Расчет и конструирование многоскоростных станочных приводов

Рис. 30. Схемы биения шпинделей

трирующей шейки шпинделя при условии, что векторы биений лежат в одной плоскости (рис. 30), выражается формулой

ãäå 1 — радиальное биение переднего подшипника, мм; 2 — радиальное биение заднего подшипника, мм; à — расстояние от передней опоры до плоскости измерения, мм; l — расстояние между опорами шпинделя, мм; q1 — число подшипников в передней опоре; q2 — число подшипников в задней опоре.

Знак плюс соответствует схеме рис. 30, à, знак минус — схеме рис. 30, á. В практике проектирования используются следующие рекомендации: жесткость двухопорного шпинделя должна быть не менее 25 даН/мкм у токарных станков, автоматов и других станков нормальной точности. Для станков высокой точности жесткость шпинделя должна быть не менее 50 даН/мкм.

Приближенно величина жесткости вычисляется по формуле

j 53 D 4 d 4 äàÍ/ìêì, l3

ãäå D — средний диаметр шпинделя в пролете между опорами, мм; d — средний диаметр отверстия шпинделя, мм; l — расстояние между средними сечениями подшипников шпинделя, мм.

Для закрепления приспособления или инструментов на переднем конце шпинделя выполняют специальные фланцы, наружные и внутренние конусы. Размеры этих элементов стандартизованы.

61

Конструкции концов шпинделей токарных, фрезерных, сверлильных и расточных станков и их исполнительные размеры приведены в таблицах прил. 4. Назначение размеров переднего конца шпинделя производится с учетом силовых и скоростных характеристик станка [4]. Связь этих размеров с основным размером станка приведена в табл. 9.

Ò à á ë è ö à 9

Размеры переднего конца шпинделя

Токарные станки

В качестве шпиндельных опор широко используют подшипники качения. Основными критериями работоспособности подшипников, применяемых в шпиндельных узлах станков, являются точ- ность изготовления, радиальная и осевая жесткость, несущая способность, быстроходность, чувствительность к погрешностям монтажа. При выборе подшипника в качестве опоры шпиндельного узла следует учитывать также его габариты, трудоемкость изготовления сопряженных с ним деталей, сложность сборки и регулирования опор.

Конструкции шпиндельных узлов станков весьма разнообразны. Шпиндели выполняют двухопорными и трехопорными. Жесткость двухопорных конструкций немногим ниже жесткости трехопорных. Применение третьей опоры во многих случаях вызвано значительной длиной коробки скоростей, стремлением увеличить демпфирование в шпиндельном узле. Однако применение трехопорных шпинделей связано с существенными технологическими трудностями.

Среди большого количества конструктивных вариантов шпиндельных узлов профессор Д. Н. Решетов выделил ряд основных типов (табл. 10), имеющих наибольшее распространение.

62

Показатели работоспособности шпиндельных узлов, приведенных в табл. 10, выражены относительными величинами. За единицу приняты показатели работоспособности шпиндельного узла первого типа.

Из табл. 10 видно, что ни один из вариантов не является оптимальным по всем показателям. Поэтому разграничивают области эффективного применения различных конструктивных вариантов.

Для шпиндельных узлов легких высокоскоростных токарных

èфрезерных станков рекомендуются опоры по первой схеме. Шпиндельные узлы такого типа имеют удовлетворительные характеристики по всем показателям, за исключением осевой жесткости

èтепловыделения в передней опоре.

Перенос радиально-упорных подшипников в заднюю опору (вторая схема) упрощает конструкцию и обеспечивает снижение тепловыделения в опорах, однако при этом резко возрастает температурное смещение торца шпинделя, что в ряде случаев для высокоточных станков недопустимо.

Для шпиндельных узлов токарных и фрезерных станков средних размеров рекомендуются опоры по третьей схеме. Эта конструкция обладает необходимыми радиальной и осевой жесткостями, точностью вращения. Однако значительное тепловыделение в передней опоре и воздействие гироскопического и центробежного эффектов на работу упорных шарикоподшипников существенно ограничивает верхний предел частот вращения. Высокая осевая жесткость опор делает данную конструкцию особенно подходящей для фрезерных станков, а также для низкооборотных опор столов карусельных станков.

Перенос упорных подшипников в заднюю опору высокоточ- ных токарных и фрезерных станков нецелесообразен из-за резкого увеличения температурных смещений базового торца шпинделя. Размещение упорного подшипника перед радиальным (четвертая схема) приводит к снижению радиальной жесткости и динамиче- ской устойчивости станка. Такая конструкция предпочтительна для точной обработки торцов изделий.

Шпиндельные узлы пятой схемы экономичны. Достаточно высокие радиальная и осевая жесткости обеспечиваются тремя подшипниками. Однако эта конструкция имеет значительное темпера-

64

турное смещение торца шпинделя. Кроме того, радиальная жесткость такого узла ниже, чем радиальная жесткость шпиндельного узла по третьей схеме. Шпиндельные узлы по пятой схеме используют для станков нормальной точности при невысоких частотах вращения и узком диапазоне изменения частот.

Применение радиально-упорных подшипников в передней опоре (восьмая схема) связано со снижением несущей способности

èжесткости узла и поэтому целесообразно главным образом в легко нагруженных быстроходных шпиндельных узлах алмазно-рас- точных станков, легких токарных автоматов и т. п.

При использовании конических роликоподшипников (шестая

èседьмая схемы) по всем показателям, кроме нагрева и предельной быстроходности, обеспечивается высокая работоспособность шпиндельного узла. Особым преимуществом опор этого типа является то, что подшипники передней опоры одновременно воспринимают радиальную и осевую нагрузки. Этим устраняется одно из главных конструктивных затруднений при проектировании шпиндельных узлов — необходимость размещать в передней опоре и радиальные, и упорные подшипники.

При равной точности подшипников области применения первой, второй, шестой и седьмой конструктивных схем в значительной степени совпадают. В практике отечественного станкостроения наибольшее распространение получили шпиндельные узлы, выполненные по первой, второй и третьей схемам.

Рассмотрим несколько типичных конструкций передних опор шпинделей и их элементы.

Подшипники типа 3182000 рекомендуется базировать не только по конической поверхности внутреннего кольца, но и по одному из торцов. Торцовое базирование может быть выполнено:

1)прижимом внутреннего кольца подшипника в торец дистанционного кольца 6, упирающегося в бурт шпинделя (рис. 31). Так делают в точных шпиндельных узлах;

2)установкой между торцами регулировочной гайки и внутреннего кольца подшипника длинной втулки (длиной не менее диаметра) с посадкой на шпиндель H6/js5 (нижняя половина рис. 31).

Если по конструктивным соображениям невозможно поставить достаточно длинную втулку, то следует применять короткую втул-

65

ку, но при этом к точности изготовления резьбы гайки и втулки предъявляются повышенные требования, и в процессе сборки должен быть обеспечен контроль перпендикулярности к оси шпинделя торца внутреннего кольца подшипника. В таких условиях выбирается посадка втулки Н6/h5.

Для облегчения монтажа упорные дистанционные кольца часто делают составными (из двух половин) и заключают их в охватывающую деталь.

Рис. 31. Варианты конструкций передней опоры шпинделя

В конструкции, показанной на рис. 31 (верхняя половина), осевой зазор упорных подшипников регулируется подбором прокладок, размещенных между торцом крышки 5 и корпусом. Между радиальным подшипником и его регулировочной гайкой 1 располагаются две короткие втулки, центрирующие упорные подшипники. Дистанционное кольцо 6 выполнено из двух частей, удерживаемых гайкой 7. Отверстие в корпусе 3 не имеет уступов и ступенек, что существенно облегчает его точную обработку. Опорой для упорных

66

подшипников служат торцы двух полуколец 4, закладываемых в отверстие корпуса и удерживаемых втулкой 2. Радиальный зазор регулируют гайками 1 è 7.

