Реферат: Основы конструирования

– 6.      Обеспечение рациональных соединений составных частей (минимальное число соединений).

– 7.      Обеспечение применения типовых технологических процессов: обработки, сборки, контроля и испытаний.

В комплексе технологичность рассматривается как совокупность свойств конструкции изделия, заложенных в конструкторской документации при разработке :

Рациональная конструкция º расчетной технологичности

Подробно процесс ОКИТ рассмотрен в “Методика отработки конструкций изделий на технологичность и оценки уровня технологичности изделий МС и ПС”. М : Издательство стандартов. 1976 г., 55 стр. ® ОСТ СТП.

На предыдущей лекции мы сказали :

если рассматривать технологичность объекта в комплексе, то она определяется совокупностью свойств конструкции объекта, заложенных в КД при разработке.

При этом для создания рациональной технологии изготовления (и сборки) необходима рациональная конструкция.

Рациональность конструкции во многом определяется такими показателями технологичности как, —

—        масса (вес) изделия;

—        удельная материалоемкость изделия.

В машиностроении уменьшение массы изделий позволяет снижать расход материалов (в основном металлических) и, соответственно, стоимость изготовления.

Здесь следует отметить : снижение массы изделий не является (и безусловно не должно быть) самоцелью. Снижение массы должно обеспечиваться без ущерба прочности, жесткости и надежности (долговечности) объекта.

Поэтому , учитывая ещё и достаточно малую долю стоимости материалов в общей стоимости объекта , в общем машиностроении нашей страны сохраняется тенденция (порой неоправданно): лучше иметь несколько более тяжелую машину, но надёжную и долговечную.

Сравнительные качества объектов одного назначения оценивают показателем удельная масса, равным

Этот показатель учитывает степень конструктивного  совершенства объекта , а также – применение лёгких сплавов и неметаллических (К) материалов.

Например , качество конструкции металлорежущих станков оценивают показателем g = G / Nд , где G – масса, кг ; Nд – номинальная мощность приводного двигателя.

П. И. Орлов утверждает, что в этом случае, этот показатель “невыразительный”, т.к. не учитывает степень использования Nд, а также производительности станка.

Понятие материалоемкость отличается от понятия масса – они неравнозначны.

Материалоёмкость лучше всего выражать объемом элементов, составляющих бьем.

Тогда удельная материалоемкость – показатель качества конструкции :

, где – суммарные массы элементов, изготовленных из материалов с плотностью .

–коэффициент использования объема.

Снижение массы и материалоёмкости объекта обеспечивается рациональной конструкцией элементов объекта, которая основана на следующих принципах, –

—      рациональная форма сечения для каждого вида нагрузки – принцип равного напряжения сечения ;

—      уменьшение концентрации нагрузки : обеспечение равномерного распределения напряжений в поперечных сечениях – принцип равнопрочности ;

—      обеспечение рационального баланса жесткости – принцип относительной жесткости (т.к. равнопрочные детали при прочих равных условиях имеют меньшую жесткость) ;

—      устранение СНС : 2–3 вида нагружения ; поперечный изгиб ® чистый изгиб ® кручение ® срез ® растяжение (сжатие) – принцип рационального нагружения. (Силовая схема) . А. Н. Т. : “Силу надо “ловить” там где она возникает”

—      уменьшение неравномерности напряжений путём удаления материала из малонапряженных участков – принцип обсечения (снижаются инерционные нагрузки) ;

—      применение рациональных конструктивных схем : минимальное число звеньев, компактность, многопоточные схемы ;

—      уточнение расчетных напряжений (повышение за счет, например, экспериментального измерения и натуральных испытаний) ;

—      выбор соответствующего материала (замена металлов ПКМ) , применение технологических методов упрочнения материалов.

Выгодность материалов по массе можно оценить с помощью удельных показателей ,например, Lp = dв / g (для растяжения-сжатия), которая наглядно интерпретируется, т.н. “разрывной длиной” – длина свободно подвешенного стержня (км) , при которой материал разрушится от действия массовых сил.

А=s

Следует отметить, что выбор материала определяется не только его массово-прочностными характеристиками , но и другими немаловажными факторами, —

–      назначением и условиями работы детали ;

–      физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами материала ;

–      стоимостью (!) .

