шпинделя. Применяемые электродвигатели имеют небольшие размеры, а системы их включения весьма просты. Недостатки приводов: потеря производительности из-за невозможности установления оптимальных режимов резания (об этом далее в п. 3.6), сложность кинематики и устройств переключения скоростей, большие габариты механической части, недостаточно хорошие шумовые и энергетические характеристики и др. Бесступенчатые приводы с регулируемыми электродвигателями лишены указанных недостатков, но их электрическая часть более сложная, габаритная и дорогая.

Рис. 2.18. Варианты решений приводов с уменьшенными осевыми габаритами:

а – привод с расположенными одна против другой группами

2.2.11.Ручное управление станками

1.Ручное управление циклом работы станка осуществляется рабочим при помощи рукояток, штурвалов, маховичков, кнопок и т.п. органов управления. Системы ручного управления можно разделить на механические, гидрофицированные и электрифицированные. В механических системах управления ручное перемещение органов управления (рукояток, маховичков) через передаточные механизмы передается объектам управления (муфтам, передвижным блокам зубчатых колес, зажимам и т.п.). В гидрофицированных системах вручную переключаются гидрораспределители, управляющие перемещением гидродвигателей, воздействующих на объекты управления. Электрифицированное управление сводится обычно к воздействию на кнопки, включающие или отключающие через различные электрические аппараты те или иные электродвигатели приводов станка, электромагнитные муфты и т.п.

2.При проектировании органов ручного управления учитывают требования эргономики – науки о взаимодействии человека с машиной.

Основные требования к органам управления следующие:

а) все часто используемые рукоятки необходимо располагать в зоне, удобной для обслуживания. Для этого следует представлять пространство, которое может обслужить рабочий только за счёт рук, не наклоняя свои плечи и корпус. В зоне, близко расположенной к рабочему, целесообразно устанавливать органы, манипулирование которыми требует больших уси-

89

лий. Учитывая физиологические различия правой и левой руки, следует располагать органы управления для точных перемещений так, чтобы рабочему было удобно управлять ими правой рукой;

б) если при работе станка рабочему приходится перемещаться из-за необходимости наблюдения за обработкой, органы управления целесообразно располагать на передвижном пульте управления; таковым может являться подвесной пульт (кнопочная станция или пост), который помещается на поворотном кронштейне и легко занимает положение, удобное для рабочего. Если органы управления установлены на перемещающемся при работе станка узле и могут занимать неудобное для рабочего положение, то следует дублировать важнейшие органы управления и органы для аварийной остановки станка;

в) силы на рукоятках управления не должны превышать: 30-80 Н при редком использовании рукояток и 20-30 Н – при частом, 10 Н – на маховичках и рукоятках, устанавливаемых с большой точностью. Важными факторами удобства и лёгкости управления являются размеры, форма и расположение той части органа управления, за которую рабочий берётся рукой;

г) общее количество органов управления следует уменьшать, но при этом число позиций у каждого органа управления не должно быть более 8-10;

д) должна обеспечиваться безопасность работы на станках. Безопасность работы достигается, в первую очередь, конструкторскими мероприятиями: применением ограждений, хорошим освещением рабочей зоны, максимальной механизацией, созданием условий удобного управления механизмами станка. Для этого органы управления должны быть сконцентрированы и расположены в удобных зонах. Рукоятки и маховички не должны вращаться во время работы станка, электрические кнопки кроме кнопки "Стоп" должны быть утоплены в крышке;

е) для предупреждения аварий, которые могут быть вызваны ошибками рабочего и недоработками в системе управления, следует:

-фиксировать органы управления в каждом из занимаемых ими положений;

-блокировать механизмы управления, т.е. создавать такие связи между цепями управления, которые, например, делали бы невозможным одновременное включение двух несовместимых движений или, в других случаях, не допускали бы включения одного движения при не включенном другом;

-ставить ограничители пути установочных движений;

-использовать сигнальные устройства;

90

ж) следует соблюдать правило мнемоничности управления, требующее соответствия направления и характера перемещения органа управления направлению и характеру перемещения объекта управления. В качестве примеров можно рассмотреть некоторые случаи (рис. 2.19): направление перемещения узла должно совпадать с направлением поворота рукоятки, включающей это движение; если орган управления поворачивается в плоскости, перпендикулярной перемещению управляемой части станка, то при вращении этого органа по часовой стрелке перемещаемая часть станка должна удаляться от него.

