Материал: Расчет и конструирование станков. курсовое проектирование. Пачевский В.М., Старов В.Н

для подвижных муфт F_м = (0,15-0,20) F_tм,

где F_tм – окружная сила, передаваемая элементами, которые соединяют полумуфты.

F_tм = 2·10³ T/d_э, где d_э – диаметр расположенных в муфте элементов, передающих крутящий момент.

Сила F_м - вращающаяся. Поэтому нагружает валы как в плоскости XOZ, так и в плоскости YOZ, имея как, положительное, так и отрицательное направление в принятой системе координат.

Плоскость приложения и направление силы следует выбрать так, чтобы нагрузка на вал (М_и) либо реакция в опоре была наибольшей.

Для определения F_м необходимо:

1. Выбрать тип муфты;

2. Выбрать типо-размер муфты в зависимости от величины крутящего момента и определить значение диаметра расположения элементов (d_э), передающих крутящий момент.

4.3.6 Проектный расчет валов

Исходные данные:

- расчетная схема вала,

- расстояние между опорами вала, L мм;

- длина консольного участка вала, ₁ мм;

- координата приложения нагрузки ₂ мм;

- размеры зубчатых колес (шкивов, звездочек), d₂ мм;

- силы нагружающие вал F_t, F_r и F_а.

Расстояние между опорами валов определяются по чертежу коробки передач модернизируемого станка, при наличии консольного участка вала, его длина устанавливается конструктивно, в зависимости от вида размещаемого на нем элемента (колеса, шкива, полумуфты и др.)

Координаты приложения нагрузки определяются по средней линии контактирующих зубчатых колес.

Размеры зубчатых колес берутся по делительной окружности, крутящий момент, силы в зацеплении колес и внешняя нагрузка на валу определены ранее (см. п. 4.2).

Проектный расчет вала выполняется на компьютере по программе конечно-элементного анализа Ansis.

5 Шпиндельный узел

Шпиндельный узел предназначен для передачи вращения с заданной точностью детали или инструменту. Он включает в себя шпиндель, представляющий собой полый ступенчатый вал, опоры, установленные на нем детали привода вращения, и устройства закрепления обрабатываемых деталей или инструмента. Наибольшее распространение в станкостроении имеют шпиндели на опорах качения. Конструкции опор состоят из шариковых или роликовых подшипников и деталей, обеспечивающих нормальные условия работы и относительное смещение внутренних и внешних колец подшипника, или принудительную деформацию одного из колец для создания рабочего зазора или натяга по дорожкам качения подшипников. Нормальные условия работы подшипников создаются наличием смазки, которая подается в зону трения и удерживается контактными или бесконтактными уплотнениями. Рабочий зазор или натяг в подшипниках создается дистанционными кольцами и гайками.

Рисунок 35 - Расчетные схемы

а) - с приводным элементом между опорами; б) - с приводным элементом на конце; в) - без радиальной нагрузки от привода

Вращение шпинделя осуществляется с помощью зубчатой или ременной передачи. Зубчатые передачи просты и компактны, передают большие крутящие моменты, но не обеспечивают точность и плавность движения шпинделя. Ременная передача больших габаритов имеет ограничения в передаче крутящих моментов, но повышает плавность вращения шпинделя.

В шпиндельных узлах станков для обеспечения высокой грузоподъемности, точности вращения шпинделя, повышенной жесткости и минимального нагрева применяют подшипники качения специальных конструкций.

Конструкции опор определяют уровень быстроходности ШУ. В таблице 6 приведены компоновочные схемы опор конструкций ШУ, которые чаще всего применяются в станкостроении .

Диаметр шпинделя в передней опоре d в первом приближе­нии устанавливается по параметру быстроходности[пd]

, мм, (53)

где n_mах - максимальная частота вращения шпинделя, мин¹.

Диаметр шпинделя между опорами принимается конструктивно d₂ (1-0,9)d.

Диаметр шпинделя в задней опоре принимается конструктивно d₃ (1-0,8)d.

Диаметр переднего конца шпинделя (передней консоли) принимается, d₁ (1-1,2)d, и уточняется по ГОСТ [11]. Все принятые размеры корректируются в зависимости от размера и размещения резьбовых шеек шпинделя для гаек натяга опор и отверстия d₀ в шпинделе, предназначенного для размещения привода автоматического устройства зажима заготовки, прутка или инструмента. Размер отверстия устанавливается по посадочному конусу, указанному в технической характеристике станка базовой модели.

