Разработка конструкции привода главного движения токарного станка с ЧПУ

где X – коэффициент радиальной нагрузки (по таблице 10.3 [2] X = 0,4);

      V – коэффициент вращения, зависящий от того какое кольцо

            вращается (при вращение внутреннего  кольца V =1);

     k_б – коэффициент безопасности, учитывающий характер нагрузки

            (k_б = 1,4);

     k_Т – температурный коэффициент (k_Т = 1).

 

 

По принятому диаметру вала под  подшипник d = 30 мм устанавливаем подшипник роликовый конический средней серии, условное обозначение 7306А ГОСТ 27365–87 с динамической грузоподъёмностью C_r = 44,6 кН.

Для остальных валов принимаем  роликовые конические однорядные подшипники по ГОСТ 27365–87 по принятому диаметру вала под подшипник.

 

1.6.6 Расчёт шпоночное соединение

 

Рассмотрим шпоночное соединение вала IV . Длина ступицы шкива l_ст = 45 мм. Для нереверсивной передачи установку шкива осуществляем по переходной посадке H7/m6. Тогда для переходной посадки [σ_см] = 100 МПа. По таблице 2П.9 [3] выбираем геометрические параметры шпонки под ведомым шкивом клиноременной передачи: d = 25 мм, b = 8 мм, h = 7 мм, t₁ = 4,0 мм, t₂ = 3,3 мм; материал шпонки – сталь 45. Крутящий момент на валу – Т₄ = 38,89 Н·м.

Полная  длина шпонки:

l = l_ст – (5…10) = 45 – (5…10) = 40…35 мм.

Принимаем стандартное  значение l = 36 мм.

Расчётная длина шпонки для исполнения 1 (оба  торца шпонки скругленные)

l_р = l – b = 36 – 8 = 28 мм.

Тогда расчётные  напряжения смятия при вращающем:

                                                                                        (1.43)

где T₄ – крутящий момент на быстроходном валу, Н·м;

        d – диаметр вала, мм;

        h – высота шпонки, мм;

        t₁ – глубина паза вала, мм;

        l_р – рабочая длина шпонки, мм.

 

Что меньше [σ_см] = 100 МПа. Условие прочности на смятие выполняется.

 

1.7 Расчет шпиндельного узла  на жесткость и угол кручения

 

При расчете  определяют упругое перемещение  шпинделя в сечении его переднего  конца, для которого производится стандартная  проверка шпиндельного узла на жёсткость. Это перемещение принимают в  качестве упругого перемещения переднего  конца шпинделя.

В перемещении  учитывают только деформации тела шпинделя и его опор.

Упругое перемещение переднего конца  шпинделя определим по формуле 6.2 [1]

 

                                                           (1.45)

     где  – сила резания, Н;

           – длина консольной части шпинделя, м;

           – модуль упругости материала шпинделя, Па;

           – среднее значение момента инерции сечения консоли, м⁴;

           – среднее значение момента инерции сечения шпинделя в пролете

                 между опорами, м⁴;

           – длина шпинделя между опорами, м;

           – коэффициент защемления;

          – радиальная жесткость передней опоры, ;

          – радиальная жесткость задней опоры, ;

          – сила, действующая на шпиндель со стороны привода, Н;

           – расстояние от точки приложения силы до передней опоры, м.

Исходя  из формулы эффективной мощности резания 

 

определим силу резания:

 

где – скорость резания.

 

.

Тогда

 

Составляющие  силы резания, радиальную P_y и осевую P_x определим пользуясь приближёнными соотношениями ( страница 229 [5]):

 

 

Модуль  упругости материала шпинделя сталь 40Х 

Коэффициент защемления по таблице 6.22 [1] . Принимаем

Из компоновочной  схемы находим расстояния a, l, c: a = 100 мм; c = 69,57 мм; l = 168,96 мм.

Радиальные  жёсткости  и определяем по рисунку 6.15 [1]. , .

Сила, действующая на шпиндель со стороны привода, равна:

 

Среднее значение момента инерции сечения  консоли :

 

где – средний диаметр сечения консоли.

 

где – диаметры и длины участков шпинделя, мм;

            – длина консольной части шпинделя, мм.

 

Тогда

 

Среднее значение момента инерции сечения  шпинделя в пролете между опорами :

 

где – средний диаметр сечения шпинделя в пролёте между опорами.

 

где – диаметры и длины участков шпинделя, мм;

            – длина шпинделя между опорами, мм.

 

Тогда

 

На рисунке1.7 изображена расчётная схема шпинделя.

Перемещение переднего конца шпинделя под  действием силы Р_Z:

 

 

 

 

 

Перемещение переднего конца шпинделя под действием силы Р_Y.

 

 

 

 

 

 

Суммарный прогиб :

 

Допускаемый прогиб конца шпинделя [1]

Таким образом 

Угол  поворота (рад) в передней опоре [1]

                                                (1.46)

 

 

Рисунок 1.7 – Расчётная схема шпинделя

 

Горизонтальная  плоскость

 

 

Вертикальная  плоскость

 

 

Суммарный угол поворота в одну плоскость:

 

Допускаемый угол поворота шпинделя в одну плоскость [6]

Таким образом 

Значит, шпиндель по жёсткости соответствует  заданным режимам работы.