Рис. 2.19. Обеспечение мнемоничности управления перемещениями рабочих органов

3. Для ручного управления переключением скоростей и подач станка могут применяться однорукояточные (однорычажные) и многорукояточные

(многорычажные) системы управления.

Впервом случае при помощи одной рукоятки производится перемещение нескольких или всех переключаемых элементов.

Вслучае многорукояточного управления цепи управления деталями одного и того же узла являются независимыми друг от друга, т.е. для управления каждым перемещаемым элементом предусмотрен свой орган управления – рукоятка, педаль, штурвал. Такие системы целесообразны в станках

снебольшим числом переключаемых элементов и сравнительно редкими переключениями.

При многорукояточном управлении перемещение подвижных блоков шестерен привода производится механизмами:

- с переводными рычагами (рис. 2.20,а), - с ползунами, приводимыми с помощью реечных пар (рис. 2.20,б)

или иными способами.

91

Формы рукояток не зависят от вида механизма управления. Два из ряда возможных вариантов рукояток представлены на рис. 2.20,а,в.

Для захвата блоков на переводные рычаги устанавливаются поворотные вилки (рис. 2.20,г) или камни (рис. 2.20,г,д).

После переключений положения блоков должны фиксироваться. Фиксирующие устройства могут размещаться в самих блоках или ползунах (например, подпружиненные шарики или сухари – рис. 2.20,е), либо в рукоятках (подпружиненные шарики, штифты, сухари).

При недопустимости одновременного включения двух передач, например, в группе на 4 скорости (см. рис. 2.6,ж) или в группе на 3 скорости при разделённом блоке (см. рис. 2.6,д) должны предусматриваться блокировочные устройства. Некоторые варианты их показаны на рис. 2.20,ж.

При однорукояточном управлении могут применяться различные системы и в частности:

-с плоскими или цилиндрическими (рис. 2.20,з) кулачками – для по-

следовательного переключения скоростей;

-с дисками переключения – для избирательного (селективного) пе-

реключения скоростей. В варианте такого механизма (рис. 2.20,и) имеется диск переключения (селекторный диск) 1, реечные толкатели 2, попарно сцепленные с зубчатыми колёсами 3, на осях которых закреплены рычаги 4 для перемещения передвижных блоков шестерён. Толкатели со стороны диска оканчиваются двухступенчатыми пальцами. Для выполнения переключения диск с помощью ручки оттягивают на себя (на рисунке – вниз), отодвигая его от реечных толкателей, поворачивают в требуемое положение

ивозвращают назад до отказа. Число возможных положений диска равно числу вариантов скоростей, обеспечиваемых управляемым приводом. В каждом положении диска по осям пальцев толкателей имеется своя комбинация отверстий: либо отверстие большего диаметра (под ступень пальца большего диаметра) по оси одного толкателя из пары, либо отверстие большего диаметра по оси другого толкателя, либо отверстия меньшего диаметра (под ступени пальцев меньшего диаметра) по осям обоих толкателей. В результате при возвращении диска его частью без отверстия соответствующий толкатель утапливается, а другой выходит, проходя полностью ступенчатым пальцем через отверстие большего диаметра, или оба толкателя оказываются одинаково утопленными, когда их пальцы ступенями меньшего диаметра входят в соответствующие два отверстия.

Системы избирательного переключения позволяют перейти от одной скорости к любой другой, минуя все промежуточные варианты, что сокращает время переключения.