Вывод :  наибольшей универсальностью обладают стали, свойства которых определяются в широких пределах легированием, термической, химико-термической и термомеханической обработкой.

Стали ещё долго будут основным материалом для изготовления нагруженных деталей.

Почти такими же свойствами обладают титановые сплавы (кроме обрабатываемости).

ПКМ выйдут на первое место только в случае обеспечения их стоимости на уровне металлических материалов (хотя бы титанов).

СВМ–45руб/кг+Экология

Жесткость конструкций. Конструктивные способы повышения жесткости.

Общее определение :

Жесткость – это способность системы сопротивляться действию внешних нагрузок с наименьшими деформациями (перемещениями).

Для машиностроения : жесткость – это способность системы сопротивляться действию внешних нагрузок с деформациями (перемещениями), допустимыми без нарушения работоспособности системы.

Таким образом , жесткость определяет работоспособность объекта в такой же мере (иногда большей) , как и прочность. И соответственно , определяет массу (материалоёмкость) конструкции.

Стремясь облегчить конструкцию и максимально использовать прочностные свойства материалов , конструктор повышает уровень напряжений в элементах конструкции, что приводит к увеличению деформаций (e = d / E).

Широкое применение равнопрочных, наиболее выгодных по массе конструкций , вызывает увеличение деформаций : такие конструкции имеют малую жесткость.

Вопрос повышения жесткости особенно актуален в связи с применением высокопрочных материалов, элементы из которых резко увеличивают деформативность конструкций.

Определить величину деформаций расчетными методами можно лишь при простых видах нагружения [ растяжение (сжатие), сдвиг (кручение), изгиб ] методами СМ иТУ.

В большинстве случаев приходится иметь дело с элементами конструкций, жесткость которых не поддаётся расчету : их сечения определяются технологией изготовления (например , литьё , прокат) или имеют сложную конфигурацию (корпусные детали).

Здесь применяются моделирование , эксперимент (испытания) , опыт и интуиция конструктора.

П. И. Орлов “ОК” отмечает : “... конструкции, разработанные начинающим конструктором, обычно “страдают” недостатком жесткости”.

Жесткость конструкции определяют следующие факторы :

—      Е (растяжение-сжатие, изгиб) ; G (сдвиг, кручение) ;

—      геометрические характеристики сечения  (A,J(W),Jk(Wk));

—      линейные размеры : длина L ;

—      вид нагружения , тип (жесткость) опор.

Факторы, влияющие на жесткость, можно объединить в обобщенном удельном показателе жесткости

Таким образом ,  этот показатель объединяет характеристики прочности и жесткости и характеризует способность материалов воспринимать высокие нагрузки при наименьших деформациях, и наиболее полно оценивает выгодность материалов по массе.

Значения nl для основных конструкционных (металлических) материалов можно представить диаграммой

Мы знаем , что на практике , выбор материала , определяется не только прочностно-жесткостными характеристиками , но и технологическими и эксплуатационными свойствами.

Поэтому преимущественное значение в обеспечении прочности и жесткости (при минимальной возможной массе) имеют конструктивные меры (способы).

Конструктивные способы повышения жесткости без существенного увеличения массы —

—      устранение изгиба , замена его растяжением или сжатием ;

—      для элементов конструкций , работающих на изгиб , –рациональная схема опор ; увеличение J(W)

—      усиление рёбрами, работающими предпочтительно на сжатие ;

—      усиление опор, затяжка опор (опорных сечений) и участков перехода от одного сечения к другому

—      блокирование деформаций (перемещений) введением поперечных и диагональных связей (фермы, рамы, расчалочные конструкции) ;

—      привлечение жесткости смежных деталей ;

—      для деталей коробчатого типа (базовые детали – станины) – применение скорлупных , сводчатых , сферических и т.п. форм ;

—      для деталей типа дисков – применение конических, чашечных, сферических форм ; рациональное оребрение, гофрирование ;

—      для деталей типа плит – арочные, коробчатые, ячеистые и сотовые конструкции.

Схема    1

Приводной элемент ШУ расположен между опорами.

Эта схема типична для токарных, фрезерных станков и для многоцелевых станков с ЧПУ.