Конструкция, показанная на рис. 31 (нижняя половина), позволяет регулировать осевой зазор в упорных подшипниках гайкой 8, не нарушая регулировку радиального подшипника. Наличие длинной втулки между радиальным подшипником и его регулировочной гайкой обеспечивает хорошее направление подшипника даже при отсутствии упорного дистанционного кольца.

Для увеличения быстроходности шпинделей и предупреждения преждевременного выхода подшипников из строя при работе на высоких частотах вращения во многих случаях осуществляют предварительный натяг подшипников пружинами.

Рис. 32. Передняя опора с двухрядным роликовым

èдвумя радиально-упорными шарикоподшипниками

Âконструкции на рис. 32 осевая нагрузка воспринимается ра- диально-упорными подшипниками, которые монтируются с предварительным осевым натягом, создаваемым разностью толщин b

èb1 дистанционных колец. Быстроходность этих подшипников зна-

67

чительно выше, чем упорных подшипников. Для их разгрузки от радиальных усилий диаметр шейки шпинделя должен быть меньше (примерно на 0,2 мм) внутреннего диаметра подшипников.

Если осевое усилие воспринимается упорными или радиаль- но-упорными подшипниками, расположенными в задней опоре, то в передней опоре остается только подшипник типа 3182000. Его регулирование и фиксация колец не отличаются от показанных на рис. 31. В шпиндельных узлах, где требования к точности вращения шпинделя невысоки, допустима фиксация наружного кольца подшипника с помощью пружинных эксцентрических колец.

В конструкциях задней опоры (рис. 33) осевые усилия в основном направлении воспринимаются упорным шариковым подшипником типа 8000. Радиальные усилия и осевые, действующие в обратном направлении, воспринимаются радиально-упорным шариковым подшипником типа 36000 (рис. 33, à), однорядным радиальным шариковым подшипником (рис. 33, á) или коническим роликовым подшипником типа 7000 (рис. 33, â). Регулирование зазоров в упорном и совместно с ним установленном подшипнике производится гайкой. Установка конического роликового подшипника требует весьма точной соосности гнезд передней и задней опор шпинделя. Применение шариковых подшипников до некоторой степени компенсирует перекосы в опорах и обеспечивает более «мягкую» работу шпинделя. С этой же целью в задних опорах шпинделей быстроходных станков применяют сдвоенные радиаль- но-упорные шариковые подшипники.

Регулировочные гайки на шпинделе должны быть предохранены от самоотвинчивания. Рекомендуемые способы фиксации гаек показаны на рис. 34. В случаях, когда к допустимой величине биения торцов гаек предъявляются жесткие требования, применяют

Рис. 33. Конструкции задней опоры шпинделя

68

Рис. 34. Способы фиксации регулировочных гаек

стопорящие устройства, не влияющие на точность расположения торца гайки (варианты à, á, â).

Если биение торца гайки не влияет на точность базирования кольца подшипника, то применяют стопорение гаек по схемам ã, ä, å (ðèñ. 34).

5.7.Выбор класса точности подшипников

èдопусков посадочных размеров

Точность вращения шпинделя зависит от многих факторов и, в частности, от точности подшипников и сопрягаемых с ними деталей. Рекомендации по выбору классов точности подшипников для шпиндельных узлов металлорежущих станков различного назначения приведены в табл. 11.

Ò à á ë è ö à 1 1

Классы точности подшипников качения для шпиндельных узлов станков

69

Î ê î í ÷ à í è å ò à á ë . 1 1

Поля допусков для подшипниковых шеек шпинделя и отвер-

Ò à á ë è ö à 1 3

Рекомендуемые поля допусков отверстий корпуса под шпиндельные подшипники

70