Выбор основных параметров

Проектирование шпиндельного узла производится на базе станка-прототипа. Основными параметрами являются диаметр шпинделя под передней опорой и расстояние между опорами l.

С целью обеспечения максимальной жесткости величина d выбирается настолько большой, насколько допускает параметр [d×n] предельной быстроходности опор качения, и уточняется по каталогу с учетом выбранного подшипника. Для подшипников качения [d×n]=4∙10⁵ мм∙мин^-1 (специальные прецизионные высокоскоростные опоры допускают до 2,5∙10⁶ мм∙мин^-1).

Для нашего случая при требуемой максимальной частоте вращения шпинделя n_max=4000мин^-1

мм.

По аналогии с прототипом для обеспечения повышенной жесткости применяем двухрядный подшипник с короткими цилиндрическими роликами 3182120 d=100мм. Проверяем по каталогу (см. также прил. 6.2.) значение наибольшей частоты вращения. Она составляет 3400 мин^-1 при пластичной смазке и 4300мин^-1 при жидкой смазке – что допустимо.

Расстояние между опорами l ориентировочно принимают не менее
l ≥(2,5…3)d_max и далее уточняют по конструктивным соображениям. Обычно l≈(3…5)d_max.

При d_max=100мм l ≥(2,5…3)100=250…300мм. Принимаем по конструктивным соображениям l=3,5×d_max=350 мм.

Методика выбора оптимальных величин расстояния между опорами шпинделя, рекомендуемая к применению при дипломном проектировании, дана в [7, 11].

Особенности конструкции

Конструкция шпиндельного узла определяется типом и размером станка, требуемой точностью, параметрами обработки. Как правило, это шпиндель на двух опорах качения. Основные схемы расположения подшипников в опорах и рекомендации по их применению даны в работах [7, 11].

Конфигурация переднего конца шпинделя, предназначенного для крепления инструмента или заготовки, для большинства станков стандартизирована (см. прил. 6.1.). Конфигурация внутренних поверхностей определяется наличием отверстия для пруткового материала и конструкцией зажимного устройства, встраиваемого в шпиндель d _отв = (0,5÷0,7)d_min .

Крутящий момент от привода передается через зубчатые или ременные передачи; при этом желательно по возможности разгружать шпиндель от действия возникающих окружных и радиальных сил.

В качестве материалов для шпинделей используются качественные углеродистые и легированные стали (45,20Х, 40Х, 38ХМЮА и др.) с закалкой посадочных поверхностей до твердости не менее HRC_э=45.

Параметры подшипников качения, используемых в опорах шпинделя, приводятся в каталогах (например, [10]). Для широко применяемых для восприятия радиальных нагрузок в шпиндельных узлах двухрядных подшипников с короткими цилиндрическими роликами серии 3182100 они даны в прил. 6.2., а для воспринимающих осевые нагрузки шариковых упорно-радиальных с углом контакта 60˚ серии 178800 – в прил.6.3. Используют также конические роликоподшипники типов 2007100 и шариковые радиально-упорные серий 36100, 46100.

Конструкция передней опоры шпинделя многоцелевого станка с применением таких подшипников приведена в прил. 6.4. Примеры конструкции некоторых шпиндельных узлов даны в прил. 6.5…6.9.

Расчет жесткости

Одним из основных критериев работоспособности шпиндельного узла является жесткость по прогибу (или углу поворота), приведенная к зоне действия усилия резания. Типовая расчетная схема для определения радиальной податливости (величины, обратной жесткости) под действием силы резания P приведена на рис. 9.1. При этом шпиндель совместно с режущем инструментом представляют как балку переменного сечения, состоящую из четырех участков. Два участка длиной с₁ и с₂ с моментами инерции J₁ и J₂ соответствует размерам режущего инструмента (или заготовки). Их размеры согласуют с руководителем проекта. Участки длиной с₃ и l с моментами инерции J₃ и J₄ соответствуют размерам шпинделя. Жесткость опор А и В для наиболее распространенных типов подшипников дана в табл. 9.1.

Податливость δ_р под силой Р находим по формуле:

Таблица 9.1

РАДИАЛЬНАЯ ЖЕСТКОСТЬ ПОДШИПНИКОВ

Тип подшипника	Внутренний диаметр подшипника, мм
Жесткость подшипника, Н/мкм
Конический роликовый 2007100
Радиально-упорный
Радиальный роликовый двухрядный с коническим отверстием 3182000

Здесь: размеры участков (D – наружный диаметр, d – внутренний диаметр)

с₁=60мм; D₁=50мм;

с₂=70мм; D₂=80мм;

с₃=80мм; D₃=125мм; d₃=60мм;

l=350мм; D₄=100мм; d₄=50мм;

с=с₁+с₂+с₃=210мм.

Момент инерции сечения участков:

J₁=0,05D₁⁴=0,05∙50⁴=31,25∙10⁴мм⁴;

J₂=0,05D₂⁴=0,05∙80⁴=205∙10⁴мм⁴;

J₃=0,05(D₃⁴-d₃⁴)=0,05(125⁴-60⁴)=1155∙10⁴мм⁴;

J₄=0,05(D₄⁴-d₄⁴)=0,05(100⁴-50⁴)=469∙10⁴мм⁴;

Е= 2,1∙10⁵Н/мм² – модуль упругости стали.

Податливость опор определяем по данным табл.9.1.

В передней опоре А подшипник 3182120; жесткость с_А=1050Н/мкм, податливость δ_А=1/с_А=1/1050=0,955∙10^-3мкм/Н=0,955∙10^-6мм/Н.

В задней опоре В подшипник 3182116 жесткость с_В=760Н/мкм, податливость δ_В=1/с_В=1/760=1,32∙10^-3мкм/Н=1,32∙10^-6мм/Н.

Величина радиальной жесткости

.

Значение жесткости на переднем конце шпинделя для ряда станков нормируется (некоторые данные приведены в [11]); при проектировании следует обеспечивать максимально возможную жесткость. Величина радиальной жесткости ниже 10Н/мкм вызывает проблемы при обработке лезвийным инструментом, связанные с потерей устойчивости процесса резания.

Величину жесткости можно также оценивать, исходя из требований к точности обработки. При этом смещение переднего конца шпинделя d под действием чистового усилия резания P_ч не должно превосходить 1/3 допуска на изделие d_И.

В нашем случае (если принять P_ч = 500Н)

.

И для данных условий обработки обеспечивается точность

.

Для определения жесткости по углу поворота на переднем конце шпинделя следует использовать известные зависимости из сопротивления материалов. Для простых случаев подходят формулы из табл. 7.4. (угол θ_с под силой F₁).

Уточненные расчеты жесткости производят на ЭВМ с использованием прикладных программ (например, [8]).

9.4.