2. Особенности конструкции

Конструкция шпиндельного узла определяется типом и размером станка, требуемой точностью, параметрами обработки. Как правило, это шпиндель на двух опорах качения.

Конфигурация переднего конца шпинделя, предназначенного для крепления инструмента или заготовки, для большинства станков стандартизирована. Конфигурация внутренних поверхностей определяется наличием отверстия для пруткового материала и конструкцией зажимного устройства, встраиваемого в шпиндель d _отв = (0,5÷0,7)d_min .

Крутящий момент от привода передается через зубчатые или ременные передачи; при этом желательно по возможности разгружать шпиндель от действия возникающих окружных и радиальных сил.

В качестве материалов для шпинделей используются качественные углеродистые и легированные стали (45,20Х, 40Х, 38ХМЮА и др.) с закалкой посадочных поверхностей до твердости не менее HRC_э=45.

Для широко применяемых для восприятия радиальных нагрузок в шпиндельных узлах двухрядных подшипников с короткими цилиндрическими роликами серии 3182100, а для воспринимающих осевые нагрузки шариковых упорно-радиальных с углом контакта 60˚ серии 178800 . Используют также конические роликоподшипники типов 2007100 и шариковые радиально-упорные серий 36100, 46100.

3. Расчет жесткости шпинделя токарного станка

Одним из основных критериев работоспособности шпиндельного узла является жесткость по прогибу (или углу поворота), приведенная к зоне действия усилия резания. Типовая расчетная схема для определения радиальной податливости (величины, обратной жесткости) под действием силы резания P приведена на рис. 8.3.1. При этом шпиндель совместно с режущем инструментом представляют как балку переменного сечения, состоящую из четырех участков. Два участка длиной с₁ и с₂ с моментами инерции J₁ и J₂ соответствует размерам режущего инструмента (или заготовки). Их размеры согласуют с руководителем проекта. Участки длиной с₃ и l с моментами инерции J₃ и J₄ соответствуют размерам шпинделя. Жесткость опор А и В для наиболее распространенных типов подшипников дана в табл. 8.1.

Податливость δ_р под силой Р находим по формуле:

Таблица 9.1

с₁=100мм; D₁=40мм;

с₂=60мм; D₂=70мм;

с₃=170мм; D₃=130мм; d₃=100мм;

l=570мм; D₄=120мм; d₄=80мм;

с=с₁+с₂+с₃=330мм.

Момент инерции сечения участков:

J₁=0,05D₁⁴=0,05∙40⁴=12,8∙10⁴мм⁴;

J₂=0,05D₂⁴=0,05∙70⁴=120∙10⁴мм⁴;

J₃=0,05(D₃⁴-d₃⁴)=0,05(130⁴-100⁴)=345∙10⁴мм⁴;

J₄=0,05(D₄⁴-d₄⁴)=0,05(120⁴-80⁴)=400∙10⁴мм⁴;

Е= 2,1∙10⁵Н/мм² – модуль упругости стали.

Податливость опор определяем по данным табл.9.1.

В передней опоре А подшипник 3182120; жесткость с_А=1050Н/мкм, податливость δ_А=1/с_А=1/1050=0,955∙10^-3мкм/Н=0,955∙10^-6мм/Н.

В задней опоре В подшипник 3182122 жесткость с_В=1370Н/мкм, податливость δ_В=1/с_В=1/1370=0,73∙10^-3мкм/Н=1,32∙10^-6мм/Н.

Величина радиальной жесткости

.

Значение жесткости на переднем конце шпинделя для ряда станков нормируется (некоторые данные приведены в [11]); при проектировании следует обеспечивать максимально возможную жесткость. Величина радиальной жесткости ниже 10Н/мкм вызывает проблемы при обработке лезвийным инструментом, связанные с потерей устойчивости процесса резания.

Величину жесткости можно также оценивать, исходя из требований к точности обработки. При этом смещение переднего конца шпинделя  под

действием чистового усилия резания P_ч не более 1/3 допуска на изделие _И.

В нашем случае (если принять P_ч = 500Н)

.

И для данных условий обработки обеспечивается точность

.

Для определения жесткости по углу поворота на переднем конце шпинделя следует использовать известные зависимости из сопротивления материалов. Для простых случаев подходят формулы из табл. 7.4. (угол θ_с под силой F₁).

Уточненные расчеты жесткости производят на ЭВМ с использованием прикладных программ (например, [8]).