г г ъ ' з МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Металлорежущие станки и инструменты» В.И. Глубокий В.И. Туромша КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ СТАНКОВ К О Н С Т РУ К Ц И И П РИ ВО Д О В ГЛАВНОГ О Д В И Ж Е Н И Я Методическое пособие М и н с к Б И Т У 2 0 1 2 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет_____ Кафедра «Металлорежущие станки и инструменты» В.И. Глубокий В.И. Туромша КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ СТАНКОВ КОНСТРУКЦИИ ПРИВОДОВ ГЛАВНОГО ДВИЖЕНИЯ Методическое пособие по лабораторным занятиям для студентов машиностроительных специальностей М и н с к Б И Т У 2 0 12 УДК 621.9.06-025-13(076.5X075.8) Г55 Рецензенты: д-р техн. наук, проф. Я. Л. Баршай; д-р техн. наук, проф. Я. В. Спиридонов Глубокий, В.И. Г55 Конструирование и расчет станков. Конструкции приводов главного движения : методическое пособие по лабораторным за­ нятиям для студентов машиностроительных специальностей / В. И. Глубокий, В.И. Туромша. - Минск : БНТУ, 2012. - 72 с. ISBN 978-985-525-848-4. Методическое пособие по дисциплине «Конструирование и расчет станков» предназначено для лабораторных занятий студентов машиностроительных специ­ альностей. В пособии к каждой теме занятия приводится теоретическая часть, где описыва­ ются основные положения и особенности изучаемых вопросов по данной теме. Кро­ ме того, излагается последовательность выполнения лабораторных работ, а также структура и содержание отчета о лабораторной работе и приводится перечень кон­ трольных вопросов. Данное методическое пособие также может быть использовано студентами при теоретической самостоятельной подготовке и при выполнении курсовых проектов по проектированию главных приводов металлорежущих станков. УДК 621.9.06-025.13(076.5)(075.8) ББК 34.63-5я7 ISBN 978-985-525-848-4 © Глубокий В. И., Туромша В. И., 20 i 2 © Белорусский национальный технический университет, 2012 В в е д е н и е Приводы металлорежущих станков имеют различное функцио­ нальное назначение и, соответственно, особенности структуры. По видам движений, которые должны обеспечить процесс обработки, они подразделяются на приводы главного движения, подач и вспо­ могательных движений. Приводы главного движения сообщают шпинделю главное враща­ тельное движение резания, частота вращения которого в общем случае может регулироваться электродвигателем и коробкой скоростей. При этом каждый из них может обеспечить регулирование частот враще­ ния в отдельности, например, электрическое бесступенчатое регулиро­ вание мотор-шпинделем или механическое ступенчатое коробкой ско­ ростей, а также совместно электромеханическое с определенным чис­ лом диапазонов бесступенчатого регулирования. Коробка скоростей главных приводов представляет собой мно­ жительную или сложенную структуру с определенным числом сту­ пеней. Она обеспечивает ступенчатое изменение значений частот вращения шпинделя в приводах с нерегулируемым электродвигате­ лем и определенное число электрических диапазонов бесступенча­ того регулирования частот вращения шпинделя с регулируемым электродвигателем. Шпиндель станка предназначен для сообщения главного враща­ тельного движения резания инструменту, например, на сверлиль­ ных и фрезерных станках или заготовке на токарных станках. В це­ лом работа шпиндельного узла влияет на точность и шероховатость обработанных поверхностей и производительность станка. 1. КОМПОНОВКИ ШПИНДЕЛЬНЫХ БАБОК СТАНКОВ 1.1. Цель лабораторной работы В процессе выполнения лабораторной работы по изучению ком­ поновок шпиндельных бабок ставится цель: а) изучить типы и особенности компоновок и конструкции базо­ вых элементов шпиндельных бабок различных станков; б) научиться для соответствующих видов станков выбирать ва­ рианты конструкций базовых элементов с жестким или подвижным базированием; 3 в) уметь подбирать оптимальное число видов и наносить габа­ ритные размеры бабки, установочные и присоединительные разме­ ры базовых элементов при разработке чертежей обшего вида шпин­ дельных бабок; г) знать особенности компоновок шпиндельных бабок и конст­ рукции их базовых элементов при их жестком фиксированном ба­ зировании и при подвижной установке на направляющих скольже­ ния или качения. В данной лабораторной работе на реальных токарном, верти­ кально-сверлильном и широкоуниверсально-фрезерном инструмен­ тальном станках предлагается изучить особенности компоновок шпиндельных бабок, конструкций их базовых элементов и видов установки на базовые детали станков. 1.2. Особенности компоновок шпиндельных бабок Шпиндельные бабки могут иметь горизонтальную, наклонную или вертикальную компоновку в зависимости от типа станка и вы­ полняемых операций соответственно с горизонтальным, наклонным или вертикальным расположением оси вращения шпинделя. Гори­ зонтальную шпиндельную бабку обычно имеют токарные, горизон­ тально-расточные, горизонтальные многооперационные, шлифо­ вальные и другие станки. Наклонные шпиндельные бабки применя­ ются наряду с горизонтальными и вертикальными бабками в агрегат­ ных станках. Вертикальные шпиндельные бабки имеют станки вер­ тикального исполнения типа вертикально- и радиально-сверлильные, координатно-расточные, бесконсольно-фрезерные, вертикальные многооперационные и другие. 1.3. Варианты установки шпиндельных бабок на базовые детали станка Шпиндельные бабки могут располагаться на старшие в токарных и широкоуниверсальных консольно-фрезерных станках, на стойке в вертикально-сверлильных, горизонтально-расточных, бесконсольно- фрезерных и многооперационных сверлильно-фрезерно-расточных станках, на траверсе в радиально-сверлильных и продольно-фрезер­ ных станках и на силовых столах агрегатных станков. 4 Они могут быть неподвижными с жесткой фиксацией на базовой детали станка, например в токарных станках, и подвижными со вспомогательным и установочным движением или с движением ра­ бочей подачи, например, в сверлильных, горизонтально-расточных, вертикальных бесконсольно-фрезерных, горизонтальных и верти­ кальных многооперационных сверлильно-фрезерно-расточных и других станках. При этом направление перемещения шпиндельных бабок может быть как параллельным, так и перпендикулярным оси шпинделя. Горизонтальные шпиндельные бабки токарных станков в общем случае устанавливаются и закрепляются на горизонтальную стани­ ну, например в универсальных токарных станках (рис. 1.1, а), или на наклонную станину в токарных станках с ЧПУ и гидрокопиро­ вальных полуавтоматах (рис. 1.1, б). Рис. 1.1. Компоновки горизонтальных шпиндельных бабок токарных станков с расположением на горизонтальной (а) и наклонной (б) станине В горизонтальных многооперационных сверлильно-фрезерно­ расточных станках шпиндельные бабки могут иметь консольную (рис. 1.2, а) или центральную (рис. 1.2 , б) установку на вертикаль­ ную стойку, при этом направление их перемещения перпендику­ лярно оси шпинделя. В вертикальных многооперационных свер- лильно-фрезерно-расточных станках шпиндельная бабка устанавли­ вается на вертикальную стойку (рис. 1.3, а, б) и имеет направление перемещения, параллельное оси шпинделя. с станина станина 5 Рис. 1.2. Компоновки шпиндельных бабок с их консольным (а) и центральным (б) расположением горизонтальных многооперационных сверлильно-фрезерно-расточных станков Рис. 1.3. Компоновки шпиндельных бабок с подвижными каретками (а) и с подвижными шинами (б) направляющих качения вертикальных многооперационных сверлильно-фрезерно-расточных станков 1.4. Базирование шпиндельных бабок и виды направляющих Для установки шпиндельных бабок на базовые детали станка их корпус имеет точно обработанные базовые поверхности. Ими они устанавливаются и фиксируются в определенном положении ка базовой детали, как в токарном станке (рис. 1.4). 6 fA A r h □ A Рис. 1.4. Компоновка шпиндельной бабки токарного станка с ЧПУ Кроме того, бабки могут устанавливаться и перемещаться по на­ правляющим базовой детали. Направляющие бабки могут иметь поперечное сечение с внутренним профилем в корпусе (рис. 1.5, б), охватывающим направляющие базовой детали, как в вертикально­ сверлильном станке (рис. 1.6). а Рис. 1.5. Трапециевидные направляющие скольжения шпиндельных бабок типа ласточкин хвост с наружным охватываемым (а) и внутренним охватывающим (б) профилем / 1 А ..... Рис. 1.6. Компоновка шпиндельной бабки вертикально-сверлильного станка Они также могут иметь наружный элемент с выпуклым профи­ лем, выступающим за корпус (рис. 1.5, а) и охватываемым направ­ ляющими базовой детали, как в широкоуниверсально-фрезерном инструментальном станке (рис. 1.7). Ш Рис. 1.7. Компоновка шпиндельной бабки щирокоуниверсально-фрсзгрного инструментального станка 8 Подвижные шпиндельные бабки имеют направляющие скольже­ ния или качения. Направляющие скольжения чаще применяются в универсальных станках и бывают плоскими прямоугольными и тра­ пециевидными типа ласточкин хвост. Направляющие скольжения шпиндельных бабок обычно имеют устройство регулирования зазо­ ров между рабочими поверхностями корпуса бабки и базовой детали в виде прижимных и регулировочных планок (см. рис. 1.6) и регули­ ровочных клиньев. Направляющие качения обычно применяются в станках с ЧГГУ. В последнее время используются направляющие с циркуляцией тел качения типа фирмы Rexroth с каретками и шинами. Каретки могут крепиться к корпусу подвижной шпиндельной бабки, а шины - к ба­ зовой детали в виде станины, стойки, траверсы и т. д. (см. рис. 1.3, а), или наоборот (см. рис. 1.3, б). Таким образом, шпиндельная бабка может перемещаться вместе с каретками относительно шин или с шинами относительно кареток. 1.5. Оформление чертежей общего вида и нанесение размеров В соответствии с госстандартом на оформление чертежей видов изделия установлены следующие названия основных видов: вид спереди (главный вид) и виды сверху, слева, справа, снизу и сзади. На чертежах общего вида шпиндельных бабок необходимо давать минимальное число видов и если какой-либо вид не находится в проекционной связи с главным видом, то он обозначается пропис­ ной буквой А, Б, В и т. д. На общем виде должны наноситься габа­ ритные размеры бабки, установочные и присоединительные разме­ ры базовых элементов и другие компоновочные размеры. 1.6. Порядок выполнения лабораторной работы 1. Ознакомиться с особенностями компоновок шпиндельных ба­ бок токарных и многооперационных металлорежущих станков. 2. Изучить компоновки шпиндельных бабок токарного, верти­ кально-сверлильного и широкоуниверсально-фрезерного инстру­ ментального станка. 9 3. Ознакомиться с особенностями конструкции базовых элемен­ тов и принципов базирования шпиндельных бабок указанных стан­ ков соответственно на станину или стойку. 4. Вычертить компоновки шпиндельных бабок: а) токарного станка в трех проекциях с главным видом, видом слева и видом снизу на базовые поверхности; б) вертикально-сверлильного станка в двух проекциях с главным видом с изображением крайних положений перемещающегося шпинделя с пинолью и с видом сверху на базовые элементы с мест­ ным разрезом по устройству регулирования зазоров направляющих; в) широкоуниверсально-фрезерного инструментального станка в двух проекциях с главным видом и видом справа, в том числе на базовый наружный элемент трапециевидного сечения. 