Лабораторная работа 2 Расчет шпиндельных опор качения

Более 95% металлорежущих станков изготавливают со шпиндельными узлами на подшипниках качения. Параметры этих опор во многом определяют надежность работы шпиндельного узла.

Наряду с обычными требованиями относительно работоспособности, предъявляемыми к подшипникам качения шпинделей, выдвигают особые условия, заключающиеся в необходимости обеспечения высокой точности вращения, повышенной радиальной и осевой жесткости, незначительного тепловыделения и низких температурных деформаций. Долговечность подшипников качения существенно зависит от конструкции, качества изготовления, технологии монтажа, регулирования натяга и условий работы шпиндельных узлов.

Точность подшипников в значительной мере определяет точность вращения шпинделя. Однако при этом следует учитывать, что необоснованный выбор подшипника высокого класса точности без обеспечения соответствующей точности сопряжения деталей, качества монтажа, регулирования зазоров приведет к нерациональным материальным расходам. Рекомендуемые соотношения классов точности станков и подшипников качения шпиндельных узлов приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Соотношения классов точности станков и подшипников качения шпиндельных узлов.

Класс точности станка	Класс точности радиальных опор		Класс точности упорных подшипников
	Передней	Задней
Н	5	5	5
П	4	5	5
В	2	4	4
А	2	2	4
С	2	2	2

В отдельных типах станков целесообразны отклонения от приведенных рекомендаций. Например, для станков нормальной точности, используемых для заготовительных операций и черновой обработки, возможно использование подшипников на класс точности ниже. В связи со специфичностью требований к опорам шпинделей в станкостроении применяют подшипники качения специальных конструкций, предназначенные для шпиндельных узлов. Типовые конструктивные схемы опор шпиндельных узлов, их параметры и область применения приведены в табл. 2.2.

Для восприятия радиальных нагрузок в опорах (особенно передних) наиболее часто применяют двухрядные подшипники с цилиндрическими роликами типа 3I82I00 с посадкой на коническую шейку. При ограниченных диаметральных размерах опор используют подшипники типа 4162900 более легкой диаметральной серии с буртиками на наружном кольце. Сдвоенные конические роликоподшипники типа 2007100 устанавливают в передней опоре широкими торцами внешних колец внутрь в целях обеспечения максимальной жесткости.

Таблица 2.2. Типовые конструктивные схемы опор шпиндельных узлов

Конструктивная схема			Параметр	Коэффициент защемления передней опоры
Низкоскоростные	1		1…1,4	0,65…0,75
	2		1,5…1,8	0,45…0,85
	3		1,6…2	0,3…0,45
Среднескоростные	4		2,5…3,5
	5		3…4,5	0,2…0,3
	6		4…5	0,1…0,2
Высокоскоростные	7		5…6
	8		6…8
	9		7…10	0
	10		10…15

Для восприятия осевых усилий применяют радиально-упорные подшипники в обычном исполнении 3600, 4600, но чаще всего используют радиально-упорные шарикоподшипники типа 178600 с углом контакта 60°, имеющие быстроходность в 2...2,5 раза выше, чем у упорных шарикоподшипников. В последнее время применяют роликоподшипники конические одноряд­оходности в зависимости от типа00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000ные (тип 67000) и двухрядные (тип 697000) с упорным буртом на наруж­ном кольце, предназначенные для восприятия радиальной и осевой нагру­зок, и однорядные со встроенными в широкое наружное кольцо пружинами (тип 17000), служащие для восприятия радиальных нагрузок в задних опорах.

При повышенных требованиях к быстроходности используют особо быстроходные радиально-упорные шарикоподшипники 36000К, которые собирают в комплекты по 2, 3 или 4. При относительно небольшой частоте вращения в опорах шпинделя используют шарикоподшипники, а для восприятия больших осевых нагрузок - сферические роликоподшипники.

Требования к жесткости подшипников диктуются жесткостью шпиндельного узла. Разрабатывая станок, следует учитывать податливость опор шпинделя, с тем чтобы обеспечить требования стандартов и специальных технических условий.

Жесткость подшипников определяется упругими сближениями тел качения с кольцами и контактными деформациями на поверхностях посадок колец на шпиндель и в корпус. Расчет жесткости опор качения состоит в следующем.

