Расчёт электрооборудования токарного станка 1К62

1. Металлорежущие станки токарной группы

1.1 Устройство токарно-винторезного станка модели 1К62Б Станки токарной группы относятся к наиболее распространённым металлорежущим станкам и широко применяются на промышленных предприятиях, в ремонтных мастерских и т. п. В эту группу входят: универсальные токарные и токарно-винторезные, револьверные, токарно-лобовые, карусельные, токарно-копировальные станки, токарные автоматы и полуавтоматы.

На токарных станках производится обработка наружных, внутренних и торцевых поверхностей тел вращения цилиндрической, конической и фасонной формы, а также прорезка канавок, нарезка наружной и внутренней резьбы и т. д. Режущими инструментами на токарных станках служат в основном резцы, но применяются также и свёрла, развёртки, метчики, плашки и др.

Характерной особенностью станков токарной группы является осуществления главного движения за счёт вращения обрабатываемой детали. Подача режущего инструмента производится путём поступательного перемещения суппортов.

Наибольшее распространение получили универсальные токарновинторезные станки, на которых выполняются всевозможные работы. В электромашиностроении на токарных станках производится обточка валов, подшипниковых щитов и других деталей электрических машин.

В механических цехах машиностроительных заводов нашли широкое применение токарно-винторезные станки модели 1К62Б (рисунок 1), которые используются в условиях индивидуального и мелкосерийного производства.

Рисунок 1 — Общий вид токарно-винторезного станка модели 1К62Б токарный станок поверхность электродвигатель Станок имеет следующие технические данные:

— наибольший диаметр изделия, устанавливаемого над станиной 400 мм;

— наибольший диаметр обрабатываемого прутка 45 мм;

— расстояние между центрами 1000 мм;

— число ступеней частоты вращения шпинделя 23 (от 12,5 до 2000 об/мин) Основными узлами станка являются:

— станина 1, передняя (шпиндельная) бабка 2 с коробкой скоростей и шпинделем 3;

— суппорт 4;

— задняя бабка 5;

— коробка подач 6;

— фартук 7;

— шкаф с электрооборудованием 8.

Наиболее значимым узлом в токарном станке является суппорт. Суппорт служит для закрепления режущего инструмента (резца) и сообщения ему движения подачи: продольной и поперечной. Фартук соединён с нижней кареткой суппорта и перемещается вместе с ней вдоль станины. Движение суппорту передаётся через механизм фартука от ходового вала, либо от ходового винта, которые получают вращение от коробки подач. Ходовой винт используется при нарезании резьбы, ходовой вал — при всех других видах обработки.

1.2 Основные движения в токарно-винторезном станке Процесс получения на станке деталей определённой формы поверхности и размеров состоит в снятии с заготовки лишнего металла инструментом, режущая кромка которого перемещается относительно заготовки. Необходимое относительное перемещение создаётся в результате сочетания движения заготовки и инструмента. Они называются основными или рабочими движениями. Их разделяют на главное (режущее) движение (за счёт него инструмент производит резание металла) и движение подачи, которое служит для перемещения инструмента для снятия слоя металла с целью придания детали определённой формы.

В зависимости от вида обработки основные движения могут иметь различный характер. При токарной обработке происходит вращение заготовки и поступательное движение инструмента.

Главные движения в станках осуществляются обычно при помощи электроприводов, движения подачи — либо через механическую передачу от главного привода, либо от отдельных электроприводов.

Кроме основных движений в станке имеются вспомогательные движения. Они не участвуют в процессе резания, но необходимы для обработки изделий, например подачи смазки и охлаждающей жидкости.

2. Расчёт электрооборудования станка

2.1 Электропривод станка

Диапазон регулирования частоты вращения шпинделя токарных станков достигает (80−100):1.

Для станков токарной группы, в которых главное движение является вращательным, требуется обычно постоянство мощности в большей части диапазона изменения скоростей и только в области малых скоростей — постоянство момента, равного наибольшему допустимому по условию прочности механизма главного движения представленному на рисунке 2.

Рисунок 2 — Зависимость мощности и момента от частоты вращения и от скорости для главного привода токарной группы Малые частоты вращения предназначаются для специфических видов обработки: нарезание резьбы метчиками, обработки сварных швов и др.