Ещё большее сокращение времени на переключение достигается при применении систем управления с предварительным набором или выбором

93

скорости (преселективных систем). В таких системах большая часть манипуляций, необходимых для переключения, производится во время работы станка без изменения установленного для данной операции режима работы. После окончания этой операции скорость быстро переключается одним движением рукоятки или нажатием кнопки.

В крупных и уникальных станках, в станках, обрабатывающих токсичные и т.п. материалы, применяются системы дистанционного управления, позволяющие оператору производить большую часть необходимых операций управления, оставаясь на значительном расстоянии от управляемых узлов станка.

2.3. Шпиндели и шпиндельные узлы

Шпиндель является конечным звеном привода главного движения и предназначен для крепления инструмента или заготовки.

Шпиндельный узел в целом (шпиндель, его опоры, элементы кинематической цепи, смонтированные на нём) предназначен для осуществления вращения инструмента или обрабатываемой заготовки. Шпиндельный узел

– ответственейшая часть станка и качество элементов этого узла и его сборки оказывает существенное, часто лимитирующее, влияние на точность, производительность и надёжность всего станка.

Конструкция шпиндельного узла зависит, с одной стороны, от типа и размеров станка, класса его точности, максимальной частоты вращения шпинделя, мощности привода, а с другой – от взглядов разработчика (конструктора) на решение тех или иных задач. В частности, конфигурация шпинделя определяется конструктором и является оригинальной по всей длине кроме переднего конца. Формы и размеры передних концов шпинделей для большинства типов станков определяются государственными стандартами, т.к. они должны полностью соответствовать формам и размерам посадочных и крепёжных поверхностей выпускаемых приспособлений для крепления инструментов или заготовок.

Также обстоит дело и с конфигурацией шпиндельного отверстия, если таковое должно в нём иметься. К примеру, шпиндели универсальных токарных станков имеют сквозное отверстие, назначение которого – позволить выбить из шпинделя центр с помощью какого-либо стержня, а также, если на станке возможна обработка пруткового материала, – пропустить свободную часть прутка. Для установки центра передняя часть отверстия выполнялась конической, но в современных токарных станках она является цилиндрической с диаметром большим, чем диаметр остальной части отверстия. При необходимости использования центра он устанавливается в отверстие шпинделя через переходную втулку.

94

Для установки инструмента на сверлильных и расточных станках в шпинделях выполняется глухое коническое отверстие.

Параметры конусов отверстий и хвостовиков инструментов и приспособлений стандартизованы, при этом для токарных, сверлильных и расточных станков применяются обычно т.н. конуса Морзе (для меньших диаметров) и метрические (для больших), имеющие конусность примерно 1:20

иявляющиеся самотормозящими, для фрезерных – несамотормозящие конуса с конусностью 7:24. В шпинделях фрезерных станков отверстие является сквозным, через него пропускается специальный винт ("шомпол") для закрепления инструмента в шпинделе. Для передачи крутящего момента фрезе на торце фланца переднего конца шпинделя выполняется диаметральный паз, в котором закрепляются торцевые шпонки. Для установки и центрирования шлифовального круга на переднем конце шпинделя выполняется наружный конус с конусностью 1:3, передача крутящего момента обеспечивается сегментной шпонкой, а закрепление круга на шпинделе осуществляется с помощью гайки, наворачиваемой на резьбовой выступ шпинделя (или винта, вворачиваемого в резьбовое отверстие на торце шпинделя).

Конфигурация внутренних поверхностей шпинделей станков с ЧПУ

ипрутковых станков определяется конструкцией зажимного устройства, встраиваемого в шпиндель.