 

1.8 Обоснование  конструкции шпинделя, выбор материала  и термической обработки

 

Шпиндельные узлы с двухрядным роликовым  подшипником типа 182000 и упорно-радиальным шариковым подшипником типа 178800 применяют в средних и тяжелых токарных, фрезерных, фрезерно-расточных и шлифовальных станках. В передней опоре первый подшипник предназначен для восприятия радиальной нагрузки, второй - для осевой [1].Типовая компоновка шпиндельного узла представлена на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 – Типовая компоновка шпиндельного узла

 

Конец шпинделя принимаем по ГОС 12593-93, условное обозначение: Конец шпинделя 4 ГОС 12593-93. В передней опоры шпинделя установлен один роликовый радиальный двухрядный подшипник с короткими цилиндрическими роликами серии диаметров 1, серии ширин 3 с размерами d = 65 мм, D = 100 мм, B = 26 мм, условное обозначение подшипника: Подшипник 3182113 ГОСТ 7643-75; и один упорно-радиальный шариковый двухрядный подшипник с углом контакта 60º с размерами d = 65 мм, H = 44 мм, условное обозначение подшипника: Подшипник 178813 ГОСТ 20821-75. В задней опоре шпинделя установлен один роликовый радиальный двухрядный подшипник с короткими цилиндрическими роликами серии диаметров 1, серии ширин 3 с размерами d = 35 мм, D = 62 мм, B = 20 мм, условное обозначение подшипника: Подшипник 3182107 ГОСТ 7643-75. Роликовые подшипники установлены с предварительным натягом. Радиальный зазор в роликовом подшипнике передней опоры регулируется с помощью гайки, которая через втулку (см. сборочный чертёж) надвигает на коническую шейку шпинделя с конусностью 1:12 внутренне кольцо подшипника. В результате деформации внутреннего кольца происходит разжим его и, тем самым, устанавливается необходимый радиальный зазор шпинделя в микронах.

Для изготовления шпинделя принимаем легированную сталь 40Х с закалкой ответственных поверхностей до твёрдости 48…56 HRC с использованием индукционного нагрева [1].

 

2 Описание и расчеты системы смазки шпиндельного узла и привода главного движения в целом

Жидкие  смазочные масла хорошо отводят  теплоту от шпиндельных опор, уносят из подшипников продукты изнашивания, делают ненужным

периодический надзор за подшипниками. При выборе вязкости масла 

 

учитывают частоту вращения шпинделя, температуру  шпиндельного узла и ее влияние на вязкость масла.

Систему смазывания жидким материалом выбирают исходя из требуемой быстроходности шпинделя с учетом его положения (горизонтальное, вертикальное или наклонное), условий подвода масла, конструкции уплотнений.

Так как  параметр быстроходности  равен

                                                                                         (1.47)

где

       – наружный диаметр подшипника, мм;

       – диаметр отверстия подшипника, мм;

  – максимальная частота вращения шпинделя ().

 

Поскольку , то по таблице 6.19 [1] выбираем циркуляционное смазывание без охлаждения масла для передней опоры и задней опор.

Циркуляционное  смазывание осуществляется автономной системой, предназначенной только для шпиндельного узла, или системой, общей для него и коробки скоростей. Масло подается в шпиндельную опору. Для улучшения циркуляции масла предусматривают отверстия в наружном кольце подшипника, в роликах. Чтобы обеспечить надежное попадание смазочного материала на рабочие поверхности подшипников, масло подводят в зону всасывания, то есть к малому диаметру дорожек качения радиально-упорных шариковых и роликовых подшипников, которым присущ насосный эффект. Предусматривают свободный слив масла из опоры, благодаря чему не допускают его застоя и снижают температуру опоры. В резервуаре или с помощью специального холодильника масло охлаждается. С повышением частоты вращения шпинделя разница между количеством выделяющейся теплоты и отводимой от подшипникового узла увеличивается, а при высокой частоте вращения через подшипники невозможно прокачать нужный объем масла, Например, двухрядные роликоподшипники создают большое гидравлическое сопротивление, и перемешивание слишком большого объема масла приводит не к снижению, а к повышению температуры опоры.

Прокачивание через шпиндельную опору нескольких тысяч кубических сантиметров масла в минуту не только позволяет надежное смазывание, но и обеспечивает отвод теплоты от опоры, то есть создает режим "охлаждающего" смазывания. Расход масла при таком смазывании зависит от типа подшипника, частоты его вращения и вязкости масла. Дня конических роликоподшипников q= (5...10) d. Для радиально-упорных подшипников при d < 50 мм Q = 500.,. 1500 см³/мин, при d > 120 мм Q > 2500 см³/мин. Для смазывания упорно-радиальных подшипников при d = 30...80 мм Q = 100...1000 см³/мин, при d = 80...180 мм Q = 500...5000 см³/мин, при d> 180 мм Q = 2000...10 000 см³/мин [1].

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

1. Кочергин А.И. Конструированиек и расчет мсталлорежущих станков и станочных комплексов. Курсовое проектирование: Учеб. пособие для вузов. – Мн.: Высш. шк., 1991. - 382 с.: ил.
2. Металлорежущие станки: метод. указания для студентов/ В.И. Глубокий. – Минск, 1983 г.

3. Санюкевич Ф. М. Детали машин. Курсовое проектирование: Учебное пособие – 2-е изд., испр. и доп. – Брест: БГТУ, 2004. – 488 с.

4. Детали машин в примерах и задачах. / Н.Н. Ничипорчик; под ред. Н.Н. Ничипорчик – «Вышэйшая школа», 1978 г.
5. Основы теории резания металлов. / В.Ф. Бобров; под ред. В. Ф. Бобров – «Машиностроение», 1975 г.
6. Ачеркан Н.С. «Металлорежущие станки». Том 2, «Машиностроение», 1965г.