Мещерякова В.Б. 2015 Металлорежущие станки с ЧПУ, страница 10

ПРИВОД ГЛАВНОГО ДВИЖЕНИЯ, УЗЕЛ ШПИНДЕЛЯПривод главного движения обеспечивает вращение шпинделяс заготовкой в токарных станках с ЧПУ или с оправкой и режущиминструментом на фрезерных, многоцелевых и шлифовальных станках с ЧПУ.В строгальных, долбежных и протяжных станках этот приводобеспечивает возвратно-поступательное перемещение режущего инструмента.Привод главного движения должен обеспечивать:• заданный, достаточно широкий диапазон частот вращенияшпинделя c определенным (иногда с бесступенчатым) регулированием nшп внутри этого диапазона.

В связи с увеличениемmax. Так,скоростей резания на станках с ЧПУ увеличивается nшпдля токарных станков с ЧПУ это значение находится в пределах4000–8000 мин−1, а для фрезерных и многоцелевых станков —в пределах 8000–18 000 мин−1;• для токарных станков с ЧПУ — поворот шпинделя в режиме позиционирования по координате C, режим резьбонарезания и регулирования частоты вращения для обточки с постоянной скоростью резания;• для многоцелевых станков — ориентацию положения шпинделядля смены оправки с инструментом;• необходимые для процесса резания мощность P и крутящий момент Мкр;• включение, выключение, а также, если это необходимо, торможение и реверсирование вращения шпинделя;• заданные конструктивно-технические требования по точностивращения шпинделя и удобству компоновки шпиндельнойбабки на станке;• достаточную надежность привода в процессе эксплуатации (в томчисле ограничение перегрузок при переходных процессах);• минимальные энергетические потери (высокий КПД привода)и ограничение уровня шума в допустимых пределах;• рациональные габариты, минимально возможные материалоемкость и стоимость привода;• широкое применение унифицированных и стандартизованныхэлементов привода.В станках с ЧПУ преимущественно применяют электромеханические приводы главного движения, у которых электрическая часть55(электропривод) состоит из электродвигателя переменного или постоянного тока и преобразующих и управляющих устройств, а механическая — из отдельных передач (зубчатых, ременных и др.).Типовые структурные схемы построения приводов главного движения станков с ЧПУ показаны на рис.

3.6.Во всех приводах применяется регулируемый электропривод(РМ). Вращение от электродвигателя на шпиндельную бабку (ШБ)может передаваться непосредственно через муфту (рис.3.6, а) иличерез клиноременную передачу (рис. 3.6, б, в). При этом коробкаскоростей (КС) может быть встроена в шпиндельную бабку (рис. 3.6,б, в) или выполняться отдельно от шпинделя (Ш) (рис. 3.6, в).Иногда в станках с ЧПУ применяется привод с двухступенчатойкоробкой скоростей. В этом случае вращение от электродвигателяпередается на шпиндель через блок из двух шестерен.

Переключениеэтого блока поршнем гидроцилиндра позволяет получить два диапазона частот вращения шпинделя (низких и высоких). Регулированиечастот вращения внутри каждого диапазона производится системойуправления электродвигателя.В настоящее время в ряде станков с ЧПУ применяют привод ввиде мотора-шпинделя (рис.

3.6, г), когда на шпиндель устанавливается ротор встроенного электродвигателя.На рис 3.7 показана конструкция узла шпинделя многоцелевогостанка с ЧПУ с горизонтальной компоновкой шпинделя моделиVcenter-H500 фирмы Victor (Тайвань) со встроенным электродвигателем. Ротор 4 электродвигателя установлен на шпинделе 5, а статор собмотками 3 — в корпусе 2 с каналами подачи воды для охлаждения.Также охлаждение проводится и передней опоры шпинделя подачейа)б)в)г)Рис.

3.6. Схемы построения приводов главного движения в станках с ЧПУ56346571 и 2 — соответственно гильзы для охлаждения передней опоры и статора ЭД; 3 — статор; 4 — ротор; 5 — шпиндель; 6 — тарельчатыепружины; 7 — гидроцилиндр разжима оправки с инструментомРис. 3.7. Конструкция узла шпинделя со встроенным электродвигателем (мотор-шпиндель):12воды по каналам на втулке 1. Зажим оправок в шпинделе станка проводится тарельчатыми пружинами 6, а разжим — гидроцилиндром 7.Конечным звеном привода главного движения является шпиндельный узел и, в частности, сам шпиндель станка.Шпиндельный узел (ШУ) должен обеспечивать:• восприятие сил резания и сил от веса заготовки при малых статических, динамических и термических смещениях;• возможность изменения в широких пределах частот вращенияшпинделя;• зажим-разжим заготовки (на токарных станках) или оправки синструментом (на фрезерных и многоцелевых станках).Критериями работоспособности ШУ являются: нагрузочная способность, точность вращения, быстроходность, упругие смещенияот сил резания, нагрев опор и температурные деформации, статическая жесткость и др.Нагрузочная способность ШУ определяется допустимым крутящиммоментом и мощностью на шпинделе и зависит от нагрузочной способности опор шпинделя и силовых возможностей привода.Точность ШУ оценивается радиальным, осевым и торцовым биением шпинделя.Быстроходность оценивается по произведению nшп ⋅ d (мм/мин),где nшп — частота вращения шпинделя (мин−1), а d — диаметр подшейку переднего подшипника (мм).Статическая жесткость определяется по радиальному и осевомусмещениям конца шпинделя под действием прилагаемых к шпинделю сил.

При этом суммарное смещение складывается из собственной деформации шпинделя и деформации его опор.Жесткость и нагрузочную способность шпиндельных узлов станков с ЧПУ увеличивают, не только создавая более рациональныеконструкции, но и применяя в качестве опор шпинделей новыеподшипники качения. Например, для восприятия радиальных нагрузок шпинделями в современных станках применяют двухрядныероликовые подшипники с регулированием величины радиальногозазора. Для восприятия осевых нагрузок, действующих на шпиндель, применяют прецизионные двухрядные упорно-радиальныешарикоподшипники с углом контакта 60° (сер.

178800). Их устанавливают рядом с двухрядным роликовым подшипником с цилиндрическими роликами в передней опоре шпинделя. Параметр быстроходности у них в 2–2,5 раза больше, чем у обычных упорныхшарикоподшипников.Наиболее характерными показателями динамического качестваШУ являются частота собственных колебаний, амплитудно-частотные характеристики, форма колебаний на собственной частоте.Часто виброустойчивость станков на 40–50% определяется ШУ.58Причинами вибраций могут быть дисбаланс вращающихся деталей (зубчатые колеса, шкивы, втулки и др.), прерывистый характеррезания, переменная жесткость опор шпинделя и др.Нагрев опор шпинделя приводит к изменению предварительногонатяга в подшипниках (снижается работоспособность ШУ), а такжек смещению конца шпинделя с заготовкой или с инструментом из-затемпературных деформаций.Энергетические потери в ШУ характеризуются моментом тренияи мощностью холостого хода и учитываются при выборе опор шпинделя и назначении мощности приводного электродвигателя (особенно для скоростных шпинделей).Как видно из сказанного выше, многие характеристики ШУ определяют тип опор шпинделя и их конструктивное исполнение.На рис.

3.8 схематично показаны основные виды опор шпинделей. Наибольшее применение в ШУ станков с ЧПУ получили опорыс подшипниками качения.В отдельных станках при специфических требованиях к точности,быстроходности, демпфированию, снижению потерь на трение при-а)б)г)в)д)Рис. 3.8. Основные виды опор шпинделей:а — подшипник качения; б и в — соответственно гидродинамическийи гидростатический подшипники скольжения; г — подшипник с газовой смазкой;д — активный магнитный подшипник59меняются также опоры с подшипниками скольжения с жидкой смазкой (гидростатические и гидродинамические), с подшипниками сгазовой смазкой (рис. 3.8, г), а в последнее время и с активными магнитными подшипниками (рис.

3.8, д).На рис. 3.9 показан пример конструкции ШУ, достаточно широкоприменяемой в станках с ЧПУ.В передней опоре шпинделя 6 установлены два подшипника: радиальный двухрядный роликоподшипник 1 и упорно-радиальныйшарикоподшипник 2. Роликоподшипник 1 воспринимает радиальную нагрузку на шпиндель. Радиальный зазор в подшипнике и предварительный натяг создаются и регулируются гайкой 4.

Внутреннеекольцо данного подшипника при осевом смещении перемещаетсяпо конусной шейке шпинделя 6 и деформируется в радиальном направлении. Величина натяга (смещения) регулируется шайбой 5. Длясъема такого роликоподшипника с конусной поверхности шпинделяпроизводится подача масла под давлением по трубопроводу в осевоеотверстие в шпинделе.Для восприятия осевого усилия в данном ШУ (см. рис. 3.9) применяется упорно-радиальный подшипник, натяг в котором создаетсягайкой 4, а величина натяга определяется осевым размером втулки 3.В задней опоре ШУ применяется двухрядный роликоподшипник,аналогичный вышерассмотренному.