Вкачестве материалов шпинделей станков нормальной точности используют конструкционные стали 45, 50, 40Х с поверхностной закалкой (обычно закалка с нагревом токами высокой частоты) до твёрдости HRC 48-56. Шпиндели сложной формы изготавливают из сталей 50Х, 40ХГР и применяют объёмную закалку до HRC 56-60. Для прецизионных станков в условиях жидкостной смазки применяют низкоуглеродистые стали 20Х, 18ХГТ, 12ХН3А с цементацией и закалкой до твёрдости HRC 56-60. Для слабонагруженных шпинделей высокоточных станков с целью уменьшения внутренних деформаций применяют азотируемые стали 38Х2МЮА, 38ХВФЮА с закалкой до твёрдости HRC 63-68. Для изготовления полых шпинделей большого диаметра иногда применяют серый чугун СЧ20.

При проектировании шпиндельных узлов обычно применяют хо-

рошо себя зарекомендовавшие в практике конструктивные схемы. В этой связи они стали типовыми и приводятся в справочных и учебных изданиях. Чаще шпиндели устанавливаются в двух опорах – это более простое и точное решение, гораздо реже – в трёх с целью повышения жёсткости и виброустойчивости. На шпиндель при работе станка действуют радиальные и осевые нагрузки, и опоры должны обеспечивать их восприятие. Радиальные нагрузки воспринимаются всеми опорами, при этом переднюю опору делают обычно более мощной. Её же предпочтительнее выполнять воспринимающей осевые нагрузки. При таком исполнении повышается радиальная жёст-

95

кость шпиндельного узла, уменьшаются тепловые деформации переднего конца шпинделя. Задняя опора тогда должна быть плавающей, чтобы не препятствовать тепловым деформациям шпинделя. Встречаются схемы с восприятием осевых нагрузок не передней, а задней опорой. Это позволяет упростить сборку и обслуживание узла.

Хорошо налаженное производство шарико- и роликоподшипников, относительная простота их замены обусловили широкое распространение шпиндельных узлов с опорами качения. Ими оснащены примерно 90 % станков. В опорах часто используются подшипники с двумя рядами цилиндрических роликов, с коническими роликами, шариковые и др. Для обеспечения высокой грузоподъёмности, точности вращения, повышенной жёсткости и минимального выделения теплоты применяют подшипники качения специальных конструкций. В кольцах подшипников могут предусматриваться отверстия и канавки, через которые смазочный материал подаётся непосредственно на дорожки качения, что увеличивает быстроходность опор и повышает надёжность их работы. Автоматическое регулирование натяга в подшипниках, использование совершенной системы смазывания позволяет повысить быстроходность шпиндельных узлов.

Посадки подшипников качения оказывают большое влияние на точность вращения шпинделя и другие критерии работоспособности, так как они сказываются на величине и постоянстве предварительного натяга в подшипниках. Внутренние вращающиеся кольца подшипников следует устанавливать с небольшим натягом (–2…–4 мкм); наружные не вращающиеся кольца – с натягом в низкоскоростных шпиндельных узлах и с небольшим зазором в высокоскоростных.

Подшипники качения имеют и недостатки. Прежде всего, это – ограниченный ресурс работы, обусловленный неизбежным износом шариков или роликов и беговых дорожек. Они недостаточно надёжны при высоких скоростях и динамических нагрузках. В прецизионных станках с опорами качения возможны нестабильность траектории движения шпинделя из-за воспроизведения погрешностей тел и дорожек качения, тепловые смещения подшипниковых узлов и т.д.

Тем не менее и несмотря на быстрое развитие новых типов опор, подшипники качения продолжают сохранять свое преобладающее значение. Этому способствует и появление гибридных подшипников, имеющих стальные кольца и керамические шарики. Они не требуют дополнительной смазки и обладают улучшенными эксплуатационными характеристиками, более высоким сроком службы и надёжностью.

Метод смазывания во многом определяет надёжность работы шпиндельного узла. Для подшипников качения применяют жидкий либо твёрдый (пластичный) смазочный материал. Следует чётко представлять, что вред

96

приносит не только недостаток смазки (при этом появляется скольжение и износ тел качения), но и её избыток (увеличивается нагрев из-за интенсивного её перемешивания и расход мощности). Отмеченное, однако, относится не только к опорам шпинделей.

Самым простым методом смазывания при горизонтальном расположении валов привода является смазывание разбрызгиванием, производимым одной из постоянно и быстро вращающихся шестерён привода. При этом методе масло подаётся в подшипники либо непосредственно, либо через специальный сборник. Следует учитывать, что в этом случае к подшипникам поступает масло, загрязнённое продуктами изнашивания шестерён коробки.

Циркуляционное (проточное) смазывание обеспечивает необходимый по условиям теплоотвода расход масла через подшипник и охлаждает его. В большинстве случаев система циркуляционного смазывания является общей для шпинделя и всей коробки скоростей. Раздельные системы смазывания применяют для высокоскоростных шпиндельных узлов.

При капельном методе подшипники смазываются независимо от других элементов, что позволяет гарантировать снижение тепловыделения. В подшипники подаётся ограниченное количество масла (от 1 до 100 г за один час). При таком методе необходимо предотвращать попадание в подшипники смазки из коробки скоростей.

Смазывание масляным туманом применяют в высокоскоростных узлах. Для получения масляного тумана пропускают сжатый воздух через специальные маслораспылители. При прохождении воздуха с распылённым в нём маслом через подшипник осуществляется не только постоянное и равномерное смазывание, но и интенсивное его охлаждение. Избыточное давление воздуха в подшипнике препятствует попаданию в него внешних загрязнений. Однако, такой метод смазки недостаточно экологичен.

Смазку впрыскиванием при строгом дозировании смазочного материала применяют для шпиндельных узлов, работающих в особо напряжённых условиях. В этом случае масло под давлением с помощью специальных дозаторов периодически впрыскивают через сопла непосредственно в зазор между сепаратором и кольцом подшипника. Тем самым преодолевается воздушный барьер, создаваемый подшипником при высоких частотах вращения.

Пластичные смазочные материалы применяют в шпиндельных узлах при относительно низких частотах вращения, особенно они удобны для шпиндельных узлов, работающих в вертикальном или наклонном положении.

Уплотнения шпиндельных узлов служат для защиты подшипников шпинделя от проникновения в них грязи, пыли и охлаждающей жидкости, а

97

также препятствуют вытеканию смазочного материала из подшипника. В шпиндельных узлах чаще всего применяют различные бесконтактные лабиринтные уплотнения для уменьшения тепловыделений в узле и исключения изнашивания уплотнений. Для надёжной их работы необходимо, чтобы радиальные зазоры в них были не более 0,2-0,3 мм. В уплотнениях размещают полости и каналы для отвода смазочного материала от подшипников. В шпиндельных узлах, работающих в тяжёлых (по загрязнению) условиях, лабиринт заполняют твёрдым смазочным материалом, а при жидком смазочном материале иногда применяют продувку воздуха через уплотнение.

В шпиндельных узлах тех станков, к которым предъявляются более высокие требования по каким-либо параметрам (точность, меньший износ для обеспечения долговечности работы, быстроходность и пр.), устанавли-

вают подшипники других типов: гидродинамические, гидростатические, аэростатические, электромагнитные. Они также характеризуются как достоинствами, так и недостатками.

Гидродинамические подшипники применяют в станках с высокими постоянными или мало изменяющимися скоростями вращения шпинделей при незначительных нагрузках. В таких опорах шейка шпинделя охватывается несколькими (часто тремя) самоустанавливающихся вкладышами (башмаками или сегментами). В зазоры между шейкой и башмаками вращающимся шпинделем увлекается подводимое в опору масло, при этом создаются масляные клинья, воспринимающие внешние нагрузки. При больших нагрузках и при изменении частоты вращения шпинделя изменяется положение его оси, что является недостатком гидродинамических опор.