5. Нанести на рисунки компоновок шпиндельных бабок их габа­ ритные размеры, установочные и присоединительные размеры ба­ зовых элементов, а также размеры, определяющие положение вы­ ступающих частей: а) для токарного станка - размеры базовых поверхностей, при­ соединительных отверстий и координат их осей, расстояний между осями, взаимосвязанных отверстий; б) для вертикально-сверлильного станка - присоединительные раз­ меры базовых элементов направляющих с трапециевидным внутрен­ ним профилем и их длины, а также хода шпинделя с пинолью; в) для широкоуниверсально-фрезерного инструментального станка - присоединительные размеры базовых элементов направляющих с тра­ пециевидным наружным профилем и их дайну. 6 . Описать вид компоновок шпиндельных бабок токарного, вер­ тикально-сверлильного и широкоуниверсально-фрезерного инстру­ ментального станков, особенности их установки на базовые детали станка и виды нанесенных размеров. 1.7. Содержание отчета 1. Описание возможных вариантов компоновок шпиндельных бабок и особенностей их установки на базовые детали станка. 2. Чертежи установки на станину шпиндельных бабок токарных станков с горизонтальной и наклонной станиной. 10 3. Рисунки установки на станину шпиндельных бабок многоопе­ рационных сверлильно-фрезерно-расточных станков с указанием направлений движения шпиндельных бабок. 4. Рисунки и описание особенностей компоновок шпиндельных бабок токарного, вертикально-сверлильного и широкоуниверсаль­ но-фрезерного инструментального станка с основными размерами. 5. Описание габаритных размеров шпиндельных бабок, присое­ динительных и установочных размеров базовых элементов и других компоновочных размеров. 1.8. Контрольные вопросы 1. Виды компоновок шпиндельных бабок, их особенности и примеры применения в металлорежущих станках. 2. Каковы возможные варианты установки шпиндельных бабок на базовые детали для различных станков? 3. Каковы особенности компоновок подвижных шпиндельных бабок с направляющими скольжения? 4. Особенности шпиндельных бабок с направляющими качения и варианты их движения. 5. Компоновки и базирование на станину шпиндельной бабки токарного станка и их особенности. 6 . Особенности компоновки и базирования на стойку шпиндель­ ной бабки вертикально-сверлильного станка. 7. Особенности компоновки и базирования на станину шпин­ дельной бабки широкоуниверсально-фрезерного инструментально­ го станка. 8. Какие виды размеров наносятся на чертежи компоновок шпиндельных бабок металлорежущих станков? И 2. КОНСТРУКЦИИ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ 2.1. Цель лабораторной работы В процессе выполнения лабораторной работы по изучению кон­ струкции подшипников качения шпиндельных опор ставится цель: а) изучить типы подшипников, воспринимаемые ими нагрузки и особенности конструкции; б) научиться выбирать из возможных вариантов соответствую­ щие подшипники для передней и задней опоры шпиндельного узла; в) уметь подбирать оптимальные комплекты подшипников для соответствующей опоры шпинделя; г) знать особенности способов регулирования зазора и создания предварительного натяга для различных типов подшипников. В данной лабораторной работе предлагается по реальным образцам шариковых и роликовых радиально-упорных подшипников изучить их конструкцию и возможности регулирования и смазывания. 2.2. Особенности подшипников качения шпиндельных опор В станкостроении широко применяются как обычные подшип­ ники общего машиностроения, так и специально предназначенные для установки в опорах шпиндельных узлов металлорежущих стан­ ков. Подшипники качения, применяемые в станкостроительном производстве, должны обеспечивать высокую точность вращения шпинделя и необходимую виброустойчивость, надежно работать при изменении частоты вращения и нагрузок в широком диапазоне и быть удобными в эксплуатации. Основными критериями работо­ способности подшипников шпиндельных опор являются радиальная и осевая жесткость, несущая способность, быстроходность и не­ большие температурные деформации. Несущая способность под­ шипников качения характеризуется динамической и статической грузоподъемностью, а быстроходность - предельной частотой вра­ щения и параметрами быстроходности. Для каждого подшипника качения существует предельная частота вращения, превышение ко­ торой приводит к поярленшо сил инерции тел качения, нарушению 12 равномерности вращения подшипника, ухудшению условий смазы­ вания, росту износа рабочих поверхностей и перегреву опор. Под­ шипники качения выходят из строя вследствие усталостного вы­ крашивания дорожек качения и износа тел качения, приводящих к увеличению зазоров. Если частота вращения подшипника превыша­ ет предельное значение, то следует обеспечить хороший отвод теп­ ла от опоры и оптимальный способ их смазывания. 2.3. Типы подшипников шпиндельных опор Наибольшее распространение в опорах шпиндельных узлов по­ лучили следующие типы подшипников: а) роликовые радиальные двухрядные цилиндрические с кониче­ ским посадочным отверстием; б) роликовые радиально-упорные однорядные конические с упорным бортом; в) роликовые радиально-упорные однорядные конические с мяг­ кой выборкой зазора подпружиненным наружным кольцом; г) роликовые радиально-упорные двухрядные конические с опорным бортом; д) шариковые радиальные, радиально-упорные и упорные; е) шариковые упорно-радиальные сдвоенные с углом контакта 60°. 2.4. Типы роликовых подшипников шпиндельных опор В передних или задних опорах шпиндельных узлов получили применение следующие типы роликовых подшипников: а) роликовые радиальные двухрядные цилиндрические с кониче­ ским посадочным отверстием типа 3182100 (рис. 2 .1, а) в передних или задних опорах; б) роликовые радиально-упорные однорядные конические с упорным бортом типа 67000 (рис. 2.1, б) в передних опорах; в) роликовые радиально-упорные однорядные конические с мяг­ кой выборкой зазоров с подпружиненным наружным кольцом типа 17000 (рис. 2 .1, в) в задних опорах; г) роликовые радиально-упорные двухрядные конические с опорным бортом типа 69700 (рис. 2.1, г) в передних опорах. 13 Рис. 2.1. Типы роликовых радиальных (а) и радиально-упорных (б. в, г) подшипников для опор шпиндельных узлов 2.4.1. Роликовые радиальные двухрядные цилиндрические подшипники с коническим посадочньм отверстием Роликовые радиальные двухрядные цилиндрические подшипники с коническим посадочным отверстием типа 3182100 (см. рис. 2.1, а) воспринимают только радиальные нагрузки и характеризуются вы­ сокой грузоподъемностью. Эти подшипники могут устанавливаться в передней и задней опорах шпинделя (рис. 2 .2). S i з 1 г Рис. 2.2. Шпиндельный узел с роликовым радиальным двухрядным цилиндрическим подшипником с коническим посадочным отверстием типа 3182100 в задней опоре При этом в передней опоре они устанавливаются как самостоя­ тельно, так и в комплекте с радиально-упорными (рис. 2.3), упорно­ радиальными и упорными шариковыми подшипниками, а в задней - только самостоятельно. Рис. 2.3. Шпиндельный узел с роликовыми радиальными двухрядными цилиндрическими подшипниками с коническим посадочным отверстием типа 3182100 в передней опоре в комплекте с шариковыми радиально-упорными подшипниками и в задней - самостоятельно Если подшипник устанавливается самостоятельно в опоре, то та­ кая опора будет являться плавающей, а если в комплекте с вышена­ званными подшипниками - то фиксирующей. Для регулирования зазора и создания натяга между рабочими поверхностями дорожек внутреннего и наружного колец и телами качения внутреннее коль­ цо подшипника имеет коническое посадочное отверсгие. При осе­ вом смещении этого кольца с помощью регулировочных гаек 5 (см. рис. 2.2) или 3 и 4 (см. рис. 2.3) относительно конической шей­ ки шпинделя, как указано стрелками (см. рис. 2 .1, а), оно деформи­ руется в радиальном направлении. При этом выбирается радиаль­ ный зазор и создается натяг в контакте рабочих поверхностей колец подшипника и тел качения, величина которого определяется шири­ ной регулировочного кольца 4 (см. рис. 2.2) или полуколец 5 (см. рис. 2.3). Позициями 1,2 и 3 обозначены элементы для регули­ рования шариковых радиально-упорных подшипников. 15 2.4.2. Роликовые радиально-упорные однорядные конические подшипники с упорным бортом на наружном кольце Роликовые радиально-упорные однорядные конические под­ шипники с упорным бортом на наружном кольце (см. рис. 2 .1, б) воспринимают радиальные и осевые нагрузки. Эти подшипники обычно устанавливаются в передней опоре шпинделя с применени­ ем схемы установки подшипников врастяжку. В этом случае регу­ лирование натяга осуществляется одновременно в передней и зад­ ней опорах шпинделя регулировочной гайкой 4 (рис. 2.4), располо­ женной на консольной его части со стороны задней опоры. Рис. 2.4. Шпиндельный узел с роликовыми радиально-упорными однорядными коническими подшипниками с упорным бортом на наружном кольце типа 67000 в передней опоре и с мягкой выборкой зазоров типа 17000 в задней При этом во время вращения регулировочной гайки внутреннее кольцо подшипника вместе с роликами смещается, как указано стрелками, влево (см. рис. 2 .1, б), в направлении рабочей дорожки конического отверстия наружного зафиксированного кольца и вы­ 16 бирается зазор между роликами и коническими рабочими поверх­ ностями дорожек колец подшипника. Борт на наружном кольце ис­ пользуется для его базирования по торцу корпуса шпиндельной бабки. Позициями 1 и 2 (см. рис. 2.4) обозначены распорные втулки на шпинделе перед внутренними кольцами подшипников, а позици­ ей 3 - пружина мягкой выборки зазора в задней опоре. 2.4.3. Роликовые радиально-упорные однорядные конические подшипники с мягкой выборкой зазоров Роликовые радиально-упорные однорядные конические под­ шипники с мягкой выборкой зазоров (см. рис. 2.1, в) воспринимают радиальную и осевую нагрузки. Они предназначены для установки в задней опоре шпинделя, при этом могут устанавливаться в виде плавающей опоры, если передняя фиксирующая, или с применени­ ем схемы установки подшипников врастяжку (рис. 2.5). Рис. 2.5. Шпиндельный узел с роликовым радиально-упорным двухрядным коническим подшипником с упорным бортом на наружном кольце типа 697000 в передней опоре и с однорядным - с мягкой выборкой зазороь типа 17000 в задней 17 Эти подшипники имеют мягкую регулировку зазоров с помощью пружин 3 (см. рис. 2.4), расположенных в осевых отверстиях наружно­ го кольца, которые его смещают, как указано стрелками, влево (см. рис. 2 .1, в) и за счет этого обеспечивают постоянный предвари­ тельный натяг в процессе эксплуатации подшипника. Жесткий натяг в подшипнике создается регулировочной гайкой 4 (см. рис. 2.4), при вращении которой внутреннее кольцо вместе с роликами смещает­ ся, как указано стрелками, вправо (см. рис. 2 .1, в) в направлении конической рабочей дорожки наружного кольца и выбирается зазор в контакте рабочих дорожек и тел качения. 