Masini Si Unelte. Arborele Principal

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

INGINERIE MANAGERIALA SI TEHNOLOGICA

I.E.D.M.

PROIECT LA DISCIPLINA

Masini Unelte

ARBORE PRINCIPAL

Student:

Muresan Ioan

An III, Grupa 1030

COORDONATOR PROIECT:

Dr. Ing. Pancu Rares

C U P R I N S

Introducere

Prezentarea temei de proiectare și a datelor initiale

Prezentarea temei

Considerații generale privind proiectarea Mașinilor-Unelte:

Alegerea motorului electric de acționare.

Determinarea domeniilor și a rapoartelor de transmitere.

Schema cinematică.

Rețeaua structuralã.

Rapoarte de transmitere.

Domenii de turații.

Proiectarea angrenajelor.

Determinarea momentului și turatiei pe fiecare arbore

Calculul de dimensionare și rezistență a arborilor.

Proiectarea arborelui principal.

Predimensionare.

Diametrul arborelui

Dimensionare la solicitări compuse.

Dimensionări curelelor ti roti de curea

Alegerea rulmentilor:

Calculul arcurilor disc

Lăgăruirea, reglarea, lubrifierea și etanșarea arborelui principal.

Măsuri pentru protecția muncii și a mediului.

Bibliografie

Anexe

INTRODUCERE

Introducerea progresului tehnic în industrie se face din ce in ce mai rapid, mai eficient, in condițiile ridicării calității în toate domeniile. Necesitatea obiectivă de a produce cât mai rapid, cu o productivitate cât mai ridicată, a condus la o evoluție vertiginoasă a concepției actuale de realizare structurala a mașinilor-unelte, care depinde în cea mai mare măsura de specificul tehnologic al diferitelor repere ce trebuie prelucrate și de volumul producției acestora. Centrele de prelucrare orizontal, privite prin prisma evoluției constructive a mașinilor unelte reprezintă una din realizările cele mai moderne.

Din punct de vedere funcțional centrele de prelucrare orizontal se caracterizează prin următoarele particularități:

sunt mașini unelte care concentrează mai multe posibilități de prelucrare prin așchiere;

sunt mașini care funcționează sub comandă numerică;

sunt dotate cu magazii proprii de scule de diferite capacități;

Construcția arborelui principal este printre cele mai pretențioase, datorită cerințelor deosebite și complexității de reglaj atât a montajului inițial cât și în exploatare. Astfel, se cere:

să preia forțele pe distanțe minime axial;

să permită reglajul prestrângerii cel mult cu demontarea parțiala;

să permită dilatarea libera a arborelui principal;

să aibă cap normalizat pentru prinderi de dispozitive sau scule;

sa fie asigurata îndepărtarea căldurii, pierderi minime prin frecare;

Prezentarea temei de proiectare și a datelor inițiale.

Prezentarea temei

Tema acestui proiect este: “Proiectarea ansamblului arbore principal și completul său pentru un centru de prelucrare pe verticala FPH 1000” cu următoarele caracteristici:

Puterea P=30kW

Turatia n=30-3000 rot/min

Sistem prindere sculă: con ISO 50

Prin, arborele principal și completul sau, se înțelege setul de subansamble, părți componente și joncțiunile aferente obligatorii pentru nivelul mașinii-unealtă cu comandă numerică (MUCN) și centru de prelucrare (CP) conform standardelor internaționale. Acestea sunt următoarele:

arborele principal propriu-zis, dimensionat pentru puterea maximă de așchiere a mașinii;

alezajul conic de fixare a sculei;

ansamblul de lagăre si rulmenți de susținere;

dispozitivul de prindere-eliberare a sculei în arborelui principal;

dispozitivul de oprire orientată unghiulară a arborelui principal;

sistemul de răcire și termostabilizare a rulmenților;

sistemul de ungere/gresare a rulmenților;

sistemul de etanșare față de exterior al rulmenților;

sistemul de suflare a aerului de curățire pe timpul eliberării sculei;

dispozitivul de răcire al sculei prin interiorul arborelui principal și al sculei;

transmisia principală a turației cu puterea nominal a arborelui principal;

ansamblul de traductori de forță axială (Fax) și moment de torsiune (Mt) pentru controlul automat al procesului.

