Rashet_i_proektir_shpind_uzlov_metaloreg ush_stank-Shesterninov_Kirilin (Курсач пини 5 курс), страница 7

9. Составляющие перемеРис. 10. Схемы к расчету шпинщения шпинделя в расчетномдельного узла на жесткостьсеченииУгол поворота (рад) в передней опоре48В этих зависимостях под Р и Q понимают составляющие сил, приведенныек одной плоскости.

Перед Q принимают знак "плюс", если силы Р и Q направлены в одну сторону и знак "минус", если они направлены в противоположныестороны.СХЕМА 2. Приводной элемент расположен на задней консоли на расстоянииС от задней опоры (рис. 10, а). Этот случай характерен для внутришлифовальныхи отделочно-расточных головок. Перемещение переднего конца шпинделя сучетом защемляющего момента в передней опореЗнаки перед Q соответствуют случаю, когда силы Р и Q направлены в однусторону.

Если же они направлены в противоположные стороны, знаки перед Qзаменяются на противоположные. Перемещение переднего конца шпинделя приотсутствии защемляющего момента вычисляют по вышеприведенной формулепри ∈ = 0.СХЕМА 3. Шпиндель не нагружен силами от привода, на него действует силарезания Р (рис. 10, б).

Такие шпиндельные узлы часто применяют в прецизионныхстанках. Перемещение переднего конца шпинделя с учетом защемляющего моментав передней опоре49Угол поворота шпинделя в передней опореВведя в зависимости этого раздела безразмерное отношение λ=l / a, характеризующее относительную длину межопорной части шпинделя, из равенства (dδ / δλ)=0 находят оптимальное значение λ, а следовательно, и оптимальное по условию жесткости расстояние между опорами шпинделя.8.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО КОНСТРУИРОВАНИЮШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВИсходными данными при проектировании шпиндельного узла являются:тип, размер, класс точности станка, предельные параметры процесса обработки(предельные значения частоты вращения шпинделя, силы резания, крутящегомомента); тип и расположение привода; вид смазки.Материал шпинделя выбирают исходя из требований обеспечить необходимую твердость и износостойкость его шеек и базирующих поверхностей, а такжепредотвратить малые деформации шпинделя с течением времени (коробление).Шпиндели станков нормальной точности изготавляют из сталей 40Х, 45, 50с закалкой ответственных поверхностей до твердости 48...56 HRCэ с использованием индукционного нагрева. Если его применение вызывает затруднение,шпиндели изготавливают из стали 40ХГР или 50Х и подвергают объемной закалкедо твердости 56...60 HRCэ.Шпиндели станков с ЧПУ и многоцелевых станков, для которых требуетсяповышенная износостойкость поверхностей, используемых для центрированияи автоматического закрепления инструментов или приспособлений, изготавливаютиз сталей 20Х, 18ХГТ, 12ХН3А с цементацией и закалкой до твердости 56...60HRCэ.Для шпинделей прецизионных станков применяют азотируемые стали38ХМЮА, 38ХВФЮА с закалкой до твердости 63...68 HRCэ.Тип подшипника выбирают по критериям точности, жесткости и частотывращения шпинделя.

В зависимости от требований к станку один из параметров50может стать наиболее важным, при этом высокие значения жесткости и частотывращения не могут быть достигнуты одними и теми же путями.В зависимости от требуемой быстроходности шпиндельные узлы можноразделить на две группы:1. Имеющие параметр быстроходности dmnmax от 3 • 105 до 6 • 105 мм • мин-1при окружной скорости шейки шпинделя 15...30 м/с и допускающие скоростьрезания до 1000 м/мин;2. Имеющие параметр быстроходности dmnmax от 6 • 105 до 18 • 105 мм • мин-1при окружной скорости шейки шпинделя 30...90 м/с и допускающие скоростьрезания до 4000...6000 м/мин.В шпиндельных узлах первой группы могут быть установлены подшипникикачения любого типа, для узлов второй группы наиболее подходят радиальноупорные шарикоподшипники с углом контакта 12...18°.Передняя опора шпинделя нагружена больше задней.

Ее погрешности вбольшей степени влияют на точность обрабатываемых на станке деталей. Поэтомув передней опоре устанавливают подшипники более точные, чем в задней.Переднюю опору делают более жесткой, для чего в ней часто устанавливаютсдвоенные подшипники. Для увеличения жесткости шпиндельного узла в целомподшипники, предназначенные для восприятия осевых нагрузок, целесообразноустанавливать в переднюю опору, а заднюю опору делать плавующей.Для повышения жесткости опоры к ней прикладывают предварительнуюнагрузку, с помощью которой устраняют зазоры в подшипниках и создают в нихпредварительный натяг. Последний может быть жестким и мягким. Жесткийнатяг получается в результате жесткой фиксации колец подшипника друготносительно друга, для чего сошлифовывают торец одного кольца и смещаютего в осевом направлении, устанавливают втулки различной длины между наружными и внутренними кольцами или используют особенности конструкцииподшипника.

По мере изнашивания подшипников жесткий натяг снижается.Мягкий натяг создается пружиной, обеспечивающей постоянство осевой нагрузки.В станках, работающих в широком диапазоне нагрузок, применяют системыавтоматического регулирования натяга, обеспечивающие заданную жесткостьшпиндельного узла при сохранении долговечности подшипников.Размеры шпинделя влияют на его жесткость, температуру опор, точность.Так, с увеличением диаметра повышается жесткость, но возрастает тепловыделение. Жесткость зависит так же от расстояния между опорами и длины консоли.Поэтому, если заданы тип опор и вид смазки, главные размеры шпиндельного узлаопределяют в результате расчетов на быстроходность, жесткость, биение шпинделя51и нагрев подшипников.Размеры посадочных поверхностей для крепления инструмента или приспособления регламентируются стандартами на передние концы шпинделей и зависятот типа и размера станка.Расстояние от переднего торца шпинделя до середины передней опоры,называемое вылетом шпинделя, зависит от размеров названных выше посадочных поверхностей и выбирается минимальным.Верхнее возможное значение диаметра d посадочного отверстия переднегоподшипника определяется наибольшей частотой вращения шпинделя nmax, диаметром d1 переднего конца шпинделя, наибольшей допускаемой температурой(диаметром dТ , вычисленным по условию нагрева).

Нижнее возможное значениеd определяется допускаемой жесткостью шпиндельного узла (минимальнымдиаметром dj , найденным по условию жесткости), диаметром do (диаметрвнутреннего кольца, замеренный в среднем сечении передней опоры) и минимальной толщиной стенки tmin (толщина стенки шпинделя в среднем сечениипередней опоры). Эти ограничения можно представить в виде неравенств:Верхнее возможное значение расстояния между опорами l определяетсядлиной шпиндельной бабки, нижнее условиями размещения на шпинделе необходимых устройств, в том числе приводного элемента, а так же сильным влияниемрасстояния l на передачу биения подшипников на передний конец шпинделя. Если∆, ∆ n и ∆ 3 - радиальные биения конца шпинделя, переднего и заднего подшипников, тоОтсюда следует, что по критерию биения переднего конца шпинделяl > 2,5a.Если подшипники качения сопрягаются с деталями относительно низкойточности, в процессе монтажа подшипников и регулирования зазоров или натягапрофиль дорожек качения искажается, в результате чего жесткость и точностьшпиндельного узла снижается.

Поэтому отклонения размеров и форм поверхнос-52тей деталей, сопряженных с подшипниками качения, должны быть меньшеотклонений контактирующих с ними поверхностей подшипников.9. РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА ПО ПРОГРАММЕ SPINCH9.1. НАЗНАЧЕНИЕ ПАКЕТА ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ ИУСЛОВИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯПакет прикладных программ (ППП) SPINCH предназначен для автоматизированного расчета статических и динамических характеристик шпиндельногоузла (ШУ) металлорежущих станков на основе использования стержневогометода конечных элементов и модального анализа.В связи с усложнением конструкций и повышением требований к металлорежущим станкам, с одной стороны, и сокращением сроков изготовления новыхобразцов, с другой стороны, все более актуальной становится задача их многокритериальной оценки.

Во многих случаях показатели качества станка определяютсяконструкцией ШУ. Их оценка на стадии проектирования для альтернативныхвариантов конструкций позволяет выбрать лучший вариант и исключитьвозможность грубых про счетов. ППП позволяет производитьавтоматизированный расчет статических и динамических характеристик ШУметаллорежущих станков на различных опорах (качения, аэро- и гидростатических и других) при наличии параметров, характеризующих их жесткостные идемпфирующие свойства.Результатом статического расчета ШУ являются:1) осевые и радиальные упругие деформации, а также углы поворота сеченийшпинделя, соответствующие узловым точкам расчетной схемы от заданныхнагрузок и, при необходимости, веса шпинделя;2) реакции в опорах ШУ и стыках.При динамическом расчете ШУ определяются:1) собственные частоты и модальные коэффициенты демпфирования;2) нормальные формы колебаний упругой системы ШУ (изгибные и осевые)в заданном частотном диапазоне;3) АФЧХ ШУ по любой заданной координате как от силы резания, так и отсилы (момента), приложенной в любой узловой точке расчетной схемы.Модальные параметры ШУ (собственные частоты, модальные коэффициенты демпфирования, нормальные формы колебаний) могут быть использованыдля:- получения реакции на произвольное воздействие;53- анализа влияния на амплитуду колебаний отдельно жесткостных и демпфирующих характеристик;- не совмещения характеристик ШУ с характеристиками несущей системы иглавного привода главного движения станка;- сопоставления с аналогичными характеристиками, получаемыми в результате обработки экспериментальных частотных характеристик.При расчете ШУ его конструкция представляется плоской расчетной схемойв правой прямоугольной системе координат (X, Z, ϕ Y ).