Алгоритм проектирования шпиндельного узла
Структурная модель системы проектирования шпиндельного узла представлена на рис. 5.16 [7].
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. Определение dк, dм, dз, а (проработка эскизного проекта) |
6. Расчет межопорного расстояния lопт, коррекция l 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. 5.16. Алгоритм проектирования шпиндельного узла
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 (l); 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.
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) (см. рис. 5.16).
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 w. Она разная на разных частотах w и характеризуется отношением амплитуды возмущающей силы, меняющейся по гармоническому закону, к амплитуде соответствующего перемещения. При w = 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. 5.7).
Таблица 5.7
Допустимые значения температуры нагрева наружного кольца подшипника качения в °С
Класс точности станка | Н | П | В | А | С |
Допустимая температура нагрева наружного кольца подшипника, °С |
Виброустойчивость оценивается по амплитуде волнистости на обработанной поверхности, амплитуде колебаний корпуса шпиндельной бабки, максимальным количеством металла, срезаемого с заготовки в единицу времени без потери станком устойчивости, частотами собственных колебаний.
Виброустойчивость прямо зависит от динамической жесткости, которая в свою очередь зависит от статической жесткости и демпфирования.
Долговечность оценивается продолжительностью работы в часах до тех пор, пока показатели качества работы (точность, нагрев, виброустойчивость и др.) находятся в допустимых пределах.
Экономичность оценивается суммарными приведенными затратами на изготовление и эксплуатацию.
На третьем этапе проектирования выбирается тип опор шпинделя.
Выбирается прежде всего в зависимости от требуемой точности вращения шпинделя, точности обработки и частоты вращения.
Для выбора типа опор предложена табл. 5.8.
Согласно опыту промышленности и данным табл. 5.8 для высокоточных шпиндельных узлов (круглость обработанных образцов Dr ≤ 1,0 мкм), следует выбирать гидростатические подшипники при переменной частоте вращения шпинделя.
Для шпиндельных узлов, где требуется точность обработки в пределах 0,5 £ Dr £ 2 мкм, но при этом необходима большая долговечность узла при постоянной высокой частоте вращения, следует применять гидродинамические подшипники.
Таблица 5.8
Дата добавления: 2021-02-19; просмотров: 485;