Кинематический расчет и надежность проектируемого металлорежущего станка

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ — БАКАЛАВРИАТ

Федеральное агентство по образованию 
Белгородский государственный технологический университет 
имени В.Г. Шухова

А.А. ПОГОНИН 
И.В. ШРУБЧЕНКО 
М.Н. ВОРОНКОВА

КИНЕМАТИЧЕСКИМ 
РАСЧЕТ И НАДЕЖНОСТЬ 
ПРОЕКТИРУЕМОГО 
МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО СТАНКА

Учебное пособие

4-е издание, дополненное

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию 
в области автоматизированного машиностроения в качестве 
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению «Технология, оборудование 
и автоматизация машиностроительных производств» 
и специальностям «Технология машиностроения», 
«Металлорежущие станки и инструменты»

Москва

ИНФРА-М

2020

П43

УДК 621.9.06(075.8)
ББК 34.63-5я73 
П43

Р ецензенты:

В.С. Хомяков, доктор технических наук, профессор (МГТУ 
«Станкин», г. Москва);

Н.А. Пелипенко, доктор технических наук, профессор (завод 
«Электромашина», г. Белгород)

Погонин А.А.

Кинематический расчет 
и 
надежность 
проектируемого 
металлорежущего станка : учебное пособие / А.А. Погонин,
И.В. Шрубченко, М.Н. Воронкова. — 4-е изд., доп. — Москва : 
ИНФРА-М, 2020. — 158 с. — (Высшее образование: Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-109370-2 (online)

В учебном пособии рассмотрены методические подходы к 
выбору 
и 
расчету 
основных 
технических 
характеристик 
проектируемого станка. Эти методики даны применительно к 
основным группам станков. Рассмотрены вопросы классификации 
движений в станках и кинематические структурные схемы станков с 
различными 
видами 
структур. 
Уделяется 
внимание 
кинематическому 
расчету 
коробок 
скоростей 
и 
подач 
металлорежущих станков, а также вопросам надежности станков, 
проектированию надежности, даны необходимые параметры.

Первое издание вышло в 2000 г. под заглавием «Обоснование 
технических 
характеристик 
и 
кинематический 
расчет 
проектируемого металлорежущего станка».

Предназначено для студентов вузов, изучающих дисциплины 
«Оборудование 
машиностроительного 
производства»,

«Металлорежущие станки», а также для выполнения курсовых и 
квалификационных работ по металлорежущим станкам.

УДК 621.9.06(075.8) 
ББК 34.63-5я73

ФЗ 
№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ISBN 978-5-16-109370-2 (online)
© Погонин А.А., Шрубченко 
И.В., Воронковв М.Н., 2020

Введение

В 
условиях 
рыночной 
экономики 
важно 
не 
количество 
выпускаемых станков, а качественные показатели, позволяющие 
увеличить срок службы металлорежущего оборудования, повысить его 
надежность, что требует, в свою очередь, внедрения новых материалов 
и конструктивных решений элементов станка. Становится важным 
решение вопросов, связанных с надежностью металлорежущего станка 
в целом и его отдельных узлов.

За последние годы станкостроение накопило богатый опыт, но в 
связи с дефицитом литературы, а также разобщенностью необходимого 
материала и отсутствием его систематизации авторы попытались 
восполнить эти пробелы.

Учебное пособие предназначено оказать помощь студентам в 
освоении 
основ 
кинематического 
расчета 
и 
проектирования 
металлорежущих станков. Книга состоит из четырех глав.

В первой главе рассмотрена методика и расчета основных -  
технических характеристик металлорежущего станка.

Вторая 
глава 
посвящена 
вопросам 
формообразования 
поверхностей и структуры металлорежущих станков.

В третьей главе рассмотрены основы кинематических расчетов 
приводов главного движения и приводов подачи металлорежущих 
станков.

Четвертая глава содержит вопросы, связанные с расчетами 
показателей надежности станка.

Данное 
учебное 
пособие 
будет 
полезно 
для 
студентов, 
обучающихся 
по 
направлениям 
подготовки 
15.03.01 
«Машиностроение», 
15.03.03 
«Конструкторско-технологическое 
обеспечение 
машиностроительных 
производств» 
при 
изучении 
дисциплин 
«Технологическое 
оборудование», 
«Металлорежущие 
станки», а также при выполнении курсовых работ по данным 
дисциплинам.