В гидростатических подшипниках шейка шпинделя находится во втулке с несколькими углублениями (карманами), размещёнными равномерно по окружности отверстия. Обычно таких карманов четыре. В них поступает под давлением масло, которое, проходя через зазоры (щели) между сопряжёнными поверхностями, образуется несущий масляный слой, исключающий непосредственный контакт поверхностей даже при не вращающемся шпинделе. Гидростатические опоры обеспечивают высокую точность вращения, обладают высокой демпфирующей способностью, что значительно повышает виброустойчивость шпиндельного узла, имеют практически неограниченную долговечность, высокую нагрузочную способность при любой частоте вращения.

Недостатком гидродинамических и гидростатических опор (иногда их называют подшипниками скольжения с жидкой смазкой) является то, что в результате относительного скольжения слоёв смазки происходит значительное выделение тепла. Возникающие в результате этого тепловые деформации деталей станка, если он является прецизионным, существенно

98

сказываются на точности обработки. Для достижения установившегося теплового режима работы и стабилизации тепловых деформаций требуется в течение некоторого времени (иногда до 1,5-2 часов) заставлять работать станок на холостом ходу. Опоры с жидкой смазкой являются, к тому же, довольно сложными по конструкции.

Аэростатические подшипники (иногда их называют воздушными опорами либо опорами с воздушной или газовой смазкой) по принципу дей-

ствия подобные гидростатическим, только в них подаётся не масло, а сжатый воздух. Нагрузочная и демпфирующая способность таких опор невелика, однако малая вязкость воздуха позволяет снизить потери на трение. Это позволяет с успехом применять аэростатические подшипники в прецизионных станках с малыми нагрузками и большими окружными скоростями вращения шпинделя.

В сверхвысокоскоростных шпиндельных узлах (с частотой 100000200000 об/мин) находят применение опоры нового вида – электромагнит-

ные. Исторический отрезок времени, в течение которого разрабатывают-

ся такие опоры, и в частности одни из ряда возможных по принципу дейст-

вия, названные активными магнитными опорами (подшипниками – АМП),

составляет порядка двадцати лет, хотя о возможности использования элек-

трических и магнитных полей для подвеса (или левитации) тел известно уже более ста лет.

Разработаны конструкции АМП для восприятия радиальных нагрузок и осевых нагрузок. В радиальных АМП шейку вала (шпинделя) окружают несколько управляемых электромагнитов со встроенными датчиками положения вала. При включении питания электромагнитов вал "взвешивается" в магнитном поле опор. Процессорная система автоматического управления осуществляет изменение тока в обмотках электромагнитов по сигналам датчиков, появляющимся при изменении положения вала под нагрузкой. В результате регулируется сила магнитного поля, что обеспечивает за короткое время (несколько миллисекунд) возврат вала в исходное положение. Относительно большой радиальный зазор (0,3-0,5 мм) в опоре и стабильное положение вала во время работы обуславливают отсутствие контакта между деталями АМП, а значит и практическое отсутствие потерь на трение и износа. Для магнитных опор смазочные вещества не требуются. Максимальная частота вращения шпинделя в АМП зависит лишь от прочности материала шпинделя. За счёт изменения силы магнитного поля возможно регулирование жёсткости опоры и демпфирования в широких пределах.

Аналогичным образом действуют и осевые АМП.

99

Широкому распространению шпинделей на электромагнитных опорах пока что препятствует высокая стоимость и сложность не только самих шпинделей, но, главным образом, систем управления и их программного обеспечения, а также необходимость точных, чувствительных и миниатюрных датчиков и внешних источников электроэнергии.

Тип приводного элемента шпинделя выбирается в зависимости от частоты его вращения, передаваемой мощности, требований к плавности вращения, класса точности станка и других условий.

Зубчатые передачи отличаются простотой и компактностью, передают большие крутящие моменты. Они находят применение в станках нормальной точности и при невысоких частотах вращения шпинделя (от очень небольших до 3000-3500 об/мин). При более высоких скоростях могут возникать вибрации шпиндельного узла и станка в целом, поскольку работа зубчатых передач сопровождается скольжением по рабочим поверхностям зубьев и ударами.

