Steg Avgränsningar i detaljkonstruktion

Transkript

1 Steg Detaljkonstruktion Vårt nya koncept utför huvudfunktionen rotation genom elmotor och tryck med hjälp av tryckluft. Fördelen med det sistnämnda är att en stor del av befintlig konstruktion kan återanvändas samt att lösningen är kraftbetingad. Nedan ses en bild på en CAD-modell över den konstruktion som tagits fram. Resten av detta kapitel kommer att handla om hur denna konstruktion har valts och dimensionerats. Samtliga detaljritningar över de ingående komponenterna finns i Bilaga 1. Figur 7.2-1: CAD-modell av detaljkonstruktionen Rent översiktligt är konstruktionens kärna den ram som består av en fast del (ljusblå) och en rörlig del (grön). På dessa är motor (blå/svart/grå), axel- och lagerhus (här genomskinligt) och tryckluftscylinder (röd) monterad. Därtill består konstruktionen av axel (guld), lager (grå) och lagerlock (grå) Avgränsningar i detaljkonstruktion På grund av projektets ringa omfattning med avseende på tid har ett antal avgränsningar gjorts. Den ram som alla detaljer sitter monterat i betraktas som stel och dess material och tillverkningssätt är inte övervägda. Axelhuset betraktas på samma sätt. Kuggväxeln mellan motor och axel har inte heller dimensionerats. Axeln är däremot dimensionerad med hjälp av traditionell hållfasthetslära och ett motorval har gjorts.

2 7.2.2 Ramen Ramen där svetshuvudets delar monteras är tvådelad. Tanken är att den ena delen är stum mot stativet, medan den andra delen är rörlig. Detta gör att svetshuvudet kan röra sig i vertikalled medan det är tillräckligt styvt i horisontalled. Stum del I den stumma delen fästs själva tryckluftscylindern som ska anbringa trycket. Kolvstången fästs sedan i den rörliga delen. För att möjliggöra relativrörelsen mellan de två delarna har den stumma delen även ett par skenor. Rörlig del Den rörliga delen består av elmotor, axelhus, axel samt skenor för relativrörelsen. Denna del utgår ifrån en rygg där allt sitter monterat. På ena sidan sitter skenorna och på den andra sitter fästen till elmotor och axelhus. Elmotorns fäste är aningen förskjutet relativt ryggen för att möjliggöra att tryckcylindern kan integreras mellan rygg och motor. Detta för att göra detaljen grundare och i största möjliga mån undvika stora böjmoment i konstruktionen. Axelhuset är däremot direkt bultad i ryggen, detta av samma anledning - för att undvika uppkomst av onödiga böjmoment. Kolvstången fästes sedan i den övre delen av axelhuset. Anledningen att placera denna här berodde helt enkelt på att vi ville centrera belastningen så mycket som möjligt över axeln. Dessutom minimeras uppkomsten av glapp då kraftens väg blir så rak som möjligt Axel och axelhus Axeln är som tidigare nämnt dimensionerad med hjälp av hållfasthetslära. Vid det nedre lagret utsätts axeln för statisk last (horisontell och vertikal) samtidigt som den roterar och därför är utmattning dimensionerande. Nedan ses beräkningar: 16, ,,, 16, Med marginal och hänsyn tagen till standarddimensioner på axlar valde vi en utgångsdiameter på 40mm. Därefter frilades axeln och ekvationer för lagerkrafterna som funktion av axelns huvuddimensioner ställdes upp.

3 F F/2 R Ax R Bx x a b c z F R Ay R By y a b c z Figur 7.2-2: Friläggning av axeln Ett MATLAB-program skrevs för att kunna beräkna de olika lagerkrafterna Ra och Rb utifrån olika a, b, c och F. Dessa mått är anpassades sedan, inom rimliga gränser, för att minimera lagerkrafterna. Notera att måttet a är hela avståndet från nedre lagret till spetsen på verktyget. Det innefattar alltså axel, chuck och verktyg. Då chucken och verktyget med största sannolikhet kommer vara i styvare material än resten av axeln valde vi här att betrakta axelns tvärsnitt som konstant. Krafterna som antogs verka på axeln var Nm 218 sin 20 0 sin Resultatet blev följande mått på axeln. Dessa skulle fungera i konstruktionen, och gav rimliga lagerkrafter:

