Шпиндельные узлы
В качестве приводного двигателя в станках с ЧПУ обычно применяются регулируемые двигатели постоянного и переменного тока. Последние проще по конструкции и обладают большей надежностью в виду отсутствия щеточных узлов (особенно в области высоких частот вращения, которые требуются для главного движения). Диапазон регулирования двигателя с постоянной мощностью ограничен величиной 3...5 (в последних моделях двигателей 6...8), что требует, как правило, применения в приводе главного движения механических устройств (коробок скоростей) и диапазоном регулирования числом ступеней скорости 2,3 или 4. При этом (особенно в широкоуниверсальных станках) иногда закладываются значительные перекрытия отдельных диапазонов регулирования при переключении передач, что обеспечивает полную обработку детали определенного диаметра без переключения диапазонов в коробке в процессе обработки.
На шпиндель действуют нагрузки, вызываемые силами резания, силами в приводе (ременном, зубчатом), а также центробежными силами, возникающими от неуравновешенности вращающихся деталей самого шпиндельного узла, приспособления и заготовки. Проектирование узла включает: выбор типа приводного элемента, опор, устройств для их смазывания и защиты от загрязнений; определение диаметра шпинделя, расстояния между опорами и разработку конструкции всех элементов.
Современные виды шпинделей.
На современном рынке доступно большое количество шпинделей. Системы охлаждения, технология приведения в движение ротора, способ фиксации режущего инструмента и регулирования питания мотора тоже может отличаться. Поэтому лучше всего классифицировать все шпиндели, доступные в продаже, по типу обрабатываемых материалов. Возможности каждого устройства обусловлены их техническими характеристиками.
Шпиндели мощностью 0,8 кВт применяются для обработки ювелирных изделий, для создания гравировок, порезки пластиковых деталей до 5 мм толщиной,
Высокоскоростные шпиндели мощностью от 1,2 кВт могут используют с качественными твердосплавными фрезами для обработки металлических изделий. Для работы с тонкими прочными фрезами всегда используются шпиндели со скоростью вращения 30 000 об/мин.
Шпиндели мощностью 1,5 кВт используются для обработки сувениров, создания неглубоких фрезеровок на латунных и алюминиевых предметах
Шпиндели на 4 кВт применяются при резке твердых материалов.
Классификация шпинделей приведена в таблице 1.
Таблица 1
Классификация шпинделей
На долю упругих перемещений устройств, крепления инструмента или детали приходится 30...50 % общей деформации. Например, на токарном станке со шпинделем диаметром d — 110 мм деформация распределялась следующим образом: 16 % шпиндель; 28 % опора; 36 % кулачковый патрон. Деформация шпиндельного узла многоцелевого станка с диаметром шпинделя 80 мм распределялась: 37 % шпинделя с опорами; 11 % оправки; 52 % конического соединения шпинделя с оправкой.
Достигнутая статическая жесткость составляет (4...5)d Н/мкм (d в мм). Статическая жесткость сильно зависит от диаметра d шпинделя (в четвертой степени), длины консоли а конца шпинделя (в третьей степени) и мало зависит от расстояния b между опорами, причем увеличение b сверх оптимального значения лучше, чем его уменьшение. Назначение размеров шпинделя (диаметров, длины переднего конца) производится с учетом силовых и скоростных характеристик станка. Статистические данные позволяют практически однозначно связать размеры переднего конца с основным размером станка. Принятые соотношения диаметра шпинделя и основного размера станка приведены ниже:
Шпиндельные узлы металлорежущих станков
Виды опор шпинделей. В шпиндельных узлах металлорежущих станков в качестве опор шпинделей применяют следующие виды подшипников (рис..1): а) подшипники качения; б, в) подшипники скольжения с жидкой смазкой б) - гидродинамические, в - гидростатические); г) подшипники с газовой смазкой; д) активные магнитные подшипники.
а) б) в) д)
Рис. 1. Основные виды опор шпинделей:
а- подшипник качения; б- гидродинамический подшипник скольжения; в -гидростатический подшипник скольжения; г -подшипник с газовой смазкой; д - активный магнитный подшипник
Подшипники с жидкой и газовой смазкой занимают прочное место в тех станках, к которым предъявляются экстремальные требования по точности, быстроходности или несущей способности. Активные магнитные подшипники (наиболее быстроходные) находятся на начальной стадии промышленного развития. Преобладающим видом опор шпинделей являются подшипники качения (ПК): по различным оценкам 90 - 95 % шпиндельных узлов станков выпускают с ПК.
Подшипники качения для шпиндельных узлов станков. В большинстве современных ШУ устанавливают ПК, специально предназначенные для этих узлов (рис. 2)
а - радиалъно-упорные шарикоподшипники с текстолитовыми сепараторами;
б - радиальные двухрядные роликоподшипники с короткими цилиндрическими роликами;
в - радиальные однорядные роликоподшипники с короткими цилиндрическими роликами;
г- упорно-радиальные шарикоподшипники;
д - конические роликоподшипники с буртом на наружном кольце;
е - конические роликоподшипники с встроенными пружинами;
ж - конические роликоподшипники с управляемым натягом;
з - перекрестно-роликовые подшипники;
и - комбинированные (упорно-радиальные шарикоподшипники).
Критерии работоспособности ШУ. Основными показателями работоспособности шпиндельных узлов являются: быстроходность (характеризуемая "параметром быстроходности" П = dnmax-10 -5 мм • мин-1, где d, мм - диаметр шейки шпинделя в передней опоре; птах, мин -1 - наибольшая частота вращения шпинделя); жесткость; точность; ресурс.
Погрешность ∆ вращения шпинделя - это векторная сумма всех частотных составляющих процесса смещения оси шпинделя, частота которых отлична от частоты вращения. Она непосредственно влияет на отклонение от круглости обрабатываемых деталей и опосредственно на параметры шероховатости обрабатываемой поверхности и другие отклонения формы и взаимного расположения обрабатываемых поверхностей .
Погрешность ∆ возникает в процессе упругого взаимодействия дорожек и тел качения при вращении ПК шпинделя. Необходимо рассматривать последовательные положения оси шпинделя при его повороте с учетом погрешностей формы рабочих поверхностей деталей ПК и внешней нагрузки, т.е. квазистатический процесс.
Заключение
Шпиндель станка служит для передачи вращения обрабатываемой детали или инструменту. Шпиндели сверлильных, расточных и некоторых других станков кроме вращательного движения осуществляют одновременно поступательное движение, а шпиндели хонинговальных станков одновременно осуществляют возвратно-поступательное движение. Шпиндель является весьма ответственной деталью станка. От точности вращения шпинделя зависит точность обработки деталей.