2733

3. Введение дополнительного ведущего элемента в кинематической паре шестерни с возможностью принудительного углового смещения относительно основной ведущей шестерни или червяка с возможностью осевого перемещения (нагружения). Устройства с закреплением после регулировки используются при больших нагрузках и при невысоких требованиях к точности. Предельные скорости вращения валов, шестерен, червяков и ходовых винтов ограничиваются допускаемым тепловыделением, вибрацией и шумом. Характеристики основных выходных звеньев приводов подачи приведены в табл. 2.

Таблица 2 Характеристики основных выходных звеньев

приводов подачи

91

92

Продолжение табл. 2

5. ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ

Одной из наиболее ответственных деталей станка, определяющей точность обработки, является шпиндель. Поэтому к шпинделю предъявляют следующие требования: достаточная жесткость, точность движения, износостойкость трущихся поверхностей, виброустойчивость и др. Эти требования обеспечиваются соответствующим выбором материала и его термообработки, конструкцией, размерами и компоновкой шпинделя, качеством изготовления, сборки и регулировки.

Средненагруженные шпиндели изготовляют обычно из стали 45 с улучшением (закалка и высокий отпуск). При повышении силовых нагрузок применяют сталь 45 с низким отпуском. Для шпинделей, требующих высокой поверхностной

93

твердости и вязкой сердцевины, применяют сталь 45 с закалкой ТВЧ и низким отпуском. При повышенных требованиях применяют сталь 40Х, 38ХМЮА, 38ХВФЮА (шпиндели быстроходных станков), 20Х с цементацией, закалкой и отпуском, 12ХНЗ (быстроходные и тяжело нагруженные шпиндели) и другие малолегированные стали. Сталь 65Г применяют для крупных шпинделей.

Конструкция шпинделя и его размеры определяются количеством опор и их креплением, конструкцией регулирования радиального и осевого положений шпинделя, видом привода, типом и размерами подшипников. Поскольку трудоемкость изготовления шпинделя высока, необходимо стремиться к возможно более простой его форме.

Тип передачи на шпиндель в основном зависит от требуемой частоты его вращения и передаваемой силы (момента). Передачу вращения зубчатыми колесами применяют обычно для частот вращения до 50 об/с, ременный привод — для частот вращения до 100...120 об/с. Для высокоскоростных приводов применяют электрошпиндели с короткозамкнутым ротором, которые обеспечивают частоту вращения до 2000...3000 об/с.

Компоновка шпиндельного узла связана с компоновкой в целом всего станка и должна осуществляться таким образом, чтобы вибрации и динамические нагрузки, возникающие от привода и других смежных систем, были минимальными. С этой целью в прецизионных станках шпиндель выделяется в самостоятельный конструктивный узел.

Пример конструктивного оформления шпиндельного узла (шпиндель внутришлифовального станка) показан на рис. 19. Внутренние кольца всех семи радиальных шарикоподшипников закреплены на шпинделе в осевом направлении гайками 1 и 6, фланцы которых служат одновременно разбрызгивающими кольцами. В каждой опоре внутренние кольца разделены узкими втулками. Наружные кольца всех трех подшипников задней опоры в осевом направлении свободны (крышка 5 служит только для уплотнения), что позволяет этой опоре воспри-

94

Рис. 19. Шпиндельный узел

нимать только радиальные усилия. То же относится и к двум средним подшипникам передней опоры. При затягивании резьбовой крышки 2 можно создать натяг только в двух крайних шарикоподшипниках 3 и 4 передней (левой) опоры. Таким образом, осевые усилия, действующие на шпиндель влево, воспринимаются подшипником 3, а усилия противоположного направления — подшипником 4. Отсутствие в данной конструкции упорных или радиально-упорных подшипников объясняется незначительными осевыми усилиями, действующими в процессе шлифования на шпиндель от сил резания и привода.

Шпиндель рассчитывают, как правило, на жесткость, а для тяжело нагруженных шпинделей проводят поверочный расчет на прочность. При расчете на жесткость шпиндель рассматривают как балку на опорах, тип которой зависит от типа принятых подшипников. Так, при двух шариковых подшипниках качения расчетная схема принимает вид, показанный на рис. 20, а. Если в передней опоре два подшипника качения или один роликовый, то можно считать, что шпиндель не имеет поворота (рис. 20, б). Если в передней опоре поставлен подшипник скольжения (рис. 20, в), то он создает определенный реактивный момент Мр, который равен (0,3...0,35) Мизг в передней опоре. При двух подшипниках скольжения (рис. 20, г) вначале определяют прогиб у1 при деформации шпинделя в пределах радиального зазора подшипников. Если сила вызывает большую деформацию, то , следует подсчитать прогиб у2 конца шпинделя от той составляющей, которая деформирует

95

его как консольную балку с заделкой в передней опоре. В этом случае суммарный прогиб y = y1+ y2. К прогибу шпинделя следует добавить его деформацию на упругих опорах, рассматривая при этом шпиндель как жесткое тело.

Рис. 20. Схемы расчета шпинделя на жесткость

Допустимый прогиб шпинделя определяют исходя из точности обработки на станке. При приближенных расчетах можно принимать его равным 1/3 от допустимого биения или подсчитывать по формуле yдоп = (0,0001…0,0002)l, где l — расстояние между опорами шпинделя.

В шпинделях станка могут возникать продольные, поперечные, осевые и крутильные колебания. По виду их подразделяют на собственные, вынужденные и автоколебания. Так

96

как шпиндель имеет сложную конструкцию и в процессе работы станка на него действует большое количество различных факторов как систематического, так и случайного характера, в том числе от смежных технологических систем, то расчет колебаний представляет определенную трудность.

Основная характеристика шпинделя для оценки его виброустойчивости — частота собственных колебаний fc . Обычно чем ниже частота колебаний, тем меньше виброустойчивость, так как для возбуждения колебаний на низкой частоте нужна меньшая энергия.

Расчет шпинделя на виброустойчивость заключается в сравнении частот собственных колебаний fc и вынужденных колебаний fв . Во избежание резонанса необходимо, чтобы fc и fв различались в 1,3...2,0 раза.

Точность вращения, жесткость и виброустойчивость шпинделей во многом зависят от типа опор. В качестве опор применяют прецизионные подшипники качения и подшипники скольжения с жидкостным трением, к которым предъявляют следующие требования.

1.Высокая точность вращения. Биение шпинделя станков нормальной точности находится в пределах 0,01...0,03 мм,

адля прецизионных станков достигает нескольких микрометров. Эту точность могут обеспечить подшипники качения и скольжения. Однако в последнем случае при изменении нагрузки или скорости ось вращения шпинделя будет смещаться, так как изменяется толщина масляной пленки.

2.Опоры шпинделей должны быть долговечны. Подшипники качения имеют ограниченный срок службы, зависящий от частоты вращения шпинделя и нагрузки. Подшипники скольжения изнашиваются, в основном, в период пуска, остановки или реверса шпинделя станка. Поэтому при редких включениях они могут работать длительное время.

3.Виброустойчивость опор — важное условие для работы высокооборотных шпинделей. Современные прецизионные подшипники качения отвечают требованиям виброустойчиво-

97

сти. Подшипники скольжения обладают способностью гасить колебания за счет демпфирующего действия масляного слоя.

4. Для универсальных станков необходимо, чтобы подшипники работали одинаково надежно во всем диапазоне применяемых скоростей и нагрузок. В этом отношении существенное преимущество имеют подшипники качения.

Эксплуатационными преимуществами (легкость замены, простота эксплуатации и др.) обладают подшипники качения, вследствие чего они получили наибольшее применение в современных станках. В тех случаях, когда режим работы постоянный и требуется высокая виброустойчивость, применяют подшипники скольжения.