4 Kontroll av hållfasthet och utböjning i Catia För att kontrollera att hållfastheten i axeln var tillräcklig, och att dess utböjning vid maxbelastning inte blir för stor, användes en analysmodul i CAD-programmet Catia. Axeln modellerades som en enda detalj, dvs chucken och verktyget antogs ha ungefär samma egenskaper som resten av axeln. Detta bör vara en god minimiuppskattning eftersom verktyget har ungefär samma mått som axeln och chucken kan betraktas som stel. Modellen belastades med samtliga beräknade maxkrafter. Resultatet av utböjningssimulering ses i figur nedan. En hållfasthetsanalys genomfördes också, men denna visas ej i figur. Axeln antogs vara tillverkad i axelstål. Figur 7.2-3: Maximal utböjning av axeln Den högsta spänningen i axeln var ca 100 MPa och den största utböjningen blev mm enligt figur Hållfasthet och utböjning bör således inte vara några problemområden för axeln. Det är dock värt att notera att den största spänningen uppkommer i axelns nedre käl. Denna bör alltså ha så stor kälradie som möjligt för att undvika utmattningsbrott. Beräkning av utböjning för hand Axelns utböjning beräknades även med elementarfall och mekanik. Elementarfallen hämtades ur KTHs formelsamling i hållfasthetslära. Här har hänsyn endast tagits till den sidoriktade kraften på 5 kn, medan Catia räknat på kuggkrafter och en tryckande kraft underifrån på 10 kn. Resultatet av

5 denna beräkning bör därför bli mindre än resultatet av Catia-simuleringen. Denna beräkning görs dock ändå, för att kontrollera rimligheten. Enligt superpositionsprincipen kan utböjningarna skrivas som en summa: c b = + a F F Figur 7.2-3: Utböjning av axeln F ä ä ö ä ä ö ö Insatt

6 De värden som beräknades i Catia verkar alltså vara rimliga, och axelns utböjning ligger inom acceptabla gränser. Dimensionering av axelhus Axelhusets funktion är att möjliggöra montering av axel, lager och kuggväxel. Det ska även ha ett fäste för tryckluftcylindern, så att tryckkraften kan ledas direkt via lagren ned i axeln. Huset är tillverkat i gjutgods och täcks på undersidan av ett lock som låser fast det undre lagret. Eftersom huset betraktats som stelt har ingen hänsyn till dess hållfasthet tagits Lager De lager vi använt är tagna direkt från SKFs standardsortiment. Vad som visade sig ganska tidigt var att de önskemål vi haft på kraft och rotationshastighet var för höga. Den maximala rotationshastigheten fick sänkas till 6000rpm för att överhuvudtaget ge ett urval av lager som tål hög belastning. Det hade varit önskvärt att minska axeldiametern eftersom små lager klarar högre varvtal, men på grund av risk för utmattningsbrott i axeln (se tidigare avsnitt) var detta inte möjligt. Med dessa avgränsningar gjordes ett urval av lager genom att teoretisk lagerlivslängd för ett lämpligt lager beräknades för tre olika axiella krafter - 10kN, 7kN och 5kN. Dessa jämfördes sedan med en önskad livslängd på lagringen för att se om detta var ett godkänt lagerval. Våra ambitioner är att svetsen skall kunna köras med fullt varvtal, sex timmar per dag, fem dagar i veckan i 15 år. Vi uppskattar att svetsen används 45 veckor på ett år., Nedan ses lagerlivslängdsberäkningar med 5kN i axiell kraft. Radiella krafter är beräknade i MATLAB med hjälp av tidigare nämnt program Vi valde att använda koniska rullager då dessa kombinerar bra axiella och radiella egenskaper. På grund av den höga axiella kraften F valdes ett lager med lågt Y och högt bärighetstal, C. Explorerlagret 31308J2/QCL7C verkade vara det lager med bäst egenskaper: Nedan ses erforderliga beräkningar utifrån rådande lastfall (enl SKF sid. 613): Då lagren är likadana fås: Så:

7 Den ekvivalenta lagerlasten P kan nu beräknas vilket i sin tur ger den nominella livslängden. Vi valde att utöka denna och använda SKFs nya livslängdsteori. Faktorn a SKF beräknades utifrån diagram i SKFs handbok. Viskositeten sattes till den erforderliga varför κ=1. Utifrån detta kunde a SKF bestämmas och livslängden för de separata lagrena beräknas. Nedan ses använda former och samband: 0.6 öå, 2, 1.5 Med: fås: 10 3, , 9132 För att få den sammanlagda livslängden används följande formel: Med 90% sannolikhet fås följande uttryck: 1 1 1,, ln ln Κ , Lagren klarar alltså den önskade livslängden om de belastas med 5 kn. 8662, Livslängden för andra lager och andra laster beräknades också, men ingen annan lagerkombination klarade en högre last än 5 kn. Detta blev därför den maximala last som friktionssvetsen kommer att klara av att arbeta med Val av rotationsmotor Våra krav är att kunna rotera verktyget med en hastighet av RPM och samtidigt ha ett moment på 30 Nm. Tyvärr har dessa krav visat sig vara omöjliga att uppfylla då det inte finns någon leverantör av kullager som kan leverera lager som håller för dessa hastigheter och krafter. Efter överläggande satte vi ett målvärde med en rotationshastighet på RPM vid verktyget. Utifrån dessa nya önskemål så har vi valt en motor som skall kunna leverera den önskade kraften vid det önskade varvtalet efter utväxling.