В главных приводах токарных станков общего назначения малых и средних размеров основным типом привода является привод от асинхронного короткозамкнутого двигателя. Асинхронный двигатель хорошо сочетается с коробкой скоростей станка, надёжен в эксплуатации и не требует специального ухода. Регулирование частоты вращения шпинделя станка в таком приводе осуществляется путём переключения шестерён коробки скоростей.

В токарном станке 1К62Б пуск, остановка и изменение направления вращения шпинделя производится с помощью фрикционных муфт. Двигатель при этом остаётся подключённым к сети и вращается в одном направлении

2.2 Выбор рода тока и напряжения электрооборудования В цехах машиностроительных заводов обычно нет сети постоянного тока, поэтому для электропитания станка выбираем сеть переменного тока промышленной частоты (50 Гц), с номинальным напряжением 380 В.

Для регулирования скорости вращения шпинделя применяется многоступенчатая коробка скоростей. Для регулирования скорости подачи — коробка подач.

2.3 Расчёт мощности электродвигателя главного привода Процесс обработки деталей на токарных станках происходит при определённых значениях величин, характеризующих режим резания. К ним относятся (рисунок 3): глубина резания t, подача s (перемещение резца на один оборот шпинделя), скорость резания v, т. е. линейная скорость, с которой перемещается снимаемый слой металла (стружка) относительно резца.

Назначенная скорость резания зависит от свойств обрабатываемого материала, материала резца, вида обработки, условий охлаждения резца и детали.

1-деталь; 2-резец; 3-шпиндель станка; 4-главное движение; 5-движение подачи Рисунок 3 — Схема токарной обработки Необходимое значение скорости резания, м/мин, может быть определено по следующей формуле где Т-стойкость резца (продолжительность работы резца до затупления), мин;

C_u — коэффициент, характеризующий свойства обрабатываемого материала, резца, а также вид токарной обработки (наружное точение, обрезка, нарезание резьбы и др);

t — глубина резания, мм;

s — подача, мм/об;

m, x_u, y_u — показатели степени, зависящие от свойств обрабатываемого материала, резца и вида обработки.

Глубину резания устанавливают, исходя из припуска на обработку. Для черновых (обдирочных) работ t=3ч30 мм для чистовых работ t=0,1ч0,2 мм.

Подача выбирается по условиям обеспечения максимальной производительности и требуемой чистоты обработанной поверхности. Для черновых работ s=0,4ч3 мм/об и более, для чистовых работ s=0,1ч0,4 мм/об.

Скорость резания при обработке деталей из углеродистой стали резцами из быстрорежущей стали U_z=30ч60 м/мин.

В процессе токарной обработке на резец под некоторым углом к его режущей кромке воздействует усилие F, обусловленное сопротивлением металла резанию. Это усилие обычно принято разлагать на три составляющие:

F_y — радиальное усилие, передаваемое через резцедержатель на суппорт станка;F_x — осевое усилие, преодолеваемое механизмом подачи; F_z — усилие резания, преодолеваемое шпинделем станка.

Усилие резания, Н, может быть подсчитано по формуле где C_Fz — коэффициент, характеризующий обрабатываемый материал, материал резца и вид токарной обработки;

, n показатели степени, зависящие от свойств обрабатываемого материала, резца и вида обработки.

Значение коэффициентов и показателей степени в формулах (1) и (2) находятся из справочника по режимам резания. Между усилиями F_x, F_y, F_z существуют следующие соотношения (установленные опытным путем) [1]

F_y=(0,3ч0,5)F_z и F_x=(0,2ч0,3)F_z, (3)

При известных значениях скорости и усилия резания можно определить мощность резания, кВт где F_z — усилие резания, Н;

u_z — скорость резания, м/мин.

Мощность, затрачиваемая на осуществление подачи суппорта, кВт, подсчитывается по формуле где F_п=F_x+ (F_z + F_y)з — суммарное усилие подачи, необходимое для перемещения суппорта с резцом в направлении подачи, Н;

з=0,05ч0,08 — коэффициент трения в направляющих суппорта;

u_п — скорость подачи м/мин.

