Критерии работоспособности ШУ

Критериями работоспособности ШУ, от которых непосредственно зависят его качество и технологические возможности и по которым выполняются необходи­мые для правильного выбора узла расчеты, служат следующие показатели:

- быстроходность,

- нагрузочная способность;

- точность;

- статическая жесткость (осевая и радиальная);

- динамические характеристики;

- энергетические потери;

- тепловые характеристики (нагрев опор и изменение условий их работы при нагреве);

- надежность.

В качестве показателя быстроходности ШУ принято произведение , где - диа­метр передней шейки шпинделя (диаметр отверстия подшипника), в мм; - наибольшая частота вращения шпинделя, в мин-1. Быстроходность ШУ зависит от типа шпиндельных подшипников, вида и спо­соба их смазки и охлаждения.

Нагрузочная способность определяется допускаемым крутящим мо­ментом или мощностью на шпинделе, которые зависят в основном от возможностей привода и несущей способности шпиндельных опор. Нагрузки, допускаемые опорами качения, ограничиваются, как правило, выносли­востью поверхностных слоев колец и тел качения и определяются расчетом на выносливость.

Удобным показателем для оценки нагрузочной способности является отношение , где - мощность привода. В шпиндельных узлах на подшипниках качения для токарных и фрезерных станков обычно равно 0,2...0,3 кВт/мм.

Точность ШУ, в первую очередь, зависит от типа применяемых опор. Действующей нормативной документацией для станков общего на­значения регламентированы стандартные величины радиального и осе­вого биений (а для ШУ, совершающих вращательно-поступательные движения, дополнительно регламентированы прямолинейность переме­щения в зависимости от класса точности станка). Для специальных станков точность вращения переднего конца шпинделя предварительно выбирают в зависимости от требуемой точности обработки (как треть от суммы допусков на регламентированные параметры точности готово­го изделия).

Статическая жесткость ШУ - одна из наиболее важных его характе­ристик, поскольку определяет величину упругих деформаций шпинделя при резании. Статическая жесткость ШУ , где - сила, приложенная к переднему концу шпинделя; - прогиб переднего конца шпинделя, зависит от типа опор и конструктивных размеров шпинделя. Существенное влияние на жесткость ШУ оказывает вылет шпинделя , поэтому при проектировании всегда необходимо стремиться к его уменьшению. Баланс упругих деформаций на переднем торце шпинделей на опорах качения в токарных станках следующий: деформации передней опоры составляют 40...50%; задней - 2...3%; деформации консольного участка шпинделя - 15...20%; межопорного участка – 30…40%.

Единых норм для назначения жесткости ШУ не существует, однако исходя из обеспечения нормальной работы подшипников жесткость межопорной части шпинделя принимают 250…500 Н/мкм (большие значения – для станков повышенной точности), что определяет диаметр межопорной части , где - межопорное расстояние. Жесткость ШУ можно также оп­ределять исходя из требований к точности обработки. При этом смеще­ние переднего конца шпинделя ограничивают: , где - сумма допусков на изделие.

Динамические характеристики ШУ включают частоты собственных коле­баний, амплитудно-фазовую частотную характеристику (АФЧХ), динамичес­кую жесткость и формы колебаний на собственных частотах, коэффициенты демпфирования (или декременты затухания). Являясь показателями динамического качества ШУ, эти харак­теристики в значительной мере определяют уровень колебаний шпинделей при резании, от которого зависит не только качество и производительность обработки, но и стойкость инструмента.

Низшие собственные частоты шпинделей - важные самостоятельные ха­рактеристики ШУ, так как работа шпинделей в резонансной зоне с частотой вращения, близкой к собственной частоте (в диапазоне , где - собственная частота), невозможна.

Большинство шпинделей работает в дорезонансной зоне (т.е. с час­тотой вращения меньшей, чем первая собственная частота). Для вы­сокоскоростных шпинделей, в частности для высокоскоростного фрезерова­ния или шлифования, работающих в зарезонансной зоне, необхо­димо применение специальных устройств для безопасного перехода через резонанс при разгоне и торможении. Таким образом, расчет собственных частот при проектировании высокоскоростных ШУ обязателен.

Динамическая жесткость, АФЧХ, декременты затуханий относятся к промежуточным характеристикам при расчетах виброустойчивости и ампли­туд вынужденных колебаний. Самостоятельного значения эти характеристи­ки не имеют, однако могут быть использованы при сравнении вариантов конструкций. Формы колебаний дают представление об участках шпинделей, размах колебаний которых на тех или иных частотах наибольший, что важ­но для правильного конструирования ШУ, в частности размещения масс.

Энергетические потери в ШУ характеризуются моментом трения или мощностью холостого хода и определяются потерями на трение в приводах и шпиндельных опорах.

С ростом частот вращения потери в опорах качения резко возрастают и в высокоскоростных ШУ оказываются соизмеримыми с затратами энергии на процессы резания.

Потери в опорах качения зависят от типа опор, вида смазочного ма­териала, его количества и вязкости. Уменьшение потерь достигается при минимальном количестве смазочного материала. Момент трения холос­того хода в двухрядном роликоподшипнике примерно вдвое выше, чем в радиально-упорном шарикоподшипнике. Энергетические потери при установившейся температуре ниже, чем при пуске, вследствие уменьшения вязкости смазки с ростом температуры.