2.4.4. Роликовые радиально-упорные двухрядные конические подшипники с упорным бортом на наружном кольце Роликовые радиально-упорные двухрядные конические подшип­ ники с упорным бортом на наружном кольце (рис. 2 .1, г) восприни­ мают радиальную и осевую нагрузки. Эти подшипники обычно ус­ танавливаются в передней опоре шпинделя, и опора является фик­ сирующей (см. рис. 2.5). Регулирование зазора и создание требу­ емого натяга в подшипнике обеспечивается регулировочным коль­ цом между внутренними кольцами подшипника с соответствующей шириной Ь, которое поставляется в комплекте с подшипником. При вращении регулировочной гайки 3 (см. рис. 2.5) внутренние кольца подшипника смещаются навстречу друг к другу, как указано стрел­ ками (см. рис. 2 .1, г), в сторону конических рабочих дорожек на­ ружного кольца 1 на определенную величину. В соответствии с ши­ риной регулировочного кольца b создается требуемый предвари­ тельный натяг в контакте тел качения и рабочих поверхностей колец подшипника. Позициями 4 и 5 обозначены регулировочные гайка и втулка для жесткой регулировки натяга в задней опоре и позицией 8 - пружина мягкой регулировки зазора, действующая на наружное кольцо подшипника 2 и кольцо 7. 2.5. Типы шариковых подшипников шпиндельных опер В передних и задних опорах шпиндельных узлов получили при­ менение следующие типы шариковых подшипников: а) шариковые радиальные, радиально-упорные и упорные типа 300,400; 36000, 46000,66000; 8200, 8300, 38200 и др.; б) комплекты дуплекс шариковых радиально-упорных типа 36000,46000, 66000 (рис. 2.6, а, б, в) в передних и задних опорах; 18 в) комплекты триплекс шариковых радиально-упорных типа 36000,46000, 66000 (рис. 2.7, а, б) в передних опорах; г) шариковые упорно-радиальные сдвоенные с углом контакта 60° тина 178800 (рис. 2.7, ё) в передних опорах в комплекте с ради­ альными роликовыми. д а 36000 Ш 46000 61>б2 (дуплекс О-образшй! clot 36000 З а 46000 (дуплекс тандем! 15 01 Ш00 6 <б 10.521 46000 1 2 (дуплекс Х-образнш! Рис. 2.6. Типы комплектов дуплекс шариковых радиально-упорных подшипников для опор шпиндельных узлов * А ix.t - - Ч - А Т " 7/ 1 ^io lo 36000 Si>6, s Ш 46000 U1 u2 (триплекс тандем О-абразшй! TgloTff IQIOIQ 46000 (триплекс ттдем) в Рис 2.7. Типы комплектов триплекс шариковых радиально-упорных подшипников (а, б) и упорно-радиальный подшипник (в) для опор шпиндельных узлов 19 2.5.1. Шариковые радиально-упорные подшипники и их комплекты Шариковые радиально-упорные подшипники воспринимают ра­ диальную и осевую нагрузки и могут быть одно- и двухрядными. Эти подшипники устанавливаются в передних и задних опорах как само­ стоятельно, так и комплектами из двух, трех и четырех подшипни­ ков. При этом в передней опоре они могут комплектоваться с роли­ ковым радиальным двухрядным цилиндрическим подшипником. В шпиндельных опорах эти подшипники могут устанавливаться комплектом по два по схеме дуплекс О-образный (см. рис. 2.6, а), тан­ дем (см. рис. 2.6, б), Х-образный (см. рис. 2.6, в) или по три по схеме триплекс тандем О-образный (см. рис. 2.7, а) и тандем (см. рис. 2.7, б). Опоры с указанными подшипниками могут быть фиксирующими, пла­ вающими или с установкой по схеме враспор и врастяжку. Регулирование натяга в таких подшипниках имеет свои особенности в зависимости от схемы установки. Так, для подшипников, установлен­ ных по схемам дуплекс О-образный (см. рис. 2.6, а), Х-образный (см. рис. 2.6, в) и триплекс тандем О-образный (см. рис. 2.7, а \для регу­ лирования натяга имеются два регулировочных кольца соответст­ венно между наружными и внутренними кольцами подшипников с разной шириной Ь\ и 62. При этом для схемы дуплекс О-образный и триплекс тандем О-образный необходимо, чтобы ширина регулировочного кольца между наружными кольцами подшипников Ъ\ была больше, чем между внутренними Ь2 (см. рис. 2.6, а и 2.7, а), т. е. Ь\ > Ъг. Это свя­ зано с тем, что для создания натяга при вращении регулировочной гайки наружные кольца подшипников должны перемещаться в про­ тивоположные стороны, а внутренние - навстречу друг другу, как указано стрелками (см. рис. 2.6, а и 2.7, а). Ниже приведена конст­ рукция шпиндельного узла (рис. 2.8) с комплектом шариковых ра­ диально-упорных подшипников типа 36000 со схемой триплекс тандем О-образный в передней опоре и дуплекс О-образный - в задней, с регулировочными гайками 1 ,4 и регулировочными втул­ ками 2, 3 и 5, б. 20 Рис. 2.8. Шпиндельный узел с комплектом шариковых радиально-упорных подшипников типа 36000 со схемой триплекс таццем О-образный в передней опоре и дуплекс О-образный - в задней Для Х-образной схемы, наоборот, необходимо, чтобы ширина регулировочного наружного кольца Ъ\ была меньше внутреннего Ъ2 (см. рис. 2.6, в) , т. е. Ъ\ < Ь2, так как для создания натяга при вра­ щении регулировочной гайки в данном случае наружные кольца подшипников должны перемещаться навстречу друг другу, а внут­ ренние - в противоположные стороны, как указано стрелками (см. рис. 2 .6, в). Комплект подшипников дуплекс тандем (см. рис. 2.6, б) устанав­ ливается в передней и задней опорах шпинделя (рис. 2.9), а трип­ лекс тандем (см. рис. 2.7, б) - только в передней, при этом по схеме врастяжку. Натяг регулируется в обеих опорах одновременно одной регулировочной гайкой 1 со стороны задней опоры, и ширина регу­ лировочных колец между наружными 3, 5 и 8, 9 и внутренними кольцами 2, 4 и 7, 10 подшипников не имеет значения, так как они равны, т. е. Ъ\ = Ь2 - Ь. Это связано с тем, что наружные кольца подшипников фиксируются в передней (см. рис. 2.7, 6) и задней (см. рис. 2 .6, 6) опорах и для создания натяга при вращении регули­ ровочной гайки внутренние кольца подшипников обеих опор долж­ ны перемещаться навстречу друг другу. При этом внутренние коль­ ца подшипников вместе с шариками смещаются в направлении ра­ 21 бочих дорожек наружных колец одновременно в обеих опорах, как указано стрелками (см. рис. 2.6, б и 2.7, б), и выбирается зазор меж­ ду шариками и рабочими поверхностями дорожек наружных и внутренних колец подшипников обеих опор. Рис. 2.9. Шпиндельный узел с комплектом шариковых радиально-упорных подшипников типа 36000 со схемой дуплекс тандем в передней и задней опорах с установкой врастяжку 2.5.2. Шариковые упорно-радиальные двухрядные подшипники с углом контакта 60° Шариковые упорно-радиальные двухрядные подшипники с ут­ лом контакта 60° (см. рис. 2.1, в) в большей степени воспринимают осевую нагрузку и имеют быстроходность значительно выше, чем в обычных упорных подшипниках. Эти подшипники устанавливают­ ся только в передней опоре в комплекте с роликовым радиальным цилиндрическим подшипником и вместе являются фиксирующей опорой (рис. 2 .10). 22 Рис. 2.10. Шпиндельный узел с комплектом шарикового упорно-радиального подшипника с углом контакта 60° типа 178800 и роликового радиального цилиндрического типа 3182100 в передней опоре и с шариковыми радиально-упорными подшипниками со схемой дуплекс О-образный - в задней Для регулирования предварительного натяга в комплект упорно­ радиального подшипника входит регулировочная проставочная втулка определенной ширины Ъ, устанавливаемая между внутрен­ ними кольцами подшипника. Ширина регулировочной втулки обес­ печивает величину предварительного натяга, поэтому при сборке шпиндельного узла нет необходимости производить регулировку натяга. Однако в процессе эксплуатации в подшипнике могут поя­ виться зазоры, поэтому регулировочная втулка может быть подшли- фована до определенной ширины и отрегулирован предварительный натяг. При вращении регулировочной гайки 1 (см. рис. 2.10) внутрен­ ние кольца подшипника смещаются навстречу друг другу на опре­ деленную величину, как указано стрелками (см. рис. 2.7, в), в соот­ ветствии с шириной b регулировочной втулки 4 (см. рис. 2.10). В результате этого выбирается зазор и создается определенный предварительный натяг в контакте шариков и рабочих поверхностей дорожек колец подшипников. Позициями 1, 2 и 3 соответственно обозначены регулировочные гайка и втулки шариковых радиально- упорных подшипников, а 5 и б - распорные втулки. 23 1. Ознакомиться с особенностями подшипников качения, приме­ няемых в станкостроении, и критериями их работоспособности, в том числе с несущей способностью и быстроходностью. 2. Изучить конструкции и типы подшипников качения шпиндель­ ных опор, возможности применения подшипников в передних и зад­ них опорах шпиндельных узлов и возможные схемы их установки в виде фиксирующей или плавающей опоры, враспор или врастяжку. 3. Изучить способы регулирования зазора и создания предвари­ тельного натяга для различных типов подшипников с применением регулировочных колец или втулок определенной ширины. 4. Изучить конструкции шариковых и роликовых радиальных, радиально-упорных и упорных подшипников качения шпиндельных опор по реальным образцам лаборатории, принципы регулировки зазора и создания предварительного натяга, а также возможности подачи смазки в их рабочую зону. 5. Вычертить конструктивные схемы лабораторных образцов подшипников качения шпиндельных опор с обозначением ширины регулировочных колец в виде Ь, Ъ\ и Ь2 и стрелками указать направ­ ление смещений наружных и внутренних колец подшипника для создания предварительного натяга. 6. Записать название, тип и область применения указанных под­ шипников и вычертить их условное обозначение. 7. Описать процесс возможного регулирования предварительного натяга между телами качения и рабочими поверхностями дорожек внутренних и наружных колец реальных образцов подшипников. 8. Описать особенности смазывания подшипников качения через специальные каналы в наружном кольце подшипника и стрелками указать поток подачи смазки через его рабочую зону. 2.7. Содержание отчета 1. Описание критериев работоспособности подшипников каче­ ния шпиндельных опор. 2. Название, тип, условное обозначение и область применения реальных лабораторных образцов подшипников качения шпиндель­ ных опор. 3. Конструктивные схемы подшипников качения с обозначением размеров регулировочных втулок и колец и с указанием стрелками 2.6. Порядок выполнения лабораторной работы 24 направлений смещений наружных и внутренних колец реальных подшипников при регулировании зазора и создании предваритель­ ного натяга. 4. Описание принципа возможного регулирования зазора и соз­ дания предварительного натяга в зоне контакта тел качения и рабо­ чих поверхностей колец в реальных подшипниках качения шпин­ дельных опор. 5. Описание особенностей смазывания подшипников качения че­ рез специальные каналы в наружном кольце подшипника с указани­ ем потока подачи смазки через его рабочую зону. 2.8. Контрольные вопросы 1. Каковы особенности подшипников качения, применяемых в станкостроении? 2 . Основные критерии работоспособности подшипников качения шпиндельных опор. 3. Название подшипников качения в зависимости от восприни­ маемой нагрузки и варианты схем их установки в опорах шпин­ дельных узлов. 4. Какие из изученных подшипников могут применяться только в передних и задних опорах шпинделя, а какие - в любой опоре? 5. Какие имеются возможные варианты комплектования под­ шипников качения, устанавливаемых в опорах шпиндельных узлов? 6. Какие из подшипников качения могут устанавливаться в опо­ рах шпинделя по схеме «фиксирующая и плавающая опора», врас- пор или врастяжку? 7. Как осуществляется регулировка предварительного натяга в роликовых радиальных двухрядных цилиндрических подшипниках с коническим посадочным отверстием? 