- •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
Приводные элементы шпиндельных узлов в зависимости от класса точности станка
|
Тип привода |
Класс точности станка | ||||
Н |
П |
В |
А |
С | ||
1 |
Зубчатое колесо |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
2 |
Клиноременная передача |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
3 |
Зубчатоременная передача |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
4 |
Поликлиновая передача |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
5 |
Плоскоременная передача (шкив на шпинделе) |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
6 |
Мембранно-торсионная муфта |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
7 |
Электрошпиндель (мотор – шпиндель) |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
8 |
Турбина воздушная, масляная |
|
|
|
1 |
1 |
9 |
Инерционный привод |
|
|
|
I |
1 |
На шестом этапе определяются расчетами следующие проектные параметры и критерии:
расчет и выбор параметров опор (радиальной и осевой жесткости);
расчет оптимального межопорного расстояния;
расчет радиальной и осевой жесткости шпиндельного узла с выбранными параметрами;
расчет расстояния от передней опоры до приводного зубчатого колеса.
По полученным параметрам прочерчивается узел с приводом и корпусом шпиндельной бабки. При этом конструктивно могут корректироваться параметры.
На седьмом этапе рассчитывается жесткость шпиндельного узла с полученными параметрами.
На восьмом этапе определяются динамические характеристики, точность опор и сопряженных деталей, допуски на размер посадочных поверхностей под опоры. Уточняются параметры уплотнений опор. Выбираются параметры системы смазки опор. Проводятся тепловой расчет и расчет долговечности опор. Расчет механизма зажима заготовки или инструмента. Уточняются габариты корпуса. При необходимости могут выполняться и другие расчеты.
На девятом этапе оформляется технический проект шпиндельной бабки, а затем рабочая документация.
6. Проектирование привода главного движения станка
Приводы металлорежущих станков предназначены для осуществления рабочих, вспомогательных и установочных перемещений инструментов и заготовки. Их делят на приводы главного движения – скорости резания и приводы подач – координатных перемещений и вспомогательных перемещений. К каждому виду привода, с учетом служебного назначения станка, предъявляют свои специфические требования по передаче силы, обеспечению постоянства скорости, ее изменения и настройки, точности перемещения и погрешности позиционирования узла, быстродействию, надежности, стоимости, габаритным размерам.
Приводы главного движения различают по виду приводного двигателя, способу переключения частот вращения и компоновке. Совершенствование двигателей постоянного и переменного тока с частотным регулированием и систем их регулирования позволит полностью отказаться от механических коробок скоростей, выполнять шпиндельную бабку в виде отдельного унифицированного узла. Уже сейчас созданы электромеханические приводы главного движения в виде модуля с планетарным редуктором на две ступени. Другой особенностью новых электроприводов главного движения является дальнейшее развитие безредукторных электромеханических шпиндельных узлов, в которых ротор электродвигателя насаживают непосредственно на шпиндель станка [10].
В связи с развитием числового управления станками каждое движение чаще всего осуществляется от своего отдельного источника – электрического или гидравлического двигателей различных типов, обладающих своими особенностями, определяющими области рационального применения.
При разработке приводов станков следует учитывать, что имеющиеся системы электро- и гидроприводов позволяют решить многие задачи, связанные с регулированием и изменением скорости и направления движения, которые раньше решали лишь с помощью механических устройств. В итоге существенно упрощается механическая часть привода, укорачиваются кинематические цепи, что способствует повышению жесткости привода и точности перемещения, упрощается автоматическое дистанционное управление приводом, расширяются возможности унификации приводов и выполнения их в виде отдельных агрегатов (модулей).
Станкостроительной промышленностью освоены и серийно выпускаются унифицированные автоматические коробки скоростей серии АКС. АКС предназначены для автоматизированного главного привода станков токарной, сверлильно-расточной и фрезерной групп, в особенности для станков с ЧПУ. Они приспособлены для работы с асинхронным одно- или многоскоростным электродвигателем и электродвигателем постоянного тока. При соединении АКС с асинхронным электродвигателем получается регулируемый привод, позволяющий изменять скорости на ходу и под нагрузкой, так как в коробке установлены электромагнитные муфты.
Ряд АКС состоит из семи габаритов (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6), рассчитанных на мощности от 1,5 до 55 кВт. Число ступеней скорости от 4 до 18 в зависимости от типа АКС. Максимальная частота вращения выходного вала в зависимости от габарита колеблется в пределах от 1600 до 4000 мин-1. Имеется несколько конструктивных исполнений АКС (с фланцевым креплением, с креплением на лапах и др.). Более подробно с данными по АКС можно познакомиться в руководящем материале [20].
Конструкции коробок скоростей привода главного движения весьма разнообразны и зависят прежде всего от общей компоновки станков и способов переключения передач. По компоновке все коробки делят на две группы: встроенные в корпус и с раздельным приводом; по способам переключения – на четыре группы: со сменными колесами, с передвижными колесами, с муфтами, с бесступенчатыми передачами [6].
Коробки, встроенные в корпус, применяют в станках общего назначения. Они компактны, имеют меньшее количество корпусных деталей и соответствующих пригонок. Вместе с тем встроенные коробки служат источником вибраций и нагрева шпиндельных узлов, имеют технологические трудности.
В современном станкостроении применяют следующие размерные компоновки:
1. Шпиндельные бабки с нормальным соотношением радиальных и осевых размеров (станки малых и средних размеров).
Шпиндельные бабки с уменьшенными осевыми размерами в результате увеличения радиальных размеров. Данные компоновки используют в целях уменьшения возможных вибраций, вызванных консольным расположением электродвигателя и вращающихся деталей. Их применяют также в вертикальных конструкциях с верхним приводом шпинделя для уменьшения высоты станка и повышения виброустойчивости (радиально-сверлильные и продольно-фрезерные станки).
Шпиндельные бабки с уменьшенными радиальными размерами в результате увеличения осевых размеров (тяжелые токарные и некоторые другие станки).
Коробки скоростей с раздельным приводом (с редуктором) обеспечивают более плавное вращение шпинделя. Последний мало нагревается; вибрации, возникающие в приводе, не передаются шпиндельной бабке.
Коробки со сменными колесами применяют для упрощения конструкции станка в тех случаях, когда времени на перенастройку мало по сравнению с общим временем. Кроме того, сменные колеса значительно упрощают конструкцию станка. Достоинства этой передачи в ее малых осевых размерах; конструкция допускает большое количество передач (). Сменные колеса широко используют при массовом и серийном производстве в автоматах, зубо- и резьбонарезных станках, в специальном и операционном оборудовании, а также в некоторых универсальных станках.
Коробки скоростей с муфтами применяют очень часто. В таких передачах используют кулачковые, зубчатые, фрикционные, электромагнитные и порошковые эмульсионные муфты. Преимуществами переключения кулачковыми муфтами являются малые осевые перемещения, незначительные усилия при переключении, возможность передачи вращения косозубыми и шевронными колесами. Недостатками их являются возможность поломки кулачков при включении и холостое вращение передач, не участвующих в движении. Эти недостатки ограничивают применение данных муфт.
Фрикционные муфты, благодаря быстроте и плавности передач на ходу, сокращают время управления станком. Они позволяют применять в коробке косозубые и шевронные передачи. Недостатки этих муфт заключаются в ограничении величины крутящего момента, в больших размерах, затрудняющих применение более двух передач в группе и более трех групп в коробке. Потери мощности и изнашивание при холостом вращении постоянно сцепленных передач, трение в выключенных муфтах не способствуют повышению КПД станка. Фрикционные муфты применяют преимущественно в малых и средних токарно-револьверных станках, иногда в сочетании с многоскоростным электродвигателем.
Основные технические характеристики приводов;
диапазон регулирования частоты вращения;
точность поддержания частоты вращения (разность между заданной частотой вращения и выходной частотой);
чувствительность привода к изменению параметров;
динамические характеристики привода при возмущении по управлению и нагрузке;
коэффициент полезного действия.
Диапазон регулирования частоты вращения выбирают в зависимости от размеров обрабатываемых заготовок и режимов резания. Для приводов главного движения он в пределах от до.
Самый распространенный привод главного движения в металлорежущих станках (токарных, фрезерных, расточных) средних размеров – привод с механическим регулированием скорости, состоящий из односкоростного электродвигателя переменного тока и коробки скоростей.
На рис. 6.1 показаны наиболее распространенные варианты расположения коробок скоростей с приводными электродвигателями на базовых элементах станков, а на рис. 6.2, 6.3 и 6.4 представлены конструкции некоторых типов коробок скоростей станков.
а) б) в) г)
д) е) ж) з)
Рис. 6.1. Варианты установки электродвигателя коробок скоростей
Рис. 6.2. Шпиндельный узел горизонтально-расточного станка