Следует отметить, что мощность подачи значительно меньше мощности резания: P_п?(0,001ч0,01) P_z так как скорость u_п во много раз меньше скорости u_z.

Важным фактором, определяющим производительность станка, является машинное или технологическое время обработки, мин:

где l — длина обработки (прохода резца), мм;

n_шп — частота вращения шпинделя, об/мин;

s подача, мм/об.

Как следует из (6), машинное время нужно сократить, увеличив подачу, либо частоту вращения шпинделя, т. е. скорость резания, ибо u_z = рdn_шп· 10^-3

Данные для расчёта оборудования станка приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Данные режимов резания

2.3.1 Находим скорость резания в режиме черновой обработки по формуле где Т^m-стойкость резца (продолжительность работы резца до затупления), мин;

C_u — коэффициент, характеризующий свойства обрабатываемого материала, резца, а также вид токарной обработки (наружное точение, обрезка, нарезание резьбы и др);

— глубина резания, мм;

— подача, мм/об;

m, x_u, y_u — показатели степени, зависящие от свойств обрабатываемого материала, резца и вида обработки [таблица1].

2.3.2 Находим усилие резания в режиме черновой обработки по формуле

(8)

где C_F — коэффициент, характеризующий обрабатываемый материал, материал резца и вид токарной обработки;

, n — показатели степени, зависящие от свойств обрабатываемого материала, резца и вида обработки;

— глубина резания, мм;

— подача, мм/об;

Н

2.3.3 Находим мощность резания в режиме черновой обработки по формуле

2.3.4 Находим мощность резания на валу электродвигателя в установившемся режиме с учётом потерь в передачах станка в режиме черновой обработки по формуле где з_ст — КПД станка,%

P_дв= 2,91/ 0,8 = 3,64 кВт

2.3.5 Находим скорость резания в режиме чистовой обработки по формуле где Т^m — стойкость резца (продолжительность работы резца до затупления), мин;

C_u — коэффициент, характеризующий свойства обрабатываемого материала, резца, а также вид токарной обработки (наружное точение, обрезка, нарезание резьбы и др);

— глубина резания, мм;

— подача, мм/об;

m, x_u, y_u — показатели степени, зависящие от свойств обрабатываемого материала, резца и вида обработки.

2.3.6 Находим усилие резания в режиме чистовой обработки по формуле где C_F — коэффициент, характеризующий обрабатываемый материал, материал резца и вид токарной обработки;

, n — показатели степени, зависящие от свойств обрабатываемого материала, резца и вида обработки;

— глубина резания, мм;

— подача, мм/об.

Н

2.3.7 Находим мощность резания в режиме чистовой обработки по формуле

2.3.8 Находим мощность резания на валу электродвигателя в установившемся режиме с учётом потерь в передачах станка в режиме чистовой обработки по формуле

P_дв2= P_z2/з_{ст ,} (14)

где з_ст — КПД станка,%

P_дв= 0,8 / 0,8 = 1 кВт

2.3.9 Находим машинное или технологическое время чернового резания по формуле где l — длина обработки (прохода резца), мм;

n_шп — частота вращения шпинделя, об/мин;

S — подача, мм/об.

Частоту вращения шпинделя находим по формуле, вытекающей из (6)

2.3.10 Находим машинное или технологическое время чистового резания по формуле где l — длина обработки (прохода резца), мм;

n_шп — частота вращения шпинделя, об/мин;

s — подача, мм/об.

Частоту вращения шпинделя находим по формуле, вытекающей из (6)

2.3.11 Принимаем — электропривод станка и его электродвигатель в наладочном режиме от сети отключается. Р₀ = 0

2.3.12 Строим нагрузочную диаграмму режимов работы электродвигателя главного привода станка

P = ѓ(t)

Принимаем масштаб мощности: 2см= 1 кВт;

масштаб времени — 2 см = 1 мин

2.3.13 Находим эквивалентную мощность электродвигателя по формуле

2.3.14 Выбираем электродвигатель стандартной мощности, удовлетворяющий условию Р_ном? Р_{экв ,}

где Р_экв — эквивалентная мощность двигателя, кВт По [таблице 26.3 справочника 2] выбираем электродвигатель 4А100L4У3, Р_ном=4 кВт.

