Конструювання шпиндельного вузла

4.2 Конструювання шпиндельного вузла

Шпиндельні вузли металорізальних верстатів проектуються в більшості випадків з підшипниками кочення в опорах. Використовують в опорах як кулькові, так і роликові підшипники. Підшипники опор повинні витримувати радіальне та осьове навантаження, що діють на шпиндель в процесі роботи верстата. Для протидії осьовому навантаженню упорні підшипники можна проектувати як в передній, так і в задній опорах. Використання радіально-упорних або упорних підшипників в передній опорі більш ефективне, тому що розвантажує шпиндель від осьових сил різання, але при цьому ускладнюється конструкція та розміри передньої опори.

Спеціальні роликові шпиндельні підшипники проектують в опорах шпинделів при максимальній частоті обертання 2000…2500 обертів за хвилину. Вкорочені циліндричні ролики підвищують допустиму швидкість обертання.

Передній кінець шпинделя повинен мати строго стандартизовані як форму, так і розміри.

4.3 Розрахунок радіальної жорсткості шпинделя, розвантаженого від згинного моменту

В процесі роботи металорізального верстата геометрична вісь шпинделя змінює своє положення внаслідок податливості опор від дії сил різання , згинних моментів та зсуву від поперечних сил. Фактичне положення геометричної осі шпинделя буде залежати від жорсткості шпиндельного вузла, яка може бути визначена за принципом суперпозиції.

Розрахункова схема:

Реакції в опорах:

;

;

Пружне переміщення тіл кочення та кілець підшипників в передній опорі:

.

Контактна деформація посадочних поверхонь підшипника і корпуса:

.

Жорсткість передньої опори:

.

Податливість передньої опори:

.

Пружне зближення тіл кочення та кілець підшипників в задній опорі:

.

Контактна деформація підшипників і корпуса задньої опори:

Жорсткість задньої опори:

.

Податливість задньої опори:

.

Переміщення переднього кінця шпинделя від згинних навантажень:

,

– момент інерції шпинделя між опорами;

– момент інерції консолі;

– коефіцієнт защемлення;

.

Переміщення переднього кінця шпинделя за рахунок податливості опор:

.

Переміщення переднього кінця шпинделя від зсуву за рахунок поперечних сил:

,

де – модуль зсуву,

– площа перерізу консолі шпинделя, мм²;

– площа перерізу шпинделя між опорами, мм²;

Радіальна жорсткість шпиндельного вузла:

,

.

Радіальне переміщення шпинделя в точці заміру жорсткості:

4.4 Розрахунок осьової жорсткості шпинделя, розвантаженого від згинного моменту

Осьову жорсткість шпинделя розраховують за осьовою силою, що діє на шпиндель.

Приймаємо осьове навантаження від сил різання:

Пружне переміщення тіл кочення та кілець підшипника передньої опори:

де – кількість кульок підшипника;

– діаметр кульок.

Контактна деформація стиків задньої опори в місцях дотику:

,

де – діаметр корпусу в зоні дотику, мм;

– внутрішній діаметр підшипника, мм;

– коефіцієнт деформації дотику.

Осьова жорсткість шпиндельного вузла:

.

Кут нахилу шпинделя в передній опорі:

.

4.5 Розрахунок точності підшипників шпиндельного вузла

У зв’язку з тим, що шпиндельний вузол є визначальним за точністю металорізального верстата, виникає необхідність провести розрахунки точності підшипників в шпиндельних опорах. Пов’язані ці розрахунки з визначенням биття осі шпинделя в опорах.

Приймаємо коефіцієнт , для верстатів нормальної точності.

Биття переднього кінця шпинделя:

;

У зв’язку з тим, що при експлуатації верстата биття в підшипниках збільшується в розрахунках приймають:

;

Биття осі шпинделя в передній опорі:

;

Биття осі шпинделя в задній опорі: