А) вариант со шпиндельной бабкой, б) вариант с мотор-редуктором

Передаточное отношение каждого из диапазонов привода i_н и i_в равно произведению соответствующих передаточных отношений i_{н кс} и редуктора i_{в кс} (коробки скоростей) и ременной передачи i_рп

i_н = i_{н кс} i_рп и i_в = i_{в кс} i_рп.

6 Расчет двухдиапазонного привода

1 Выбрать двигатель из таблицы 1, ориентируясь на номинальную мощность Р_{ном лв} для станков серии:

– легкой – в пределах 11,0 – 20 кВт;

– средней – в пределах 22,0 – 40 кВт, включительно;

– тяжелой – свыше 40 кВт.

Для станков легкой серии по мощности подходят двигатели 131-NF, 133-ND, 133-NF, 133-NG, 135-NF, 137-ND, 137-NG, 163-NB, 167-NB.

Для станков средней серии по мощности подходят двигатели 137-NF. 163-ND, 163-NF, 163-NG. 167-ND, 167-NF, 184-ND, 184-NE, 186-NT.

Для станков тяжелой серии по мощности подходят двигатели 167-NG, 184-NF, 184-NL, 186-ND, 186-NE, 224-NC, 224-ND, 224-NF.

2 Построить график силовой характеристики двигателя по типу рисунка 1, нанеся на него линии мощности и вращающего момента. Вращающий момент для каждой точки подсчитать по формуле T_i = .

3 Назначить, руководствуясь данным таблицы 3, максимальную частоту вращения шпинделя на высшем диапазоне n_maxпр2. (максимальную частоту вращения главного привода станка).

Таблица 3 – Выбор максимальной частоты вращения главного привода, об/мин

Серия станка	Высота центров, мм
	160	200	315	400	630	800
легкая	5000	4000	3000	2000	1600	1250
средняя	4000	3000	2000	1600	1250	800
тяжелая	3000	2000	1600	1250	800	630

Для поддержания требуемой скорости резания требуется увеличение частоты вращения шпинделя при уменьшении диаметра обработки.

Большие частоты вращения необходимы также для создания больших скоростей резания при обработке легких сплавов и чугуна резцами из композитов.

Большие частоты вращения вызывают необходимость использования скоростных шпиндельных подшипников, диаметр которых тем меньше, чем больше скорость вращения. Но, одновременно, снижается несущая способность опор. Этот пункт показывает противоречивость между требованиями скоростной характеристики и несущей способности подшипниковых опор качения.

4 Проверить возможность не использовать в приводе третий участок силовой характеристики двигателя. Для этого рассчитать передаточное отношение ременной передачи i_рп = .

Для большинства двигателей получится значение i_рп ≥ 1, что свидетельствует о возможности продолжить расчет.

Для двигателей, у которых получится значение i_рп ≤ 1 можно принять для главного привода станка максимальную частоту вращения n_{max ст} не равной n_1-s1дв, а большей, равной частоте из третьего участка его силовой характеристики.

5. Принять передаточные отношения в коробке скоростей i_{в кс} = 1 и i_{н кс} = 3,5 - 4. Именно такие передаточные отношения наиболее благоприятны из технологических соображений для создания двухскоростного редуктора с двумя валами.

6. Получается i_в = i_рп и i_н = (3,5 – 4) i_рп.

7. Значения частот вращения в характерных точках:

в точке Е n_Е = n_maxпр2 = n_{max ст} / i_рп, в точке D n_D = n_1-s1дв / i_рп,

в точке В n_В = n_{max ст} / (3,5 – 4) i_рп, в точке А n_А = n_1-s1дв /(3,5 - 4) i_рп.

5. Проверить отсутствие или наличие «провала» мощности, сравнив частоту вращения в точках В и D. При n_D ≤ n_В возникает «провал».

6. Построить график силовой характеристики (мощности) привода по типу рисунка 2. Принять кпд верхнего диапазона привода равным 0,94 и нижнего диапазона 0,9. Для характеристики двигателя (линия 3) принять данные таблицы 1. Для характеристики верхнего диапазона (линия 2) мощность двигателя умножить на 0,94, а каждую частоту вращения двигателя разделить на i_в = i_рп. Для характеристики нижнего диапазона (линия 1) мощность двигателя умножить на 0,9, а каждую частоту вращения двигателя разделить на i_в = 4 i_рп.

