книги / Металлорежущие станки Краткий курс

Под их действием шпиндель прогнется дополнительно, и стре­ лы прогиба у каждой массы составят у1(), у2о, у30,...у8д.

Определение последних представляет известные трудности. Поэтому, если исходить из предпосылок, что упругие линии прогиба шпинделя от его веса и от центробежных сил геометри­ чески подобны, т. е. принять yi0 = Сui, где С — постоянная ве-

личина, то критическую угловую скорость шпинделя можно опре­ делить по формуле

Угловая скорость (о0 определяется подбором до тех пор, пока С == const или отличается от нее на величину ± 5 % .

Допустимая угловая скорость вращения шпинделя

Поэтому для расчета на виброустойчивость необходимо дваж­ ды строить упругую линию шпинделя: от действия веса деталей и от действия центробежных сил, определяемых по уравнению (59).

ОПОРЫ ШПИНДЕЛЕЙ И ВАЛОВ

Общие сведения. Опоры шпинделей и валов должны обеспе­ чивать в течение длительного времени эксплуатации станка не­ обходимую точность вращения и безвибрационное восприятие дей­ ствующих нагрузок. Отсюда вытекают требования к опорам шпин­ делей и ответственных валов станков. Это прежде всего высокая точность радиального и осевого направления, жесткость, вибро­ устойчивость, бесшумность работы, особенно на высоких числах оборотов. Опоры должны быть технологичны.

Для шпиндельных опор станков нормальной и высокой точ­ ности широко используют подшипники качения. В опорах точ­ ных и особо точных станков получили распространение подшип­ ники скольжения.

§ 1. ОПОРЫ КАЧЕНИЯ

Способность к длительной работе при переменных скоростях и нагрузках без регулирования, высокая точность, малые потери на трение, меньшие требования к уходу и обслуживанию, воз­ можность получения подшипников со стороны и удобство замены при ремонте (так как они стандартны), простота монтажа подшип­ ников, а также уплотнения и смазки обеспечили подшипникам ка­ чения наибольшее распространение.

Наряду со стандартными подшипниками качения в качестве опор шпинделей и валов применяют специальные — станкострои­ тельные подшипники, представляющие самостоятельную область в подшипниковом производстве. Для промежуточных валов ко­ робок подач и других механизмов, атаже для шпинделей станков, служащих для грубой и предварительной обработки, используют рядовые подшипники качения нормальной точности (класс Н). Это главным образом радиальные и радиально-упорные шарико­

Кроме того, для опор шпинделей точных станков, валов дели­ тельных цепей создан ряд специальных подшипников. Ниже при­ водится краткое описание некоторых из них. На рис. а пока­ зан шпиндельный однорядный шарикоподшипник (тип 36000, 46000, ГОСТ 831—62). У этих подшипников беговая дорожка на­ ружного кольца имеет форму, показанную на рисунке. Это позво­ ляет при сборке подшипника разместить между кольцами больше шариков, чем у обычных подшипников (на 30—40%), в резуль­ тате чего повышается грузоподъемность подшипника, его жест­ кость, долговечность и точность вращения. Воспринимать осе­ вые нагрузки такие подшипники могут только в одном направле­ нии, вследствие чего монтируются парами: широкими торцами наружных колец друг к другу либо узкими торцами.

Рис. Ю0. Подшипники качения опор шпинделей точных станков

Двухрядные радиально-упорные шарикоподшипники (рис. 100,6) предназначены для установки в передней опоре шпинделей. Наличие буртика у наружного кольца допускает более технологич­ ное отверстие в корпусе, поскольку оно может быть сквозным, без уступа. Этим же свойством обладают конические роликопод­ шипники (тин 7000, ГОСТ 333—59) (рис. 100, в).

Помимо нормальных подшипников, в опорах шпинделей приме­ няют однорядные радиальные (рис. 100, г) и двухрядные (рис. 100, д) роликоподшипники. Их обычно устанавливают на коническую шейку вала с конусностью 1 12, что дает возможность регули­ ровать радиальный зазор за счет упругих деформаций внутреннего кольца. Данные подшипники обладают высокой жесткостью, гру­ зоподъемностью и точностью, имеют минимальный износ и малые габариты. Применяют их в опорах шпинделей высокоскорост­ ных металлорежущих станков.

На выбор варианта подшипникового узла влияет большое коли­ чество факторов, поэтому при проектировании опор шпинделей и валов следует придерживаться определенной последовательности, которая рассматривается в курсе «Детали машин».