Технические данные электродвигателя главного привода станка заносим в таблицу 2.

Таблица 2 — Технические данные 3-х фазного асинхронного двигателя главного привода станка

2.3.15 Проверяем выбранный двигатель на перегрузочную способность по формуле

0,8л· М_ном? М_макс (20)

где л — кратность максимального момента;

М_ном — номинальный момент выбранного двигателя, Н· М;

М_макс — момент для наиболее загруженного режима по нагрузочной диаграмме, Н· М Номинальный момент выбранного двигателя, Н· М находим по формуле где Р_ном — номинальная мощность двигателя, кВт;

n_ном — номинальные обороты двигателя при номинальной нагрузке, об/мин Максимальный момент выбранного двигателя, Н· М находим по формуле где Р_z1 — мощность резания в режиме черновой обработки Проверяем

0,8· 2,4·26,71? 19,9

51,2? 19,9

Верно

2.4 Расчёт мощности электродвигателя помпы

2.4.1 Электродвигатель охлаждения работает продолжительное время с постоянной производительностью, поэтому расчёт мощности электродвигателя производим по одной формуле где г — плотность перекачиваемой жидкости, Н/м³;

Q — производительность насоса, м³/сек;

Н — статический напор, м;

g — ускорение свободного падения, м/с²;

з_н — КПД насоса, %;

з_п — КПД передачи, %;

К_з — коэффициент запаса для металлорежущих станков

2.4.2 Выбираем электродвигатель стандартной мощности, удовлетворяющий условию Р_ном? Р₂ при n₁=3000 об/мин

2.4.3 По [таблице 26.3 справочника 2] выбираем электродвигатель 4АА56А2У3, Р_ном= 0,18 кВт, n_ном= 2800 об/мин Технические данные электродвигателя главного привода станка заносим в таблицу 3.

Таблица 3 — Технические данные 3-х фазного асинхронного двигателя помпы

2.5 Расчёт мощности электродвигателя подачи суппорта

2.5.1 Исходные данные для расчёта

F_тр — сила трения в направляющих салазках, Н;

V — скорость движения резца и суппорта, м/сек;

G — сила тяжести перемещаемого узла (суппорта), Н;

µ - коэффициент трения движения;

з — КПД, %;

2.5.2 Находим мощность трения по формуле Р_тр = F_тр· V·10^-3 = G· µ·V·10^-3, (24)

Р_тр = 1220· 0,17·0,25·10^-3=0,052 кВт

2.5.3 Находим требуемую мощность двигателя по формуле

2.5.4 По [таблице 26.3 справочника 2] выбираем электродвигатель 4А71А4У3, Р_ном=0,55 кВт.

Технические данные электродвигателя главного привода станка заносим в таблицу 4.

Таблица 4 — Технические данные 3-х фазного асинхронного двигателя суппорта

2.6 Выбор электродвигателя гидропривода станка Согласно паспорту станка токарно-винторезного 1К62, работу гидросистемы обеспечивает 3-х фазный асинхронный двигатель с порядковым номером 4, с короткозамкнутым ротором с данными, представленными в таблице 5.

Таблица 5 — Технические данные 3-х фазного асинхронного двигателя гидросистемы

2.7 Расчёт токовых нагрузок Активная мощность 3-х фазного асинхронного двигателя рассчитывается по формуле Р= · U_л · I_л · cosц · з, (26)

где U_л — линейное напряжение, В;

I_л — линейный ток, А;

сosц — коэффициент мощности;

з — КПД, %;

Р — активная мощность, Вт Следовательно, линейный ток рассчитывается по формуле

2.7.1 Находим токовую нагрузку электродвигателя главного привода станка по формуле

2.7.2 Находим токовую нагрузку электродвигателя помпы по формуле

2.7.3 Находим токовую нагрузку электродвигателя суппорта по формуле

2.7.4 Находим токовую нагрузку электродвигателя гидропривода станка по формуле

2.8 Расчёт и выбор коммутационных и защитных аппаратов

2.8.1 Выбор пакетного выключателя QS произодится по суммарной токовой нагрузке всех электроприводов (32)

I_QS = I₁ + I₂ + I₃ + I₄, (32)

I_QS = 8,6+0,52+1,6+2,75=13,47 А По [таблице 34.37 справочника 2] выбираем пакетный выключатель ПВМ3−25. Технические данные пакетного выключателя заносим в таблицу 6.

