Жесткость шпиндельных узлов.

Жесткость шпиндельного узла определяется упругими перемещениями переднего конца шпинделя под действием сил резания и также регламентируется ГОСТ. Нормативное значение жесткости для станков классов Н и П составляет (50…70) н/мкм. Максимальное значение жесткости шпиндельного узла в основном определяется податливостью его опор.

 

Шпиндельные узлы станочного оборудования.

Шпинделем называется главный, последний от источника движения вал привода

главного движения, служащий для базирования, крепления и передачи

крутящего момента режущему инструменту или заготовке. Вместе с опорой и

приводными элементами он образует один из важнейших узлов станка -

шпиндельный узел.

Шпиндельный узел в значительной степени определяет точность и

шероховатость обработки, по-этому к нему предъявляются особые требования.

1. Точность вращения, определяемая величиной радиального и торцевого биения

шпинделя. Для серийно выпускаемых станков допустимая величина биения

определяется соответствующими стандартами и нормалями станкостроения, для

специальных станков определяется из соотношения:

Допуск на лимитирующий размер детали, тоесть на тот размер,

который должен быть получен на данном станке с максимальной

точностью.

2. Жесткость. Определяется вличиной прогиба и угла поворота переднего конца

шпинделя, как наиболее существенно влияющего на точность и шероховатость

обработки.

3. Надежность. Под надежностью, применительно `_______Rк шпиндельным узлам,

понимают сохранение во времени первоначальной точности вращения шпинделя.

4. Быстроходность. Определяет технологические возможности

высокоскоростной обработки и производительность. За параметр

быстроходности принимают произведение диаметра передней центрирующей

шейки шпинделя на его максимальную частоту вращения.

5. Виброустойчивость. Это способность шпиндельного узла препятствовать

возникновению вибраций или ограничивать их величину.

6. Теплостойкость. Это способность шпиндельного узла препятствовать

возникновению тепловых деформаций или ограничивать их величину.

7. Нагрузочная способность. Определяет максимальный крутящий момент и

мощность на шпинделе. За параметр принимают отношение максимально

допустимой мощности на шпинделе к диаметру передней центрирующей шейке

шпинделя.

8. Быстрое точное и надежное крепление РИ или заготовки.

9. Технологичность изготовления, сборки и эксплуатации.

Для упрощения процесса конструирования и облегчения его автоматизации

шпиндельные узлы подразделяются на следующие подузлы:

1) межопорный участок

2) привод вращения

3) передний конец шпинделя

4) шпиндельная опора

Мероприятия по повышению точности шпиндельных узлов.

Повышение жесткости шпинделей достигается за счет увеличения диаметра или площади поперечного сечения, применения дополнительных опор, повышения жесткости опор качения за счет создания предварительного натяга и т.д.
Для приводов вращения скоростных и точных станков шпиндели выполняют разгруженными от действия изгибающего момента шкивы приводных ремней или шестерен.
Весьма важным является выбор типа последней передачи на шпиндель.
Межопорное расстояние для шпинделей станков нормальной точности принимают равным 4…5 диаметрам шпинделя в передней опоре.
Жесткость j шпинделей легких и средних станков нормальной точности, условно рассматриваемых в виде балки на шарнирных опорах с силой по середине, должна быть не менее 50 н/мкм. Для станков повышенной точности принимают j ³ 50 н/мкм.
Приводные шестерни шпинделей должны выполняться по 6…7 степени точности, иметь плотные посадки и располагаться непосредственно у опор.

Температурные поля в станках. Способы уменьшение вредных температурных деформаций.

    Температурные деформации станка

Основными источниками теплообразования в станке является теплота, выделяющаяся при трении подвижных частей станка, теплота электро- гидропривода, теплота, удаляемая из зоны резания охлаждающей жидкостью, теплота от внешних источников.

Под действием выделяющейся теплоты происходят изменения как размеров и формы деталей, так и их взаимного расположения, что вызывает погрешность обработки.

В качестве примера рассмотрим влияние температурных деформаций на изменение положения станины станка, вызывающее смещение и поворот шпинделя (рис. 66).

Разница в перепаде температур стенок станины в 2-5 °С вызывает появление деформации обрабатываемой детали порядка ΔD = 0,02-0,05 мм.