При проектировании опор шпинделей выбор количества под­ шипников и их размеры часто диктуются требованиями жест­ кости и точности. Шпиндельные радиальные шарикоподшипники

и конические роликовые вообще монтируются парами. При мон­ таже шпинделей на опорах качения может быть много различных вариантов. При одинаковой жесткости в отношении технологии и эксплуатации надо выбирать тот вариант, у которого опоры со­

т. е. способным получать осевое перемещение. Если вал нагре­ вается, то он может безпрепятственно удлиняться, так как правый подшипник может при этом перемещаться в расточке кор­ пуса.

Компоновка шарикоподшипников с натягом применяется в опорах шпинделей точных и прецизионных металлорежущих станков. Сущность натяга заключается в том, что относительным осевым перемещением колец умень­ шают зазоры между шариками и беговыми дорожками.

Натяг подшипников достигается различными методами:

1) Метод предварительного на­ тяга, осуществляемый обычно на подшипниковом заводе, заклю­ чается в том, что внутреннее кольцо осевой силой А0(рис. 102, а) смещается относительно наруж­ ного, вследствие чего выбирается зазор. После этого сошлифовывается левый торец внутреннего

кольца заподлицо с торцом наружного. Затем аналогичную опе­ рацию производят, смещая внутреннее кольцо вправо (рис. 102, б). В результате внутреннее кольцо будет уже наружного. Если

то внутренние кольца окажутся смещенными относительно наруж­ ных, т. е. будет иметь место натяг.

2) О б р а т н а я к о м п о н о в к а (рис. 106) отличается от предыдущей тем, что правый подшипник воспринимает осевые силы, действующие влево, левый подшипник, наоборот, — вираво. Подшипники регулируют осевым перемещением внутрен­

них колец.

При проектировании опор шпинделей прибегают часто к установке двух конических ро­ ликоподшипников в одной опо­ ре. В этих случаях подшипники монтируются по методу обрат­ ной компоновки, с регулирова­ нием при помощи осевого сме­ щения внутренних колец.

Расположение подшипников в опорах шпинделей. Условия, в которых работают передняя и задняя опоры шпинделей, раз­ личны прежде всего по силам, которые они воспринимают, и за­ тем по своей значимости в отношении точности. Эти обстоятельства и определяют конструктивные формы опор. Как правило, передняя опора воспринимает в несколько раз большие силы, чем задняя. Поэтому количество подшипни­ ков или их размеры всегда больше в передней опоре.

В практике существует боль­ шое количество схем компо­ новки подшипников в опорах шпинделей. Некоторые харак­ терные схемы компоновки по­ казаны на рис. 107.

Выбор класса точности под­ шипников. В отечественной про­ мышленности принято пять ос­ новных и три промежуточных класса точности подшипников. По классу Н выпускаются все подшипники качения, по осталь­ ным только некоторые типы. Классы точности подшипников характеризуются точностью ра­ диального биения внутреннего кольца (ГОСТ 520—55).

Требования, предъявляемые к точности радиального и осевого направления в опорах промежуточных валов коробок скоростей подач и других механизмов, кроме делительных, позволяют при­ менять подшипники нормального класса II. Что касается опор шпинделей, то выбор класса точности зависит от требований,

йредъявЛяем1А к точности станка и некоторых геометрических Параметров.

Допускаемая величина радиального биения внутреннего коль­ ца подшипника вычисляется:

для ПодшМИника передней опоры по формуле

Здесь 6 — допускаемое радиальное биение шейки переднего кон­ ца шпинделя или оправки на расстоянии I от перед­ ней опоры;

/— поправочный коэффициент, зависящий от числа под­ шипников (одинаковых по типу) в опоре;

т = ^ , где L — расстояние между серединами опор.

Допускаемое радиальное биение шпинделей определяется по Нормам точности металлорежущих станков.

Вычисленные по формулам (63) и (64) допустимые радиальные биения внутренних колец подшипников передней и задней опор служат основанием для подбора класса точности подшипников.

Высокая точность подшипников еще недостаточна для того, чтобы обеспечить требуемую точность вращения шпинделя, на­ ряду с этим необходимы соосность посадочных поверхностей под все подшипники данного вала, правильная геометрическая форма вала и гнезд; поэтому изготовление вала и особенно растачива­ ние отверстий в корпусе должны быть выполнены очень тща­ тельно.

§2. ПОСАДКИ ПОДШИПНИКОВ И ТРЕБОВАНИЯ

КТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

При выборе посадок для подшипников нормальной точности класса Н (если такие подшипники применяются в опорах шпин­ делей и промежуточных валов коробок скоростей, подачи и дру­ гих механизмов, кроме делительных) можно пользоваться мето­ дикой выбора посадок, изложенной в справочной литературе.

Для подшипников шпинделей, имеющих более высокий класс точности, выбор посадок производится по нормам ЭНИМСа. Преи­

шпинделе и те же посадки в системе вала для установки наружных

на диаметр). Суммарное отклонение по конусности и овальности 6С^ 0,56.

Шероховатость обработки посадочных мест должна быть: для валов не ниже 8-го класса чистоты — для подшипников клас­ са Н, П и 9-го класса чистоты — для подшипников класса В, А и С; для отверстий корпусов — не ниже 6-го класса чистоты. До­ пустимая температура подшипников при жидкой смазке 120° С, а в отдельных случаях до 150° С и выше.

§ 3. УПЛОТНЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Основным назначением уплотняющих устройств является за­ щита подшипников от попадания в них пыли, грязи, влаги, метал­ лических и абразивных частиц. Уплотнение должно предотвра­ щать вытекание смазки из места установки подшипников.

Рис. 108. Уплотняющие устройства:

а, б, в, г, б — контактные; в, ж, з — щелевые и лабиринтные; и — центробеж­ ные; к — комбинированные

По принципу действия уплотняющие устройства (рис. 108) раз­ деляются на:

а) контактные (манжетные, войлочные, с металлическими коль­ цами), применяемые при низких и средних скоростях, обесиечи-

вающие защиту за счет плотного контакта деталей в уплотнениях

(рис. 108, а, б, в, г, д)\ б) щелевые и лабиринтные, применяемые в неограниченном

диапазоне скоростей, осуществляющие защиту за счет сопротивле­ ния протеканию жидкости через узкие щели (рис. 108, е, ж, з);

в) центробежные, применяемые при средних и высоких ско­ ростях и основанные на отбрасывании центробежными силами смаз­ ки, а также загрязняющих веществ, попадающих на вращающиеся защитные диски (рис. 108, и);

г) комбинированные, сочетающие уплотнения, основанные на двух или более из указанных выше принципов (рис. 108, к).

§ 4. ПОДШИПНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ

Подшипники скольжения обеспечивают большую точность вращения шпинделей, сохранение ее в течение длительного вре­ мени; обладают высокой жесткостью, вибростойкостью, высокими демпфирующими свойствами.

Подшипники в виде цилиндрических втулок просты по кон­ струкции, технологичны, обладают высокой несущей способ­ ностью. Но их недостатки (не допускают регулирования, чувстви­ тельны к повышению температуры, кромочным давлениям) огра­ ничивают их применение. Поэтому для шпиндельных опор совре­ менных точных и особо точных станков применяют подшипники с несколькими несущими масляными клиньями.

Такие подшипники обладают высокой жесткостью несущего масляного клина, позволяют регулировать зазор без искажения формы рабочих поверхностей. Несущие масляные клинья созда­ ются различными способами: упругим деформированием втулок, фасонным растачиванием рабочих поверхностей втулок, примене­ нием отдельных вкладышей.

Конструкция подшипника первого типа (Макензена) показана на рис. 109, а. Тонкостенный неразъемный вкладыш имеет не­ сколько выступов, опирающихся на коническую поверхность от­ верстия в корпусе. При затягивании гайки 1 вкладыш упруго де­ формируется, в результате чего в местах сужения зазора образу­ ются масляные клинья. Минимальный зазор составляет 2—3 мкм. Недостатком данного подшипника является сложность обра­ ботки конического отверстия в корпусе.

На рис. 109, б показаны вкладыши, у которых образование несущих масляных клиньев достигается фасонным растачиванием, которое придает рабочей поверхности специальную форму.

На рис. 109,з приведена конструкция многовкладышного шпин­ дельного подшипника, разработанная в ЭНИМСе. Три вкладыша 1 опираются на сферические опоры регулировочных винтов 2. Вслед­ ствие этого в процессе работы вкладыши самоустанавливаются,

образуют масляный клин благоприятной формы и исключают по­ явление кромочного давления. Данные подшипники обеспечива­ ют зазоры в пределах 1—2 мкм, обладают высокой нагрузочной способностью и жесткостью масляного клина.

В некоторых конструкциях многовкладышных подшипников два вкладыша установлены неподвижно, а третий прижимается пружиной или давлением подводимого масла.

Рис. 109. Конструкция подшипников скольжения:

а — с наружными выступами; б — с фасонной расточкой; в — многоикладышный подшипник

В качестве опор малонагруженных быстроходных шпинделей применяют подшипники скольжения с воздушной смазкой. В ЭНИМСе разработана гамма электрошпинделей на указанных опорах, что обеспечивает скорости вращения в пределах 13—400 об/сек. Подшипник с воздушной смазкой (рис. 110) имеет обойму 1 с запрессованным вкладышем 2 из углеграфита. Внутренняя по­ верхность вкладыша имеет одну продольную канавку 5 и две кру­ говые канавки 3. К последним через отверстия 4 подводится сжа­ тый воздух давлением (0,5 1,0) •105 н1м2. Такие подшипники