Таблица 6 — Технические данные пакетного выключателя

2.8.2 Выбор магнитных пускателей Исходными данными для выбора магнитного пускателей является мощность двигателей, напряжение двигателей и напряжение катушки.

2.8.3 Выбираем магнитный пускатель КМ1 по формуле Р_расч=Р₁ + Р₂ +Р₄, (33)

Р_расч= 4+0,18+1,1=5,3 кВт Напряжение катушки 110 В.

По [таблице 16.4 справочника 3] выбираем магнитный пускатель типа ПМЕ-211. Технические данные магнитного пускателя заносим в таблицу 7.

Таблица 7 — Технические данные магнитного пускателя ПМЕ-211

2.8.4 Выбираем магнитный пускатель КМ2

Р_расч= Р₃ =0,55 (кВт) Напряжение катушки 110 В.

По таблицам 16.4 выбираем магнитный пускатель типа ПМЕ-011. Технические данные магнитного пускателя заносим в таблицу 8.

Таблица 8 — Технические данные магнитного пускателя ПМЕ-011

2.8.5Расчёт и выбор предохранителей FU1-FU3

Расчётный ток плавкой вставки определяется по формуле где I_н3 — номинальный ток двигателя суппорта;

K_I3 — кратность пускового тока двигателя суппорта;

Р_транс — мощность трансформатора (принимаем равной 160 Вт);

б — коэффициент, учитывающий пусковые токи.

По таблице 14.1 выбираем предохранитель НПН2−60.

Технические данные предохранителя заносим в таблицу 9.

Таблица 9 — Технические данные предохранителя с закрытым патроном до1000 вольт

2.8.6 Расчёт и выбор предохранителей FU4-FU6

Расчётный ток плавкой вставки определяется по формуле где I_н1 — номинальный ток самого мощного двигателя;

K_I1 — кратность пускового тока самого мощного двигателя;

I_н2 — номинальный ток менее мощного двигателя;

б — коэффициент, учитывающий пусковые токи По таблице 14.1 выбираем предохранитель НПН2−60

Технические данные предохранителя заносим в таблицу 10.

Таблица 10 — Технических данных предохранителя с закрытым патроном до1000 вольт

2.8.7 Выбираем тепловые реле Тепловые реле выбираются исходя из номинальных током двигателей по формуле

I_тр? 1,25 I_ном.д

По таблице 16.4 выбираем

— для электродвигателя М₁ (КК1) — ТРН-25;

— для электродвигателя М₂ (КК2) — ТРН-10;

— для электродвигателя М₄ (КК3) — ТРН-10.

Технические данные тепловых реле заносим в таблицу 11

Таблица 11 — Технические данные тепловых реле

2.9 Расчёт электрических сетей Сечение проводов и кабелей напряжением до 1000 вольт по условию нагрева выбираются в зависимости от длительно допустимой токовой нагрузки по формуле где I_расч — расчётный ток нагрузки, А;

К₁ — поправочный коэффициент на способ прокладки проводов и кабелей [Л-3, табл. 32];

К₂ — поправочный коэффициент на число работающих кабелей, лежащих рядом в земле в трубах или без труб [Л-3, табл.33];

I_н доп — длительно допустимый ток на провода и шинопроводы [Л-3, табл. 26, 30]

Марка провода для монтажа и питания двигателя главного привода М₁ — АПВ, А — алюминиевые жилы П — провод В — изоляция из поливинилхлорида

2.9.1 Расчёт и выбор сечения проводов к электродвигателю М₁ производится по формуле По [таблицам 32 и 33 справочника 1] выбираем коэффициенты: К₁=0,94; К₂=1.

По [таблице 26 справочника 1] выбираем провод АПВ 3 (1Х2,5).

2.9.2 Расчёт и выбор сечения проводов к электродвигателю М₂ производится по формуле По [таблицам 32 и 33 справочника1] выбираем коэффициенты К₁=0,94; К₂=1

По таблице 26 выбираем провод АПВ 3 (1Х2,5)

2.9.3 Расчёт и выбор сечения проводов к электродвигателю М₃ производится по формуле По [таблицам 32 и 33 справочника 1] выбираем коэффициенты К₁=0,94; К₂=1

По [таблице 26 справочника 1] выбираем провод АПВ 3 (1Х2,5)

2.9.4 Расчёт и выбор сечения проводов к электродвигателю М₄ производится по формуле По [таблицам 32 и 33 1] выбираем коэффициенты: К₁=0,94; К₂=1

По [таблице 26 справочника 1] выбираем провод АПВ 3 (1Х2,5)

2.9.5 Расчёт и выбор сечения проводов к станку производится по формуле По [таблицам 32 и 33 справочника 1] выбираем коэффициенты К₁=0,94; К₂=1

По [таблице 26 справочника 1] выбираем провод АПВ 3 (1Х2,5)

2.10 Работа схемы электрической принципиальной токарно-винторезного станка Замыкаем пакетный выключатель QS. Двухфазный трехобмоточный трансформатор — под напряжением. Одна из вторичных обмоток этого трансформатора питает лампу местного освещения EL. Напряжение лампы 36 В.

Вторая вторичная обмотка понижающего трансформатора питает цепь управления электродвигателей М1, М2, М3.

Пуск электродвигателя М1.

Нажимаем кнопку SB2 в цепи управления. По замкнутой цепи получила питание катушка магнитного пускателя КМ1. Якорь магнитного пускателя втягивается, замыкая одноименный контакт силовой цепи, на электродвигатель М1 поступает напряжение, двигатель работает. Одновременно замыкается контакт КМ1 в цепи управления, которое шунтирует кнопку SB2, что обеспечивает работу КМ1 если кнопку SB2 отпустить.

Двигатель М1 работает, шпиндель станка не вращается. Его вращение обеспечивается с помощью многодисковой и фрикционной муфты.

Остановка двигателя М1 выполняется нажатием стоповой кнопки SB1. Цепь катушки магнитного пускателя КМ1 разрывается, якорь магнитного пускателя КМ1 под действием возвратных пружин отпадает, трехфазная цепь электродвигателя М1 разрывается, двигатель теряет питание и останавливается, контакт КМ1 самоблокировки размыкается. Для ограничения времени работы электродвигателя М1 в режиме холостого хода в цепи управления предусмотрено реле времени КТ, настроенное на 3−8 мин, то есть разрешенное время работы электродвигателя М1 в холостую.

Одновременно с пуском двигателя М1 замыкается контакт SQ7, получает питание катушка в реле времени КТ1. Если время работы холостого хода больше 3 мин, размыкается нормально замкнутый контакт в цепи катушки магнитного пускателя КМ1. Двигатель отключается.

Управление цепью быстрого перемещения суппорта.

На быстрое перемещение суппорта работает электродвигатель трехфазный асинхронный М2 и магнитный пускатель КМ2 (в цепи управления).

Для быстрого подвода к детали суппорта и быстрого отвода от детали суппорта с резцом нажимаем кнопку SQ6. Получает питание магнитный пускатель КМ2, замыкаются его контакты: три силовых в цепи электродвигателя М2. Двигатель работает.

Двигатель охлаждения М3 запускается параллельно с включением главного двигателя, так как резание детали без охлаждения детали и резца невозможно.

Схема предусматривает защиту:

а) от токов короткого замыкания предохранителями. Их в схеме 8 штук.

б) от токов перегрузки основных потребителей сети выполняется тепловыми реле КК1-КК3.

в) Нулевая защита — от исчезновения напряжения выполняется магнитными пускателями КМ1-КМ3.

В схеме предусмотрена защита обслуживающего персонала и оборудования:

а) заземлением;

б) занулением корпусов электрических машин и аппаратов.

Ссылки на используемую литературу

1. Зимин, Е. Н. Электрооборудование промышленных предприятий и установок.- М.: Энергоатомиздат, 1981.

2. Цигельман, И. Е Электроснабжение гражданских зданий и коммунальных предприятий. — М.: Высшая школа, 1988.

3. Дьяков, В. И. Типовые расчеты по электрооборудованию.- М.: Высшая школа, 1985.