7. Допустить «провал» можно, если мощность в точке С меньше мощности в точке В не более, чем на 15%.

8. Устранить «провал» можно уменьшением передаточного отношения низшего диапазона коробки скоростей до значения, равного отношению n_1-s1дв к n_ном.дв.

9. Расчеты предельной глубины резания для обоих диапазонов привода выполним на конкретном примере проектирования регулируемого главного привода токарного станка с ЧПУ средней серии с высотой центров 315 мм. Максимальная частота вращения шпинделя n_{max пр} = 2000 об/мин из таблицы 3.

Выберем из таблицы 1 двигатель 163-NF с мощностью двигателя Р = 30 кВт, номинальной частотой 1500 об/мин, n_{1-s1 дв} = 5400 об/мин, n_{макс дв} = 6500 об/мин. Примем решение не использовать третий участок силовой характеристики двигателя, ограничив его максимальную скорость вращения частотой 5400 об/мин, совпадающей с частотой n_{1-s1 дв.}

В варианте конструкции а) главного привода со шпиндельной бабкой передаточное отношение ременной передачи i_рп =

Номинальная частота привода на высшем диапазоне n_ном.пр2 = 556 об/мин.

На шпинделе станка при работе на высшем диапазоне на участке 556 – 2000 об/мин номинальная мощность на шпинделе P₂ = 0,94·30 равна произведению мощности двигателя на кпд высшего диапазона. На участке от 0 до 556 об/мин мощность на шпинделе возрастает по линейному закону от нуля до значения P₂.

Условием отсутствия «провалов» мощности будет передаточное отношение коробки скоростей, равное i_н.кс = = = 3,6.

Передаточное отношение низшего диапазона нужно принять 3,6·2,7 = 9,72.

Максимальная частота вращения шпинделя на низшем диапазоне равна 556 об/мин.

Номинальная частота на низшем диапазоне равна = 154 об/мин.

На шпинделе станка при работе на низшем диапазоне на участке 154 – 556 об/мин мощность на шпинделе P₁ = 0,9·30 равна произведению мощности двигателя на кпд низшего диапазона. На участке от 0 до 154 об/мин мощность на шпинделе возрастает по линейному закону от нуля до значения P₁.

В таблице 2 приведены результаты расчета по формуле n = (об/мин) частоты n вращения шпинделя токарных станков в зависимости от скорости резания v в диапазоне от 20 до 315 м/мин для обработки диаметров заготовки D от 31,5 до 1600 мм.

В таблице нанесены три ступенчатые линии. Левая (верхняя) линия отделила участок переменной мощности низшего диапазона при частоте вращения шпинделя менее 154 об/мин. Под этой линией располагается участок от 154 до 556 об/мин постоянной мощности на низшем диапазоне. От 0 до 556 об/мин шпиндель работает на низшем диапазоне.

Средняя линия разделила работу шпинделя на обоих диапазонах. От 0 до 556 об/мин на высшем диапазоне шпиндель работает с переменной мощностью. От 556 до 2000 об/мин на высшем диапазоне мощность постоянна, общая область работы на высшем диапазоне от 0 до 2000 об/мин позволяет в ряде случаев работать на одном диапазоне без переключений.

Третья правая (нижняя) линия ограничила верхний предел частот работы станка, станок работает на частотах правее этой линии.

Нанесите таблице 2 свои участки работы с переменной и постоянной мощностью для обоих диапазонов частот.

При расчете предельной глубины резания подача на оборот шпинделя принята равной 1 мм/об.

В таблице 4 выполняются расчеты коэффициентов k₁ и k₂ для различных марок стали, чугуна и легких сплавов. Для перевода таблицы в режим MS Excel щелкните по ней двумя кликами. В ячейки, окрашенные бирюзовым цветом, вносите свои данные, в желтых ячейках компьютер выполняет расчет.

В таблице 5 выполняется расчет предельной глубины резания для низшего диапазона по формуле t_пр = . На частотах, меньших номинальной, влево и вверх от разделительной черты Р_{шп =} , t_пр = , на частотах, больших номинальной – внизу от разделительной черты t_пр = (4),

где k и k2 берутся их таблицы 4;

m = 0,85;

y = 0,75;

η = 0,9 – коэффициент полезного действия низшего диапазона.

В таблице 5 приведен расчет частот вращения шпинделя для станка с высотой центров 315 мм с нанесением разделительных линий.