În cazul acestui ansamblu intră și subansamblul rotativ purtător al sculei, care realizează mișcarea principală a sculei, de degajare a așchiilor din piesa.Ca urmare a acestor funcțiuni, arborele principal devine unul din cele mai importante si complexe părți ale mașinii-unelte.

Datorită vitezelor înalte de așchiere folosite la ora actuală, turațiile arborilor principali au crescut ajungând la valori de 40…60 m/s la nivelul diametrului palierului de rulmenți.Condițiile de funcționare standardizate internațional impun valori pentru temperaturi de maxim (temperatura stabilizata), zgomote de maxim 80 dB,vibrații de maxim 0,01 mm/max 10Hz.

Considerații generale privind proiectarea mașinilor-unelte

Mașinile unelte fac parte din marea grupă a mașinilor de lucru. Scopul lor fundamental fiind acela de a modifica forma materialului, printr-un proces tehnologic oarecare, în condiții economice optime.Mașina unealtă este o mașină de lucru destinată generării suprafețelor pieselor prin procesul tehnologic de așchiere în anumite condiții de precizie dimensională și calitate a suprafeței.

Condițiile de precizie dimensională și a suprafeței conduc la mașini-unelte de construcție diferite, generând suprafețe identice. Se pot exemplifica mai multe:

pentru suprafețe cilindrice – strung, mașina de rectificat rotund

pentru suprafețe plane – raboteza, mașina de rectificat plan, mașina de frezat.

Marea varietate a formelor și dimensiunilor pieselor folosite în construcția de mașini, aparate și instalații, diversitatea materialelor utilizate pentru confecționarea pieselor componente, a contribuit la apariția unei mari diversități de mașini unelte.De exemplu o suprafață plană poate fi generată prin așchiere pe șeping, pe raboteză. pe mașina de frezat sau rectificat plan, genul de mașină fiind impus fie de dimensiunile piesei sau de suprafeței prelucrate, fie de calitatea suprafeței ce trebuie să fie obținută.Având în vedere aceste probleme se poate spune că proiectarea unei mașini-unelte conține două faze distincte:

proiectarea cinematică

proiectarea organelor de mașini-unelte

Legătura strânsă dintre cele două proiectări este impusă de faptul că proiectantul este obligat să cunoască:

scopul mașinii-unelte proiectate

principiile funcționale acesteia

tehnologia de fabricație a ei.

Centrele de prelucrare au apărut în SUA în 1958, în 1960 în întreaga lume funcționau aproximativ 50 de centre de prelucrare. Principalul avantaj al centrelor de prelucrare – creșterea productivității – se realizează mai des prin micșorarea timpilor auxiliari, neproductivi dar absolut necesari pentru buna desfășurare a procesului tehnologic.Dintre principalii timpi auxiliari putem aminti timpul de schimbare sculă în arborele principal, timpul consumat cu schimbarea poziției piesei ce se prelucrează sau chiar timpul de schimbare a piesei ce se prelucrează.Pentru schimbarea automată a sculei pe lângă magazinul de scule centrul de prelucrare trebuie să aibă un arbore principal care să asigure acest ciclu automat.

Alegerea motorului electric de acționare

Alegerea motorului electric corespunzător unei anumite acționări se face luând în considerare un număr însemnat de criterii. În primul rând trebuie ales felul curentului, continuu sau alternativ, apoi tensiunea, eventual frecvențele, puterea și tipul constructiv al motorului.

Alegerea corectă a puterii motoarelor electrice are mare importanță, atât din punct de vedere al funcționării și utilizării acestora, cât și din cel al pierderilor de energie în rețeaua de alimentare.Subdimensionarea motoarelor electrice determină supraîncălzirea și deteriorarea rapidă a izolațiilor. În același timp, cuplul de pornire și capacitatea de supraîncărcare devin mai mici și conduc la reducerea productivității mașinilor de lucru, mai ales a acelora care necesită porniri frecvente.