Достаточно широкое применение в станках нормальной точности и прецизионных находят ременные передачи. Часто используемые клиноремённые передачи хорошо работают при более высоких частотах, чем зубчатые (не меньше 100-200 и примерно до 5000 об/мин). Более высокие частоты вращения обеспечиваются плоскоремёнными передачами. В мощных станках (примерно 15-40 кВт) и с изменением частот вращения шпинделя в широких пределах используются передачи поликлиновыми ремнями. В случае применения ременных передач конструкция шпиндельного узла и привода в целом получается более сложной и громоздкой, особенно если шкив устанавливают на самостоятельные опоры для разгрузки шпинделя от натяжения ремня. Однако при этом существенно повышается плавность вращения, уменьшаются динамические нагрузки в приводах станков с прерывистым характером процесса резания.

С помощью зубчатых и ременных передач движение шпинделям передаётся обычно при наличии в приводе более или менее сложных коробок скоростей с нерегулируемыми или регулируемыми электродвигателями. Для привода шпинделей с частотами вращения до 35000 об/мин используются, правда, относительно редко, гидромоторы.

Шпиндель может быть соединён с последним валом коробки скоростей муфтой. При этом исключается изгибная деформация шпинделя от приводного элемента.

В высоко- и сверхвысокоскоростных станках небольшой мощности находят применение шпиндели, на которых закреплена турбинка, приводимая в движение сжатым воздухом. Такие шпиндели называют пневмошпинделями. В ряде современных конструкций пневмошпинделей в качестве опор используются АМП.

100

В станках различной мощности применяются шпиндели, являющиеся роторами электродвигателей, сообщающих им вращение с требуемыми частотами, которые могут быть как низкими, так высокими и сверхвысокими.

Такие шпиндели называют электрическими, или электрошпинделями, или мотор-шпинделями. Последнее название представляется более корректным, но чаще его используют производители мощных и менее скоростных устройств. Мотор-шпиндели оснащаются асинхронными или синхронными высокочастотными электродвигателями. Для опор шпинделей используются подшипники качения высоких классов точности, в том числе гибридные, воздушные опоры и АМП.

Шпиндельные узлы станков должны обеспечивать быстрое и точ-

ное закрепление инструмента или обрабатываемой заготовки в шпинделе; передачу инструменту или заготовке вращения с требуемой частотой; точность вращения шпинделя; необходимые быстроходность, жёсткость и долговечность; высокие динамические качества; минимальные тепловыделения и температурные деформации.

Точность вращения шпинделя оценивается по величине радиального и осевого биения его переднего конца. Предельные значения этих параметров для универсальных станков конкретных классов точности устанавливаются ГОСТами; для специальных станков они определяются в зависимости от требуемой точности обработки:

≤д / 3,

размер готового изделия.

Для обеспечения требуемой точности вращения выбирают подшипники примерно в три раза точнее, чем допустимое биение шпинделя. В очень точных станках биение ограничивается величиной 0,1-0,02 мкм.

Быстроходность шпиндельного узла оценивается показателем b = n·d,

где d – диаметр шейки шпинделя под передний подшипник, n – частота вращения шпинделя.

Для различных экспериментальных опор были установлены следующие максимальные значения скоростного параметра b, мм/мин:

-опоры на подшипниках качения: (2-2,5)·106;

-гидростатические: (1,5-1,8)·106;

-аэростатические: (2,5-3)·106;

-электромагнитные: 6·106.

Разрабатывая конструкции опор для производственного оборудования, следует ориентироваться на значения параметра b, уменьшенные в 1,5-2 раза по сравнению с указанными.

101

Жёсткость (статическая жёсткость) шпиндельного узла, ради-

альная и осевая, определяется по деформации шпинделя под нагрузкой (см. 3 в п. 1.8). Допустимую величину прогиба переднего конца шпинделя

Деформация шпиндельных узлов в общем балансе упругих перемещений станков составляет до 50 %, а в некоторых типах – до 85 %.

