Сумма чисел зубьев групповых передач выбирается предпочтительно в диапазоне УZj = 70-100. В связи с тем, что каждая последующая групповая передача должна иметь большую сумму зубьев, чем предыдущая, для групповых передач могут быть выбраны, например, следующие суммы зубьев, удовлетворяющие передаточным числам:

УZ2 = 72 ? УZ3 = 78 ? УZ4 = 85.

Для групповых передач выполняется табличный подбор чисел зубьев колес по УZj, uj и ij :

УZ2= 72: u2 = 1,27; z3 = 32; z4 = УZ2 - z3 = 72 - 32 = 40;

u3 = 1; z5 = 36; z6 = УZ2 - z5 = 72 - 36 = 36;

i4 = 1,26; z7 = УZ2 - z9 = 72 - 32 = 40; z8 = 32;

УZ3= 78: u5 = 2,04; z9 = 26; z10 = УZ3 - z9 = 78 - 26 = 52;

u6 = 1; z11 = 39; z12 = УZ3 - z11 = 78 - 39 = 39;

УZ4= 85: u7 = 2,56; z13 = 24; z14 = УZ4 - z13 = 85 - 24 = 61;

i8 = 1,59; z15 = УZ4 - z16 = 85 - 33 = 52; z16 = 33.



7.13 Разработка кинематической схемы главного привода со ступенчатым регулированием

При разработке кинематической схемы главного привода применяется оптимальное расположение групповых передач с целью уменьшения размеров и исключения одновременного зацепления двух колес блока с колесами соседнего вала при переключении. Так, рабочие зоны передвижных блоков z3?z7-z5 и z12-z14 располагаются друг над другом, благодаря чему уменьшаются габаритные осевые размеры привода.

Главный привод (рисунок 7.3) имеет электродвигатель М, от которого через клиноременную передачу со шкивами вращение передается на вал I коробки скоростей, через подвижный тройной блок и зубчатые колеса z3-z4 (32/40), z7-z8 (40/32), z5?z6 (36/36) ? на вал II. Далее через два подвижных двухступенчатых блока и зубчатые передачи z9?z10 (26/52), z11-z12 (39/39) и z13-z14 (24/61), z15-z16 (52/33) вращение передается на шпиндель, который получает 12 различных частот вращения.

Рисунок 7.3 - Кинематическая схема главного привода токарно-винторезного станка



Конечные звенья: электродвигатель М (Nэ = 11 кВт, nэ = 1450 мин-1) - шпиндель с заготовкой.

Уравнение кинематического баланса:

,

где - передаточные отношения ременной передачи и зубчатых передач коробки скоростей.

,

где - частота вращения электродвигателя М, мин-1: = 1450 мин-1;

,

:

,

,

,

Из уравнения кинематического баланса рассчитывается частота вращения шпинделя = 200; 252; 318; 400; 504; 635; 800; 1008; 1270; 1600; 2017; 2542 мин-1 и округляются до ряда предпочтительных чисел 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500 мин-1.



8. Расчет крутящих моментов на валах

8.1 Расчет крутящего момента на валу электродвигателя

Для определения крутящего момента на валу электродвигателя привода главного движения используется номинальная мощность и номинальная частота вращения:

,

где - мощность электродвигателя, кВт:

- номинальная частота вращения электродвигателя, мин-1:

.

.

8.2 Расчет крутящего момента на валах привода

Крутящий момент на валах привода рассчитывается по формуле:

,

где - мощность электродвигателя, кВт:

- КПД участка привода от электродвигателя до соответствующего вала;

- расчетная частота вращения соответствующего вала, принимается по графику частот, мин-1.



8.3 Расчет крутящего момента на первом валу привода

Крутящий момент на втором валу привода рассчитывается по формуле:

,

где - мощность электродвигателя, кВт:

- КПД участка привода от электродвигателя до 1-го вала;

- расчетная частота вращения на 1-ом валу, принимаем по графику частот, мин-1: = 1250 мин-1.

КПД участка привода до первого вала рассчитывается по формуле:

,

где - КПД зубчатой муфты;

- КПД пары подшипников;

- КПД зацепления зубчатых колес; .

,

,

8.4 Расчет крутящего момента на втором валу привода

Крутящий момент на третьем валу привода рассчитывается по формуле:

,



где - мощность электродвигателя, кВт:

- КПД участка привода от электродвигателя до 2-го вала;

- расчетная частота вращения на 1-ом валу, принимаем по графику частот, мин-1: = 1000 мин-1.

КПД участка привода до второго вала рассчитывается по формуле:

,

,

8.5 Расчет крутящего момента на третьем валу привода

Крутящий момент на четвертом валу привода рассчитывается по формуле:

,

где - мощность электродвигателя, кВт:

- расчетная частота вращения на 3-м валу, принимаем по графику частот, мин-1: = 500 мин-1.

КПД участка привода до третьего вала рассчитывается по формуле:

,

где - КПД зубчатой муфты;

- КПД пары подшипников;

- КПД зацепления зубчатых колес; .

,



,

8.6 Расчет крутящего момента на шпинделе

Крутящий момент на шпинделе рассчитывается по формуле:

,

где - мощность электродвигателя, кВт:

- КПД участка привода от электродвигателя до шпинделя;

- расчетная частота вращения шпинделя:

,

КПД участка привода до шпинделя рассчитывается по формуле:

,

где - КПД зубчатой муфты;

- КПД пары подшипников;

- КПД зацепления зубчатых колес; .