8 Val av utväxling För att finna en så liten motor som möjligt har vi tittat på ABB s servomotorer med höga vartal. Då dessa servomotorer kan leverera sin nominella kraft upp till 4000 RPM satte vi ingångsvarvtalet till detta. Det utgående varvtalet hade vi givet som ett målvärde på RPM. ω rpm,in = 4000 ω rpm,ut = 6000 Utväxlingen blir: ω, ω, i i Då vi skall välja vilket moment som motor minst måste leverera vid 4000 RPM kan vi med hjälp av följande formel lösa ut M in. ω, ω, M M ω, ω, M M Nm Ni när vi har vilket varvtal och moment som motorn skall kunna leverera är det endast att välja en från ABB. Kraven vid valet av motor är sammanfattat: Motorn skall kunna leverera 45 Nm vid ett varvtal av 4000 RPM och även kunna monteras vertikalt. En passande servomotor från ABB blev VH37A A000 som väger 49 kg och levererar 48.5 Nm vid 4000 RPM. Motorns effekt vid detta nominella varvtal är på 20.3 kw. För att styra och hämta data från motorn krävs en frekvensomriktare även den från ABB. Vi valde ACSM1-04AS-046A-4 som används för att hämta data om varvtal osv från motorn för att sedan kunna styra ex varvtalet.

9 7.2.6 Val av transmission Nu när utväxlingen är vald till 0.66 kan vi dimensionera transmissionen som består av två kugghjul. Dimensioneringen är enkel och bygger på olikhet i radie på dessa kugghjul. Radien på kugghjulet som är monterat på axeln valdes till r m. När denna storlek var given och vi hade utväxlingen kunde vi enkelt räkna ut storleken på kugghjulet som är monterat på motorn. Radien på det kugghjul som sitter på motorn, även kallat ingående kugghjul har beteckningen. r m 0.66 Enl Val av tryckluftcylinder Vid valet av tryckluftcylinder hade vi ett krav på att vi skulle behöva kunna trycka med en kraft på 10 kn. Efter närmare undersökning av möjliga tryckluftcylindrar hos Bosch Rexroth hittade vi en kandidat som kanske skulle kunna uppfylla vårat krav på 10 kn. Cylindern hade en diameter på 120 mm och det var angivet att den klarade att trycka med en kraft av 7725 N vid 6,3 bar. Detta räcker dock inte men eftersom produkten har ett arbetstrycks intervall mellan 1,5 bar 10 bar kan vi räkna ut vilket tryck som krävs för att uppnå kraften 10 kn. 2 Detta blir numerärt d = 120 mm = 0.12 m F = N Lärobok i maskinelement sid. 367

10 Uttryckt i bar Alltså uppfyllde denna cylinder det givna kravet redan vid 8,84 bar. Vi hade kunnat välja en mindre cylinder med avseende på trycket men det kan förekomma trycktoppar som gör att cylindern överdimensioneras något. Produkten har namn PRA-DA BAS.

11 7.3 Kostnadsanalys Axel Processval: I val av process för framställning av axel används metoden PRIMA ur boken PROCESS SELECTION, second edition, på sidan 23. Med följande indata: Kvantitet = Väldigt låg(1-100) Material = Stål Genererades följande processer fram: [1.5] = Centrifugalgjutning(centrifugal casting) [1.7] = Keramikformgjutning(ceramic mould casting) [3.10] = Spinning [4.M] = Manuell skärande bearbetning(manual machining) [5.1] = Electrical discharge machining [5.5] = Chemical machining [5.6] = Ultrasonic machining Kostnadsberäkningar Enligt PROCESS SELECTION, sidan 249 och framåt. Avgränsningar har gjorts då alla de framgenererade processer inte fanns med. Valt att koncentrera oss på de tre som fanns med: Automatisk skärande bearbetning Keramikformgjutning Manuell skärande bearbetning M i = Total tillverkningskostnad/detalj V = Volym material på detalj (vid avverkande bearbetning = arbetsstycke) C mt = Materialkostnad per volymsenhet P c = Ideal processkostnad för en viss process (uppsp, operation, maskin-operatör) R c = Relativ kostnadskoefficient: Beräkning av P c P c = Bas- processkostnad α = Operativa kostnaden för processen per sekund T = Processtiden(s) β = Verktygskostnad per detalj N = Antal detaljer Denna ekvation har ställts upp i diagram för olika tillverkningsprocesser. Tyvärr fanns inte alla de processer som generats fram av PRIMA med utan fick inrikta oss på tre stycken: AM = Automatic machining CMC = Ceramic mold casting MM = Manual machining