Тепловые характеристики. Нагрев шпиндельных опор и смещение оси шпинделя в результате на­грева в значительной мере ограничивают форсирование режимов резания. Нагрев опор ШУ в основном является следствием энергетических потерь в них. Считается, что средняя температура опор качения не должна пре­вышать 50...60°С. Крайне важен характер изменения температуры опор ка­чения высокоскоростных ШУ при разгоне, так как в первые моменты разго­на возможен резкий разогрев опор при более медленном разогреве корпу­са, что может привести к заклиниванию и разрушению опор. Нагрев опор качения вызывает изменение зазора-натяга и, соответственно, внутренних сил в подшипниках вследствие температурных деформаций. Это, в свою оче­редь, влияет на другие характеристики ШУ - статическую жесткость, дина­мические и энергетические характеристики, ресурс подшипников.

Надежность. Для ШУ важно обеспечение высокой параметрической надежности, т.е. сохранение первоначальной точности во времени. Главные причины снижения параметрической надежности – тепловые процессы, скорость которых соизмерима с продолжительностью обработ­ки заготовки на станке, и износ.

Основными показателями для оценки параметрической надежности ШУ служат вероятность безотказной работы и запас надежности для каждого из регламентируемых параметров точности ШУ, а так­же ресурс по точности.

Ресурс подшипников зависит от качества их изготовления, монтажа и условий эксплуатации. Ресурс подшипников качения обусловлен поте­рей точности в связи с изнашиванием.

Общие положения о проектировании шпиндельных узлов

Проектирование шпиндельного узла, который состоит из шпинделя, имеющего условно передний конец и межопорный участок, приводного элемента и шпиндельных опор, включает: определение мощности на шпинделе, нагрузок на него; выбор привода, типа опор; определение диаметра шпинделя, расстояния между опорами; разработку конструкции шпинделя; выбор материала шпинделя и вида термообработки; выбор устройств для смазывания опор, уплотнений и т.д.

Форма шпинделя определяется числом и положением деталей, которые должны быть размещены на нем; требуемыми их посадками; способами крепления неподвижных деталей (шпонки, шлицевое соединение, поперечные штифты, буртики, стопорные кольца и пр.) и направления передвижных (направляющие шпонки или шлицевый участок); способом регулирования радиального и осевого положения шпинделя; типом и размерами подшипников; технологией термообработки (форма переходов между участками различного диаметра и пр.) и сборки.

На шпинделе нежелательно располагать детали, перемещающиеся вдоль оси (например, передвижные колеса), устройства, выделяющие теплоту (например, электромагнитные муфты).

Следует стремиться к возможно более простой форме шпинделя, так как чем она более проста, тем обычно и менее трудоемка в отношении механической обработки и контроля, тем меньше отходы металла в виде стружки и тем меньше брака получается при термообработке. При этом опорные шейки должны быть такого диаметра, чтобы не было резких перепадов между концом шпинделя и другими его участками.

В станкостроении применяются, как правило, посадки по системе отверстия; поэтому для облегчения сборки шпинделя, на котором должно быть размещено несколько деталей с различными посадками, вал удобно делать ступенчатым, особенно при неподвижной посадке детали, если только она не находится на конце вала.

Основные размеры шпинделя, определяемые конструктором на стадии эскизного проекта, следующие: диаметр шейки шпинделя под передней опорой ; вылет шпинделя (длина консольной части); расстояние между опорами ; диаметр переднего конца ; диаметр шпинделя между опорами ; диаметр шпинделя в задней опоре .

Ориентировочно минимально необходимый для передачи мощности диаметр шейки шпинделя под передней опорой для токарных, фрезерных, расточных и многоцелевых станков составляет

.

Вылет шпинделя определяется в основном размерами передней опоры, используемым уплотнением и способом крепления приспособления или инструмента, и его во всех случаях стремятся сделать минимальным. Отношение расстояния между опорами к длине консольной части шпинделя во всех случаях следует принимать ³2,5.

Расстояние между опорами предварительно принимают , затем оно корректируется в результате прочерчивания всех элементов шпиндельной группы и последующего расчета. Уменьшение расстояния между опорами снижает прогибы тела шпинделя и габариты станка, но увеличивает реакции и упругие деформации опор и влияние на точность обработки биений и деформаций подшипников.

Диаметр переднего конца принимается с учетом типа и номера конусного отверстия в шпинделе, оговоренных в техническом задании, и согласуется затем с соответствующим стандартом для данного типа станка.

Диаметр шпинделя между опорами необходимо выполнять возможно большего диаметра: обычно .

Диаметр шпинделя в задней опоре принимается .

Диаметр сквозного отверстия в теле шпинделя определяется с учетом размеров механизма зажима инструмента или диаметра прутка.

На шпиндель действуют нагрузки, зависящие от сил резания, сил в приводе (ременном, зубчатом) и центробежных сил, возникающих от неуравновешенности вращающихся деталей самого шпиндельного узла.

При проектировании шпинделя проводятся следующие основные расчеты: расчет на жесткость, который выполняется для шпинделей всех типов; расчет на пpoчность, выполняемый для тяжелонагруженных шпинделей; расчет на виброустойчивость, который производится для высокооборотных шпинделей, а также для шпинделей с большими вращающимися массами; расчет радиального биения оси.

Собственная частота шпинделя в опорах должна быть не ниже 500 ... 600 Гц.

Восприятие осевых усилий рекомендуется в передней (или соответственно нижней) опоре во избежание вредного влияния осевых температурных и упругих деформаций.