3

1. 
Обоснование и расчет основных технических характеристик 
проектируемого металлорежущего станка

Определение технических характеристик металлорежущего станка — 
очень важный момент в курсовом проектировании, т.к. при этом решаются 
вопросы назначения габаритных размеров, мощности и других параметров, 
которые существенно влияют на металлоемкость станка, на расход 
электроэнергии и в конечном итоге на его себестоимость. Технические 
возможности станка определяются его 
размерами, 
скоростными и 
силовыми характеристиками. Размерные характеристики, например, для 
токарных станков - высота центров и расстояние между ними, для 
револьверных - диаметр отверстия в шпинделе и т.п. Они позволяют судить 
о максимальных и минимальных размерах деталей, которые можно 
обработать на данном станке. Скоростные характеристики позволяют 
судить 
о 
пределах 
регулирования 
скорости 
главного 
движения, 
перемещениях исполнительных органов станка (столов, суппортов и т.д.). 
От правильного расчета скоростных характеристик зависит возможность 
осуществления на проектируемом станке экономичных режимов резания. 
Силовые характеристики станка дают представление о силах резания и 
подач, допускаемых мощностью привода или его слабыми звеньями.

Исходными 
данными 
для 
определения характеристик 
являются 
габаритные размеры обрабатываемой детали (или группы деталей), 
предельные размеры обрабатываемых поверхностей, материал детали и 
обрабатывающего инструмента.

1.1. Расчет характеристик токарных станков

1.1.1. Определение основных размеров

Основными параметрами токарных станков (рис.1) являются:
Бн(тах) - наибольший наружный диаметр обрабатываемого изделия, 
ограниченного станиной, мм;

Dmax - наибольший наружный диаметр изделия, обрабатываемого над 
суппортом, мм;

L - расстояние между центрами при крайнем положении задней бабки с 
выдвинутой пинолью, мм; 
'

D0 - диаметр отверстия шпинделя, мм.
Все основные параметры регламентированы и систематизированы 
согласно ГОСТ 18097-93.

4

Рис. 1. Основные параметры токарного станка

При проектировании станков токарной группы универсального типа 
обычно задают DH(max), Ьтахшд, материал обрабатываемых изделий, 
материалы применяемых режущих инструментов. Для станков токарновинторезной группы должны быть заданы типы и диапазон нарезаемой 
резьбы. Заданный диаметр DH(max) выбирают по табл.1 (ГОСТ 18097-93). 
Наибольший наружный диаметр может быть определен также по формуле 
Dmax=CM-DH(max), 
(1)

где См - коэффициент высоты каретки суппорта, который для токарных 
станков средних размеров при работе в центрах равен 0,52 ... 0,55.

Таблица 1

DH(max), мм
200
250
320
400
500
630
800
1000

Dmax, мм
п о
140
170
210
260
340
450
600

L , мм
320
400
500
710
1000
1400
2000
2800

do, мм
20-25
25-30
32-38
40-45
50-55
65-70
80-85
80-85

По известному 1лпахизд находят расстояние между центрами из условия 
L —2 ЬтахИзд. 
(2)

Найденное значение L корректируют с ближайшим к нему значением L 
согласно табл. 1.

Наименьшую длину обрабатываемого изделия принимают равной 
Lmm„3a=0,2L. 
(3)

Затем определяют наименьший диаметр обрабатываемого изделия из 
энергетических условий

Dmin> 0,25Dmax. 
(4)

Полученные значения диаметров Dmax и Dmin являются предельными 
значениями 
диапазона 
изделий, 
которые 
наиболее 
часто 
будут 
обрабатывать на данном типоразмере станка. Следовательно, эти диаметры

5

наиболее экономичны и все дальнейшие расчеты по определению 
технических характеристик необходимо производить по ним.

1.1.2. Определение глубины резания

Глубина резания определяется величиной припуска на обработку и 
числом проходов. При черновом точении следует назначать наибольшую 
глубину резания, соответствующую срезанию припуска за один проход. По 
габаритным размерам обрабатываемого изделия (Dmax и Lmax„,j припуск 
tmax по ГОСТ 7062-90 определяется по формуле

tmax=CtDmaxxt, 
(5)

где 
tmax 
- 
максимальный 
припуск 
в 
миллиметрах 
на 
сторону, 
проектируемый для снятия за один проход с учетом допуска на припуск и 
обеспечения максимальной производительности, мм; Ct и Xt - коэффициент 
и показатель степени, зависящие от характера производства, размеров 
заготовки и обрабатываемого материала. Принимаются согласно табл. 2.

Таблица 2

ОбрабатыХарактер производства

ваемые
Серийное
Единичное
материалы
Ct
Xt
Пределы
Ct
Xt
Пределы

применения
применения

Чугун
0,65
0,45
Для D=100-500mm
2,18
0,28
Для D=100-200mm

0,31
0,59
Для D=201-500mm

Стальные
0,63
0,40
Для D=50-200mm
0,24
0,04
Для D=100-250mm

П О К О В К И
L=130-250mm
L=250-500mm

0,85
0,36
Для L=251-350mm
0,27
0,64
Для D=501-1500мм

Сталь

прутковая
(горячекатанная)

0,12
0,72
Для D=20-80mm
0,12
0,72
Для D=20-80mm

Примечание. Максимальный припуск рекомендуется округлять до 
целых единиц.

