9. Особенности конструкции

Конструкция шпиндельного узла определяется типом и размером станка, требуемой точностью, параметрами обработки. Как правило, это шпиндель на двух опорах качения. Основные схемы расположения подшипников в опорах и рекомендации по их применению даны в работах [7, 11].

Конфигурация переднего конца шпинделя, предназначенного для крепления инструмента или заготовки, для большинства станков стандартизирована (см. прил. 6.1.). Конфигурация внутренних поверхностей определяется наличием отверстия для пруткового материала и конструкцией зажимного устройства, встраиваемого в шпиндель d _отв = (0,5÷0,7)d_min .

Крутящий момент от привода передается через зубчатые или ременные передачи; при этом желательно по возможности разгружать шпиндель от действия возникающих окружных и радиальных сил.

В качестве материалов для шпинделей используются качественные углеродистые и легированные стали (45,20Х, 40Х, 38ХМЮА и др.) с закалкой посадочных поверхностей до твердости не менее HRC_э=45.

Параметры подшипников качения, используемых в опорах шпинделя, приводятся в каталогах (например, [10]). Для широко применяемых для восприятия радиальных нагрузок в шпиндельных узлах двухрядных подшипников с короткими цилиндрическими роликами серии 3182100 они даны в прил. 6.2., а для воспринимающих осевые нагрузки шариковых упорно-радиальных с углом контакта 60˚ серии 178800 – в прил.6.3. Используют также конические роликоподшипники типов 2007100 и шариковые радиально-упорные серий 36100, 46100.

Конструкция передней опоры шпинделя многоцелевого станка с применением таких подшипников приведена в прил. 6.4. Примеры конструкции некоторых шпиндельных узлов даны в прил. 6.5…6.9.

9. Расчет жесткости

Одним из основных критериев работоспособности шпиндельного узла является жесткость по прогибу (или углу поворота), приведенная к зоне действия усилия резания. Типовая расчетная схема для определения радиальной податливости (величины, обратной жесткости) под действием силы резания P приведена на рис. 9.1. При этом шпиндель совместно с режущем инструментом представляют как балку переменного сечения, состоящую из четырех участков. Два участка длиной с₁ и с₂ с моментами инерции J₁ и J₂ соответствует размерам режущего инструмента (или заготовки). Их размеры согласуют с руководителем проекта. Участки длиной с₃ и l с моментами инерции J₃ и J₄ соответствуют размерам шпинделя. Жесткость опор А и В для наиболее распространенных типов подшипников дана в табл. 9.1.

Податливость δ_р под силой Р находим по формуле:

Таблица 9.1

РАДИАЛЬНАЯ ЖЕСТКОСТЬ ПОДШИПНИКОВ

Тип подшипника	Внутренний диаметр подшипника, мм
	70	80	90	100	110	120	130	140	150	160
	Жесткость подшипника, Н/мкм
Конический роликовый 2007100	500	600	700	820	930	1080	1220	1350	1500	1650
Радиально-упорный 46200	100	110	118	121	130	135	140	145	148	150
Радиальный роликовый двухрядный с коническим отверстием 3182000	640	760	900	1050	1200	1370	1550	1750	1950	2200

Здесь: размеры участков (D – наружный диаметр, d – внутренний диаметр)

с₁=60мм; D₁=50мм;

с₂=70мм; D₂=80мм;

с₃=80мм; D₃=125мм; d₃=60мм;

l=350мм; D₄=100мм; d₄=50мм;

с=с₁+с₂+с₃=210мм.

Момент инерции сечения участков:

J₁=0,05D₁⁴=0,05∙50⁴=31,25∙10⁴мм⁴;

J₂=0,05D₂⁴=0,05∙80⁴=205∙10⁴мм⁴;

J₃=0,05(D₃⁴-d₃⁴)=0,05(125⁴-60⁴)=1155∙10⁴мм⁴;

J₄=0,05(D₄⁴-d₄⁴)=0,05(100⁴-50⁴)=469∙10⁴мм⁴;

Е= 2,1∙10⁵Н/мм² – модуль упругости стали.

Податливость опор определяем по данным табл.9.1.

В передней опоре А подшипник 3182120; жесткость с_А=1050Н/мкм, податливость δ_А=1/с_А=1/1050=0,955∙10^-3мкм/Н=0,955∙10^-6мм/Н.

В задней опоре В подшипник 3182116 жесткость с_В=760Н/мкм, податливость δ_В=1/с_В=1/760=1,32∙10^-3мкм/Н=1,32∙10^-6мм/Н.

Величина радиальной жесткости

.

Значение жесткости на переднем конце шпинделя для ряда станков нормируется (некоторые данные приведены в [11]); при проектировании следует обеспечивать максимально возможную жесткость. Величина радиальной жесткости ниже 10Н/мкм вызывает проблемы при обработке лезвийным инструментом, связанные с потерей устойчивости процесса резания.

Величину жесткости можно также оценивать, исходя из требований к точности обработки. При этом смещение переднего конца шпинделя  под действием чистового усилия резания P_ч не должно превосходить 1/3 допуска на изделие _И.

В нашем случае (если принять P_ч = 500Н)

.

И для данных условий обработки обеспечивается точность

.

Для определения жесткости по углу поворота на переднем конце шпинделя следует использовать известные зависимости из сопротивления материалов. Для простых случаев подходят формулы из табл. 7.4. (угол θ_с под силой F₁).

Уточненные расчеты жесткости производят на ЭВМ с использованием прикладных программ (например, [8]).

9. 

Р асчет долговечности подшипников шпинделя

9.4.1. Определение усилий, действующих на шпиндель.

В общем случае на шпиндель действуют усилия, возникающие в процессе резания, а также усилия от расположенных на нем приводных элементов (зубчатых колес, шкивов).

Для нашего примера расчета усилия от приводных элементов воспринимаются отдельными опорами.

Величины усилий резания и расстояния до опор определяют в соответствии с расчетными нагрузками и согласуют с руководителем проекта. В соответствии с п. 6.2. расчетный момент на шпинделе М_Ш=444Нм при частоте вращения n^р_ш=189мин^-1.

Принимаем величину окружного усилия резания при черновом торцевом фрезеровании .

Для токарных станков P_z =2M_шп /D_заг, где D_заг =Н (Н – высота центров).

Для фрезерных станков D_фр =0,25B_ст; P_z =2M_шп /D_фр;

Радиальную Р_r и осевую Р_z составляющие усилия резания принимаем (с запасом)

Р_r=Р_z≈0,5 Р_t=0,5∙8880=4440Н.

9.4.2. Определение реакций опор.

Расчетная схема шпинделя в двух плоскостях действия приведена на рис. 9.2. Реакции в опорах определяем по известным зависимостям (уравнениям моментов).

В соответствии с пунктом 9.3. принимаем с=210мм, l=350мм.

Для плоскости окружной силы:

;

.

Проверка. .

Для плоскости радиальной и осевой силы:

;

.

П роверка. .

Суммарные реакции в радиальных опорах

;

.

Реакция в осевой опоре равна осевой силе Р_z; R₀ = P_z=4440Н.

9.4.3. Расчет долговечности подшипников.

Производится по стандартным общемашиностроительным методикам, изложенным в справочниках (например, [10]).

Произведем расчет только для передней радиальной опоры А; R_A=15600Н. В опоре установлен один подшипник с короткими цилиндрическими роликами 3182120. Его динамическая грузоподъемность по каталогу (см. также прил.6.2.) с=160000Н.

Эквивалентная нагрузке на подшипник [10]

P=(XVF_r+YF_A)K_δK_T=(1∙1∙15600+0∙0)∙1,2∙1=18700Н.

Здесь Х=1, Y=0 – коэффициенты радиальной и осевой нагрузки для данного типа подшипников.

F_r=R_A=15600Н – радиальная нагрузка;

F_A=0 – осевая нагрузка (т.к. данный тип подшипников воспринимает только радиальные нагрузки);

V=1 – коэффициент вращения при вращении внутреннего кольца подшипника;

К_δ=1,2 – коэффициент безопасности для приводов станков;

К_Т=1,0 – температурный коэффициент.

Параметр

Расчетная частота вращения: n^P_ш=189мин^-1.

Используя вспомогательные таблицы для роликоподшипников [10] по значениям С/Р и n определяем фактическую долговечность

L_h≥100000час,

что удовлетворительно.

Обычно требуемая долговечность составляет L_h=10000…20000час.