Лабораторная работа 1 Определение прогиба передней части шпинделя

Работоспособность станков в значительной мере определяется точностью вращения шпинделей, статической и динамической жесткостью шпиндельного узла, предельно допустимыми числами оборотов, нагревом, несущей способностью и долговечностью подшипников. Лишь немногие из перечисленных параметров работоспособности в настоящее время нормируются.

Требования к точности вращения шпинделей станков регламентируются стандартами по следующим параметрам: радиальное биение центрирующей шейки шпинделя, радиальное биение конического отверстия шпинделя, радиальное биение оправки, установленной в коническом отверстии шпинделя (у торца шпинделя и на заданном расстоянии от торца шпинделя), осевое биение шпинделя, торцевое биение опорного бурта шпинделя. С точностью вращения шпинделя связаны некоторые технологические проверки, предусмотренные ГОСТами, в первую очередь, некруглость формы, отсутствие овальности.

Исходя из этих условий рекомендуется обеспечивать жесткость на участке между опорами в пределах 250...500 Н/мкм (меньшие значения для станков нормальной, большие - для станков повышенной точности).

При условии приложения усилия посредине пролета жесткость межопорной части, Н/мкм:

(1.1)

где D_H , D_в - усредненное значение соответственно внешнего и внутреннего диаметра шпинделя на участке между опорами, мм; = 0...0.6; l - расстояние между средними сечениями подшипников шпинделя, мм.

Искомый диаметр шпинделя, мм:

(1.2)

Для нормальной работы гидростатических опор целесообразно ограничить деформации шпинделя величинами углов поворота в опорах (перекос не должен превышать 1/3 зазора в подшипниках). Это условие имеет вид:

рад, (1.3)

что отвечает ограничению прогиба посредине пролета

(1.4)

При этом диаметр шпинделя, мм:

, (1.5)

где - равнодействующая окружного и радиального усилий в зацеплении шпиндельной зубчатой пары, условно приложенная посредине пролета, Н.

Полученное значение D_H используют для эскизной прорисовки первоначального варианта конструкции шпиндельного узла. При этом вылет шпинделя приблизительно равен с = (1...2,1) D_H.

Для обеспечения точности вращения шпинделя рекомендуется проводить проверочную оценку упругих деформаций рабочего конца шпинделя вследствие собственной податливости. При этом допускают, что шпиндель представляет собой балку с консолью на двух шарнирных опорах. Вид расчетной схемы зависит от типа опор. Для соответствующей схемы опреде­ляют характеристики жесткости, которые сравнивают с допустимыми:

и , (1.6)

где y - деформация рабочего конца шпинделя под действием расчетных усилий; - угол поворота оси шпинделя в передней опоре. Допустимые значения этих величин

или [y] (0,001…0,0002)l ; 0,001 рад, (1.7)

где δ - допуск на биение переднего конца шпинделя согласно стандарту или техническому заданию на проектирование.

Для расчета прогиба шпинделя можно воспользоваться программой определения упругих деформаций переднего конца шпинделя "Расчет прогиба". После ввода исходных данных (табл. 1.1) и определения момента инерции сечения шпинделя программа предусматривает расчет максимального значения равнодействующей Р1 составляющих силы резания и проекции P2 равнодействующей усилий в шпиндельной зубчатой паре (с углом зацепления 20°) на плоскость действия усилия P1. В зависимости от выбранной расчетной схемы определяются дополнительные силовые факторы, оказывающие воздействие на данную систему, в частности на момент защемления передней опоры. В результате расчета на печать выводятся значения реакций в передней FR1 и задней FR2 опорах, прогибов рабочего конца шпинделя Y, углов поворота балки в передней опоре TETA (табл. 1.2). Жесткость шпиндельного узла, его виброустойчивость и точность вращения зависят не только от конструкции шпинделя, но и от типа его опор. Функции опор шпинделей выполняют подшипники качения и подшипники скольжения с жидкостным трением. Подшипники качения имеют ряд эксплуатационных преимуществ, в частности,- большую долговечность при переменных условиях работы. В то же время при высоких требованиях к точности вращения и виброустойчивости и при постоянстве режимов эксплуатации в шпиндельных узлах станков с успехом используют подшипники скольжения.

Тип опор шпинделя выбирают из условия необходимости обеспечения заданной точности обработки и быстроходности узла, определяемой скоростным параметром d п , мм· , где d - диаметр отверстия под подшипник, мм; п - частота вращения шпинделя, (табл. 1.3).

Таблица 1.1. Исходные данные, необходимые для расчета прогиба шпинделя

Расчетная схема

Номер схемы NSY

PZ

PY

PO

DM

DOT

DK

EPR

GM

A

B

C

S

Н

Н

Н

мм

мм

мм

Н/мм2

рад

мм

мм

мм

мм

1

Составляющих усилий

Резания

Окружное усилие

Диаметр конца шпинделя

Диаметр отверстия шпинделя

Диаметр шпинделя между опорами

Модуль упругости материала шпинделя

Угол между усилием резания и окружным усилием

2

3

4

5

Таблица 1.2. Результаты расчета

Идентификатор	Единица	Наименование велечины
FR1 , FR2	H	Реакция в передней и задней опорах
Y	мм	Прогиб рабочего конца шпинделя
TETA	рад	Угол поворота шпинделя в передней опоре

Таблица 1.3. Определение параметра быстроходности в зависимости от типа опор

Тип опор	Радиальное и осевое биение, мкм	Отклонение от скруглости обработаного изделия ,мкм	Скоростной параметр dn,мм·мин
Качения	1	1	0…10
Гидродинамические	0,5	0,5	1…10
Гидростатические	0,05	0,2	0…15
Аэростатические	0,1	0,5	5…40