 

Рисунок 66

Температурное поле станины непостоянно и отличается на 10-60 °С от нормальной температуры в разных точках.

Температурные деформации могут быть представлены графиком изменения температуры при нагревании и охлаждении станка (рис. 67).

 

Рисунок 67

Среднее время нагрева станка до достижения теплового равновесия при длительной обстановке составляет 1-3 часа. Время охлаждения – 10-20 часов в зависимости от размеров станка.

В процессе нагрева передней бабки токарного станка происходит смещение шпинделя в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

В вертикальной плоскости он может смещаться от 20 до 120 мкм (среднее – 50 мкм), горизонтальной – от 10 до 30 мкм (среднее – 15 мкм).

С мещение шпинделя зависит от увеличения частоты вращения и приблизительно пропорционально

График смещения шпинделя в вертикальной и горизонтальной плоскостях приведен на рис. 68.

 

1 – смещение в вертикальной плоскости;

2 – смещение в горизонтальной плоскости

Рисунок 68

Температурное поле передней бабки токарного станка при установившемся тепловом равновесии показано на рис. 69

 

Рисунок 69

Основным источником теплообразования в станке является передняя бабка, температура которой в различных точках находится в пределах 10-50°С

Температура валов и шпинделей на 30-40 % выше температуры корпусных деталей, в которых они размещены. Температура коробки скоростей в пределах 65-80 °С.

Температурные деформации корпуса передней бабки определяются:

, (43)

где a– коэффициент линейного расширения материала передней бабки;t_ср– средняя температура передней стойки станка;h– высота центров.

Температурные деформации валов ходовых винтов определяются:

, (44)

где х– текущая координата длины вала;t_x– температура в этой точке.

Температурная деформация любой детали станка:

, (45)

где L– длина детали;t_д– температура детали.

В производственных условиях при обработке заготовок с небольшими перерывами температурные деформации могут быть представлены графиком на рис. 70, где время работы равно времени перерыва.

 

Рисунок 70

Основными мероприятиями по сокращению температурных деформаций станка являются:

– стабилизация температурного поля станка в зоне резания;

– обеспечение постоянства температуры воздуха в цехе. Например, для финишной обработки температура должна быть в пределах (20±0,5)°С;

– обработка высокоточных заготовок должна производиться в термостатичных цехах;

– применять по возможности обильное охлаждение;

– предварительный нагрев станка до температуры теплового равновесия;

– применение рациональных режимов резания;

– компенсация температурных деформаций станка.

Нагрев деталей и узлов станка, приспособления, инструмента и заготовки приводит к их деформации и появлению погрешности обработки.

Причины нагрева:

- выделение тепла в процессе резания;

- трение деталей и узлов станка (направляющие, подшипники, зубчатые колеса и др.);

- внутренние источники тепла (электродвигатели, гидропривод, СОЖ и др.);

- внешние источники тепла (солнечные лучи, отопление, соседнее оборудование и др.);

- непостоянство температуры помещения.

Тепловое состояние системы может быть стационарным и нестационарным.

Стационарноесостояние – тепловое равновесие, когда подвод и потери тепла одинаковы.

Нестационарноесостояние – состояние системы, когда имеет место нагрев или охлаждение ее звеньев.

Нестационарное состояние имеет место от начала работы станка до его полного разогрева, т.е. теплового равновесия, после чего процесс обработки идет в условиях стационарного состояния.

На образование погрешности обработки неоднозначное влияние оказывают тепловые деформации станка, заготовки, инструмента, приспособлений. Для каждой партии деталей оценку погрешности необходимо производить с учетом конкретных условий и особенностей изготовления.

С целью уменьшения температурных деформаций и их влияния на точность обработки необходимо:

- создавать выравнивание температуры технологической системы;

- разогревать станок перед работой, не устраивать перерывов в работе, работать в условиях теплового равновесия;

- применять СОЖ, правильно выбирать схему подвода СОЖ к зоне резания;

- точные работы выполнять в термоконстантных помещениях;

- не допускать нагревания станка от попадания солнечных лучей или других теплоносителей;

- правильно выбирать режимы обработки;

- измерение деталей производить после их охлаждения;

- для изготовления базовых деталей станков и других элементов технологической системы использовать материалы с малым коэффициентом линейного расширения (синтегран и др.).