8. Как осуществляется регулировка предварительного натяга в роликовых радиально-упорных однорядных конических подшипни­ ках и шариковых радиально-упорных подшипниках со схемой уста­ новки дуплекс тандем? 9. Как осуществляется регулировка предварительного натяга в роликовых радиально-упорных двухрядных конических подшипни­ ках и шариковых упорно-радиальных двухрядных подшипниках с углом контакта 60°? 10. Как осуществляется регулировка п р едв ар и тел ь н ого натяга в шариковых радиально-упорных подшипниках со схемой установки дуплекс О-образный и дуплекс Х-образный? 25 3. КОНСТРУКЦИИ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ГЛАВНЫХ ПРИВОДОВ 3.1. Цель лабораторной работы В процессе выполнения лабораторной работы по изучению кон­ струкций и составлению кинематических схем главных приводов металлорежущих станков ставится цель: а) изучить структурные схемы, конструкцию и кинематику глав­ ных приводов и коробок скоростей; б) научиться составлять структурные формулы и уравнения ки­ нематического баланса для расчета фактических частот вращения шпинделя; в) уметь разрабатывать и оптимизировать структуру кинемати­ ческих схем и компоновок главных приводов; г) знать методику составления кинематических схем по сбороч­ ным чертежам и реальным объектам главных приводов, чтобы по­ лучить навыки их расчета и конструирования. В данной работе предлагается составить оптимальные кинемати­ ческие схемы с оптимизацией структуры и габаритных размеров главных приводов в лабораторных условиях токарного гидрокопи­ ровального полуавтомата модели 1722, горизонтального консольно­ фрезерного станка модели 6М82 и токарного станка с ЧПУ 16К20ФЗ, записать структурные формулы и уравнения кинематиче­ ского баланса и рассчитать частоты вращения шпинделя. 3.2. Назначение главных приводов Главные приводы предназначены для сообщения главного враща­ тельного движения резания шпинделю или возвратно-поступательного движения ползуну, столу и т. д. в зависимости от типа станка. По ха­ рактеру переключения частот вращения шпинделя они могут быть с дискретным или непрерывным переключением частот и называются ступенчатыми и бесступенчатыми приводами. 26 3.3. Типовые структурные схемы главных приводов 3.3.1. Структура приводов главного движения В общем случае главные приводы имеют электродвигатель, ко­ робку скоростей и шпиндельную группу, а в станках с ЧПУ - также датчик скорости и механизм зажима-разжима заготовок или инст­ рументов. Они могут иметь различные структурные, компоновоч­ ные и кинематические схемы. 3.3.2. Структурная схема главного привода со шпиндельной бабкой с фланцевым электродвигателем и встроенной коробкой скоростей Привод имеет компактную компоновку (рис. 3.1, а), удобное управление и среднескоростные режимы работы. Однако на точно­ сти обработки деталей сказывается воздействие на шпиндель виб­ рации и тепла, возникающих при работе коробки скоростей, т. е. зубчатых передач и подшипников качения. Такой привод применя­ ется в сверлильных, фрезерных, многооперационных сверлильно- фрезерно-расточных, а иногда в токарных с ЧПУ и токарно- револьверных станках. Рис. 3.1. Типовые структурные схемы приводов главного движения 27 3.3.3. Структурная схема главного привода в виде шпиндельной бабки с автономным шпиндельным узлом Шпиндельный узел привода изготавливается в автономном кор­ пусе и соединяется с коробкой скоростей шпиндельной бабки с по­ мощью шлицевого соединения или зубчатой муфты (рис. 3.1,6). При этом точность обработки увеличивается, так как на шпиндель от при­ водного элемента действует только крутящий момент и исключается влияние работы коробки скоростей. Такой привод обычно применя­ ется в многооперационных сверлильно-фрезерно-расточных станках. 3.3.4. Структурная схема главного привода с ременной передачей между электродвигателем и шпиндельной бабкой Привод обеспечивает более высокие скорости вращения шпин­ деля благодаря наличию ременной передачи (рис. 3.1, в). Однако такой привод имеет большие габариты и необходимо наличие уст­ ройства натяжения ремня. В настоящее время такой привод обычно применяется в группе токарных станков. 3.3.5. Структурная схема главного привода с автономной шпиндельной бабкой и коробкой скоростей Привод имеет автономную шпиндельную бабку и коробку скоро­ стей, соединенных ременной передачей (рис. 3.1, г). Он обеспечивает высокую точность обработки, так как на работу шпиндельного узла не оказывают влияние вибрации и тепловыделения коробки скоростей, однако несколько усложняются эксплуатация и обслуживание. Такой привод чаще применяется в токарных станках с ЧПУ. 3.4. Структура коробок скоростей Коробки скоростей состоят из элементарных и групповых двух­ валовых передач и имеют множительные или сложенные структу­ ры. Групповая передача представляет собой совокупность передач, связывающих вращение двух соседних валов, и имеет определенное число ступеней z„ характеристику xt и диапазон регулирования час­ тот вращения i?,. 28 Множительные структуры представляют собой совокупность групповых передач, которые соединяются последовательно, и об­ щее число ступеней равно произведению числа ступеней отдельных групповых передач. Сложенные структуры имеют хотя бы одну групповую передачу, с параллельным присоединением, и общее число ступеней равно произведению числа ступеней групповых пе­ редач, соединенных последовательно, на сумму числа ступеней групповых передач, имеющих параллельное соединение. Структура коробок скоростей описывается структурной форму­ лой, которая определяет ее конструктивный и кинематический ва­ риант, т. е. порядок расположения групповых передач и последова­ тельность их переключения. Ниже приведены структурные форму­ лы множительных и сложенных структур: z — 1 2 = 3 i - 2 з ■ 2(,; z — 1 6 — 2а, -2 g ; z = 12 = 3,- (1 • 23 + 23); z = 14 = 2r (23-24 + 32). 3.5. Кинематическая схема главного привода Оптимальный вариант кинематической схемы привода опреде­ ляется типом станка и предъявляемыми условиями к его компонов­ ке. В соответствии с этим выбирается оптимальная множительная или сложенная структура с рациональным расположением и компо­ новкой передач на валах, с использованием связанных колес, пере­ бора и т. д. с целью уменьшения осевых и радиальных размеров шпиндельной бабки. Коробка скоростей обычно переключается передвижными бло­ ками при прямозубых передачах или зубчатыми муфтами при ис­ пользовании косозубых передач. Расположение зубчатых передач должно обеспечивать возможность перемещения передвижных бло­ ков зубчатых колес или зубчатых полумуфт. При этом необходимо исключить одновременное зацепление двух колес или полумуфт блока в процессе переключения соответственно с неподвижными колесами соседнего вала или с соседними зубчатыми полумуфтами колес, свободно установленных на валу на подшипниках качения. Для этого при переключении должен быть момент нейтрального положения и блок может включаться в новое зацепление только по- 29 еле полного выхода из предыдущего. Поэтому расстояние между соседними зубчатыми колесами В2 должно быть больше ширины блока В\, т. е. В2 > В\ или В2 ~ Вх + 5 мм. На рис. 3.2 представлены варианты оптимальных компоновок с оптимальными осевыми размерами для групповых передач с чис­ лом ступеней: а) г = 2 с двухступенчатым передвижным блоком zj-r3 (а) и с двухсторонней зубчатой муфтой для колес z2-z 4 (б); б) z = 3 с трехступенчатым блоком zi~z5~z} при z5 - z 3 > 5 (в) и блоком Z1-Z3-Z5 при z3 - z5 < 5 и z5 > z3 (г); в) z = 4 с двумя двухступенчатыми блоками r r -z3 и z5-z7 (д). Рис 3.2, Варианты оптимальных компоновок групповых передач с числом ступеней z~2(a,6) ,z = 3 (в, г) и z = 4 (ci) 30 Для оптимизации компоновок и осевых габаритов множитель­ ных структур рабочие зоны передвижных блоков должны перекры­ ваться, как показано, например, для четырехступенчатой структуры с двумя двухступенчатыми блоками z\-z3 и z6-zg (рис. 3.3, а) и для девятиступенчатой структуры с двумя трехступенчатыми блоками Z1-Z5-Z3 и Zi2-Zr-Zj0(pHC. 3.3, 6). Рис 3.3. Варианты оптимальных компоновок множительных структур с числом ступеней г = 4 (в) и z = 9 (6) 3.6. Пример кинематической схемы главного привода токарно-револьверного станка Главный привод токарно-револьверного станка имеет коробку ско­ ростей с восемью ступенями частот вращения шпинделя с множитель­ ной структурой с оптимальной структурной формулой с постепенным повышением характеристик групповых передач х}- = 1; 2; 4: z — 8 = 2] • 2г ■ 24. Этой структурной формуле соответствует оптимальный график частот вращения (рис. 3.4) с плавныж изменением передаточных отношений, т. е. U = ф'1,5; 13 = ф“2; Ц = ф-2 и i6 = <рЛ 31 что обеспечивает постепенное уменьшение расчетных частот вращенш п/ = 2850; 2000; 1250; 800 мин' 1 и плавное повышение крутящих моментов на валах Г, в соответствии с формулой 7}=9,55-1(Г nJ где N3 и мощность электродвигателя и КПД участка привода от электродвигателя до j -го вала. m3 Рис. 3.4. График частот вращения главного привода токарно-револьверного станка 32 В результате оптимизации нагрузки этот привод имеет опти­ мальную конструкцию и габаритные размеры. Кинематическая схема главного привода токарно-револьверного станка (рис. 3.5) имеет структуру с оптимапъным расположением групповых передач с передвижными блоками z\—.z3, ze-zs, которое обеспечивает уменьшение осевых габаритных размеров. Вращение от электродвигателя М через ременную передачу передается на входной вал I коробки скоростей, а далее через три двухступенча­ тых передвижных блока z\-z3, zs-z% и zy-zn на шпиндель Ш. Dt=%0 ж Рис. 3.5. Кинематическая схема главного привода токарно-револьвернсго станка 33 В результате на шпинделе получается восемь значений частот вращения согласно уравнению кинематического баланса «э' h ■ h (h) • Н Os) • k (г?) = «г или A Z \ ( 2 Ь \ 5^ ( Z 1 \ Z 9 ( Z \\ \ _ . . « э • — --------- ( — ) — ( — ) — ( — ) - щ ; « 2; « з ; « 4 ; п 5; щ \ и 7; щ , 2 Z 2 Z 4 г б Z 8 2 10 Z 12 где щ - частота вращения электродвигателя; пэ = 2850 мин -1; г'ь h, h, h, is, k, in, k ~ передаточные отношения передач; n, и rtu п2, «з, Щ, «5, Пб, пъ щ - частоты вращения шпинделя, мин ч ; А и Z>2 - диаметры шкивов ременной передачи: D\ = 100 мм и Z>2 = 140 мм; гг, z2, z3, z4, z5, z6, z7, zg, z9, zio, zu, zn - числа зубьев зубчатых колес: zx = 28, z2 = 44, z3 - 32, z4 - 40, z5 = 30, z6 = 48, z7 = 39, z8 = 39, z9 = 27, zI0 = 54, zn = 45, z12 = 36. Из уравнения кинематического баланса рассчитываются значе­ ния частот вращения шпинделя: 100 28 32 30 39. 2 7 ,4 5 ч 2850 ----------- (— ) -------- (— ) • — (— ) = 405; 509; 647; 814; 140 44 40 48 39 54 36 1011;1272; 1618; 2035 и округляются до ряда предпочтительных чисел: 400; 500; 630; 800; 1000;1250;1600; 2000 м и н 1 . 3.7. Порядок выполнения лабораторной работы 3.7.1. Токарный гидрокопировальный полуавтомат модели 1722 1. Ознакомиться с конструкцией и структурой привода главного движения токарного гидрокопировального полуавтомата модели 1722. Структура главного привода указанного полуавтомата модели 1722 соответствует структурной схеме с ременной передачей между электродвигателем и шпиндельной бабкой (см. рис. 3 .1, в). 