Рекомендуемые для шпинделей с опорами на подшипниках жидкостного трения марки стали и методы упрочнения

Принадлежность шпинделя к группе станков	Марка стали	Метод упрочнения
Кругло-резьбо-плоско-шлифовальные (шпиндели шлифовального круга) классов точности Н, П, В, А	38Х2МЮА	Азотирование
Токарные классов точности В, А	30Х3МФ	Азотирование
Расточные (выдвижные шпиндели) классов точности П, В, А	38Х2МЮА	Азотирование

5.3. Алгоритм проектирования шпиндельного узла

Структурная модель системы проектирования шпиндельного узла представлена на рис. 5.16 [7].

1. Исходные данные
Класс точности станка	Мощность Nmax, кВт	Частота вращения nmax, мин-1	Диаметр шпинделя в первой опоре d, мм	Тип системы смазки

2. Назначение численных значений проектных критериев
Точность	Жесткость	Нагрев опор	Долговечность	Себестоимость

3. Выбор типа опор
Подшипники качения	Гидростатические подшипники	Гидродинамические подшипники	Подшипники с воздушной смазкой	Магнитные подшипники

4. Выбор диаметра d(если не задан)d = (dn) табл./nmax		4а. Выбор компоновочной схемы
d=Nmax/(0,15 – 0,85)

5. Определениеdк,dм,dз,а(проработка эскизного проекта)

6. Расчет межопорного расстояния lопт, коррекцияl Расчет места расположения приводного элемента В

7. Расчет жесткости шпиндельных узлов или перемещения переднего конца шпинделя y

8. Расчет динамических характеристик Расчет точности опор и деталей шпиндельных узлов Расчет допусков на размер посадочных поверхностей Выбор и расчет уплотнений Расчет параметров системы смазки Тепловой расчет Расчет долговечности

9. Оформление технического и рабочего проектов

Рис. 5.16. Алгоритм проектирования шпиндельного узла

На первом этапе проектирования из технического задания выбираются исходные данные: группа станка; класс точности станка; мощность главного привода; максимальная и минимальная частоты вращения шпинделя; диаметр шпинделя в передней опоре и тип системы смазки (могут выбираться при проектировании или могут быть заданы) и устанавливаются проектные параметры.

Проектными параметрами называют неизвестные величины, значения которых определяются в процессе проектирования. Они подразделяются на независимые и зависимые переменные параметры, которые полностью и однозначно определяют конструкцию шпиндельного узла.

Исходя из системного подхода, проектирование направлено прежде всего на получение заданных требований к обработанной на станке детали.

Принимая станок за систему, а шпиндель с опорами за подсистему, структурными составляющими модели будут передняя и задняя опоры, привод, уплотнения, передняя консоль, элементы крепления, элементы системы смазки, механизм зажима заготовки или инструмента, элементы диагностики и автоматики, которые можно рассматривать как подсистемы более низкого ранга, а детали и их части и поверхности как элементы.

К независимым проектным параметрам относятся:

1. Компоновочные параметры: тип опор; число опор; компоновка опор (компоновочная схема); тип системы смазки.

Тип системы смазки опор и условия их работы, как правило, определяют конструкцию уплотнений опор.

2. Геометрические параметры: диаметр шпинделя в передней опоре (d); длина переднего конца шпинделя (а); межопорное расстояние (l); расстояние от передней опоры до приводного элемента (b).

3. Внутренние параметры: радиальный внутренний зазор-натяг опор качения (е); предварительный натяг опор качения (А_о); зазор-натяг посадки опор качения (Н); точность опор и сопряженных деталей; параметры опор скольжения.

К зависимым проектным параметрам относятся: диаметр шпинделя на переднем конце (d_к); диаметр шпинделя между опорами (d_м); диаметр шпинделя в задней опоре (d₃) и диаметр шпинделя на заднем конце; диаметр отверстия в шпинделе (d_i) (см. рис. 5.16).

На втором этапе определяются проектные критерии.

Оценка качества проектируемого шпиндельного узла осуществляется по проектным критериям, которые выражаются в терминах цели системы, нахождение или оценка значений которых является целью поисковых операций. Общий набор основных проектных критериев следующий.

Точность вращения шпинделя. Характеризуется радиальным, осевым и торцовым биениями переднего конца шпинделя, круглостью и волнистостью обработанных на чистовых режимах образцов. Устанавливается по ГОСТу и по требуемой точности обработки деталей.

Жесткость. Различают радиальную и осевую, статическую и динамическую жесткость (j) на переднем конце шпинделя от действия сил резания и сил со стороны привода. Динамическая жесткость оценивается по величине, обратной радиус-вектору, снятому с АФЧХ упругой системы при определенной частоте . Она разная на разных частотах  и характеризуется отношением амплитуды возмущающей силы, меняющейся по гармоническому закону, к амплитуде соответствующего перемещения. При  = 0 получаем статическую жесткость.

Для шпиндельных узлов современных токарных, фрезерных, расточных и некоторых шлифовальных станков с ЧПУ отношение передаваемой мощности к радиальной жесткости

.

Нагрев опор. Характеризуется температурой нагрева опор на максимальной частоте вращения.

С целью ограничения температурных деформаций ЭНИМС установил следующие допустимые значения температуры нагрева опор в зависимости от класса точности станка (табл. 5.7).

Таблица 5.7