование опробованных изделий. Технологичность машины повышается при использовании в ее конструкции стандартизованных, нормализованных и унифицированных деталей и изделий. Любая машина может быть сделана из пяти типов элементов (агрегатов, узлов, деталей): Ас - стандартных или покупных элементов, получаемых в готовом виде; Ау - унифицированных элементов, заимствованных из выпускаемых машин, многократно проверенных; Ан1 - новых элементов, изготовление которых не вызывает затруднений, но требует разработки и отладки технологии их изготовления; Ан2 - новых элементов, изготовление которых вызывает значительные затруднения (требуются разработка новой технологии с изготовлением сложной технологической оснастки, приобретение дорогого оборудования и т.п. ); Ан3 - новых элементов, изготовление которых вызывает пока непреодолимые трудности. Конструктор часто стремится удовлетворить высокие требования к машине известными, традиционными структурами, При излишнем увлечении преемственностью, заимствованием, унификацией, попыткой воспользоваться тем, что уже создано и опробовано, невозможно обеспечить требуемого роста уровня показателей машин, невозможно лидировать на мировом рынке.

Продолжение Спроектированные таким образом машины быстро морально стареют и через короткое время нуждаются в дополнительной модернизации. Однако это не значит, что надо разрабатывать только новые машины. Как правило, желаемый результат можно достичь при комбинации известных решений с новыми структурными решениями, построенными на современных физических и технологических принципах. Обычно в новые современные машины из ранее разработанных прототипов переносится в среднем до 50% конструктивных решений без переделок или с частичными изменениями. При этом высокие значения показателей преемственности достигаются за счет в основном второстепенных структурных элементов, переносимых из одного поколения машин в другое. 8. Расчленения машины на элементы. С целью упрощения технологии разработки, доводки, изготовления, ремонта, модернизации, машины делятся на узлы и детали. Чем меньше в машине сборочных единиц и деталей, тем меньше ее масса, выше жесткость и надежность, меньше трудоемкость механической обработки и сборки. Большее расчленение машины на сборочные единицы и детали тоже имеет свои преимущества. Большее расчленение машины с новыми элементами позволяет сократить время и трудоемкость разработки и доводки машины в целом. В процессе разработки и доводки нового станка экономичнее и проще устранять недостатки отдельных более простых узлов и деталей.

Снижение массы машины Снижение массы новых машин имеет большое технико-экономическое значение. Снижение массы достигается различными способами. Наиболее прогрессивные из них следующие: - применение повышенных частот вращения валов. Применение больших скоростей позволяет избавиться от тяжелых и громоздких редукторов, упростить передающую часть машины, снизить нагрузки на детали и сделать детали легкими; - изготовление деталей из более прочных и легких материалов: легированных сталей, пластмасс и других материалов; - применение в кинематике станка прогрессивных видов привода, узлов бесступенчатого регулирования; - применение более точных методов расчета деталей на прочность и жесткость. Металлоемкость станков характеризуется критерием металлоемкости Км, который равен отношению массы машины G к ее главному показателю эффективности Q (установленная мощность, кВт; максимальная ширина обработки, см, для фуговальных, рейсмусовых и других станков; производительность, шт./мин, м/мин и т.д.): Км = G/Q.

Продолжение

Обеспечение художественно-эстетического внешнего вида При конструировании общего вида и сборочных единиц машины большое внимание уделяется их внешнему виду, т.е. технической эстетике. Их внешнее оформление должно производить на человека благоприятное впечатление. Красивый внешний вид машины обеспечивается инженерами дизайнерами. Общие представления о принципах художественного конструирования должен иметь и конструктор. Основных принципов технической эстетики известно несколько, например: симметрия, ритм, контрастность и др. Пропорциональность габаритных размеров машины, узлов. Известно, что наилучшее зрительное впечатление производит предмет, размеры сторон которого образуют так называемое "золотое сечение".

Компоновка машины Общие правила компоновки Под компоновкой машины понимают объединение (синтез) ее отдельных функциональных узлов и механизмов в единое целое. При компоновке добиваются такого пространственного расположения узлов и деталей, при котором наилучшим образом достигаются заданные свойства машины (высокая производительность, точность, удобство при эксплуатации, наименьшие габариты и т.д.) и реализуются правила конструирования. Компоновка выполняется в два этапа: эскизный и рабочий. При эскизной компоновке общую конструкцию машины разрабатывают на базе кинематической схемы. Составляется обычно несколько вариантов эскизных компоновок. Затем выбирается один рациональный эскизный вариант. В качестве критериев оптимизации принимаются уменьшение массы и габаритов машины, повышение точности, удобства обслуживания, безопасности, бесшумности, эстетичности и др. На базе эскизной компоновки составляется рабочая компоновка. В ней уточняется конструкция машины. Рабочая компоновка служит основой для дальнейшего конструирования узлов машины. Параллельно с рабочей компоновкой производятся кинематические и технологические расчеты. Рассчитываются ременные и цепные передачи, их межосевые расстояния. Определяются мощности и размеры электродвигателей. Рассчитываются или назначаются длины валов, габаритные размеры. Полученные таким образом размеры позволяют уточнить рабочую компоновку машины.

Продолжение При компоновке необходимо предусмотреть места установки механических и электрических блокировочных устройств, необходимых ограждений, которые являются подсистемами единого целого. Необходимо предусмотреть последовательность сборки с возможностью наиболее простого соединения узлов между собой. В процессе компоновки следует четко поделить машину на узлы с обеспечением необходимой жесткости станка. Деление на узлы позволяет вести их параллельное проектирование, параллельную сборку, испытание. При рабочей компоновке решаются вопросы технической эстетики. Устанавливаются размеры сторон корпуса машины согласно правилу "золотого сечения". Однако правило "золотого сечения" не должно вступать в противоречие с функциональным назначением и технической целесообразностью изделия. Правило "золотого сечения" устанавливает только идеальные размеры, фактические же размеры принимаются с учетом технической целесообразности.

Типовые варианты компоновок Выделив в машине координатные оси Х, У, Z, можно различать следующие типовые компоновки: – продольно-горизонтальную, при которой узлы машины расположены вдоль оси Х; – поперечно-горизонтальную, когда узлы машины расположены вдоль оси У; – вертикальную – при расположении узлов машины по оси Z; – наклонно-горизонтальную – при расположены узлов машины наклонно к оси Z; – барабанную – при расположены узлов на барабане, смонтированном на вертикальной или горизонтальной оси; – карусельную – при расположены основных узлов на горизонтальном диске. По характеру движения заготовок и деталей различают разомкнутые и замкнутые компоновки. У разомкнутых компоновок загрузка заготовок и выгрузка деталей производится в разных местах машины, у замкнутых – в одном и том же месте. Возможны и другие компоновки. Часто они представляют собой комбинацию из указанных типовых компоновок, когда сборочные единицы монтируются на горизонтальных, вертикальных или наклонных опорных площадках.

Компоновки При установке узлов на горизонтальных опорных площадках с базированием по буртикам (рис. а) процесс сборки упрощается, но механическая обработка базовых поверхностей усложняется. Сборка на горизонтальных площадках без буртиков (рис. б) требует дополнительных регулировок, выравнивания по высоте с помощью компенсаторных подкладок или клиньев. Базовые плоскости плиты могут быть расположены взаимно перпендикулярно (рис. в). Это позволяет путем регулировки узлов в вертикальной и горизонтальной плоскости добиться совпадения осей валов. С точки зрения удешевления сборки машины наилучшей схемой компоновки является та, по которой во время сборки не требуется производить никаких выверок, пригонок, регулировок. Узлы и детали при их установке должны сразу занимать правильное положение.