2. Изучить кинематику главного привода с множительной струк­ турой со ступенчатым регулированием частот вращения шпинделя коробкой скоростей токарного гидрокопировального полуавтомата 34 модели 1722 с использованием плаката и реального станка. На по­ луавтомате модели 1722 применяется четырехступенчатая коробка скоростей с двумя двух ступенчатыми блоками и с дополнительным комплектом сменных колес. 3. Изучить структуру коробки скоростей и соответствующую ей структурную формулу. Токарный полуавтомат может иметь струк­ турную формулу коробки скоростей как для множительной струк­ туры в виде Z ~- 4 ' Ze ~ Zc|i| ' 2|2с| 2|22с!) где z - общее число ступеней частот вращения шпинделя; z = 4 • zc; zc- число ступеней частот вращения, получаемых парами смен­ ных колес; zc|ii; 2щ, 2|2Zci - число ступеней частот вращения; jl|,| zc|, \2Zc\ - характеристики соответственно основной, первой и второй переборных групповых передач. 4. Составить кинематическую схему главного привода токарного гидрокопировального полуавтомата модели 1722 (рис. 3.6) с опти­ мальными осевыми размерами коробки скоростей (см. рис. 3.3, а). При этом учитывается необходимость исключить одновременное зацепление двух колес блока с неподвижными колесами соседнего вала в процессе переключения коробки скоростей. На схеме указать расстояния В\ и В2, а в опорах валов и шпинделя должны изобра­ жаться подшипники качения. 5. Обозначить на кинематической схеме диаметры шкивов А и D2 ременной передачи и числа зубьев зубчатых колес в порядке пе­ редачи вращения z\, z2, z3 и т. д., направление и частоту вращения вала электродвигателя пэ и шпинделя к, и мощность электродвига­ теля Лгэ. 35 Рис. 3.6. Кинематическая схема главного привода гидрокопировального полуавтомата модели 1722 6. Записать уравнения кинематического баланса в виде зависи­ мости частоты вращения шпинделя п, от частоты вращения вала электродвигателя п3 через передаточные отношения передач /}. Уравнение кинематического баланса для токарного копировального полуавтомата модели 1722 может быть представлено в следующем виде (см. рис. 3.6): «Э • v hcihc, • /Zc) • h(U) ■ /5(/*б) = Пи п2; т; n4Zc, где пъ - постоянная частота вращения вала нерегулируемого элек­ тродвигателя; мин-1; «э= 1450 мин-1; ip, /и, /2с;---5 4с - передаточные отношения ременной передачи и соответствующих пар сменных колес; 36 А А / - i a Llie------- 2ы “л Ь2 и т. д.; I,, h, h, U, h, h , ... - передаточные отношения зубчатых передач; «ь п2> »з, «4? «5, и4ус - значения частот вращения шпинделя при ступенчатом регулировании. 7. Для главного привода токарного гидрокопировального полу­ автомата модели 1722 рассчитать частоты вращения шпинделя и, по уравнению кинематического баланса «Э • v I'lcfc, •••, he) ■ 13(14) • 15 (1б) = »ь П2\ щ\ и4;...; «4zc = w„ в котором записать выражение передаточных отношений передач /} че­ рез диаметры шкивов Д и Дг и числа зубьев зубчатых колес zh z2, в общем виде и через их значения. Определить также диапазон ре­ гулирования R„, знаменатель геометрического ряда частот <р и про­ межуточные значения частот вращения п„ имея число ступеней ко­ робки скоростей z и предельные частоты вращения шпинделя птт- Гстах ПО формулам ^ ф = и Щ = . «тт Полученные результаты расчета частот вращения шпинделя ок­ руглить до ряда предпочтительных чисел. 3.7.2. Горизонтальный консольно-фрезерный станок модели 6М82 1. Ознакомиться с конструкцией и структурой привода главного движения горизонтального консольно-фрезерного станка модели 6М82. Структура главного привода указанного станка модели 6М82 со­ ответствует структурной схеме с фланцевым электродвигателем, соединенным с помощью присоединительной муфты с коробкой скоростей (см. рис. 3.1, а). 37 2. Изучить кинематику главного привода с множительной струк­ турой со ступенчатым регулированием частот вращения шпинделя коробкой скоростей горизонтального консольно-фрезерного станка модели 6М82 с использованием плаката (рис. 3.7) и реального стан­ ка. На станке модели 6М82 применяется восемнадцатиступенчатая коробка скоростей с двумя трехступенчатыми и одним двухступен­ чатым передвижными блоками зубчатых колес. Рис. 3.7. Главный привод горизонтального консольно-фрезерного станка модели 6М82 38 3. Изучить структуру коробки скоростей и соответствующую ей структурную формулу. Горизонтальный консольно-фрезерный ста­ нок может иметь структурную формулу коробки скоростей, как для множительной структуры, в виде Z — 18 = 3] • Зз • 29, где z - общее число ступеней частот вращения шпинделя; z — 18; Зь З3; 29 - число ступеней частот вращения; 1,3, 9 - характеристики соответственно основной, первой и вто­ рой переборных групповых передач. 4. Составить кинематическую схему главного привода горизон­ тального консольно-фрезерного станка модели 6М82 (рис. 3.8) с опти­ мальными осевыми размерами коробки скоростей (см. рис. 3.3, б). При этом необходимо исключить одновременное зацепление двух колес каждого блока с неподвижными колесами соседнего вала в процес­ се переключения коробки скоростей и указать расстояния В\ и В2 между соответствующими колесами. Рис, 3.8. Кинематическая схема главного привода горизонтального консольно-фрезерного станка модели 6М82 39 5. На кинематической схеме главного привода горизонтального консольно-фрезерного станка модели 6М82 (см. рис. 3.8) обозначить числа зубьев зубчатых колес всех постоянных и групповых передач в порядке передачи вращения zh z-i, z3 и т. д. и указать направление и частоту вращения вала э л е к т р о д Б и г а т е л я иэ и ш п и н д е л я и, и мощ­ ность электродвигателя N3. 6. Записать уравнения кинематического баланса в виде зависимости частоты вращения шпинделя и, от частоты вращения вала электродви­ гателя иэ через передаточные отношения передач г} (см. рис. 3.8). Уравнения кинематического баланса главного привода горизон­ тального консольно-фрезерного станка модели 6М82 может быть представлено в следующем общем виде: Пэ ■ *г к Оз; /4) • «5Об; h) • h OV) = «ь Пг, щ; и4;...; пп , где пэ - постоянная частота вращения вала нерегулируемого элек­ тродвигателя; мин'1; «э= 1440 мин *; h, к, h, h, h, h, h, h, h - передаточные отношения зубчатых пе­ редач; Щ, п2, Щ, Щ, «18 - значения частот вращения шпинделя при ступенчатом регулировании. 7. Для главного привода горизонтального консольно-фрезерного станка модели 6М82 рассчитать частоты вращения шпинделя л, по уравнению кинематического баланса иэ • к Оз; и) • к Об: к) ■ is О») = щ; п2; и3; и4;...; ni8 = п,, в котором выражение передаточных отношений передач г} через числа зубьев зубчатых колес zb гъ ..., записать в общем виде и через их значения. Также определить диапазон регулирования Rn, знаменатель геометрического ряда частот ср и промежуточные зна­ чения частот вращения п„ имея число ступеней коробки скоростей z и предельные частоты вращения шпинделя п ^ - итах, по формулам Кп =~Ш ’’ Ф = 2\ ^ „ И И/ = ИттУ^. ^Wi Полученные результаты расчета частот вращения шпинделя ок­ руглить до ряда предпочтительных чисел. 40 1. Ознакомиться с конструкцией и структурой привода главного движения токарного станка с ЧПУ модели 16К20ФЗ. Структура главного привода указанного токарного станка с ЧПУ мо­ дели 16К20ФЗ соответствует структурной схеме с ременной передачей между электродвигателем и шпиндельной бабкой (см. рис. 3.1, в). 2. Изучить кинематику главного привода токарного станка с ЧПУ модели 16К20ФЗ со сложенной структурой с бесступенчатым электромеханическим регулированием частот вращения с помощью регулируемого электродвигателя и коробки скоростей с использо­ ванием плаката (рис. 3.9) и реального станка. На станке 16К20ФЗ в главном приводе применяется трехступенчатая коробка скоростей с двухступенчатым передвижным блоком и с дополнительным пере­ движным колесом, которые подключены параллельно и образуют сложенную структуру. 3. Изучить структуру коробки скоростей и соответствующую ей структурную формулу (см. рис. 3.9). Токарный станок с ЧПУ моде­ ли 16К20ФЗ имеет структурную формулу коробки скоростей, как для сложенной структуры, в виде г = Ъ — 1-(1 • 1 • 1+20, где z - число диапазонов регулирования частот вращения шпинде­ ля; z = 3; 1; 1; 1; 1 - число ступеней частот вращения постоянных передач; 2\ - число ступеней частот вращения групповой передачи в до­ полнительной структуре и 1 - соответственно ее характеристика как основной групповой передачи. 3. 7.3. Токарный станок с ЧПУ модели 16К20ФЗ 41 Рис. 3.9. Главный привод токарного станка с ЧПУ модели 16К20ФЗ 4. Составить кинематическую схему главного привода токарного станка с ЧПУ модели 16К20ФЗ (рис. ЗЛО), при этом исключить од­ новременное зацепление двух колес блока, при его трехпозицион­ ном положении, с неподвижными колесами соседнего вала и оди­ ночного передвижного зубчатого колеса в процессе переключения коробки скоростей (см. рис. 3.2, а). На схеме указать расстояния В\ и By, а валы и шпиндель изображать на подшипниках качения. 42 Рис. 3.10. Кинематическая схема главного привода токарног о станка с ЧПУ модели 16К20ФЗ 5. На кинематических схемах (см. рис. 3.10) обозначить диаметры шкивов D\ и D2 ременной передачи и числа зубьев зубчатых колес в порядке передачи вращения z\, z2, z3 и т. д. и указать минимальную иЭпш» номинальну ю иэн и максимальную частоту вращения вала, мощ­ ность N, электродвигателя и частоты вращения шпинделя п,. 6. Записать уравнения кинематического баланса (см. рис. 3.10) в виде зависимости частоты вращения шпинделя и, от частоты вра­ щения вала электродвигателя щ через передаточные отношения пе­ редач ij. Уравнение кинематического баланса для главного привода токарного станка с ЧПУ модели 16К20ФЗ может быть представлено в следующем виде: (^ эпйп э^тах) " /р* *1 ' (^ 2 /*3 /4)5 0*5» /б) 43 где иэтт и пэтах - минимальная и максимальная частоты вращения регулируемого электродвигателя; /р, /ь /’г» *з» U, h, k - передаточные отношения ременной передачи и зубчатых передач коробки скоростей: ( /1 1 mm f t I икзv) " (^2 :т п ^2max)> О ^гп ш ^Ъ тлхХ {.Щ min Щтак) И (/? ] rnm H imax)» C^2min ^ 2 m ax)■ (ПЗпид Зпгах) П р в - дельные значения частот вращения соответственно электродвигате­ ля и диапазонов бесступенчатого регулированиям частот вращения шпинделя. 7. Для главного привода токарного станка с ЧПУ модели 16К20ФЗ рассчитать предельные значения частот вращения трех диапазонов регулирования и значение расчетной частоты вращения шпинделя Ир по уравнениям кинематического баланса (Иэтш- Щтах)' /р” Н ’ (h: ' Н ' )> Os» ,J'<0 — — (^ lmin — И]тах), (И2 min 2^тах)> (Щ шш Зтах)» Пэн ' ip‘ /1 ‘ ’ Н ' ц); О'}) /”б) — Ир , в которых записать выражение передаточных отношений передач у че­ рез диаметры шкивов Д и D2 и числа зубьев зубчатых колес zb z2, ..., z- в общем виде и через их значения, где я, иэн и иэтах - минималь­ ная, номинальная и максимальная частоты вращения регулируемого электродвигателя; »3mm ~ 355 мин”1, пш = 1400 мин 1 и иЭ1Г1ах = = 4500 мин”1. 8. Определить диапазоны регулирования частот вращения шпинделя R„, электродвигателя R3, коробки скоростей RM, а также при постоянном моменте = R„t и ЯэТ, знаменатель геометрического ряда частот вращения коробки скоростей (рм и значения предельных частот вращения диапазонов регулирования п1тщ и п1тах и расчетной частоты ир по формулам 44 о _ Г^ГИТ . ■? _ ^?