Supradimensionarea motoarelor crește inutil cheltuielile de investiție, reduce randamentul și în cazul motoarelor asincrone și factorul de putere.

Din catalog se alege următorul tip de motor: 1PH7133-2

Puterea: 30 kW

Viteza minimă: 1.500 r.p.m.

Viteza maximă: 2500 r.p.m.

Determinarea domeniilor și a rapoartelor de transmisie

Schema cinematică

De regulă, generarea mișcării se face pe baza unor structuri numite lanțuri cinematice.

Schema cinematică prezintă într-o forma simplificată structura sistemului de acționare a mișcării.

Unde:

z1= 34; z2= 43;

d=16,93inchi x 25,4cm

Rețeaua structurala

Rețeaua structurală constituie o reprezentare grafică a structurii variatorului în trepte. Ea dă informații privind:

numărul arborilor variatorului în trepte;

numărul angrenajelor din cadrul fiecărui grup (numărul rapoartelor de transfer);

numărul treptelor turațiilor pentru fiecare arbore, inclusiv cele finale.

valorile salturilor parțiale și totale.

Rețeaua structurală nu da informații privind valorile efective ale turațiilor și ale rapoartelor parțiale de transfer.

Lanțurile cinematice sunt construite de regulă dintr-o succesiune de mecanisme care concură la realizarea unui anumit scop.Toate aceste mecanisme ale unei mașini unelte, în structura lanțurilor cinematice formează cinematica mașinii unelte.

Rapoarte de transmitere

Raportul de transfer al angrenajului poate fi exprimat în funcție de unii parametrii dimensionali ai roților dințate. Raportul de transfer poate fi scris astfel:

Domenii de turații

Acționarea principală a mașinii de strunjit normală se face de la motorul electric ME si prin intermediul cutiei de viteze. Aceasta poate da arborelui principal 8 turații diferite.

Mișcările de avans sunt obținute de la cutia de avansuri, având 8 viteze diferite de avans, conform unei diagrame identice cu cea de la cutia de viteze.

Diagrama turațiilor este o reprezentare asimetrică și indică valorile turațiilor fiecărui arbore și poziția lor reciprocă. Ea se obține din rețeaua structurală optimă prin desimetrizarea acesteia. Pentru elaborarea diagramei turațiilor trebuie cunoscute: rețeaua structurală optimă, deci ecuația structurală a acesteia; turația minimă a arborelui principal; turația motorului electric de acționare.

Proiectarea angrenajelor

Determinarea momentului și turației pe fiecare arbore

Calculul roților dințate folosite în mecanismele de reglare discretă a mașinilor unelte se face urmând aceleași reguli de proiectare proprii angrenajelor în general și are la bază determinarea modulului considerându-se solicitarea statică, dinamică, la oboseală și la uzură. Cu toate acestea intervin o serie de particularități la calculul roților dințate destinate mașinilor unelte.

Aproape întotdeauna calculul modulului roților dințate folosite într-o cutie de viteze sau de avansuri se face după ce proiectarea cinematică a acesteia a fost încheiată. În aceste condiții sunt cunoscute puterea, P [kW]; domeniul de variație al turaților pe fiecare arbore; numărul de dinți ai fiecărei roți și ca urmare, raportul de transfer al fiecărui angrenaj.

Momentul de torsiune realizat pe arborele I, cand n= 1200 respectiv n=6300 rot/min.

P1=PME·η12·ηrul, Mt1 min=68.105 [N*m]

P1=9·0.96·0.99;

P1=8.554 Mt1 max=11.350 [N*m]

Momentul de torsiune realizat pe arborele II, când puterea pe arbore, P2=8.241,

P2=P1·η35·ηrul,

P2=8.554·0.97·0.99;

P2=8.214

Mt21 =362.990 [N*m]

Mt22 =53.025 [N*m]

Mt23 =158.540 [N*m]

Mt24=26.37 [N*m]

Momentul de torsiune realizat pe arborele III, când puterea pe arbore, P3=7.888,

P3=P2·η79·ηrul,

P3=8.214·0.97·0.99;

P3=7.888

Mt31 =2512.364 [N*m]

Mt32 =203.134 [N*m]