Радиальное упругое перемещение шпинделя в расчетной точке слагается из следующих перемещений:

d1Q– тела шпинделя от силы Q в ПЭ ;

d2Q – деформация опор от силы Q ;

d1Р  – тела шпинделя от силы резания P ;

d2Р   – деформация опор от силы Р.

l – межопорное расстояние; а –вылет шпинделя (консоль); в –расстояние от передней опоры до   сечения ПЭ;       J1–среднее значение осевого момента инерции консоли; J2 –среднее значение осевого момента инерции в МОР; S1 и S2 – площади поперечных сечений; Е–модуль Юнга материала шпинделя; G=E/[2(1+m)] – модуль сдвига; ja и jb– радиальная жесткость передней и задней опор; Є– коэффициент защемления в передней опоре.

Упругое перемещение переднего конца шпинделя, слагающееся из всех названных выше перемещений, но без учёта защемляющего момента:

С учётом действия защемляющего момента в передней опоре перемещение переднего конца шпинделя:

 Угол поворота (рад) в передней опоре:

В зависимостях (1) и (2) и в последующих под P и Q понимают составляющие сил, приведённые к одной плоскости.

Перед Q принимают знак (+), если силы P и Q направлены в одну сторону, и знак (–), если они направлены противоположно.

Введя в зависимости (1) и (2) безразмерное отношение l=l/a, характеризующая относительную длину межопорной части шпинделя, из уравнения  dd/dl=0 находят lopt –оптимальное по условию жёсткости® и соответствует lopt.

Схема ­ . приводной элемент расположен на задней консоли на расстоянии С от задней опоры. Этот случай,– для внутришлифовальных станков и отделочно расточных головок.

Перемещение переднего конца шпинделя с учётом защемляющего момента в опоре шпиндельного узла:

­P  ­Q  эквивалентно P¯  ­Q ® перед Q противоположный знак.

При e=0; d=d1+d2.

Схема ® . Шпиндель не нагружен силами от привода. (Например, мотор–  шпиндели )®в прецизионных станках.  

Расчеты базовых деталей на жесткость. Несущая система и базовые детали.

Несущей системой называется совокупность деталей и узлов МРС, обеспечивающих правильное расположение инструмента и обрабатываемой детали,– шпиндельный узел и базовые детали (узлы): станина (направляющие), стойки, корпуса коробки скоростей и подач, задние бабки, суппорты, планшайбы, столы, которые воспринимают силы резания при обработке.

Жесткость МРС связана с его компоновкой. Применяют жесткие замкнутые конструкции (предпочтительно – симметричные).

Для снижения величины деформаций применяют материалы с высоким модулем Е.

Для базовых деталей средних размеров и несложной формы рекомендуется–серый чугун СЧ 21–40 (HB 200...220).

Для тяжелонагруженных станин: марки СЧ 28–48 или СЧ 38–40.

Для специальных станков целесообразно корпусные детали выполнять сварными из низкоуглеродистой листовой стали (Ст3 и Ст4, dст=8...12 мм.

Применяют также железобетон.

Наиболее ответственными элементами станины являются направляющие.

Точность изготовления направляющих и стабильность отклонений от прямолинейности и плоскостности определяют точность обработки изделий.

В МРС применяют направляющие скольжения , качения и комбинированные.

НС с полужесткой смазкой, обладающие высокой контактной жесткостью, применяют в универсальных МРС, когда нецелесообразно применение более совершенных (и соответственно дорогих) типов направляющих.

В быстроходных и точных станках с ЧПУ применяют направляющие качения (НК) , комбинированные или ГСН (гидростатические).

Выбор конструкции и материалов НС с полужидкостной смазкой определяется требованиями, —

–      точности движения по направляющим рабочего узла;

–      жесткости;

–      min сил трения в направляющих.

Направляющие рассчитывают на , —

*           износостойкость,

*           жесткость.

При расчете на износостойкость определяют max – давление между трущимися поверхностями и сравнивают с допускаемым давлением, которое для крупных направляющих МРС нормальной точности принимается [ P ] max = 2,5...3 MПа;

–      для прецизионных и тяжелых МРС [ P ] max = 1...2 MПа;

–      для шлифовальных станков (условия абразивного износа), [ P ] max = 0,05...0,08 MПа.

В расчете на жесткость определяется смещение инструмента по направлению , которое более всего влияет на точность обработки.

Для этого определяют средние давления на направляющие от сил резания и веса подвижного узла.

Принимают допущение, что контактные перемещения в направляющих прямо пропорциональны средним давлениям.

Используя нормированный коэффициент контактной податливости С = 10 мкм мм2 Н-1 , определяют смещение инструмента d , обусловленное поперечным и угловыми перемещениями подвижного узла.

N. B. Значение d должно составлять часть 10% из общего баланса допускаемого отклонения размера обрабатываемой детали , которые отводятся для несущей системы МРС.

Расчеты направляющих приведены в учебной и справочной литературе, например Кочергин А. И. “К и Р МРС и СК”;”Курсовое проектирование. Учебное пособие для вузов” — Мн: “ВШ”,1991 г, стр. 264...298.

Тяговые устройства (ТУ) – предназначены для перемещения подвижных узлов станка по направляющим.

К ТУ предъявляются следующие основные требования, —

*           высокая чувствительность для обеспечения малых перемещений без скачков;

*           обеспечение заданного закона движения;

*           быстродействие при переходных процессах;

*           большая жесткость , которая определяет точность обработки на статичных и динамичных режимах;

*           беззазорность передач: особенно в случаях закономерных нагрузок и при автоматизированной обработке.

В автоматизированных МРС применяют следующие типы ТУ :

В–Г К , кулачковые механизмы, гидростатические передачи В–Г ,следящие гидроприводы (ГЦ) и др.

Перспективными , особенно для станков с ЧПУ , являются линейные ЭД , применение которых позволит исключить все названые виды передач.

Тяговые устройства привода подачи.

Передача винт–гайка качения обладает свойствами , позволяющими применять её как для привода подач без отсчета перемещений (универсальные МРС, силовые столы агрегатных станков) , так и в приводах подач и позиционирования станков с ЧПУ.

Для ПВ–ГК  характерны, —

*           высокий КПД (0,8...0,9);

*           небольшое различие между силами трения движения и покоя

*           изначальное влияние частоты вращения винта на силу трения в механизме;

*           полное отсутствие осевого зазора.

Недостатки : высокая стоимость , пониженное демпфирование , отсутствие самоторможения.

Устройство и размеры передачи. ПВ–ГК состоит из винта 1 , гайки 2 , шариков 3 и устройств для возврата шариков.

Обычно применяют передачи с наиболее технологичным полукруглым профилем резьбы : rв = rг » (1,03...1,05) r1 – для снижения контактных напряжений.

Размеры элементов ПВ–ГК стандартизованы (ГОСТ 25329–82).

Расчет передачи винт–гайка качения (В–ГК).

Исходные данные и цель расчета.

ПВ–ГК выходит из строя в результате , —

*           усталостного разрушения поверхностных слоёв шариков , гайки и винта;

*           потери устойчивости винта;

*           износа элементов передачи и снижения точности.

Возможные причины, —

*           слишком большая нагрузка на винт;

*           низкая расчетная долговечность;

*           значительный относительный перекос В и Г;

*           неудовлетворительная защита от загрязнений.

Цель расчета ПВ–ГК состоит в определении номинального диаметра винта d0 и в подборе по каталогу такой передачи, которая удовлетворяла бы всем требованиям работоспособности.

Исходные данные , —

*           длина винта, наибольшая расчетная длина;

*           способ установки на опорах;

*           ряд значений осевой нагрузки, которые определяются для различных операций, выполняемых на МРС;

*           ряд частот вращения В(г).

Можно исходить из величины крутящего момента на ходовом винте

М = Мд * h / i  где:

Мд – крутящий момент на валу ЭД;

h – КПД передачи от ЭД к винту;

i – передаточное отношение этой передачи.

Осевая сила действующая на винт,

, где – угол подъема резьбы;  угол трения (f=(57..85)10–5–коэффициент трения качения)

Предварительный выбор параметров передачи.

Предварительно передачу выбирают по осевой нагрузке, конструктивным и технологическим соображениям.

Затем проверяют усталостную прочность рабочих поверхностей винта и гайки по критериям усталости и осевой жесткости.

Номинальный диаметр винта d0 принимают равным L/(20...25), где L –длина резьбовой части винта.

Расчет на жесткость. Потребный номинальный диаметр винта d0 можно определить из условия обеспечения жесткости привода , которая связана с жесткостью шарико-винтового механизма jм , винта jв и его опор j0 :

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8