шах . • п _ П _ Иэн . / S , - 9 ' Ь ~ 5 Г) ’ _ Л э Г ------------------- , ^rain Э^1Ш1 ” Э «эпип Фм = 2 А ’ ^ишп — Hrninl ф м з Ицпах ~ Птах) ’ ф м , /1р — Пт)в' Rnj . Полученные результаты расчета частот вращения шпинделя ок­ руглить до ряда предпочтительных чисел. 9. Для главного привода токарного станка с ЧПУ модели 16К20ФЗ: а) изучить график частот вращения шпинделя и диапазоны регу­ лирования электродвигателя и шпинделя (рис. 3.11): К = К т -RnN = К ' К = K t ' K n ' K ’ где R„ - диапазон регулирования частот вращения шпинделя; R„t и R3t - диапазоны регулирования частот вращения шпинделя и электродвигателя при постоянном моменте, при этом R„t = R3t ', R ^ n RM - диапазоны регулирования частот вращения шпинделя и электродвигателя при постоянной мощности, при этом R„m = R%y -RM; R3 - диапазон бесступенчатого регулирования частот вращения электродвигателя, при этом R3 - R?t 'R-jn', RM - диапазон регулирования частот вращения механической ко­ робки скоростей; б) изучить зависимости между диапазонами регулирования и частотами вращения электродвигателя и шпинделя (см. рис. 3.11): где иэтш, иэн и «этах - минимальная фактическая для данного при­ вода, номинальная и максимальная частоты вращения электродви­ гателя; «max и А7Р - максимальная и расчетная частоты вращения шпин­ деля; п ft п г у — эн . т у — max . п — этах . Л Э7’ -------------------- ? K n N --------------------5 к э И ---------------------- 9 "эшш «р «эн R n Rп _ nN ___ п_ 45 в) определить расчетную частоту вращения шпинделя и сравнить с фактически принятой на станке: где nmm и R„ - минимальная частота и диапазон регулирования час­ тот вращения шпинделя; г) определить знаменатель геометрического ряда частот враще­ ния шпинделя, переключаемых механической коробкой скоростей, Фм через число ступеней z и диапазон регулирования й„ коробки скоростей, т. е. д) по графику частот определить возможные варианты значений частот вращения электродвигателя яэ, например, при требуемой частоте вращения шпинделя я, = 224 мин-1; е) рассчитать крутящие моменты и мощности на валу электродви­ гателя и шпинделя, используя график частот вращения (см. рис. 3.11) и формулы , N Г =9,55-10 — «э, N -п Т, =9 ,55-103 — -——, nj где Тэ/ и Tj - крутящие моменты на валу электродвигателя и на шпинделе, Н м; N3 - мощность электродвигателя, кВт; «э и rij - частоты вращения электродвигателя и шпинделя, мин -1 j г|ц - КПД привода главного движения: Т]ц = Пп,- 46 h= 28 Рис. 3.11.1 рафик частоты вращения главного привода токарного станка с ЧПУ модели 16К20ФЗ 47 3.8. Графические условные обозначения на кинематических схемах При составлении кинематических схем приводов станков можно пользоватся следующими графическим условными обозначениями (рис. 3.12): I - электродвигатель; 2 -вал; 3 - передние концы шпинделей; 4 - ходовой винт и передачи винт-гайка скольжения и качения; 5 - подшипники без уточнения типа; 6 - подшипники скольжения; подшипники качения: 7 - шариковые и роликовые радиальные; 8 - шариковые радиально-упорные; 9 - шариковые упорно-радиальные с утлом контакта 60°; 10 - шариковые упорные; II - роликовые радиально-упорные; 12 - роликовые комбинированные радиально-упорные; муфты: 13 - нерасцепляемые; 14 - сцепляемые механические, электрические и гидравлические; 15 - автоматические предохранительные; 16 - ранее применяемые изображения муфт; 17-шкивы; 18 - ременные передачи; 19 - передачи цепные; 20 - виды установки зубчатых колес на валы; 21 - передачи зубчатые цилиндрические; 22,23 - передачи зубчатые конические; 24 - передачи зубчатые реечные; 25 - передачи зубчатые винтовые и червячные. 48 т а а = 5 » Ф А в ^ Ж * * В » ^ t 4,/S. ф Ф -1" t 7+ ^ ф Ф 4 4 * 4 4 " 4 4 1 2 ‘ _ ф ф ф ф ф ф ф - » ( # ^ j - # Э - ф . # ■ „ Ф -M ®Т ■ >....» A « . _* f 1 I 1 1 I r f r ~ r h I j J L а ф ф 4 ч - , i t _ L , J a , ^ J L I 1 1 L b o j t f - p l 1 1 1 V t i r f c j I I е е ^ At [I -H-+ smIkj} {|'J • III § ■ Ifi!ixf (*4*<|>4 ч{ j r a r u J p - l - J ; * : L . T T l f . 11 T ^ T t f H k 113 • H H " 1 ФФ.'ф^|!j p l ф ф ф Ф б a 1 CD 8 i S 'я 9> t e«4 M. h ti $ и ?О Q a III-f r 11 f 1 ¥ is 0 " (V ,V¥i siirv1? 49 Ри с. 3.1 2. Гр аф ич ес ки е ус ло вн ые об оз на че ни ях на ки не ма ти че ск их сх ем ах 1. Структурные формулы множительной и сложенной структуры коробок скоростей главных приводов. 2. Описание оптимальных типовых компоновок групповых пере­ дач и множительных структур. 3. Описание особенностей конструкций и кинематики главных приводов токарного гидроколировального полуавтомата модели 1722, горизонтального консольно-фрезерного станка модели 6М82 и токарного станка с ЧПУ модели 16К20ФЗ. 4. Кинематические схемы главных приводов токарного полуав­ томата модели 1722, горизонтального консольно-фрезерного станка модели 6М82 и станка с ЧПУ модели 16К20ФЗ с подшипниками качения в опорах валов и шпинделя и описанием их особенностей. 5. Уравнения кинематических балансов главных приводов полу­ автомата модели 1722, горизонтального консольно-фрезерного станка модели 6М82 и токарного станка с ЧПУ модели 16К20ФЗ. 6. График частот вращения главного привода токарного станка с ЧПУ модели 16К20ФЗ и описание его диапазонов регулирования. 3.10. Контрольные вопросы 1. Назначение, основные виды структурных схем главных при­ водов и их особенности. 2. Структура коробок скоростей главного привода и виды груп­ повых передач. 3. Структурные формулы и понятия конструктивного и кинема­ тического варианта структур коробок скоростей. 4. Множительные и сложенные структуры коробок скоростей и их структурные формулы. 5. Оптимизация компоновок групповых передач и множитель­ ных структур. 6. Структурная формула, особенности кинематики и уравнение кинематических балансов главного привода токарно-револьверного станка. 7. Каковы особенности конструкции и кинематики главных при­ водов токарного гидрокопировального полуавтомата модели 1722 и горизонтального консольно-фрезерного станка модели 6М82? 3.9. Содержание отчета 50 8. Структурная формула множительной структуры коробки ско­ ростей и уравнение кинематического баланса главного привода по­ луавтомата модели 1722 и горизонтального консольно-фрезерного станка модели 6М82. 9. Каковы особенности конструкции и кинематики главного при­ вода токарного станка с ЧПУ 16К20ФЗ? 10. Структурная формула сложенной структуры коробки скоро­ стей, уравнение кинематического баланса, график частот вращения и диапазоны регулирования главного привода токарного станка с ЧПУ модели 16К20ФЗ. 51 4. КИНЕМАТИКА И КОНСТРУКЦИИ ШПИНДЕЛЬНЫХ БАБОК 4.1. Цель лабораторной работы В процессе выполнения лабораторной работы по изучению ки­ нематики и конструкции шпиндельных бабок ставится цель: а) изучить кинематические и конструктивные особенности шпиндельных бабок и их шпиндельных узлов различных станков; б) научиться составлять и проектировать кинематические схемы шпиндельных бабок и структурно-кинематические схемы шпин­ дельных узлов по сборочным чертежам и реальным объектам; в) уметь подбирать способ регулирования зазора и создания предварительного натяга, вид системы смазывания и вариант уп­ лотнений для конкретных подшипников опор шпиндельных узлов; г) знать типовые конструкции шпиндельных узлов, их основные конструктивные параметры, виды приводных передач шпинделя и способы регулирования предварительного натяга подшипников опор шпиндельных узлов, чтобы получить навыки их расчета и кон­ струирования. В данной лабораторной работе по реальным образцам шпин­ дельных бабок с разрезами по шпиндельным узлам предлагается изучить кинематические и конструктивные особенности шпиндель­ ных бабок, виды приводных передач шпинделя, типы подшипников, способы регулирования зазора и создания предварительного натяга, виды системы смазывания и варианты уплотнений для конкретных подшипников шпиндельных опор. 4.2. Особенности кинематики шпиндельных бабок Шпиндельные бабки станков имеют конструкцию и структуру со своими конструктивными особенностями, связанными с сообщени­ ем именно главного движения резания и с видом выполняемых опе­ раций, а также с технологическими возможностями и компоновкой станка. В общем случае шпиндельные бабки станка представляют собой совокупность электродвигателя, коробки скоростей и шпин­ дельной группы и могут иметь различные структурно-компоновоч­ ные схемы и кинематику. 52 4.3. Конструкция шпиндельных бабок токарных станков Шпиндельная бабка токарных станков обычно имеет конструк­ цию со встроенным в общий корпус шпиндельным узлом и коробкой скоростей в виде сборочной единицы и кинематически соединяется с приводным электродвигателем на лапах с помощью ременной пере­ дачи. На рис. 4.1 представлена шпиндельная бабка токарного станка с ЧПУ с четырьмя диапазонами регулирования частот вращения шпинделя с двумя косозубыми и двумя прямозубыми передачами. При этом они переключаются соответственно двухсторонней зубча­ той муфтой и двухступенчатым передвижным блоком. Шкив ремен­ ной передачи установлен на разгрузочной втулке и через штифт и фланцевое шлицевое соединение передает крутящий момент на входной вал. Для передачи крутящего момента на патрон передний конец шпинделя имеет торцовую цилиндрическую шпонку. Шпин­ дельный узел установлен на комплектах шариковых радиально­ упорных подшипников по схеме дуплекс О-образный в передней и задней опорах и имеет лабиринтные уплотнения шпиндельных опор. Регулирование предварительного натяга в подшипниках обеспечива­ ется с помощью регулировочных гаек и втулок. Однако шпиндельная бабка токарных станков может быть авто­ номной со шпиндельным узлом в отдельном корпусе и ременной пе­ редачей соединяется с автономной коробкой скоростей. На рис. 4.2 представлена автономная шпиндельная бабка со шпиндельным уз­ лом, установленным на комплектах подшипников. При этом в пе­ редней опоре установлены роликовый радиальный цилиндрический с коническим посадочным отверстием и шариковый упорно­ радиальный с углом контакта 60° подшипники, а в задней опоре шариковые радиально-упорные - по схеме дуплекс О-образный. Приводной шкив ременной передачи устанавливается консольно со стороны задней опоры шпинделя. Движение на шпиндельную бабку передается от двухступенча­ той коробки скоростей (рис. 4.3) с прямозубыми передачами с пере­ движным двухступенчатым блоком и с фланцевым приводным электродвигателем. 