Mt33 =1235.459 [N*m]

Mt34=139.046 [N*m]

Mt35 =418.683 [N*m]

Mt36 =47.940 [N*m]

Mt37 =287.645 [N*m]

Mt37 =23.138 [N*m]

Calculul diametrului exterior, De[mm]

unde: m-modulul; z- numărul de dinții

Calculul diametrului de divizare, Dd [mm]

unde: m-modulul; z- numărul de dinții

Calculul distanței dinte axele arborilor

Calculul grosimii roților

Proiectarea arborelui principal

Odată cu elaborarea cinematicii cutiei de viteze, sunt cunoscute turațiile pe fiecare arbore în parte ca urmare a stabilirii diagramei turațiilor și puterea de acționare pe arborele principal. Puterea pe arborii următori se determină considerându-se pierderile de putere ce au loc în lagăre, angrenaje etc. sunt adesea situații când puterea de pe arborele principal, adică a motorului de acționare, nu este indicată ci trebuie determinată.

Regimul de așchiere

, viteza de așchiere

,diametrul sculei așchietoare

=0.85

Predimensionarea arborelui principal

Calculul de predimensionare este orientativ șiține cont doar de momentul de torsiune care solicită arborele oferind proiectantului primele dimensiuni pentru proiectarea elementelor constructive.

Determinarea preliminară a diametrului arborelui:

Unde: –

–

– .

Determinarea momentului incovoitoare cu metoda Castiliano:

Dimensionarea arborelui la solicitări compuse

Dimensionarea arborilor la solicitări compuse, torsiune și încovoiere, solicitări caracteristice arborilor mașinilor unelte, presupune parcurgerea următoarelor etape:

determinarea reacțiunilor din lagăre (reazeme) în cele două plane, orizontal și vertical;

determinarea momentelor încovoietoare, Mix și Miy în cele două plane;

trasarea liniei de variație a momentelor încovoietoare;

determinarea momentului încovoietor rezultat Mie, punct cu punct, considerându-se componentele Mix și Miy ;

trasarea liniei de variație a momentului de torsiune;

calculul momentului echivalent, Mech, considerând momentele încovoietor și de torsiune.

Reacțiunile în planul vertical:

Reacțiunile în planul orizontal:

Reacțiunile rezultante în lagăre:

Momentul încovoietor echivalent Mie este:

– efort admisibil la încovoiere pentru solicitare pulsatorie OLC 45

-efort admisibil la încovoiere pentru solicitare alternant simetrică pentru OLC 45

Determinarea diametrului arborelui se face, în concordanță cu teoriile de rezistență; considerându-se momentul încovoietor echivalent Mie, pentru arborii cu secțiune inelară se folosește relația:

În care =d/D=40/90=0.44 este raportul dintre diametrul exterior și cel interior al arborelui iar σai=300daN.

Lăgăruirea, reglarea, lubrefierea și etanșarea arborelui principal

Lagărele folosite la mașinile unelte au scopul de a asigura, pe timp suficient de lung la toate turațiile și sarcinile arborilor lor, precizia necesară mișcării în sens radial și axial. Acest scop funcțional, particular lagărelor arborilor mașinilor unelte, reclamă o serie de condiții impuse acestora:

Să asigure precizia ghidării radiale și axiale;

Să adapteze regimul variabil de lucru la lagărele arborilor principali

Reglarea jocului să se facă cu ușurință;

Să fie simple din punct de vedere constructiv, asigurând o montare și demontare ușoară,

Cost redus al confecționării și întreținerii.

Lagărele utilizate în general la construcția subansamblului arbore principal al mașinilor unelte sunt lagăre cu rostogolire.

Pentru proiectarea unui ansamblu de lagăre se are în vedere: natura și mărimea forțelor; turația de funcționare, duritatea impusă, dimensiuni constructive impuse sau limitate; rigiditatea arborelui; mărimea deformațiilor unghiulare; lungimea arborelui și variațiile de temperatură în funcționare, cerințele de precizie a mișcării, valori limită pentru nivelurile de vibrații și zgomot, condiții de ungere, cerințe deosebite de etanșare.