Минимальный припуск tmin выбирают на сторону чистового точения 
(как межоперационный) с учетом допуска на припуск по минимальному 
диаметру изделия Dmin и по минимальной длине LminH3:, [1]. Кроме того, 
tmax 
и 
tmin 
можно 
определить 
по 
приближенным 
формулам:

6

tmax(min)=0,4Dmax(min) 
- 
для 
стали 
при 
свободной 
ковке; 
tmax(min)=0,5Dmax(min) - для чугуна.

Например, припуск, снимаемый при обдирке стальных заготовок, 
обычно лежит в пределах 2 ... 7 мм на сторону при диаметре 50 ... 200 мм и 
длине до 1000 мм. Следовательно, глубина резания для токарных 
обдирочных станков с высотой центров 200 мм должна быть не более 5 ... 6 
мм, т. к. большая глубина резания будет встречаться довольно редко. При 
обработке с шероховатостью поверхности 5 Ra 
глубина резания обычно 
лежит в пределах 0,5 ... 2,0 мм на диаметр, а при обработке с 
шероховатостью поверхности 0,63- 2,5 Ra - в пределах 0,1 ... 0,4 мм.

1.1.3. Определение пределов подач

Пределы 
подач 
следует 
назначать 
наибольшими, 
так 
как 
они 
непосредственно влияют на величину основного (технологического) 
времени. При черновой обработке пределы подач устанавливают с учетом 
размеров обрабатываемой поверхности, 
жесткости системы 
станок- 
инструмент-деталь и прочности детали, способа ее крепления (в патроне, в 
центрах и т.д.), прочности пластинки из твердого сплава, жесткости 
державки резца и станка, прочности его механизма подачи, а также 
установленной глубины резания. При чистовом точении подача должна 
обеспечивать заданный класс шероховатости обрабатываемой поверхности 
и класс точности. При этом необходимо учитывать возможную величину 
прогиба 
детали, 
неточность 
геометрической 
формы 
обработанной 
поверхности.

Максимальные 
подачи 
для 
наружного 
продольного 
точения 
определяют, исходя из условий обработки деталей заданной жесткости, по 
формуле

Smax = CsXstKMS, 
(6)

где Cs и Xs - коэффициенты и показатели степени, зависящие от 
допустимого прогиба деталей, обрабатываемых в центрах, от характера 
производства, размеров заготовки и свойств режущего инструмента 
(выбираются по таблицам 3 и 4), КМ5 - коэффициент, зависящий от 
механических свойств материала заготовки.

При 
обработке 
углеродистых 
сталей 
резцами, 
оснащенными 
пластинками твердого сплава Т15К6 и им подобными, при скорости 
резания V<50 м/мин значения коэффициентов Cs и Xs выбирают по 
табл. 3.

При обработке сталей с временным сопротивлением а„ равным 
40...50; 75; 100...120 (резцами с пластинками из стали Р5М6 и сплавов ВК4, 
ВК8) 
при 
скорости 
резания 
V>50 
м/мин 
значения 
поправочных 
коэффициентов Kras соответственно равны 1,4; 1,0; 0,67.

7

Таблица 3

Обрабатываемые

материалы

Характер производства

Серийное
Единичное

Cs
Xs
Пределы

применения

Cs
Xs
Пределы

применения

Стальные
поковки

0,02
1,95
Для /<0,1мм 
D=50-200mm 
L=150-350mm

0,16
0,46
Для /<0,1мм 
D=100-200mm 
L=250-500mm

Сталь

прутковая
(горячекатанная)

0,35
0,28
Подача 
действительна 
для припуска 
до Змм и 
/<0,1мм

0,12
0,46
Подача 
действительна 
для припуска 
до Змм, 
L=501-1500

Примечание. /  - максимальный допустимый прогиб обрабатываемых 
деталей.

При обработке серых чугунов твердостью НВ равной 140...150; 
180...200; 260...280 (резцами с пластинками из сплавов ВК4, ВК8) при той 
же 
скорости 
резания 
значения 
поправочных 
коэффициентов 
KMS 
соответственно равны 1,18; 1,0; 0,75.

При обработке углеродистых сталей резцами с пластинками из стали 
Р5М6 при скорости резания V>50 м/мин и обработке чугунов резцами, 
оснащенными пластинками из сплавов ВК4, ВК8 (для всех скоростей), 
значения коэффициентов Cs и Xs выбирают по табл. 4.