Варианты эскизных компоновок Эскизные варианты компоновок машины разрабатываются на базе выбранной рациональной схемы проектного решения машины и рациональной кинематической схемы. Для наглядности разработка вариантов компоновок разобрана на примере.

Продолжение Станок с горизонтальным расположением маятника может быть выполнен в двух вариантах: с надвиганием пилы снизу вверх или сверху вниз. Все компоновки замкнутые, загрузка заготовок и выгрузка деталей производятся на одном месте. Вертикальная компоновка позволяет уменьшить площадь, занимаемую машиной, но может создать неудобства при обслуживании механизмов. При горизонтальной компоновке машина занимает большую производственную площадь. Для выбора рациональной компоновочной схемы надо подобрать критерии, которые наилучшим образом характеризовали бы требования, предъявляемые к станку. В качестве критериев можно принять, например, возможность обработки широких досок пилой небольшого диаметра, минимальные габариты и масса станка, удобство обслуживания механизмов станка, удобство удаления опилок, эстетичный внешний вид и др.

Компоновка валов и шпинделей Общие положения В зависимости от назначения валы подразделяются на простые, шпиндели и рабочие валы механизмов главного движения. Простые валы - это валы, применяемые в различных передачах типа валов редукторов, вариаторов, открытых передач, цепных, зубчатых, ременных, валов конвейеров, транспортеров и т.д. Механизмы главного движения в дереворежущих станках часто выполняют в виде рабочих валов и шпинделей. Рабочим валом называют быстроходный вал станка, на котором режущий инструмент закреплен в промежутке между подшипниковыми опорами. Вал закрепляется на станине без регулировочных перемещений. Шпиндель - быстроходный вал станка, на котором режущий инструмент закреплен на его консольной части. Шпиндели, как правило, имеют настроечные перемещения.

Продолжение Наиболее характерными являются три конструктивные схемы механизмов главного движения станков: шпиндель на двух опорах с консольно расположенным режущим инструментом (рис. а). Применяется при длине консоли а < 230 мм; ножевой вал на двух опорах с инструментом, расположенным между опорами (рис. б); шпиндель на трёх опорах, из которых две опоры стационарные, а одна съёмная (поддерживающая), режущий инструмент расположен между стационарной и съёмной опорами (рис. в). Рис. Схемы механизмов главного движения: а – шпиндель; б, в – ножевой вал

Продолжение Компоновка должна обеспечить удобную сборку и разборку узла, условия смазки, а также достаточную жесткость узла действию внешних сил и точность работы режущего инструмента. При компоновке делается эскизный чертеж шпинделя без подробного вычерчивания деталей. На эскизе проставляются размеры деталей, зазоров, формирующих длину каждой консоли. Указанные размеры задаются конструктивно с учетом размеров существующих конструкций, узлов и деталей. Длину ступицы, например, назначают (1,5-2)d, длину шеек под подшипники качения - (0,3-0,5)d, длину шеек под подшипники скольжения - (0,8-1,0)d, где d - диаметр вала в шейке подшипника (задается пока приближенно). Путем сложения назначенных размеров находятся длины консолей а и b, которые должны быть по возможности минимальными. Расстояние между подшипниковыми опорами принимается равным l ≧ 2а. После назначения длин элементов вала его диаметр в шейке подшипника рассчитывается.

Компоновка шпинделя

Расчет валов и шпинделей Количественная оценка надежности работы валов и шпинделей ведется с учетом их циклической прочности, жесткости и виброустойчивости. Методики расчета валов и шпинделей изложены в специальной литературе по деталям машин. Ниже приведены основные положения расчета.

Напряжения в валах Основным видом напряжений, действующих в валах при их кручении и изгибе, являются касательные и нормальные напряжения. Во вращающемся вале эти напряжения переменные, величина их периодически меняется от наименьшего значения min до наибольшего max Среднее напряжение цикла

Предел выносливости сталей Наибольшее переменное напряжение, при котором материал, не разрушаясь выдерживает неограниченное число циклов, называется пределом выносливости. Предел выносливости обозначается для симметричного цикла -1 (для этого цикла коэффициент асимметрии r = -1). За базу испытания для сталей принимают 10 в7степени циклов (10 милионов). Пределы выносливости некоторых сталей, применяемых для валов:

Давления внешних сил на вал Нагрузка на вал от шкивов ременной передачи. При параллельных ветвях ремня и полуторном запасе натяжения на вал действует сила, Н

Продолжение

Продолжение

Расчет вала на прочность Валы рассчитываются на динамическую прочность и на жесткость. Диаметр вала, полученный при расчете на прочность, по величине бывает меньше, чем при расчете на жесткость. Поэтому расчет валов на динамическую прочность рекомендуется вести приближенно. При расчете вала на прочность строятся эпюры изгибающих моментов в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также эпюра крутящих моментов. Затем для опасного сечения вала находится момент сопротивления по формуле, мм3:

Алгоритм поверочного расчета вала Рекомендуется выполнять расчет в следующем порядке. 1. В левом верхнем углу страницы изобразить координатные оси для ориентации направлений векторов сил и эпюр моментов. 2. Начертить расчетную схему вала в соответствии со схемой его нагружения. Подшипники качения принимают за шарнирные опоры с приложением реакций в их середине. Если в опоре несколько подшипников, точку приложения реакции принимают в середине подшипника, ближнего к пролету. Типы подшипников и их размеры должны быть предварительно определены. Нагрузка на валы от шкивов, звездочек цепных передач, зубчатых колес, режущих инструментов, рассматривают как сосредоточенные силы, приложенные в середине ступицы соответствующих деталей. Если силы расположены в разных плоскостях под углом до 30, то их можно совмещать в одну плоскость. 3. Определить геометрические параметры расчетной схемы: расстояние между точками приложения реакций в опорах, длины консолей, т.е. расстояния от точек приложения сил до реакций в опорах. 4. Вычислить опорные реакции в вертикальной и горизонтальной плоскостях из уравнений равновесия сил моментов в каждой плоскости, и затем суммарные реакции в каждой опоре. 5. Вычислить изгибающие моменты по плоскостям и построить их эпюры.

Продолжение 7. Определить крутящие моменты на валу и построить их эпюры. 8. Выбрать марку стали для вала, термообработку, механические характеристики стали: в, т , -1 , -1. 9. Определить состояние вала в расчетном сечении: вид концентраторов напряжений, состояние поверхности вала, диаметр и т.д. 10. Найти нормальные  и касательные  напряжения в опасных сечениях, МПа: 11. Сравнить найденные напряжения с допустимыми для выбранного материала и сделать вывод о прочности вала.

Жесткость шпинделя Целью данных расчетов является определение прогибов и углов поворота в местах установки инструментов и подшипников и сравнение их с допустимыми значениями. От величины прогиба шпинделя с инструментом во время работы зависит точность обрабатываемых на станке деталей и качеств их поверхности. Поэтому для шпинделей главным расчетом является расчет на жесткость. Условие жесткости имеет вид:

Продолжение Нормы допустимых геометрических погрешностей шпинделей дереворежущих станков

Продолжение Допустимые углы поворота в местах установки, рад.: - радиального шарикоподшипника []  0,01, - конического роликоподшипника [ ]  0,005, - сферического шарикоподшипника [ ] 0,05, - зубчатого колеса [ ] (0,01-0,03)m, где m – модуль зубчатого колеса. При расчетах шпинделя на жесткость в качестве сил нагружения принимают те же силы, что и при расчетах вала на прочность, т.е. силы резания, силы от привода шпинделя, силы тяжести, центробежные силы от дисбаланса шпинделя и инструмента. Направление этих сил на расчетной схеме (независимо от действительного их направления) принимают таким, чтобы деформация шпинделя в месте установки режущего инструмента была максимальной.

Продолжение

Продолжение

Продолжение