3264

где S — площадь, ограниченная кривой распределения на отброшенном интервале диапазона частот (на рис. 3.43, а заштрихована).

Суммарная потеря производительности и уменьшение стоимости главного привода являются противоборствующими тенденциями для оптимизации частотного диапазона шпинделя по критерию минимума приведенных затрат (рис. 3.44).

В качестве двигателей главного привода станков с ЧПУ, особенно многооперационных станков для автоматических станочных систем,

преимущественное распространение получили двигатели постоянного тока с тиристорными системами регулирования. Они обеспечивают бесступенчатое регулирование частоты вращения при постоянной мощности в диапазоне до 4—6 (иногда до 8—10) и регулирование частоты вращения при постоянном моменте в весьма широком диапазоне. В большинстве случаев, когда диапазон регулирования двигателя не обеспечивает всего необходимого диапазона на шпинделе станка, между двигателем и шпинделем вводят коробку скоростей на 2— 4 ступени (рис. 3.45), которая необходима и для снижения частоты вращения от двигателя к шпинделю (в 3—10 раз, а в тяжелых станках и в 80— 100 раз).

Выбор необходимого числа z ступеней коробки скоростей осуществляется без учета перекрытия из условия

где —диапазон регулирования частоты вращения двигателя при сохранении постоянной мощности.

Если все передаточные отношения реализуются в одной группе передач, то существует ограничение для предельных значений передаточных отношений для обычной группы передач и для группы передач с перебором. Кроме того, при отсутствии перекрытия существует условие

которое преобразует написанное выше ограничение к виду

для обычной группы передач и

для группы передач с перебором. Отступление от условий (3.10) или (3.11) приводит к перекрытию без соответствующего увеличения диапазона регулирования.

В многооперационных станках иногда сокращают число ступеней в коробке скоростей за счет небольшого разрыва в средней части диапазона регулирования (рис. 3.46), в интервале которого частота вращения изменяется при постоянном моменте.

Ведутся работы по совершенствованию систем регулирования двигателей постоянного тока и разрабатываются системы частотного регулирования для двигателей переменного тока, что позволит отказаться от коробок скоростей и реализовать главный резания, а большие частоты вращения шпинделя, как правило,

необходимы для чистовых, отделочных, операций с небольшими силами резания.

Оптимальную мощность двигателя для главного привода станка необходимо тщательно рассчитывать по критерию минимума приведенных затрат, имея в виду, что с увеличением мощности двигателя возрастает его стоимость и соответственно стоимость станка, а также растут эксплуатационные расходы, а при заниженной мощности двигателя падает производительность обработки вследствие заниженной скорости резания. Эти противоположные тенденции дают основу для минимизации приведенных затрат и выбора оптимального значения мощности двигателя

(см. рис. 3.44).

Ш п и н д е л ь н ы е у з л ы в значительной мере определяют точность обработки на станке, жесткость несущей системы последнего, его технологическую надежность и динамические характеристики. При проектировании шпиндельных узлов обычно принимают во внимание следующие проектные критерии:

1)ограничение биения на конце шпинделя в радиальном и осевом направлениях, поскольку точность вращения инструмента (фрезерование, растачивание) или обрабатываемой детали (точение) сильно сказывается на суммарной погрешности обработки;

2)ограничение упругой деформации переднего конца шпинделя под нагрузкой от сил резания, приложенных к инструменту или детали, закрепленной в шпинделе станка во время обработки;

3)ограничение амплитуды колебаний переднего конца шпинделя во всем рабочем диапазоне частот вращения, особенно при их высоких значениях во время отделочных чистовых операций;

4)ограничение тепловыделения и температурных деформаций шпиндельного узла по условиям точности обработки и по требованиям работоспособности опор шпинделя;

5)быстродействие и надежность зажимных устройств для закрепления инструмента либо обрабатываемой детали в шпинделе — станке при ограничении погрешностей центрирования и точности вращения;

6)минимизация затрат на изготовление, сборку и эксплуатацию шпиндельного узла при выполнении всего набора проектных ограничений.

Выбор материала шпинделя в станках для обрабатывающих систем необходимо проводить с учетом повышенных требований к износостойкости той части шпинделя, которая используется для центрирования и крепления автоматически сменяемого инструмента или

приспособления. Чаще всего используют для шпинделей многооперационных станков низкоуглеродистые стали с цементацией и закалкой до твердости HRC 60—62. Для прецизионных станков применяют также азотируемые стали типа 38ХМЮА, 38ХВФЮА с закалкой до твердости HRC 63—68.

Коническое соединение переднего конца шпинделя с хвостовиком инструмента или с оправкой приспособления должно обеспечивать центрирование и жесткость.

Для стандартного конуса 7/24 в соответствии с расчетной схемой по рис. 3.49 упругое перемещение под действием поперечной силы N, приложенной на расстоянии а от конца шпинделя, может быть представлено как

где — поперечное смещение на краю конического соединения; ,

— угол поворота в соединении Без учета погрешностей в соединении

где ; с = 0,2 — коэффициент контактной по-

датливости, — коэффициенты, которые можно

принимать:

Формулу (3.12) для стандартных конусов 7/24 можно использовать для определения податливости, приведенной к точке при-

ложения силы N (мкм/Н

Следует иметь в виду, что угловые ошибки при изготовлении конусов отверстия шпинделя и хвостовиков оправок могут суще ственно уменьшить жесткость соединения. По опытным данным различие в углах конусов порядка снижает жесткость конического соединения 7/24 в 10—15 раз. Поэтому необходимо, чтобы угол конусности оправки отличался, и притом в большую сторону, от угла конуса отверстия шпинделя не более чем на одну угловую секунду.

Для надежного центрирования и обеспечения жесткости конического соединения необходима затяжка хвостовика оправки в отверстии шпинделя осевой силой , способной создать давление на конических поверхностях 1,5—2,0 МПа. Это условие требует для конуса ISO 50 осевого усилия

Крутящий момент от шпинделя к инструменту передается торцовым шпоночным соединением. Для постоянной угловой ориентации инструмента применяют дополнительный паз во фланце оправки, с которым взаимодействует штифт на торце шпинделя. Для зажима инструмента в шпинделе предусматривают специальные зажимные устройства, расположенные во внутренней цилиндрической полости шпинделя

Захват оправки инструмента осуществляется за грибообразный хвостовик посредством шариковых или рычажных замков. последние получили преимущественное распространение в связи с обеспечением ими более надежного контакта (рис. 3.50)

Усилие зажима создается обычно пакетом тарельчатых пружин, а разжим производится гидравлическим приводом у заднего торца шпинделя (рис. 3.51, а). Применяют иногда устройства с электромеханическим приводом (рис. 3.51, б), в которых для зажима-разжима используется энергия маховика.

Расположенная в шпинделе / тяга 2 посредством шарикового захвата 10 связана с хвостовиком оправки. На другом конце тяги имеется резьба, на которой посажена гайка 5 с возможностью свободного вращения. В корпусе 4 на подшипниках вращается маховик 9, связанный муфтой 8 с двигателем 7. В ободе маховика размещены два центральных кулачка 11 и 12, свободно поворачивающиеся на осях 13. На длинные плечи рычагов действует пластинчатая пружина 14, удерживаемая на ободе маховика прижимной планкой 15. При зажиме включают двигатель, маховик начинает разгоняться. С увеличением центробежной силы неравноплечие станках цилиндрическое соединение. При этом упрощается изготовление инструмента и оснастки, но усложняется шпиндельный узел станка.

Опоры шпинделей в значительной мере определяют качество шпиндельного узла по всем основным характеристикам — точности вращения, жесткости, виброустойчивости, долговечности. В станках, предназначенных для использования в автоматических станочных системах, опоры шпинделей должны гарантировать кулачки 11 и 12 поворачиваются и деформируют пружину и при достижении определенной величины кинетической энергии маховика короткие плечи входят в зацепление с зубом поводка 6. Начинает вращаться гайка 5, и при этом перемещает тягу 2 с направляющим штифтом 3 до тех пор, пока не израсходуется запас энергии маховика, что и обеспечит необходимую силу

Жесткость гидростатических опор сравнима с жесткостью подшипников качения. При рекомендуемом диаметральном зазоре =

Для сравнения и последующего определения жесткости всего шпиндельного узла на рис. 3.56 приведены ее ориентировочные значения

от передней опоры, можно получить суммированием радиального

Применяя известные формулы сопротивления материалов и пренебрегая сдвигом от действия поперечных сил, получим

, —осевые моменты инерции сечения шпинделя соответственно на консольной части и в пролете; — податливость передней и задней опор шпинделя; —коэффициент защемления в передней опоре; для шпинделя по схеме на рис. 3.53, а = 0,4, для гидростатических опор = 0.

В соответствии с формулой (3.13) общую податливость шпиндельного узла можно представить как

в виде суммарной жесткости шпиндельного узла.

Зависимость (3.14) обычно используют для оптимизации относительного

Решение данного кубического уравнения дает оптимальное значение относительного расстояния между опорами шпинделя обычно в пределах 2,5-3,5.

Динамические характеристики шпиндельного узла оказывают существенное, а иногда и доминирующее влияние на виброустойчивость всей несущей системы станка. Обычно измеряют уровень колебаний переднего конца шпинделя по амплитудно-частотным или амплитуднофазовым характеристикам (АФЧХ), которые целесообразно определять по заранее подготовленным программам расчета средствами вычислительной техники.

Приближенный расчет собственной частоты шпинделя (по схеме на рис. 3.57, а), не имеющего больших сосредоточенных масс, возможен как расчет балки с распределенными параметрами на упругих опорах

шпиндельного узла на стадии эскизного проектирования удается за счет изменения геометрических параметров и перераспределения силовой схемы уменьшить амплитуду колебаний рабочего конца шпинделя в несколько раз.

Температурные характеристики шпиндельного узла сильно влияют на точность обработки и на работоспособность опор шпинделя. Обычно исходя из допустимых погрешностей обработки или величины температурных деформаций в опорах ограничивают предельную температуру в наиболее ответственных местах шпиндельного узла.

Основным источником выделения тепла являются подшипники шпинделя,

где , , с — коэффициенты, зависящие от типа подшипника (табл. 3.6);

—произведение кинематической вязкости масла

d — средний диаметр подшипника, мм; R —опорная реакция; — предельно допустимая статическая нагрузка, Н.

Момент трения в быстроходном гидростатическом подшипнике может быть подсчитан по формуле

где d — диаметр шейки шпинделя, мм; — коэффициент динамической вязкости, сП (часто =4 Сп); п —частота вращения, 1/с. На основе подсчета тепловыделения в опорах и составления уравнений теплового баланса для всего шпиндельного узла можно определить температуру как для стационарного, гак и для нестационарного режима. На рис. 3.59 приведена физическая модель теплового баланса шпиндельного узла многооперационного станка и дана схема расчета на итерационной основе температуры в подшипниках по методу Е. И. Самохвалова.

3.5. ПРИВОД ПОДАЧ И ТЯГОВЫЕ УСТРОЙСТВА

Привод подач станков с ЧПУ должен обеспечивать заданный диапазон скоростей рабочих подач, перемещение с высокой скоростью при холостых, установочных движениях, создание необходимой тяговой силы. От жесткости и динамических характеристик привода подачи зависят возможности станка по быстродействию и точности позиционирования. Основной тип привода подач в современных станках — соединение через муфту высокомоментного двигателя с тяговьм устройством в виде шариковой винтовой передачи.

Высокомоментный двигатель наряду с широким диапазоном регулирования частоты вращения (при постоянном моменте этот диапазон доходит до 10 000 и более) обладает значительной, по сравнению с двигателями, имеющими беспазовый ротор, инерцией. Это положительно отражается на поддержании • постоянства заданной частоты вращения, увеличивает полосу пропускания и обеспечивает инвариантность двигателя