Розроблення конструкції затискача інструменту в шпинделі фрезерного верстату

Abstract

Робота містить пояснювальну записку та графічну частину. Пояснювальна записка складається зі вступу, технологічної, конструкторської частин, додатків з: економічною частиною, охороною праці. Бакалаврська робота зосереджена на проектуванні системи затискання верстата в шпинделі звичайного фрезерного верстата з урахуванням економічного конструктивного рішення, мінімального втручання в існуючий шпиндель та безпеки. В першому розділі наведено дослідження, що описують функцію та рішення для затискання інструменту в шпинделях, полегшило вирішення цього питання. Наступним кроком було створення та оцінка чотирьох вибраних концепцій і вибір тієї, яка найбільше підходила для заданого застосування. Як результуючу концепцію затискання було обрано затискний механізм, що працює із затискними каменями. Окремі частини та принцип роботи цього механізму були пояснені за допомогою анотованих зображень та послідовності окремих важливих положень затискача, як під час процесу затискання, так і під час процесу розтискання інструменту. Після глибшого вивчення питання затискання верстатів у шпинделях з гладким отвором було виявлено, що порожнина шпинделя досить тісну. Тому для виконання розрахунку конструкції кріплення було важливо знайти оптимальне геометричне рішення, яке б забезпечило найменше можливе навантаження на кріплення. З цієї причини було створено програму оптимізації, завданням якої є перебір усіх можливих розмірних рішень, розрахунок приведених напружень у критичних зонах або тиску на контактних поверхнях та спроба отримати найменше можливе значення максимального напруження. Під час створення аналітичної моделі розрахунку напружень було зроблено багато спрощень геометрії. Тому необхідно було виконати контрольний розрахунок методом скінченних елементів у програмі моделювання Ansys, точність якого контролювався фахівцем з інформатики з інституту. Після оцінки аналітичного розрахунку та розрахунку методом скінченних елементів (МСЕ) було обрано матеріал для нижньої частини затискача 42CrMo4, який було додатково рафіновано до 1000–1100 Н/мм2. У другому розділі роботи розглянуто вузол затискання та розтискання. Основою затискного вузла є набір тарілчастих пружин, які відповідають за реалізацію затискного зусилля. Під час процесу розблокування пружинний пучок навантажується силою розблокування, що призводить до руху тяги та розблокування механізму. Зусилля розблокування створюється гідравлічним циліндром з порожнистим штоком поршня, який спирається на пружинний вузол через кулькову шайбу. Індукційний зонд був розміщений у порожнині штока поршня для контролю стану затискання. Контрольні розрахунки найбільш напружених ділянок були виконані як для затискного корпусу, так і для корпусу розтискного вузла. Результати контрольних розрахунків разом із вхідними значеннями були включені до додатків. Також розраховано економічний ефект від впровадження конструкції затискача інструменту в шпинделі фрезерного верстату у виробництво, розроблено заходи з охорони праці. В графічній частині проекту приведені: конструкція затискача, деталювання його елементів.The work contains an explanatory note and a graphic part. The explanatory note consists of an introduction, technological, design parts, appendices with: economic part, labor protection and specifications for the graphic part. This bachelor’s thesis focuses on the design of a spindle clamping system for a conventional milling machine, aiming to develop a cost-effective solution with minimal modifications to the existing spindle and ensuring operational safety. The first chapter presents research studies describing the function and solutions for tool clamping in spindles, which facilitated the development of this design. The next step involved the creation and evaluation of four conceptual designs, with the most suitable selected for the target application. The selected solution is a clamping mechanism based on clamping jaws. The components and operating principle of this mechanism are illustrated through annotated diagrams and sequences showing the key positions during both clamping and tool release. Upon deeper analysis of clamping systems for spindles with a plain bore, it was found that the spindle cavity is quite constrained. Therefore, determining the optimal geometric solution to minimize loading on the clamping structure was critical. To achieve this, an optimization program was developed to iterate through all possible dimensional configurations, calculate equivalent stresses in critical areas or contact pressures, and identify the configuration with the lowest possible peak stress. During the creation of the analytical stress model, several geometry simplifications were made. Thus, a finite element method (FEM) validation was performed using Ansys simulation software, with accuracy verified by an IT specialist from the institute. Based on the analytical and FEM analyses, the material selected for the lower clamping component was 42CrMo4, refined to a strength of 1000–1100 N/mm?. The second chapter discusses the clamping and releasing assembly. The core of the clamping unit is a set of disc springs that generate the clamping force. During tool release, the spring pack is loaded by a release force, causing axial rod movement and disengagement of the mechanism. This release force is applied by a hydraulic cylinder with a hollow piston rod, which transfers the load to the spring pack via a ball washer. An inductive sensor is placed inside the piston rod cavity to monitor the clamping status. Verification stress calculations were performed for the most loaded regions of both the clamping body and release mechanism housing. These results, along with input parameters, are included in the appendices. An economic assessment of implementing the designed tool clamping mechanism in the milling machine spindle has also been conducted, along with the development of occupational safety measures. The graphical part of the project includes the design of the clamping mechanism and detailed drawings of its components.