ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

КНИТУ КАИ

Кафедра «КТМП»

Учебное пособие

по курсу: «Металлорежущие станки»

Доцент Ведерников Ю.А.

2013 г.

1. Шпиндельные узлы, характеристики шпиндельных узлов. Разновидности конструкций

Шпиндель, являющийся конечным звеном привода глав­ного движения и предназначенный для крепления инструмента или заготовки, оказывает существенное, часто лимитирующее, влияние на точность, производительность и надежность всего станка. Шпин­дельные узлы станков в соответствии с предъявляемыми к ним тре­бованиями должны обеспечить следующее.

1. Передачу на заготовку или инструмент расчетных режимов для заданных технологических операций.

2. Точность вращения, оцениваемую радиальным и осевым бие­нием переднего конца шпинделя; для станков общего назначения в за­висимости от класса точности станка должна соответствовать стан­дартным значениям; для специальных станков точность вращения зависит от требуемой точности обработки:

∆ < ∆д/3, (1.1)

где ∆— биение шпинделя; ∆_д — допуск на лимитирующий размер готового изделия.

3. Жесткость (радиальная и осевая), определяемая по деформа­ции шпинделя под нагрузкой; при этом жесткость на переднем конце шпинделя, Н/мкм,

(1.2)

где F — сила, приложенная на переднем конце шпинделя, Н; у — прогиб переднего конца шпинделя, мкм.

Деформация шпиндельных узлов в общем балансе упругих пере­мещений станков доходит до 50 %,а в некоторых типах до 85 %. Единых норм для назначения жесткости шпиндельных узлов не су­ществует. Исходя из нормальной работы подшипников, жесткость на участке между опорами ограничивают величиной 250—500 Н/мкм (большие значения — для станков повышенной точности), что лими­тирует диаметр шпинделя

(1.3)

где l — расстояние между опорами шпинделя.

Иногда ограничивают приведенной величиной жесткость перед­него конца шпинделя станков нормального класса точности.

Возможно также определение жесткости шпинделя, исходя из тре­бований к точности обработки. При этом определяют прогиб у от сил резания и момента привода при соответствующих режимах обработ­ки; он ограничивается допуском на лимитирующий размер детали:

y≤∆_Д/3 (1.4)

Высокие динамические качества (виброустойчивость), которые определяются амплитудой колебаний переднего конца шпинделя и частотой собственных колебаний. Вибрации, возникающие в шпин­дельном узле, отрицательно сказываются на точности и чистоте об­работки, стойкости инструмента и производительности станка Же­лательно, чтобы собственная частота шпинделя была не ниже 500— 600 Гц.

4. Минимальные тепловыделения и температурные деформации шпиндельного узла, так как они влияют как на точность обработки, так и на работоспособность опор. Тепловыделения регламентируются допустимым нагревом подшипников. Норма нагревания установлена только для станков класса Н (допустимый нагрев на наружном кольце подшипника составляет 70 °С), для станков других классов имеются лишь следующие рекомендации:

Табл. 1

6.Долговечность шпиндельных узлов, которая зависит от долговечности опор шпинделя, которая в свою очередь во многом зависит от эффективности системы смазывания, уплотнений, частоты враще-­ ния, величины предварительного натяга в подшипниках качения и т. д. Долговечность шпиндельных узлов не регламентирована, ее определяют по усталости, износу деталей подшипника или потере смазочных свойств масла. Диаметр шейки шпинделя выбирают по критерию жесткости, что обычно обеспечивает долговечность подшип­ников до L_h = (12 - 20)*10³ ч. При применении бесконтактных опор (гидростатических, гидродинамических и аэростатических) долго­вечность теоретически считают неограниченной.

7. Быстрое и точное закрепление инструмента или обрабатывае­мой детали в шпинделе станка; в современных станках требуется ав­томатизация этой операции.

8. Минимальные затраты на изготовление, сборку и эксплуата­цию шпиндельного узла при удовлетворении всех остальных требова­ний.

Шпиндельные узлы предназначены для осуществления точного вращения инструмента или заготовки и в значительной степени определяют качество обработки,

Критериями работоспособности являются точность, быстроходность, нагрузочная способность, статическая жесткость, динамические характеристики, энергетические потери, нагрев опор, статические, динамические и температурные смещения переднего конца шпинделя, ресурс работы.

Точность характеризуется радиальным, осевым и торцевым биением шпинделя и для средних станков составляет 5—8 мкм. Подшипники выбираются примерно в три раза точнее, чем допустимое биение. Наиболее точные станки имеют биение 0,1— 0,02 мкм.

Быстроходность. В настоящее время скорость резания заготовок из стали и чугуна достигает 1600—2500 м/мин, алюминия – 3000 - 4000 м/мин, а пластиков – 3000 - 10000 м/мин. Скорость шлифования выросла до 100 м/с и более. Быстроходность оценивается по параметру n ∙ d мм/мин, где d — диаметр под шейку переднего подшипника (мм), a n-- частота вращения (1/мин).

Для различных экспериментальных опор этот показатель (при специальных мерах) имеет величину:

- для шпинделей на подшипниках качения — 2—2,5 · 10⁶,

- на гидростатических опорах — 1,5—1,8 · 10⁶,

- на аэростатических подшипниках — 2,5—3 · 10⁶ (ограничена потерей устойчивости из-за полускоростного вихря),

- на электромагнитных опорах — 6 · 10⁶ (ограничена механической прочностью материала шпинделя, разрушающегося от центробежных сил).

Рабочие параметры обычно ниже приведенных здесь в 1,5—2 раза.

Нагрузочная способность определяет передаваемый крутящий момент или мощность привода Р. Для токарных и фрезерных станков P/d ≈ 0,2—0,35 квт/мм. Для электрошпинделей на опорах качения, гидростатических и аэростатических этот показатель составляет соответственно P/d = 0,75; 0,3—0,8; 0,4.

Статическая жесткость. Необходимо стремиться к максимально возможной жесткости, исходя из особенностей конструкции. Баланс упругих перемещений конца шпинделя токарных станков на подшипниках качения составляет:

• деформация передней и задней опор 40—50% и 2—3% соответственно;

• деформация консольной части шпинделя 15—20%;

• деформация межопорного участка 30—40%.

На долю упругих перемещений устройств крепления инструмента или детали приходится 30—50% общей деформации. Например, на токарном станке с диаметром шпинделя d = 110 мм деформация распределялась следующим образом: шпиндель ― 16%, опора — 28%, кулачковый патрон — 36%. Деформация шпиндельного узла многоцелевого станка с диаметром шпинделя 80 мм распределялась: деформация шпинделя с опорами ― 37%, деформация оправки — 11%, деформация конического соединения шпинделя с оправкой — 52%.

Достигнутая статическая жесткость составляет (4—5)d Ньютон/микрометр, где d ― в мм. Статическая жесткость сильно зависит от диаметра d шпинделя (в четвертой степени), консоли конца шпинделя α (в третьей степени) и мало зависит от расстояния b между опорами, причем увеличение b сверх оптимальной величины лучше, чем его уменьшение. Назначение размеров шпинделя (диаметров, переднего конца) производится с учетом силовых и скоростных характеристик станка. Статистические данные позволяют практически однозначно связать размеры переднего конца с основным размером станка. Принятые соотношения диаметра шпинделя и основного размера станка приведены ниже.

Табл.. 2