Определяются реакции в передней и задней опорах шпинделя F_r1 и F_r2. Для этого предварительно выбирают l=3с, где с - вылет шпинделя. Жесткость опоры (например, передней) на подшипниках качения

, (2.1)

где - упругое сближение тел качения и колец подшипника; - контактные деформации на посадочных поверхностях подшипника, шпинделя и корпуса.

Для расчета двухрядного роликоподшипника типа 3I82I00 вначале определяют радиальную податливость подшипника при предварительном натяге е = О по графику рис. 2.1. Вычисляют относительный зазор-натяг е /

Рис.2.1. График для определения радиальной податливости

. Коэффициент податливости определяют по графику рис. 2.2.

Податливость подшипника

(2.2)

Соответственно податливость посадочных поверхностей

(2.3)

где ; d и D - соответственно внутренний и наружный диаметр подшипника, мм; b - ширина подшипника, мм; - коэффициент податливости (0,005...0,025) , /Н. Меньшие значения принимают для подшипников класса точности 2, при больших натягах и установке внутреннего кольца на конус.

По формуле (2.1) вычисляют р

Рис.2.2. График для определения коэффициента податливости

адиальную жесткость опоры. Для одного конического роликоподшипника типа 2007100 радиальную жесткость можно принять на 25% меньше по сравнению с подшипником типа 3I82I00 того же размера.

Для дуплекса (пары) радиально-упорных шарикоподшипников жесткость определяется в такой последовательности.

Выбирается сила осевого предварительного натяга Fa. Для особо высокоскоростных внутришлифовальных шпинделей Fa =0,5 d; для высокоскоростных шлифовальных и алмазно-расточных шпинделей Fa=d; для низкоскоростных шлифовальных, токарных и расточных шпинделей F

Рис. 2.3. График для определения коэффициента kF

a=(2…3d).

Находят отношение Fa / с_о , где с_о - статическая грузоподъемность подшипника. Коэффициент kF выбирают по графику рис. 2.3 в зависимости от угла контакта. Вычисляют соотношение Fr /Co вспомогательный коэффициент податливости kR находят по графику рис. 2.4.

Величина упругого сближения колец

, (4.12)

где d_ш - диаметр шариков данного подшипника.

По зависимости (2.3) находят упругое сближение на поверхности посадки колец подшипников (ширина подшипника указывается двойная). Затем, используя (2.1), окончательно определяют радиальную жесткость опоры.

Д

Рис. 2.4. График для определения коэффициента kR

анные для расчета готовят согласно табл. 2.3.

Долговечность подшипников существенно зависит от смазывания и уплотнений. Применяют жидкий либо твердый смазочный материал. В высокоскоростных шпиндельных узлах смазывание осуществляют масляным туманом. Пластичный смазочный материал особенно удобен для подвижных и съемных шпиндельных узлов и опор вертикальных или наклонных шпинделей. Жидкое масло не только смазывает поверхности, но и отводит теплоту. Смазывание подшипников в определяющей мере должно обеспечить минимальные тепловыделения и температурные деформации шпиндельного узла, которые влияют как на точность обработки, так и на работоспособность опор.

Тепловыделения регламентируются допустимым нагревом подшипников. Норма нагревания установлена только для станков класса Н (допустимый нагрев на наружном кольце подшипника 70 °С). Рекомендации для станков других классов приведены в табл. 2.4.

Таблица 2.3. Данные необходимые для расчета жесткости опор качения

Идентификатор	Обозначение	Единица	Наименование величины
1	2	3	4
NOP			Номер опоры(1-передняя, 2-задняя)
NPODSH1,NPODSH2			Тип подшипника
KPODSH1,KPODSH2			Число подшипников
FR1,FR2		H	Реакция опор шпиндельного узла
BETA1,BETA2			Отношение внутреннего диаметра подшипника к наружному

Продолжение табл. 2.3

1	2	3	4
DE1,DE2		мм	Внутренние диаметры подшипников
BE1,BE2		мм	Ширина подшипника
CRO1,CRO2		Н/мм	Радиальная жесткость для подшипника типа 2007100, 4074900
DSH1,DSH2		мм	Диаметры шариков подшипников
DK1,DK2			коэффициенты податливости
DRO1,DRO2		мм/Н	Радиальная податливость подшипника
AK2			Коэффициент податливости

Таблица 2.4. Допустимый нагрев подшипников

Класс точности станка	П	В	А	С
Допустимая температура наружного кольца,	50…55	40…45	35…40	28…30