53 Рис. 4.1. Шпиндельная бабка горизонтального токарного станка со встроенным в общий корпус шпиндельным узлом и коробкой скоростей 54 Рис. 4.2. Автономная шпиндельная бабка горизонтального токарного станка со шпиндельным узлом в отдельном корпусе Рис. 4.3. Автономная коробка скоростей горизонтального токарного станка в виде отдельной сборочной единицы 55 Сверлильные шпиндельные бабки вертикально- и радиально­ сверлильных станков имеют приводной фланцевый электродвига­ тель. соединительную муфту с упругим элементом и расположен­ ные в ее корпусе коробки скоростей и подач. Автономный шпин­ дельный узел располагается в пиноли сверлильной бабки вместе приводом его вертикальной подачи. Шпиндельные бабки вертикальных бесконсольно-фрезерных станков также обычно имеют шпиндельный узел, расположенный в пиноли, вместе с которой он получает вертикальную подачу. Горизонтальные и вертикальные консольно-фрезерные станки не имеют шпиндельных бабок, и их шпиндельный узел и коробка ско­ ростей располагаются в станине станка, а движение получают от приводного фланцевого электродвигателя через присоединитель­ ную муфту с упругим элементом. Шпиндельные бабки горизонтальных и вертикальных многоопе­ рационных сверлильно-фрезерно-расточных станков с ЧПУ могут быть со встроенным шпиндельным узлом и коробкой скоростей в единый корпус и иметь приводной фланцевый электродвигатель с присоединительной муфтой. На рис. 4.4 представлена горизонтальная шпиндельная бабка многооперационного станка с ЧПУ с двухступенчатой коробкой скоростей с косозубыми передачами с переключением с помощью двухсторонней зубчатой муфты. Шпиндельный узел установлен на комплектах подшипников по схеме врастяжку. При этом в передней опоре установлены шариковые радиально-упорные подшипники триплекс тандем и дуплекс тандем — в задней опоре. Передний ко­ нец шпинделя имеет две призматические шпонки для передачи кру­ тящего момента на оправку режущего инструмента. Для зажима- разжима инструмента в переднем конце шпинделя имеются тарель­ чатая пружина и гидравлический цилиндр. 4.4. Конструкции шпиндельных бабок сверлильных, фрезерных и многооперационных станков 56 Рис. 4.4. Шпиндельная бабка горизонтального многооперационного станка со встроенным в общий корпус шпиндельным узлом и коробкой скоростей 57 Кроме того, шпиндельные бабки могут иметь шпиндельную группу в виде автономного шпиндельного узла в отдельном корпу­ се. Он устанавливается и закрепляется на корпусе бабки, а шпин­ дель кинематически соединяется с коробкой скоростей зубчатой муфтой или через шлицевое соединение. На рис. 4.5 представлена вертикальная шпиндельная бабка с авто­ номным шпиндельным узлом многооперационного сверлильно- фрезерно-расточного станка с ЧПУ. Шпиндель установлен на ком­ плектах подшипников в отдельном корпусе. При этом в передней опо­ ре установлены роликовый радиальный цилиндрический с коническим посадочным отверстием и шариковые радиально-упорные подшипни­ ки по схеме дуплекс О-образный, а в задней опоре - только шариковые радиально-упорные - по схеме дуплекс О-образный. Коробка скоростей имеет двухступенчатую косозубую зубчатую передачу с переключением двухсторонней зубчатой муфтой и при­ водной фланцевый электродвигатель. Шпиндель получает вращение от выходного полого вала коробки скоростей через шлицевые соеди­ нения. Шпиндельная бабка имеет направляющие качения в виде ка­ реток и шин, при этом каретки крепятся к корпусу бабки, а шины - к базовой детали. 58 Рис. 4.5. Шпиндельная бабка вертикального многооперационного станка с автономным шпиндельным узлом 59 4.5. Конструкции коробок скоростей Коробки скоростей шпиндельных бабок состоят из последова­ тельно и параллельно расположенных элементарных и групповых двухваловых передач и имеют множительную или сложенную структуру. Переключение коробок скоростей может осуществляться передвижными блоками (см. рис. 4.1 и 4.3), зубчатыми муфтами (см. рис. 4.4 и 4.5) или сменными колесами, что обеспечивает полу­ чение требуемых частот вращения шпинделя и соответствующих скоростей резания. Групповая передача представляет собой совокупность передач, связывающих вращение двух соседних валов, и имеет определенное число ступеней zp равное количеству передач в группе. Общее чис­ ло ступеней коробки скоростей определяется при множительной структуре коробки произведением Иг, = z\ ■ z2 •..., а для сложенной структуры суммой I l Z j = Z i + Z2 + . . . ИЛИ X \Z j = Z \ ' Z 2 ' . . . ( Z 3 + Z4 + . . . ) чисел ступеней групповых передач zp располагаемых последова­ тельно или параллельно. 4.6. Конструкции шпиндельных узлов Шпиндельный узел является ответственным узлом металлорежу­ щих станков. В качестве шпиндельных опор используются подшип­ ники качения, как обычные, так и специально предназначенные для установки в шпиндельных узлах. Для повышения точности работы подшипников качения в опорах шпинделя создается предваритель­ ный натяг, устраняющий зазоры между рабочими поверхностями дорожек колец и телами качения подшипника. Натяг шпиндельных подшипников регулируется с помощью регулировочных колец, размеры которых установлены заранее, в результате чего при сбор­ ке обеспечивается определенная сила предварительного натяга. Пе­ редняя опора шпиндельных узлов чаще выполняется фиксирован­ ной, чтобы ею воспринимались радиальные и осевые нагрузки, а задняя опора в этом случае - плавающей (см. рис. 4.1, 4.4 и 4.5), однако может быть наоборот. Кроме того, подшипники качения мо­ гут устанавливаться в шпиндельных опорах по схеме врастяжку (см. рис. 4.4). 60 4,7. Виды приводных передач шпинделя Приводная передача шпинделя, ее вид и расположение зависят от типа станка, требуемой точности, предельных частот вращения и величины передаваемого усилия и может быть зубчатой, ременной И др- Зубчатые передачи отличаются простотой и компактностью кон­ струкции, а также возможностью передавать большие крутящие моменты (рис, 4.6, а) и применяются в токарных, сверлильных, фре­ зерных и многооперационных станках. Однако в связи с погрешно­ стью шага передач высокое качество обработанной поверхности не обеспечивается, поэтому их применение ограничивается частотой вращения до 35 с \ Зубчатые передачи не рекомендуется применять в прецизионных станках. Ml 'а о O I Q o aa f tВ ' па Рис. 4.6. Кинематические схемы привода шпинделя с различными видами приводных элементов и их расположение на шпинделе 61 Ременные передачи отличаются высокой плавностью вращения и уменьшением динамических нагрузок в приводе станка (рис. 4.6, б) и применяются в основном в токарных станках. Однако при этом несколько увеличиваются размеры привода и усложняется конст­ рукция в связи с необходимостью наличия механизма натяжения ремня и в отдельных случаях - установки шкива на самостоятель­ ные опоры для разгрузки шпинделя (рис. 4.6, в). Кроме того, в многооперационных станках с автономным шпин­ дельным узлом для привода шпинделя могут применяться зубчатые муфты (рис. 4.6, г) или шлицевые соединения, что повышает точ­ ность обработки в связи с исключением действия на шпиндель виб­ раций и тепла от работы зубчатых передач коробки скоростей. Расположение приводного элемента (шестерни, шкива, зубчатой полумуфты и др.) шпинделя влияет на схему его нагружения, а следо­ вательно, на его прогиб и реакции опор, поэтому необходимо выби­ рать оптимальный вариант. В общем случае приводные элементы мо­ гут располагаться на межопорной части шпинделя (см. рис. 4.6, а) на расстоянии Ъ от передней опоры или на консольной его части со стороны задней опоры на расстоянии с (см. рис. 4.6, б). Зубчатые колеса, располагающиеся на межопорном участке шпинделя, долж­ ны быть ближе к его передней опоре, т. е. b должно быть мини­ мальным. При применении разгрузочного устройства на подшипниках ка­ чения (см. рис. 4.6, в) и зубчатой муфты (рис. 4.6, г) или шлицевого соединения величина с не имеет значения. При этом на шпиндель от приводного элемента действуют соответ­ ственно окружная F, и радиальная F, силы зубчатого зацепления (см. рис. 4.6, а), радиальная нагрузка ременной передачи F (см. рис. 4.6, 6) и крутящий момент Т при разгрузке шпинделя, передаваемый зуб­ чатой муфтой (см. рис. 4.6, в, г), а также шлицевым соединением. 4.8. Порядок выполнения лабораторной работы 1. Ознакомиться с кинематическими и конструктивными особен­ ностями шпиндельных бабок и шпиндельных узлов токарных и многооперационных металлорежущих станков с ЧПУ и описать их. 2. Изучить кинематику и конструкции реальных шпиндельных бабок и шпиндельных узлов токарного, многооперационного и аг­ 62 р е г а т н ы х фрезерного и сверлильного станков, а также виды и рас­ п о л о ж е н и е приводных элементов шпинделя. Главные особенности к о н с т р у к ц и й шпиндельных бабок, которые необходимо изучить, связаны с их компоновкой, видом приводного элемента шпинделя и привода в целом, типом подшипников шпиндельных опор, схемой их установки, способом регулирования предварительного натяга и методом смазывания. Автономная шпиндельная бабка токарного станка имеет базо­ вую поверхность для установки на базовую деталь. Привод бабки осуществляется ременной передачей с консольным расположением шкива на шпинделе со стороны задней опоры (рис. 4.7). Шпиндель установлен на шариковых радиально-упорных подшипниках дуп­ лекс О-образный в передней и задней опорах. Рис. 4.7. Кинематическая схема автономной шпиндельной бабки токарного станка Автономный шпиндельный узел многооперационного станка имеет базовые поверхности и фланец для установки и крепления к корпусу шпиндельной бабки (рис. 4.8). Вращение на шпиндель пе­ редается от коробки скоростей через зубчатую муфту. Шпиндель установлен на комплектах шариковых радиально-упорных подшип­ ников триплекс тандем О-образный в передней опоре и дуплекс О-образный - в задней. 63 Рис. 4.8. Кинематическая схема автономного шпиндельного узла многооперационного станка Горизонтальная фрезерная бабка агрегатного станка имеет приводной ременный редуктор и шкив, консольно установленный со стороны задней опоры (рис. 4.9). Привод с ременной передачей имеет специальный механизм для натяжения ремня, при этом регу­ лировочный винт при своем вращении смещает плиту с электродви­ гателем и ведущим шкивом. Шпиндельный узел установлен на комплектах подшипников, воспринимающих радиальную и осевую нагрузки. При этом в передней опоре установлены роликовый ради­ альный цилиндрический с коническим посадочным отверстием и шариковые упорные с мягкой выборкой зазоров подшипники, а в задней опоре - шариковые радиально-упорные по схеме дуплекс Х-образный. J Г _ [Hr <0) LlOOl Mol Ion ВН ГIQOJ w|0| |OW □ □ < G > Рис. 4.9. Кинематическая схема горизонтальной фрезерной бабки агрегатного станка 64 Вертикальная фрезерная бабка агрегатного станка имеет привод с ременной передачей, и для исключения действия на вал усилия на­ тяжения ремня приводной шкив располагается на разгрузочной втул­ ке. Приводной передачей шпинделя является червячная передача, и приводное червячное колесо располагается на межопорной части шпивделя (рис. 4.10). Вертикальный шпиндельный узел установлен на комплектах шариковых и роликовых подшипников. В передней опоре установлены роликовый радиальный цилиндрический под­ шипник с коническим посадочным отверстием и шариковые упорные подшипники с мягкой выборкой зазоров, а в задней опоре - шарико­ вые радиально-упорные по схеме дуплекс О-образный. о о н J LH DI О О О i q 10 1 о | о ( о QJ 0 1 х О & О -а - Рис. 4.10. Кинематическая схема вертикальной фрезерной бабки агрегатного станка 65 Горизонтальная сверлильная бабка агрегатного станка имеет приводной фланцевый электродвигатель, автономный шпиндель­ ный узел и механический зубчатый редуктор со сменными колеса­ ми для регулирования частот вращения шпинделя (рис. 4.11). При­ водной передачей шпинделя является цилиндрическая зубчатая пе­ редача, и приводное колесо располагается на консольной части шпинделя со стороны задней опоры. Шпиндельный узел установлен на комплектах радиально-упорных подшипников по схеме дуплекс О-образный в передней и задней опорах и с шариковым упорным подшипником с мягкой выборкой зазора - в передней. Рис. 4.11. Кинематическая схема горизонтальной сверлильной бабки агрегатного станка 3. Изучить и описать конструкции и типы подшипников качения, установленных в передних и задних опорах шпиндельных узлов (см. рис. 4.7-4.11), и возможные схемы их установки в виде фикси­ рующей и плавающей опоры, враспор или врастяжку. 