13 Привести описание конструкции шпиндельного узла станка и дать анализ сил, действующих на шпиндель. Критерии расчета шпинделей

Критерии расчета: на прочность, виброустойчивость и на жесткость.

Расчет на прочность проводится как проверочный, для коротких тяжело нагруженных шпинделей.

При расчете на виброустойчивость определяется частота собственных колебаний шпинделя и сравниваются с частотой вынужденных колебаний. Чем выше частота собственных колебаний, тем выше виброустойчивость шпинделя. Для исключения явления резонанса собственные и вынужденные частоты должны отличаться на 20-30%. При неточных расчетах в несколько раз. Основным критерием является расчет на жесткость.

На шпиндель в общем случае действуют силы:

- силы резания Рх, Ру, Рz;

- реакции от приводного колеса или приводного шкива;

- реакция или усилие от силового элемента передающего движение в другую кинематическую цепь;

- усилие предварительного натяга в опорах;

- силы инерции тел качения в быстроходных шпинделях (пренебрегают);

- вес шпинделя (пренебрегают).

В общем случае шпиндель имеет пространственное нагружение, поэтому расчет ведется в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

1. В начале определяются силы резания.

2. Далее определяются составляющие силы приводного зубчатого колеса.

3. Определяются моменты сил.

4. Определяются реакции опор.

5. Ступенчатый шпиндель приводится к валу постоянного сечения или к эквивалентному валу.

6. Определяется допустимое значение прогиба

(L-расстояние между опорами).

7. После чего осуществляется геометрическое суммирование прогибов и углов поворота.

8. Геометрическим суммированием определяются суммарные прогибы и углы поворота.

9. Полученные значения сравниваются с допустимыми.

14. Основные разновидности и характеристика преобразующих механизмов привода подач.

Передача винт-гайка скольжения.

Применяются в механизмах рабочих подач или вспомогательных механизмах оборудования.

Преимущества:

-относительная высокая точность и плавность перемещений.

- большая степень редукции.

- самоторможение, что позволяет использовать её для вертикальных перемещений.

Недостатки:

- низкий КПД

- значительный износ

- отличие коэффициентов трения, покоя и движения и зависимость коэффициента от скорости.

Резьба обычно выполняется трапецеидально с углом 30^о, что обеспечивает лёгкое замыкание маточной гайки. Однако при радиальном биении ходового винта такой профиль приводит или вызывает погрешность шага, поэтому в высокоточных станках угол уменьшают до 10-20^о или же резьбу выполняют прямоугольную.

Конструкция гаек зависит от назначения станка. Напр., в токарновинторез. станках, имеющих ходовой винт и ходовой вал имеется маточная (разъёмная) гайка.

Для повышения точности передачи в ней регулируют зазор, для чего гайку выполняют из 2 частей и смещают одну часть относительно другой с помощью винтов, пружин, клиньев.

Разновидности конструкций.

1. С вращающимся винтом и перемещающимся поступательно или неподвижной гайкой.

2. С вращающейся гайкой и перемещающейся поступательно или неподвижным винтом.

Различают 5 классов точности передачи: 01234, 0-самый точный.

Примеры применения.

0-прицизионные станки, 1-резьбошлифов-е, 2-токарновинторез повышен точности, 3-токарновинторез. нормальной точности - резьбофрезерные, фрезерные. 4 - механизмы вспомогательного перемещения.

В зависимости от класса точности передачи назначается материал винта и гайки.

Расчёт передачи винт-гайка скольжения ведётся по 4 критериям:

1. Расчёт на износостойкость, по этому критерию рассчитывается среднее давление, действующее на рабочие пов-ти витков.

2. На прочность.

Расчёт ведётся по:

- приведённому напряжению.

- нормальному напряжению

-касательному напряжению ,

3. Расчёт на устойчивость.

Производится когда

При этом расчёте определяется практическая тяговая сила.

1) концы винтов закреплены жёстко.

2) один конец ходового винта закреплён жёстко, другой шарнирно.

3) оба конца шарнирные

4. На жёсткость

Определяется изменение шага t_х.в при действии max тяговой силы.

Передача винт-гайка качения.

Применяется в приводах подач точных станков, например координатно-расточных, резьбошлифовальных. Широко применяется в ст. с ЧПУ.

Преимущества: 1. Высокая осевая жёсткость за счёт полного устранения зазоров.

2.Высокий КПД

3. Меньший крутящий момент на ходовом винте в следствии увеличения КПД.

4. Примерное равенство коэффициентов трения покоя и движения. И малая зависимость коэфициента трения от скорости.

5. Малый износ.

Недостатки:

1. Относительно низкая нагрузочная способность в виду высоких контактных напряжений.

2.Отсутствие самоторможения.

3. Сложность конструкции, трудоёмкость изготовления, высокая стоимость.

Передача состоит из винта, гайки, комплекта шариков и устройства для возврата шариков.

Наиболее распространённая конструкция: шарики возвращаются по каналу, выполненному во вкладыше. Канал соединяет конец витка с его началом в результате образуется замкнутый контур, по которому циркулируют шарики. Чаще применяется 2 или 3 замкнутых независимых контура.

Размерный ряд передач регламентируется с соответствующей нормалью в станкостроении. Также нормалью в станкостроении регламентируется профиль резьбы.

t_х.в. = 2,5; 5; 10; 20 мм

d_{х.в. =} 30…100 мм – это номинальный диаметр, под которым понимается диаметр условного цилиндра, проходящего через центр шариков.

Профиль может быть прямоугольным, трапецеидальным, стрельчатый, полукруглой формы.

Стрельчатый обеспечивает 4-х точечный контакт, что позволяет воспринимать точечные нагрузки в обоих направлениях при выполнении гайки в целом.

Наиболее технологичный и более распространённым является полукруглый профиль. Для создания предварительного натяга гайка выполняется из 2-ух частей и одна часть смещается относит. другой с помощью тарельчатых пружин, винтов.

Материалы передачи:

Винты 8ХФ, ХВГ

Гайки 9ХС, ШХ15, с т/о HRC 58-62

Прочностные расчёты:

1. На предельную статическую нагрузку действующую на 1 шарик.

2. На жёсткость

3. На устойчивость

4. На усилия предварительного натяга.

Р_н (min) должно обеспечивать сохранение предварит. натяга при действии Q_max.

Р_н (max) должно обеспечивать статическую прочность передачи.

5. На статическую грузоподъёмность,

6. На динамическую грузоподъёмность..

Гидростатическая передача винт-гайка.

В этой передаче масло постоянное под давлением передаётся в зазор между винта и гайки.

Прим-ся в приводах подач тяжёлых станков.

Преимущества:

1. высокий КПД

2. передача практически беззазорная, т.к. масло подаётся с обеих сторон винтов.

3. высокая плавность и точность перемещений.

4. очень низкий коэффициент трения, в связи с этим практически неограниченная долговечность.

Недостатки: 1. Сложность системы смазки. 2. Отсутствие самоторможения. 3. Необходимость стабилизации

t – ра масла для уменьшения t – ных деформаций винта.

Масло подаётся через каналы, выполненные в ходовом винте или чаще в гайке.

Реечные преобразующие механизмы.

К ним относятся передачи:

зуб. колесо – рейка,

червяк – зуб. рейка,

червяк – червячная рейка скольж.

гидростатическая передача червяк – червячная рейка.

Реечные передачи применяют в приводах ….. движения (продольно-фрезерных станков) и широко прим. в движении подач (токарные станки).

Зуб. колесо – рейка.

Рейка жёстко закреплена на станине, а колесо с рабочим органом.

Преимущества:

1. Простота конструкции и изготовления.2. невысокая стоимость3. высокий КПД

4. Малый износ

Недостатки:

1. Малая степень редукции. 2. Отсутствие самоторможения. 3. Сложность осуществления медленных плавных перемещений.

Расчёт обычный по максимальному тяговому усилию.

Червяк – зубчатая рейка.

Преимущества:

1. Большая степень редукции.

2. Возможность осуществления медленных, относительно точных перемещений.

Недостатки: 1. Контакт близок к точечному, поэтому контактные напряжения достигают значит. величины, что ограничивает тяговое усилие. 2. Относительно высокий износ.

Рейка может быть прямозубая и косозубая.

В этой передаче червяк устанавливается под углом к зуб. рейке.

Червяк – червячная рейка.

В этом случае ось червяка параллельна оси рейки и червяк выполняет функцию короткого ходового винта.

Контакт витков червяка и зубьев рейки.

Для повышения плавности работы и точности снижения трения и увеличения долговечности применяется в тяжёлых станках гидростатическая подача червяк - червячная рейка, её преимущества и недостатки аналогичны гидростатической передаче винт-гайка.

Кулачковые тяговые устройства.

Широко применяются в приводах станков автоматах и полуавтоматах.

Преимущества:

1. Надёжность работы

2. Возможность получения требуемого закона движения РО за счёт профиля кулачка.

3. Возможность изменения закона движения РО за счёт изменения профиля кулачка.

Недостатки:

1. Сложность изготовления и трудоёмкость. 2. Ограниченный ход РО за 200-300 мм.

Обеспечивают достаточно высокую точность перемещений от 0,01 до 0,02 мм.