Линейными размерами шпинделя являются:

- общая длина шпинделя, которая определяется размером вылета переднего конца шпинделя (передней консоли), межопорным расстоянием и вылетом заднего конца шпинделя;

- вылет переднего конца шпинделя (это размер «а») рис. 35 от середины первого переднего подшипника до торца шпинделя определяется конструктивно в зависимости от размеров и конструкции переднего фланца ШУ, уплотнений, дистанционных колец, и размеров подшипника.

Таблица 7 - Конструктивные схемы подшипниковых опор ШУ

Продолжение таблицы 7

- межопорное расстояние ( ) от середины первого переднего подшипника до середины заднего радиального подшипника определяется конструктивно по размеру межопорного расстояния корпуса коробки модернизируемого узла или принимается в первом приближении ≈ 3d, если шпиндельный узел проектируется в новом корпусе.

- при размещении приводного элемента на конце шпинделя вылет заднего конца шпинделя определяется от середины задней опоры до точки приложения силы на приводном элементе. Это размеры с, см. рис. 35

- в случае расположения приводного элемента в межопорной части, расстояние от середины переднего подшипника до точки приложения силы на приводном элементе (обозначено «в») определяется конструктивно по размещению зубчатых передач в модернизируемой коробке.

Шпиндельный узел воспринимает нагрузку от силы резания, которая приложена к переднему концу шпинделя. На шпиндель действуют составляющие силы резания F_z, F_У, F_x, которые принимаются по максимальным значениям, установленным расчетом при разработке технологического процесса и определении технической характеристики модернизируемого привода (см. п. 1.4).

Нагрузка, действующая на шпиндель от привода через зубчатую передачу, определяется расчетом сил действующих в зацеплении (см. п. 4.3.1, 4.3.2).

Если вращение шпинделя осуществляется ременной передачей, то силы, действующие на шпиндель, определяются по методике изложенной в п. 4.3.3.

Шпиндельный узел оказывает существенное влияние на точность, производительность и надежность всего станка. Особое требование предъявляются к жесткости самого шпинделя, представляющего собой полый вал. Наиболее ответственные поверхности шпинделя подвергаются термообработке.

Шпиндели станков нормальной точности изготовляют из сталей 40Х; 45; 50 с закалкой индукционным нагревом ответственных поверхностей до твердости 48-56 НRC. Кроме того, применяют стали 40ХГР и 50Х с последующей объемной закалкой до твердости 56-60 HRC.

Шпиндели станков с ЧПУ и многоцелевых станков, для которых требуется повышенная износостойкость поверхностей, используемых для центрирования и автоматического закрепления инструментов или приспособлений, изготавливают из сталей 20Х, 18ХГТ, 12ХНЗА с цементацией и закалкой до твердости 56-60НRC.

Для изготовления шпинделей прецизионных станков используют азотируемые стали 38ХМЮА или 38ХВФЮА с закалкой до твердости 63-68 HRC.

В таблице 8 представлены характеристики некоторых материалов, используемых для изготовления шпинделей.

Таблица 8 - Механические свойства сталей

5.1 Расчет радиальной жесткости шпиндельных узлов (ШУ)

Жесткость ШУ характеризуется величиной упругого перемещения переднего конца шпинделя, являющегося результатом деформаций тела шпинделя и его опор. При расчете радиальной жесткости все силы приводят к двум координатным плоскостям XOZ и YOZ, проходящим через ось шпинделя . Суммарное перемещение находят из выражения

. (54)

В свою очередь значения и определяются перемещениями конца шпинделя, вызванными следующими составляющими: изгибом тела шпинделя ( ), податливостью опор ( ) и сдвигом, вызванным защемляющим моментом в опорах ( ).

Схема нагружения шпинделя представлена на рисунке 36.

Рисунок 36 - Схемы при расчете шпинделя на жесткость

Смещение переднего конца шпинделя зависит не только от его размеров, жесткости опор, нагрузок, но и от местоположения и вида приводного элемента (см. рис. 35) .

1. Приводной элемент шпинделя расположен между передней и задней опорами (рис. 35, а).

Радиальное упругое перемещение переднего конца шпинделя слагается из следующих перемещений:

- тела шпинделя под действием силы F на приводном элементе;

- тела шпинделя под действием силы резания F_z,y;

- опор в результате деформации от силы F;

- опор в результате деформации от силы резания F_z,y.

Упругое перемещение переднего конца шпинделя, слагающееся из всех перечисленных перемещений можно определить по следующей зависимости:

,мм (55)