4. Вычертить кинематические схемы шпиндельных бабок и на­ писать их названия, указать направления вращения входного вала и шпинделя, обозначить основные элементы и описать их особенно­ сти и типы подшипников шпиндельных опор (см. рис. 4.7—4.11). 66 5. Изучить и описать способы регулирования зазора и создания предварительного натяга в подшипниках между телами качения и рабочими поверхностями дорожек внутренних и наружных колец с применением регулировочных колец или втулок определенной ши­ рины. 6. Описать вид и особенности системы смазывания и варианты уплотнений подшипников качения в передней и задней опорах шпиндельного узла и стрелками указать поток подачи смазки через их рабочую зону. 7. Вычертить эскизную компоновку шпиндельного узла и обо­ значить его основные конструктивные параметры. 8. Вычертить схемы привода шпинделя с различными вариантами расположения их приводных элементов и приложить действующие нагрузки от приводног о элемента и составляющие силы резания. 4.9. Содержание отчета 1. Описание особенностей кинематики шпиндельных бабок то­ карных и многооперационных металлорежущих станков с ЧПУ. 2. Кинематические схемы автономной шпиндельной бабки то­ карного и автономного шпиндельного узла многооперационных станков, шпиндельных бабок агрегатных фрезерных и сверлильного станков с указанием их названия и направления вращения входного вала и шпинделя и обозначением основных элементов. 3. Описание типов подшипников и схемы их установки в шпин­ дельных опорах и способов регулирования зазора и создания пред­ варительного натяга в подшипниках между телами качения и рабо­ чими поверхностями дорожек внутренних и наружных колец с при­ менением регулировочных колец определенной ширины Ъ. 4. Описание вариантов расположения приводных элементов шпинделя и их особенностей в зависимости от типа шпиндельной бабки, а также действующих нагрузок ог приводного элемента и составляющих сил резания. 5. Описание вида системы смазывания и варианты уплотнений подшипников качения в передней и задней опорах шпиндельного узла с указанием стрелками потока подачи смазки через их рабочую зону. 6. Эскизная компоновка шпиндельного узла с обозначением его основных конструктивных параметров. 67 4.10. Контрольные вопросы 1. Структура шпиндельных бабок главного привода, типовые юс конструкции и примеры применения в металлорежущих станках. 2. Кинематика шпиндельных бабок, виды их приводов и их осо­ бенности для станков с ЧПУ и обычных универсальных станков. 3. Виды приводных элементов шпинделя, варианты их располо­ жения на шпинделе относительно опор и примеры применения в станках. 4. Каковы возможные варианты установки подшипников качения в передних и задних опорах шпиндельных узлов шпиндельных ба­ бок станков? 5. Каковы основные конструктивные параметры шпиндельного узла и соотношения между ними? 6. Какие нагрузки действуют на шпиндельный узел при различ­ ных видах приводного элемента? 7. Примеры типовых структурно-кинематических схем шпин­ дельных узлов с различными типами шариковых и роликовых ради­ альных, радиально-упорных и упорных подшипников. 8. Как осуществляется регулировка зазора в подшипниках каче­ ния в передней и задней опорах шпиндельных узлов при установке по схеме «фиксирующая и плавающая», «враспор или врастяжку»? 9. Какие виды системы смазывания и варианты уплотнений под­ шипников качения применяются в передней и задней опорах шпин­ дельных узлов? 10. Типы подшипников и процесс регулирования предваритель­ ного натяга в опорах шпиндельных узлов токарного, многоопера- циокного и агрегатных фрезерного и сверлильного станков. 68 Л и т е р а т у р а 1. Бушуев, В. В. Основы конструирования станков / В. В. Бушу­ ев. - М.: Станкин, 1992. - 520 с. 2. Глубокий, В. И. Металлорежущие станки и промышленные роботы: Приводы станков с ЧПУ и агрегатных станков / В. И. Глу­ бокий. - Минск : БПИ, 1986. - 48 с. 3. Глубокий, В.И. Металлорежущие станки и промышленные ро­ боты: Проектирование приводов станка / В. И. Глубокий, А. И. Ко- чергин. - М инск: БПИ, 1987. - 120 с. 4. Глубокий, В. И. Металлорежущие станки и промышленные роботы: Конструирование металлорежущих станков / В. И. Глубо­ кий. - Минск : БПИ, 1988. - 68 с. 5. Глубокий, В. И. Универсальные станки / В. И. Глубокий, A. И. Бачанцев, А.И. Белицкая. - Минск : БИТУ, 2003. - 80 с. 6. Глубокий, В. И. Расчет главных приводов станков с ЧПУ / B. И. Глубокий, В. И. Туромша. - М инск: БИТУ, 2011. - 176 с. 7. Дунаев, П. В. Конструирование узлов и деталей машин 1 П. В. Дунаев, О. П. Леликов. - М.: Высшая школа, 1985. - 416 с. 8. Конструкция и наладка станков с программным управлением и роботизированных комплексов / Л. И. Грачев [и др.]. - М.: Выс­ шая школа, 1989. - 271 с. 9. Кочергин, А. И. Конструирование и расчет металлорежущих станков и станочных комплексов / А. И. Кочергин. - Минск : Вы- шэйшая школа, 1991. - 382 с. 10. Кочергин, А. И, Шпиндельные узлы с опорами качения / А. И. Кочергин, Т. В. Василенко. - Минск : БНТУ, 2007. - 124 с. 11. Маеров, А. Г. Устройство, основы конструирования и расчет металлообрабатывающих станков и автоматических линий / А. Г. Маеров. - М.: Машиностроение, 1986. - 367 с. 12. Металлорежущие станки / под ред. В. Э. Пуша. - М.: Маши­ ностроение, 1986. - 575 с. 13. Металлорежущие станки и автоматы / под ред. А. С. Прони- кова. - М.: Машиностроение, 1981. - 479 с. 14. Металлорежущие станки / Н. С. Колев [и др.]. - М.: Машино­ строение, 1980. - 500 с. 69 15. Модзелевский, А. А. Многооперационные станки: Основы проектирования и эксплуатации / А. А. Модзелевский, А. В. Со­ ловьев, В. А. Лонг. - М.: Машиностроение, 1981. - 365 с. 16. Роботизированные технологические комплексы и гибкие производственные системы в машиностроении / под ред. Ю. М. Со- ломенцева. - М.: Машиностроение, 1989. - 190 с. 17. Станочное оборудование автоматизированного производства: в 2 т. / под ред. В. В. Бушуева. - М.: Станкин, 1994. - Т. 1. - 580 с.; Т. 2 . -6 5 6 с. 18. Станки с числовым программным управлением (специализи­ рованные) / под ред. В. А. Лещенко. - М.: Машиностроение, 1979. - 592 с. 19. Тарзиманов, Г. А. Проектирование металлорежущих станков / Г. А. Тарзиманов. - М.: Машиностроение, 1980. - 288 с. 70 О г л а в л е н и е Введение.........................................................................................................3 1. КОМПОНОВКИ ШПИНДЕЛЬНЫХ БАБОК СТАНКОВ.................3 1.1. Цель лабораторной работы..................................................................3 ] .2. Особенности компоновок шпиндельных бабок.............................. 4 1.3. Варианты установки шпиндельных бабок на базовые детали станка.................................................................................................4 1.4. Базирование шпиндельных бабок и виды направляющих............ 6 1.5. Оформление чертежей общего вида и нанесение размеров........ 9 1.6. Порядок выполнения лабораторной работы...................................9 1.7. Содержание отчета............................................................................. 10 1.8. Контрольные вопросы........................................................................ 11 2. КОНСТУКЦИИ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ.......................................................................12 2.1. Цель лабораторной работы............................................................... 12 2.2. Особенности подшипников качения шпиндельных опор..........12 2.3. Типы подшипников шпиндельных опор.........................................13 2.4. Типы роликовых подшипников шпиндельных опор.................... 13 2.5. Типы шариковых подшипников шпиндельных опор...................18 2.6. Порядок выполнения лабораторной работы................................. 24 2.7. Содержание отчета.............................................................................24 2.8. Контрольные вопросы....................................................................... 25 3. КОНСТРУКЦИИ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ГЛАВНЫХ ПРИВОДОВ..........................................................................26 3 .1. Цель лабораторной работы...............................................................26 3.2. Назначение главных приводов........................................................ 26 3.3. Типовые структурные схемы главных приводов......................... 27 3.4. Структура коробок скоростей..........................................................28 3.5. Кинематическая схема главного привода......................................29 3.6. Пример кинематической схемы главного привода токарно-револьверного станка................................................................31 3.7 Порядок выполнения лабораторной работы..................................34 3.8. Графические условные обозначения на кинематических схемах...................................................................... 48 3.9. Содержание отчета............................................................................ 50 3.10. Контрольные вопросы.................................................................... 50 71 4. КИНЕМАТИКА И КОНСТРУКЦИИ ШПИНДЕЛЬНЫХ БАБОК.......................................................................52 4.1. Цель лабораторной работы...............................................................52 4.2. Особенности кинематики шпиндельных бабок.............................52 4.3. Конструкции шпиндельных бабок токарных станков.................. 53 4.4. Конструкции шпиндельных бабок сверлильных, фрезерных и многооперационных станков................................................................56 4.5. Конструкции коробок скоростей..................................................... 60 4.6. Конструкции шпиндельных узлов...................................................60 4.7. Виды приводных передач шпинделя...............................................61 4.8. Порядок выполнения лабораторной работы.................................. 62 4.9. Содержание отчета.............................................................................67 4.10. Контрольные вопросы..................................................................... 68 Литература........................... .......................................................................69 Учебное издание ГЛУБОКИЙ Владимир Игнатьевич ТУРОМША Вячеслав Иванович КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ СТАНКОВ. КОНСТРУКЦИИ ПРИВОДОВ ГЛАВНОГО ДВИЖЕНИЯ Методическое пособие по лабораторным занятиям для студентов машиностроительных специальностей Редактор Т. Н. Микулик Компьютерная верстка Л. Г. Занкевич Подписано в печать 21.05.2012. Формат 60x84 11№. Бумага офсетная. Ризография. Уел. печ. л. 4,24. Уч.-изд. л. 3,32. Тираж 200. Заказ 28. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 023ЗОЛИ94349 от 16.03.2009. Пр. Независимости, 65.220013, г. Минск.