Rulmenții utilizați pentru arborii principali sunt rulmenți de construcție specială, având caracteristici de precizie și rigiditate corespunzătoare acestui scop.

Pentru arbori principali se utilizează rulmenți din clasele de precizie:

P4- numai pentru mașini unelte cu precizii deosebit de ridicate (ex. mașini de rectificat, strunguri),

P5, P6- mașini unelte cu precizii normale,

P0- numai pentru mașini unelte de degroșare și în unele cazuri, de semi-finisare.

În tabelul de mai jos sunt prezentate soluții de lăgăruire pentru arborii principali.

Reglarea arborilor principali se rezumă la pretensionarea rulmenților pe direcție radială la rulmenți radiali cu alezaj conic și pe direcție axială la rulmenți radiali-axiali, în scopul încercării corpurilor de rulare pe mai mult de jumătate din numărul lor. Prin pretensionare crește rigiditatea rulmentului, implicit a subansamblului arbore principal, se reduc bătăile radiale și frontale, crește stabilitatea la vibrații, se compensează unele jocuri care pot apare în funcționare ca efect al dilatării termice.

Asigurarea rigidități și a fiabilității subansamblului arbore principal depinde și de soluțiile adoptate pentru lubrifierea lagărelor. Menținerea parametrilor funcționali și rulmenților este condiționată de realizarea unei lubrifieri elasto-hidrodinamice, care să asigure pentru un parametru de ungere de 3≤λ .

Parametrul de apreciere a calității ungerii se calculează cu relația:

=k*dm*(0*αp*n)0,73*P0-0,09

Unde: k – factor ce depinde de tipul rulmentului

dm- diametrul mediu al rulmentului, mm

0- vâscozitatea dinamică a lubrifiantului la temperatura de lucru, Pa8-*s

αp- coeficientul de variație a vâscozității cu presiune, p-1a,

P0 – sarcina statică echivalentă cu a rulmentul, N.

Lagărele cu rulmenti sunt destinate rezemării osiilor, arborilor sau a altor piese in miscare relative de rotatie. În cadrul proiectării lagărelor cu rulmenti este necesar sa se tină seama de faptul ca acestea trebuie sa realizeze fixarea radială si axială a arborelui.

Rezemarea osiilor arborilor sau a altor piese in miscare se realizeazăîn marea majoritate a cazurilor pe doua lagăre dispuse la o anumita distantăîntre ele. În marea majoritate a aplicatiilor practice turatia de functionare nu influentează alegerea rulmentilor. La turatii mari însă, atât cinematice, cât si dinamica prezintă aspect specific cu efecte asupra durabilitătii însotite de puternice degajări de căldura, conducând la cresterea temperaturii, fapt ce limitează turatia de functionare a rulmentilor. Cele mai ridicate turatii se pot obtine cu rulmenti radiali cu bile pe un rând, rulmenti radiali-axiali cu bile si rulmenti radiali cu role.

Alegerea rulmentilor pentru lagărele arborilor principali ale masinilor-unelte trebuie făcută numai în concordanta cu influenta bătăii radiale si axiale a arborelui principal, datorate erorilor rulmentilor, asupra preciziei piesei de prelucrat. Astfel, pentru lagărele arborilor principali se folosesc rulmenti din clasa de precizie superioare (P4,P5 si P6). Numai din punct de vedere al precizieide prelucrare se folosesc rulmenti din clasa de precizie P4.

Precizia de rotatie depinde de precizia de executare a lagărului, de calitatea montajului, de reglarea jocului din rulment si de turatia arborelui.

Rulmenți:

Rulmenti lagăr fată:

-B 7014 (2 buc) – 70x110x20

verificarea solicitari radiale:

calculul capului de încărcare catalo

calculul duratei de viata

Evaluarea sarcinii de baza:

in regim dinamic C = 48000 N

in regim static

Turația rulmentului utilizând lubrifianti:

vaselină

ulei

Factorul de calcul este:

Greutatea unui rulment este de: G = 1,14 kg.

Dimensiunile unui rulment:

;

;

Rulmenti lagăr spate

Cu alezaj 4xB7014 ET-P4 NN 3012 K-PS

Calculul sarcini radiale:

capacitatea de încărcare;

durata de viata.