6.КОРПУСНЫЕ ДЕТАЛИ

Ккорпусным деталям станков относят: станины, стойки, траверсы, проставочные плиты, корпуса силовых головок, коробок скоростей, подач, задних бабок, суппортов, столов, планшайб и др. Основное требование, предъявляемое к корпусным деталям: возможность в процессе работы станка и в течение длительного времени сохранять неизменность относительных положений базовых поверхностей, т. е. неизменность геометрической формы. Данные требования обеспечиваются высокой жесткостью и виброустойчивостью конструкций, износостойкостью направляющих. Это достигается с помощью как конструктивных способов, так и технологическими методами.

Оценить работоспособность корпусных деталей можно на основе учета максимальных усилий, действующих в процессе работы станка. Поскольку корпусные детали и в первую очередь станины находятся под действием сложной системы переменных сил и имеют различную толщину стенок, ребра жесткости, перегородки, окна и т. п., то расчет деформаций таких деталей представляет определенные трудности. Для удобства расчета сложные формы корпусных деталей можно

98

представить в виде ферм, балок упрощенной конструкции. Это дает возможность оценить различные варианты конструкций, напряжений и деформаций в них. Наиболее важное значение имеет проверка жесткости станины, стоек, траверс на изгиб и кручение. Для поверочных расчетов составляют расчетную схему с указанием направления и значений действующих нагрузок, которые и являются исходными для расчета базовых узлов и механизмов станка.

Из всех приведенных корпусных деталей наиболее ответственной является станина, на базовых поверхностях которой располагаются различные подвижные и неподвижные узлы и механизмы станка: суппорты, стойки, столы, приводы и т. п. В основе конструкции станин, несмотря на большое разнообразие их форм, лежат некоторые общие принципы, обусловленные конструктивными, технологическими и прочностными требованиями. Конструкция станины должна обеспечить возможность рационального расположения на ней всех необходимых узлов и механизмов, а также удобства их монтажа и разборки. Технологичность конструкции должна обеспечить возможность изготовления станины с требуемой точностью геометрической формы и качеством базовых поверхностей при высокой производительности их обработки.

Наивыгоднейший профиль станин по конструктивным соображениям и прочностным характеристикам — сечение в форме полого прямоугольника или кольцевого профиля (рис. 21, а, б, в). Такие профили наиболее характерны для вертикальных станин МЦС. Однако не всегда удается выдержать по всей длине станины замкнутый профиль, что связано с необходимостью обеспечить удобство удаления стружки, компактное расположение различных механизмов, узлов и агрегатов, сборку и демонтаж станка. Поэтому часто форма профиля станины имеет открытый вид, а для повышения ее жесткости применяют ребра жесткости, двойные стенки и т. п. (рис. 21, г, д,е). Жесткость станины значительно повышается, если полая внутренняя часть выполнена с перегородками (рис. 22). Расчет деформаций станины с учетом особенностей их конструкций

99

показал существенное влияние формы ребер и их расположения на жесткость станины при изгибе в горизонтальной плоскости и меньшее влияние при изгибе станины в вертикальной плоскости.

Рис. 21

Рис. 22

При расчете деформаций станин необходимо учитывать также конструктивные особенности различных компоновок станков. Так, при обработке заготовок на МЦС в отличие от специальных станков формообразование поверхности и нагружение станка силами резания происходит с использованием большой номенклатуры и типов инструмента, выполняющих различные операции в широкой области рабочего поля станка. Кроме того, эти станки оснащены дополнительными узлами (поворотными загрузочными столами, магазинами инструментов и др.), которые увеличивают крутильные и изгибающие моменты, действующие на станину станка. Все это усложняет проведение расчета деформаций станины.

При упрощенных расчетах станин можно вместо деформаций определять наибольшие напряжения, которые не должны превосходить 100...200 Н/мм2. Такие низкие значения напряжений диктуются условием длительного сохранения точности станин и косвенно учитывают условие жесткости.

100