- •Ю.Н. Гондин, в.А. Колюнов, б.В. Устинов
- •Содержание
- •Опорный конспект лекций
- •1. Основные этапы конструирования станков
- •2. Определение основных технических характеристик станка
- •2.1. Определение предельных значений частот вращения шпинделя и предельных значений подач
- •Скорости резания, допускаемые станками и инструментом, в м/мин
- •Значения Rs и zs
- •2.2. Предварительное определение мощности электродвигателя
- •3. Разработка кинематической схемы
- •3.1. Выбор типа привода
- •3.2. Компоновка привода главного движения
- •3.3. Выбор типа последней передачи
- •Рекомендуемые значения окружных скоростей
- •3.4. Кинематические расчеты коробок скоростей
- •3.4.1. Множительные структуры коробок скоростей
- •Тогда передаточное отношение передач, согласно графику, будет
- •Ряды предпочтительных чисел коробок скоростей
- •Структуры коробок скоростей в зависимости от количества скоростей в приводе
- •3.4.2. Коробки скоростей с бесступенчатым регулированием
- •3.4.3. Коробки скоростей со сложенной структурой
- •Со сложенной структурой
- •3.4.4. Особые множительные структуры
- •Характеристиками передач
- •Частоты вращения вала электродвигателя при и
- •3.5. Особенности кинематического расчета коробок подач
- •И график частот вращения (б)
- •4. Компоновки станков
- •Консольного (I) и бесконсольного (II) фрезерных станков:
- •4.1. Структурный анализ базовых компоновок
- •Компоновке узлов токарного станка
- •Ограничивающих условий
- •4.2. Установление и фиксация взаимосвязи отправных позиций проекта общего вида станка
- •5. Шпиндельные узлы станков
- •5.1. Конструкции шпиндельных узлов на подшипниках качения
- •Основные типы концов шпинделей
- •Точность и быстроходность шпиндельных узлов на разных опорах
- •Границы применимости различных методов смазывания
- •Рекомендуемые для шпинделей марки стали и методы упрочнения
- •Коническом двухрядном в передней опоре
- •В передней опоре
- •Рекомендуемые классы точности подшипников качения для шпинделей станков
- •5.2. Конструкции шпиндельных узлов на подшипниках скольжения
- •Масляными клиньями
- •Рекомендуемые для шпинделей с опорами на подшипниках жидкостного трения марки стали и методы упрочнения
- •5.3. Алгоритм проектирования шпиндельного узла
- •Допустимые значения температуры нагрева наружного кольца подшипника качения в с
- •Выбор типа опор в зависимости от основных параметров шпиндельного узла
- •Приводные элементы шпиндельных узлов в зависимости от класса точности станка
- •6. Проектирование привода главного движения станка
- •С трехступенчатой коробкой скоростей
- •(С прямозубыми передачами)
- •6.1. Устройства для соединения вала двигателя с первым валом коробок скоростей
- •Материал шкивов
- •Геометрические параметры зубчатых ремней
- •Ширина ремня в зависимости от модуля
- •6.2. Передачи зацеплением
- •Характеристика зубчатых колес
- •6.3. Валы
- •Рекомендуемые для силовых зубчатых колес (цилиндрических и конических) марки стали и методы упрочнения
- •Требования к твердости валов и рекомендуемые марки стали и методы упрочнения
- •6.4. Специфика расчета передач коробок скоростей
- •На шпинделе от частоты вращения n
- •Здесь DиDсвыражены в метрах, аС1– в килограммах.
- •6.5. Механизмы переключения коробок скоростей
- •7. Базовые детали и направляющие
- •7.1. Конструктивные формы базовых деталей и материалы
- •7.2. Расчет базовых деталей
- •Значения коэффициентов k1 и k2 в зависимости от расположения перегородок в станине
- •7.3. Конструкция направляющих станков и их расчет
- •Конструктивные схемы направляющих
- •8. Фундаменты станков
- •Факторы, определяющие выбор способа установки станков, обеспечивающего их нормальную работоспособность
- •8.1. Рекомендации по установке станков нормальной точности на фундаменты
- •Высота фундаментов под металлорежущие станки нормальной точности массой до 30 т (сНиП II-б.7-70)
- •8.2. Расчеты фундаментов
- •Характеристики прочности и жесткости грунтов
- •9. Контроль знаний Контрольные вопросы
- •Задачи к экзаменационным билетам
- •Глоссарий
- •Список литературы
Рекомендуемые классы точности подшипников качения для шпинделей станков
Класс точности станка |
Класс точности радиальных подшипников опор |
Класс точности упорных подшипников | |
передней |
задней | ||
Н |
5 |
5 |
5 |
П |
4 |
5 |
5 |
В |
2 |
4 |
4 |
А |
2 |
2 |
4 |
С |
2 |
2 |
2 |
Если при сборке шпиндельного узла подшипники устанавливают таким образом, что их биения направлены в одну сторону, то это резко снижает биение переднего конца шпинделя (рис. 5.8, б).
Жесткость подшипников определяется упругими сближениями тел качения с кольцами и контактными деформациями колец с сопряженными деталями. Жесткость зависит, главным образом, от типа подшипников и их диаметра. Радиальная и осевая жесткость шпиндельных опор различных типов приведена на рис. 5.9.
Рис. 5.9. Зависимость жесткости подшипника от его диаметра:
1 – двухрядные роликоподшипники; 2 – конические роликоподшипники;
3 – шарикоподшипники; 4 – гидростатические опоры (при МПа);
5 – упорные шарикоподшипники; 6 – упорно-радиальные шарикоподшипники;
7 – радиально-упорные шарикоподшипники
Для повышения жесткости подшипников, а также устранения зазоров (что повышает точность вращения) в них применяют предварительный натяг, т.е. прикладывают постоянную предварительную нагрузку. В радиальных шарикоподшипниках для создания предварительных натягов смещают наружные кольца относительно внутренних в осевом направлении, для чего либо сошлифовывают торцы колец, либо применяют втулки различной длины между наружными и внутренними кольцами, либо устанавливают распорные пружины.
В роликовом подшипнике (тип 3182800) предварительный натяг создают осевым смещением внутреннего кольца подшипника на конической шейке шпинделя, что вызывает радиальные деформации кольца. В шариковых радиально-упорных и конических роликовых подшипниках (тип 697000) натяг создается при сборке за счет осевого взаимного сближения рядов тел качения, что обеспечивается размерами сопряженных деталей. В конических роликовых подшипниках (тип 17000) натяг создается постоянным осевым смещением наружного кольца относительно внутреннего с помощью встроенных в него пружин.
От тщательности и точности регулирования предварительного натяга во многом зависит работоспособность шпиндельного узла.
Потери на трение в подшипниках качения оцениваются по моменту трения либо тепловым потоком, Вт, выделяемым в них:
,
где R – нагрузка на подшипник, Н; d – диаметр подшипника, мм; n – частота вращения, мин-1; f – условный коэффициент трения (для шариковых и роликовых цилиндрических подшипников ; для конических роликоподшипников ).
Теплота, выделяемая в подшипнике, ведет к нагреву стенок корпуса и самого шпинделя и, как следствие, к температурным деформациям. Неравномерность нагрева наружного и внутреннего колец подшипника изменяет первоначально установленную величину натяга.
Расчет на жесткость. Главные размеры шпиндельного узла (рис. 5.10) – диаметр d шейки шпинделя под передней опорой и расстояние l между опорами – выбирают из расчета шпинделя на жесткость. Величину вылета а шпинделя определяют по стандартным размерам его переднего конца и размерам уплотнений; она должна быть возможно малой. При приближенных проектных расчетах шпиндель заменяют балкой на двух опорах с силой F, приложенной на консоли, т.е. на расстоянии а от середины передней опоры (рис. 5.11).
Применяя известные формулы сопротивления материалов и пренебрегая величиной yсдв, которая для реальных размеров шпинделей, имеющих центральное отверстие, не превышает 3-6%, можем записать
,
где Е – модуль упругости материала шпинделя; J1 и J2 – осевые моменты инерции сечения шпинделя соответственно на консольной части и между опорами; и– соответственно податливость передней и задней опор шпинделя, которые определяют по реакциямR1 и R2 и перемещениям 1 и 2 в соответствующих опора; j1 и j2 – жесткость опор; з – коэффициент, учитывающий наличие в передней опоре защемляющего момента, если в ней расположено несколько рядов тел качения.
Рис. 5.10. Главные размеры шпиндельного узла
| |
а) |
б) |
Рис. 5.11. Жесткость шпиндельного узла:
а – расчетная схема; б – наибольшая достижимая жесткость шпиндельного узла
при радиальном зазоре в переднем подшипнике, равном нулю 1
и с большим натягом 2
Для конструктивных схем, представленных на рис. 5.3, значения коэффициента з можно принимать равным 0,65-0,75 (для схемы 1); 0,45-0,65 (для схемы 2); 0,3-0,45 (для схем 3 и 4); 0,2-0,3 (для схемы 5); 0,1-0,2 (для схем 6-8); 0 (для схем 9-10). Для гидростатических опор з равен нулю.
В соответствии с формулой общая податливость шпиндельного узла , гдеj – суммарная жесткость шпиндельного узла, может быть представлена в виде
.
Учитывая, что величины с1, с2, J1 и J2 зависят только от диаметральных размеров шпинделя, можно получить для конкретной конструктивной схемы узла зависимости (рис. 5.11,б), позволяющие определить диаметр при заданной жесткости шпиндельного узла. При этом надо учитывать конструктивные ограничения, связанные с тем, что , гдеd1 – диаметр последней ступени стандартного переднего конца шпинделя, и ограничения по предельной быстроходности подшипников , гдеnmax – максимальная частота вращения шпинделя.
После выбора диаметра шейки d можно определить для него оптимальную величину межопорного расстояния lопт, исходя из необходимости получения максимальной жесткости (т.е. минимума суммарной податливости).
Приближенный расчет собственной частоты шпинделя, с-1, (см. рис. 5.10), не имеющего больших сосредоточенных масс, можно проводить по формуле
,
где m – масса шпинделя, кг; – относительное расстояние между опорами;– коэффициент, который длянаходится в пределах 2,3-2,4.