Жёсткость шпинделя на участке между опорами, исходя из нормальной работы подшипников, не должна быть менее 250-500 Н/мкм (бóльшие значения – для прецизионных станков). Для этого диаметр шпинделя, мм,

должен быть не меньше, чем 4 (0,5...1) l3 , где l – расстояние между опора-

ми шпинделя, мм.

Долговечность шпиндельного узла зависит в основном от долговечности опор шпинделя, которая, в свою очередь, зависит от эффективности системы смазки и качества уплотнений, частоты вращения, величины предварительного натяга в подшипниках качения и т.д. Если диаметр шейки шпинделя под подшипник выбран по критерию жёсткости, то размер подшипника может считаться оптимальным и его долговечность при нормальных условиях эксплуатации допустимо предполагать до 12000-20000 ч. При применении бесконтактных опор (гидростатических, гидродинамических, аэростатических) долговечность теоретически считают неограниченной.

В металлорежущих станках часто возникают вибрации, которые отрицательно сказываются на точности и чистоте обработки, стойкости инструмента и производительности станка. Виброустойчивость станка на 40-50 % зависит от динамических качеств (виброустойчивости) шпин-

дельного узла. Виброустойчивость узла определяется амплитудой колебаний переднего конца шпинделя и частотой собственных колебаний. Причинами вынужденных колебаний, способных привести к возникновению вибраций и резонансных явлений, могут быть дисбаланс находящихся на шпинделе деталей; работа зубчатой передачи, если посредством таковой передаётся вращение шпинделю; прерывистый характер резания и пр. Чем выше собственная частота шпинделя (не менее 500-600 Гц) и меньше резонансная амплитуда, тем лучшими потенциальными возможностями обладает шпиндельный узел.

Тепловыделения и температурные деформации шпиндельного узла влияют и на точность обработки, и на работоспособность опор. Тепловыделения регламентируются допустимым нагревом подшипников. Норма нагревания установлена только для станков класса Н (допустимый нагрев наружного кольца подшипника составляет 70 °С), для станков других классов имеются лишь некоторые рекомендации (например, нагрев наружного кольца подшипника в станках класса С не должен превышать 28-30 °С).

102

Г л а в а 3

КИНЕМАТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА СТАНКОВ. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ

ИНАСТРОЙКА ПРИВОДОВ

3.1.Кинематические связи в станках

Для осуществления формообразования заготовке и режущему инструменту должны сообщаться определённые движения. Траектория относительного движения инструмента и заготовки, которая получается в результате их взаимного перемещения, определяет характер тех поверхностей, которые могут быть обработаны на основании принятых движений. В свою очередь, от геометрической формы и размеров обрабатываемой поверхности и метода обработки зависит кинематическая структура металлорежущего станка. Чем меньше формообразующих движений, тем из меньшего количества кинематических цепей состоит кинематическая структура станка, тем проще могут быть кинематика и конструкция станка. Характер и направление движений инструмента и заготовки оказывают непосредственное влияние на компоновку станка, так как определяют движение суппортов, столов, шпинделей и других его элементов.

Органы (звенья, элементы) станка, на которых закрепляются с помощью различных зажимных приспособлений и устройств режущие инструменты и обрабатываемые заготовки и вместе с которыми они приводятся в движение, называют рабочими или исполнительными. Рабочими органами станков, к примеру, являются шпиндели, суппорты, столы. Иногда исполнительными называют конечные звенья кинематических цепей, непосредственно участвующие в образовании траектории движения рабочего органа, при этом в некоторых случаях оба термина относят к одному и тому же звену (шпиндель), в других – к разным (например, суппорт – ходовой винт и гайка).

Связи движущихся элементов (органов) станка между собой или с источником движения называют кинематическими. Схемы, изображающие условно кинематические связи в станках, называют структурными.

103