Evaluarea sarcinii de baza:

in regim dinamic ;

in regim static

Turația rulmentului utilizând lubrifianți:

vaselina

ulei

Factorul de calcul este:

Greutatea unui rulment este de:

Dimensiunile unui rulment:

Verificarea rulmenților:

– verificarea regimului de aschiere maxima si turatia de regim;

– verificarea la turatie maxima in gol;

– verificarea static la forta de eliberare a sculei;

– verificarea capacitatii de încărcare dinamică si statică;

– verificarea duratei de viată (min 10000 ore) media ponderata:

Rulmenti B7014-ET-P4(4BUC) :

Unde:

– durabilitatea nominal in milioane de rotatii;

– durabilitatea rulmentului in ore de functionare;

C – capacitatea de încărcare dinamica in daN;

P – sarcina dinamica echivalenta in daN;

C/P – raport de încărcare sau siguranta de încărcare;

n = 9500 rot/min – turatia;

p – exponentul ecuatiei durabilitătii: – p = 3 pentru rulmenti cu bile;

– p = 10/3 pentru rulmenti cu role.

Rulmenti NN 3012-AS-K-M-P:

Calculul ecuației de viața conform SKF dat de ISO 281:1990/Amd.2:200;

Unde:

– viața rulmentului data in milioane de rotatii;

– viata rulmentului data in ore de functionare;

– factor de ajustare reabilitare a vietii rulmentului;

– factorul de modificare a vietii rulmentului;

Vâscozitatea

Unde:

k – rata vâscozitătii, k = 0,4 (diagrama 1, anexa 002);

v – vâscozitatea lubrifiantului, ;

– vascozitatea lubrifiantului in functie de diametrul rulmentului si turatie, .

v = k* = 2,4 (diagram 5, anexa 004);

= 6 (diagram 6,anexa 004).

Sistemul de ungere al rulmentilor necesita un lubrifiant de tip ISO VG 7, la o temperatură de . Coeficientul pentru vâscozitate este .

Ungerea si etansarea rulmentilor:

Ungerea si etansarea rulmenților se face in următoarele scopuri:

asigurarea stratului de lubrifiant in zonele de contact si prin acesta reducerea fenomenelor de uzura prin oboseala de contact, abraziva sau de gripare;

micșorarea frecărilor de alunecare;

evitarea fenomenelor de coroziune;

reducerea zgomotului si a efectelor dinamice.

Lubrifiantii utilizati pentru ungerea rulmentilor se încadreazăîn clasificarea generala: lichizi, plastici (unsori consistente), solizi (in cazuri special).Se alege solutia ungerii în baia de ulei cu circulatie exterioara. Ungerea centralizată si cu rezervor pe cât posibil in afara partii importante a masinii, are in primul rând avantajul transportului de căldurăîn exterior ceea ce permite reducerea la minim a dilatatiilor termice si uniformizarea acestora si permite o filtrare corespunzătoare a uleiului.Dezavantajul folosirii ungerii cu lubrifianti lichizi în locul lubrifianților plastici este faptul ca necesita cerinte de etantare ridicate. Etansarea lagărelor trebuie astfel proiectata încât să evite pătrunderea în lagăr (din exterior) a unor impurităti si să asigure in acelasi timp mentinerea lubrifiantului in interiorul lagărului.

Pentru etansarea arborelui principal s-a ales etansării cu mansete de rotatie, simering STAS 7950/2-83 si labirint.

Calculul arcurilor disc

Arcurile disc sunt arcuri , formate dintr-unul sau mai multe discuri de forma tronconica, supuse la sarcini axiale de compresiune.

Arcurile disc sunt asezate in pachete de cate trei arcuri si au următoarele caracteristici:

Sarcina totală a arcului-disc;

Sarcina pe un disc:

Raportul diametrelor discului;

Coeficientul :

Coeficientul lui Poisson:

Sarcina teoretică de aplatizare:

Raportul:

Raportul:

Săgeata arcului disc în stare liberă:

Lungimea arcului disc în stare liberă: