- •Ю.Н. Гондин, б.В. Устинов
- •Содержание
- •1. Опорный конспект лекций
- •1.1. Шпиндельные узлы станков
- •1.1.1. Основные требования
- •1.1.2. Конструкция шпиндельного узла
- •Основные типы концов шпинделей
- •Точность и быстроходность шпиндельных узлов на разных опорах
- •Коническом двухрядном в передней опоре
- •В передней опоре
- •1.1.3. 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
- •1.2. Разработка кинематической схемы привода главного движения
- •1.2.1. Множительные структуры коробок скоростей
- •1.2.2. Графическое изображение множительной структуры
- •Тогда передаточное отношение передач согласно графику будет
- •Ряды предпочтительных чисел коробок скоростей
- •Структуры коробок скоростей в зависимости от количества скоростей в приводе
- •1.2.3. Привод с бесступенчатым регулированием скорости
- •1.3. Промышленные роботы
- •Распределение промышленных роботов по видам производства
- •Распределение промышленных роботов по отраслям
- •1.3.1. Основные понятия
- •1.3.2. Основные технические показатели промышленных роботов
- •1.3.3. Классификация промышленных роботов
- •1.3.4. Кинематика и привод манипулятора
- •1.3.5. Системы управления
- •1.4. Эксплуатация и ремонт станочного оборудования
- •1.4.1. Правила эксплуатации станков
- •1.4.2. Испытания станков
- •Консольной заготовки
- •1.4.3. Организация ремонта
- •2. Описание практических занятий
- •2.1.2. Основные технические данные и характеристики станка
- •Основные технические данные и характеристики станка
- •2.1.3. Кинематическая схема
- •2.1.4. Описание конструкции узлов станка
- •1. Коробка скоростей акс 309-16-51
- •2. Шпиндельная бабка
- •3. Приводы продольных и поперечных передач
- •4. Резцедержатель
- •5. Электрооборудование
- •Органы управления и сигнализации станка
- •6. Гидрооборудование
- •2.1.5. Описание работы станка
- •2.1.6. Порядок выполнения лабораторной работы
- •2.1.7. Контрольные вопросы
- •2.2. Лабораторная работа № 2. Робототехнический комплекс для токарной обработки модели тпк-125вн2
- •2.2.1. Общие сведения о станке
- •Основные технические данные станка
- •2.2.2. Кинематическая схема
- •2.2.3. Описание конструкции основных узлов станка
- •2.2.4. Описание устройства и работы робота
- •Основные технические данные
- •2.2.5. Пневмооборудование
- •2.2.6. Порядок выполнения лабораторной работы
- •2.2.7. Контрольные вопросы
- •2.3. Лабораторная работа № 3. Испытание консольно-фрезерного станка модели 6р12пб на точность
- •Проверка точности станка
- •2.4. Лабораторная работа № 4. Испытание консольно-фрезерного станка модели 6р12пб на жесткость
- •2.4.1. Прибор для измерения жесткости вертикально-фрезерных станков
- •И измерительных приборов при испытании на жесткость
- •Порядок проверки на жесткость
- •Технологическая последовательность выполнения проверок
- •3. Контроль знаний
- •Глоссарий
- •Список литературы
Коническом двухрядном в передней опоре
В корпусе 1 соосно с наружным кольцом подшипника 3 установлены неподвижный стакан 5 и выполненный кольцевым неподвижный цилиндр 6. В полости 7 размещены подвижное кольцо 8, конический термоэлемент 9, выполненный из материала с другим коэффициентом теплового расширения в виде клинового кольца, и неподвижное кольцо 10, сопряженные своими коническими торцами.
С противоположного торца кольцевого цилиндра 6 выполнены отверстия, в которых установлены поршни 11.
Поршни 11 во время работы перемещаются от воздействия давления масла или при радиальном расширении (сужении) термоэлемента 9, выполненного из материала с большим (меньшим) коэффициентом теплового расширения, и воздействуют на нажимной стакан 12.
Стакан 12 в свою очередь воздействует на торцы роликов 13 подшипника 3, перемещая их, что меняет радиальный зазор или натяг в подшипнике 3.
Шпиндельный узел на рис. 6 соответствует компоновке 4. Эта конструкция в передней опоре имеет двухрядный роликоподшипник, что повышает радиальную жесткость опоры, а следовательно, и виброустойчивость особенно на операциях прорезки канавок и отрезки заготовок. Установка в передней опоре упорно-радиального шарикового подшипника позволила повысить быстроходность почти в два раза.
Рис. 6. Конструкция шпиндельного узла с упорно-радиальным подшипником
В передней опоре
На рис.7 показана фрезерная головка вертикально-фрезерного станка с ЧПУ с регулируемым электроприводом (мотор-шпиндель), предназначенная для скоростного фрезерования мощностью 30 кВт, n = 10000 мин-1.
Рис. 7. Конструкция шпиндельного узла на шариковых радиально-упорных подшипниках
В этой конструкции вес шпинделя с ротором направлен вниз и соизмерим с предварительным натягом радиально-упорных шариковых подшипников передней опоры. Наружные кольца подшипников задней опоры установлены вверх по Т-образной схеме и подпружинены силой, направленной вверх.
Все компоновочные схемы рис. 3 представлены «запертой» передней опорой и «плавающей» задней. Этим достигается увеличение радиальной жесткости шпиндельного узла за счет защемляющего момента в передней опоре, уменьшение температурного удлинения переднего конца шпинделя и исключаются параметрические колебания и параметрическая неустойчивость. Так, в процессе резания под действием радиальной и периодически изменяющейся осевой силы резания в узлах с «плавающей» передней и «запертой» задней опорами появляются параметрические поперечные колебания, а при некоторых сочетаниях параметров может появиться и параметрическая неустойчивость.
Под действием радиальной силы шпиндель изгибается, а изменяющаяся осевая сила при этом влияет на параметр жесткости. Конструирование по схемам рис. 3 с «запертой» передней опорой исключает это явление.
1.1.3. Алгоритм проектирования шпиндельного узла
Структурная модель системы проектирования шпиндельного узла представлена на рис. 8.
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 (1); расстояние от передней опоры до приводного элемента (b).
3. Внутренние параметры: радиальный внутренний зазор-натяг опор качения (е); предварительный натяг опор качения (Ао); зазор-натяг посадки опор качения (Н); точность опор и сопряженных деталей; параметры опор скольжения.
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. 8. Алгоритм проектирования шпиндельного узла
К зависимым проектным параметрам относятся: диаметр шпинделя на переднем конце (dк); диаметр шпинделя между опорами (dм); диаметр шпинделя в задней опоре (d3) и диаметр шпинделя на заднем конце; диаметр отверстия в шпинделе (di).
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. 3).
Таблица 3