Таблица 4

Обрабатываемые

материалы

Характер производства

Серийное
Единичное

Cs
Xs
Пределы

применения

Cs
Xs
Пределы

применения

Чугун
0,027
1,84
для /<0,1мм 
D=100-500mm

0,00006

0,1

4,72
0,93

D=100-200mm 
D=201 -500мм

Стальные
поковки

0,032
0,011

2,0
2,37

L=150-250mm 
L=251-3 50мм 
D=50-200mm

0,15
0,1

0,75
0,75

L=250-500mm
L=501-1500mm
D=100-250mm

Сталь

прутковая
(горячекатанная)

0,31
0,52
Для припусков 
до Змм

8

Приближенную 
величину 
подачи 
можно 
определить 
исходя 
из 
жесткости детали при 1лпахизд = 10Dmax и стрелы прогиба /=0,02 для 
работы в центрах: Smax=0,2Dmax0,3 (дтя стали); Smax=0,25Dmax0,3 (для 
чугуна).

Значение подачи Smin определяют из условий достижимого заданного 
класса шероховатости обрабатываемой поверхности по формуле

п 
CsRzYRrl,R

= ----- Г----Л----— , 
(7)
, 
Хо 
ZR 
ZR
L  m <Р RV /

где Cs и Yr, Ur, Xr, Zr  - коэффициент и показатели степени (выбирают по 
табл.5); tmin - минимальный припуск на обработку, мм; R - высота 
неровностей, мкм (см. табл. 6); г - радиус при вершине резца, мм (см. табл. 
8); ф - главный угол в плане, град.; ф, - вспомогательный угол в плане, град. 
Значения углов ф и ip, выбирают из условий: ф=45° - принимают для 
предварительных расчетов, ф=10° - принимают при обточке проходными 
резцами из быстрорежущей стали ; ф1=25...45° - принимают при обточке 
проходными резцами, оснащенными пластинками из твердого сплава.

Таблица 5

Обрабатываемый

материал

Sb
Cs
Xr
Yr
Zr
Ur

Сталь и остальное

литье
<1,75
0,008
0,30
1,40
0,35
0,70

То же
>1,75
0,170
0,12
0,60
0,15
0,30

Чугун
<1,60
0,045
0,25
1,25
0,30
0,75

То же
>1,60
0,290
0,12
0,60
0,25
0,35

Для определения радиуса при вершине резца необходимо знать размеры 
последнего, их определяют в зависимости от высоты центров станка 
(согласно табл. 7). Высота центров станка Н как конструктивный параметр 
определяется из условия

H=CDh (max),

где С - коэффициент высоты центров станка, для средних токарных станков 
находится в пределах 0,49...0,53.

9

Таблица 6

В и д ы  о б р аб о тки
В ы с о т а  н ер о вн о стей , мкм

0,05
0,1
0,2
0,4
0,8
1,6
3,2
6,3
10
20
4 0
50
160
320

Т о ч ен и е

О б д и р о ч н о е

Ч и ст о в о е

Т о н к о е

С вер л ен и е
Д о  15м м  

С в ы ш е1 5 м м

Ф р езер о в а н и е

ц и л и н д р и ч еск о е

Ч ер н о в о е
Ч и ст о в о е

Ф р езер о в а н и е

т о р ц е в о е

О б д и р о ч н о е

Ч и ст о в о е

О т д ел о ч н о е

Ш л и ф о в ан и е

к р у го в о е

Ч ер н о в о е

Ч и ст о в о е
Т о н к о е

Ш л и ф о в ан и е

п ло ско е

Ч ер н о в о е

Ч и с т о в о е
Т о н к о е

П р о т я ги в ан и е
Ч и ст о в о е

О т д ел о ч н о е

П о л и р о в ан и е
Ч и ст о в о е

Т о н к о е

Х о н и н г п р о ц есс

П р е д в о р к т ел ь 
ны й

О к о н ч ат ел ь н ы й

'

С уп ерф и н и ш
Ч и сто в о й

Т о н ки й

Таблица 7

Высота центров 

станка, мм
100
200
300
400
500

Высота резца, мм
20
25
30
40
50

Зная размеры резца, можно определить радиус при вершине резца 
(согласно табл. 8). 
•

Расчетные 
значения 
подач 
сверяют 
с 
нормальным 
рядом 
станкостроения. Если в задании указано несколько обрабатываемых 
материалов, то Smax и Smin определяют для каждого из них и для 
дальнейших расчетов берут наибольшую подачу из Smax и наименьшую - 
из Smin.

10