12 Ur diagram på sidan 252 och 254 med N = 50: P c,am = 2000 P c,cmc = 200 P c,mm = 200 Beräkning av R c max, Koef., beroende av C mp Materialets lämplighet (relativ kostnad) C c Geometrisk komplexitet (A, B eller C) C s Minsta tjocklek på detalj C t Tolerans Ytfinish C f Framtagning av C mp Ur figur 3.7 på sidan 258 ges Cmp för respektive process med material = stål: C mp,am = 1.4 C mp,cmc = 1.2 C mp,mm = 1.4 Framtagning av C c Geometrisk indelning Cirkulärt tvärsnitt = A Rotationssymetrisk, bas = A1 Ur diagram på sidan 260 med kategori A1: C c = 1 Framtagning av C s En solid axel ger: C s = 1 Framtagning av C t Ur diagram 3.16 på sidan 266 med en tolerans på 0.01 mm och med 3 plan ger: C t,cmc = 2

13 Framtagning av C f Ur diagram 3.19 på sidan 269 med en ytfinhet på 0.5 μm och 3 plan ger: C f,cmc = 2 Materialkostnad Beräkning av C mt å / / Vilket ger C mt = Beräkning av V V f = Slutlig volym hos detalj W c = får av diagram 3.23 på sidan 273, wasteprodukt W c,am = 1.6 W c,cmc = 1.1 W c,mm = 1.6 V f = mm 3 V AM = mm 3 V CMC = mm 3 V MM = mm 3 M i,am = kr/detalj M i,cmc = kr/detalj M i,mm = kr/detalj Den tillverkningsprocess som skall väljas är Keramikformgjutning med en kostnad på 270 kr/detalj. Figur 7.3-4: Tillverkningskostnad Pris på elmotor (enl. leverantör): kr Pris på tryckluftcylinder (enl. leverantör): 5067 kr.

14 7.4 Kostnadsberäkning enligt DFA Eliminering 1. Rör sig komponenten i förhållande till alla tidigare monterade detaljer? 2. Måste komponenten vara av annat material eller isolerad från alla tidigare monterade detaljer? 3. Måste komponenten vara separat för att inte omöjliggöra montering eller demontering av övriga detaljer? Rygg: 1. Nej 2. Nej 3. Nej Tak: 1. Nej 2. Nej 3. Nej Sidoförstärkningar: 1. Nej 2. Nej 3. Nej Rörlig ram: 1. Ja Axel: 1. Ja, axel måste finnas Övre lager: 1. Ja, övre lager måste finnas. Undre lager: 1. Ja, undre lager måste finnas. Lufttryckscylinder 1. Ja, lufttryckscylindern är en rörlig detalj som utför en huvudfunktion. Motor: 1. Ja, motor utför en av huvudfunktionerna och krävs därmed. Skruvar till motor: 1. Nej 2. Nej 3. Ja Kraftöverföring mellan motor och axel (kugghjul): 1. Nej 2. Nej 3. Ja Krävs för överföring. Rygg, tak och Sidoförstärkningar sammanfogas till en enda del kallad fast ram. Med fast menas att det är den delen av ramen som sitter fast i stativet. Resten av komponenterna är redan väldigt uppdelade i sådana komponenter såsom motor, lager och tryckluftcylinder vilka är färdiga komponenter som köps in från underleverantörer enligt systemarkitekturen (steg7.1).

15 Materialval Materialval har gjorts med tanke på kostnader och bearbetbarhet, dock utan beräkningar. Fast ram: Stål Rörlig ram: Stål Axel: Stål Lager: Tillverkare Lufttryckscylinder: Tillverkare Motor: Tillverkare Skruvar till motor: 8.8 Kugghjul: - DFA-beräkning av axel Kvantitativ DFA enligt Swift och Booker. C ma är kostnaden för tillverkning av en detalj med tanke på operatörskostnader och C 1 = Kostnad per sekund Kostnad = Lön + Arbetsgivaravgift Räknar med en lön på 150 kr och en arbetsgivaravgift på 40 %. Vilket ger C 1 med 3600 s på en timma: / F = Passningsindex A F = Insättning = 1 P f1 = Enkelhet att fästa ovanifrån = 0 P f2 = Insättningsantal = 0 P f3 = Stabil = 0 P f4 = Synlig insättning = 0 P f5 = Inpassningsnoggrannhet = 0.3 P f6 = Kraft för montering = 0.4 P a = 1.5 H = Handlingsindex

16 A H = Bara en hand krävs för hantering = 1 P 01 = Lätt att se detaljer = 0.15 P 02 = Behövs ej = 0 P g = Flexibel = /

17 Bilaga 1 Detaljritningar Detaljritning axel Detaljritning fästpinne

18 Detaljritning axel- och lagerhus Detaljritning lagerlock

19 Detaljritning ram (stel del)

20 Detaljritning ram (rörlig del)