,

,



9. Проектный расчет передач

9.1 Проектный расчет ременной передачи

Исходные данные

1. Крутящий момент на валу электродвигателя H·м: Тэ = 72,5 Н·м;

2. Частота вращения вала электродвигателя, мин-1:

.

9.1.2 Проектный расчет ременной передачи

1. Диаметр ведущего шкива:

Выбираем полиамидный кордленточный ремень:

,

;

;

Тэ - крутящий момент на валу электродвигателя H·м: Тэ = 72,5 Н·м.

,

Округляем до стандартного значения по ГОСТ 17383-73:

,

2. Диаметр ведомого шкива:

,

где d1 - диаметр ведущего шкива, мм:

u - передаточное отношение ременной передачи: u=1,15.



,

Округляем до стандартного значения по ГОСТ 17383-73:

,

3. Межосевое расстояние:

,

где d1 - диаметр ведущего шкива, мм:

,

4. Расчетная длина ремня:

,

где d1 - диаметр ведущего шкива, мм:

d2 - диаметр ведомого шкива, мм:

,

9.2 Проектный расчет цилиндрических прямозубых передач

z3 - z4, z5 - z6, z7 - z8

Исходные данные

1. Расчетный крутящий момент на первом валу привода, H·м:



Т1 = 79,1 Н·м;

2. Число зубьев шестерни: z3 = 32;

3. Число зубьев колеса: z4 = 40;

4. Передаточное число передачи: u2 = 1,27.

Выбор материала и термической обработки зубчатых колес

В качестве материала для зубчатых колес передачи выбираем сталь 40Х, которая отвечает необходимым техническим и эксплуатационным требованиям. В качестве термической обработки выбираем объемную закалку, позволяющую получить твердость зубьев 40..50HRCэ.

Проектный расчет наиболее нагруженной прямозубой передачи на контактную выносливость

Диаметр начальной окружности шестерни рассчитывается по формуле:

где вспомогательный коэффициент: для прямозубых передач

Т1 ? расчётный крутящий момент на первом валу, Н?м: Т1 = 79,1 Н·м;

коэффициент нагрузки для шестерни, равный 1,3..1,5: принимаем

- передаточное число: u2 = 1,27;

отношение рабочей ширины венца передачи к начальному диаметру шестерни:

? допускаемое контактное напряжение, МПа.

Допускаемое контактное напряжение для прямозубых передач рассчитывается по формуле:

,

где ? базовый предел контактной выносливости поверхностей зубьев, соответствующий базовому числу циклов перемены напряжений, МПа;

МПа;

SH - коэффициент безопасности: SH = 1,2.

,

Коэффициент отношения рабочей ширины венца передачи к начальному диаметру шестерни может приниматься в пределах

или определяется по формуле:

где отношение рабочей ширины венца передачи к модулю: принимаем ;

число зубьев шестерни: z3 = 32.

,

что находится в допустимых пределах .

Таким образом, диаметр начальной окружности шестерни равен:

мм.

Модуль постоянной прямозубой передачи определяется из условия расчета на контактную выносливость зубьев по рассчитанному значению диаметра начальной окружности шестерни по формуле:

,

где диаметр начальной окружности шестерни, мм: dw3 = 88,7 мм;

число зубьев шестерни: z3 = 32.

,

Проектный расчет прямозубой зубчатой передачи групповой передачи на выносливость зубьев при изгибе

Модуль прямозубой передачи при проектном расчете зубьев на изгибную выносливость рассчитывается по формуле:

где вспомогательный коэффициент, зависящий от коэффициента осевого перекрытия:

T1 ? расчётный крутящий момент на первом валу, Н?м: T1 =79,1 Н?м;

коэффициент нагрузки для шестерни, равный 1,3..1,5: принимаем ;

коэффициент, учитывающий форму зуба:;

число зубьев шестерни: z3 =32;

отношение рабочей ширины венца передачи к модулю принимаем

допускаемое напряжение зубьев при изгибе, МПа.

Допускаемое напряжение зубьев прямозубой передачи при изгибе рассчитывается по формуле: токарный станок шпиндель вал

,

где предел выносливости материала зубьев, МПа:

коэффициент режима нагрузки и долговечности: .

Таким образом, нормальный модуль прямозубой передачи при проектном расчете зубьев на изгибную выносливость равен:

,

Определение модуля прямозубых передач групповой передачи

Т.к. по контактной выносливости модуль прямозубой передачи, а по выносливости зубьев при изгибе модуль , то принимаем стандартное большее значение модуля .

Расчёт геометрических параметров прямозубых передач и , групповой передачи



1. Делительные диаметры зубчатых колес и , :

;

;

;

;

;

.

2. Диаметр окружности вершин зубьев колес и , :

;

;

;

;

;

.

3. Диаметр окружности впадин зубьев колес и , :

;

;

;

;

;

.

4. Межосевое расстояние:



,

5. Ширина зубчатого венца:

,

Таблица 9.1 - Геометрические параметры групповых прямозубых передач , ,

Наименование параметра	Обозначение	Значение
1. Передаточное число:	u2 u3 i4	1,27 1 1,26
2. Модуль, мм:	m3	3
3. Число зубьев колес:	z3 z4 z5 z6 z7 z8	32 40 36 36 40 32
4. Делительный диаметр колес, мм:	d3 d4 d5 d6 d7 d8	88 110 99 99 110 88
5. Диаметры окружности вершин зубьев колес, мм:	da3 da4 da5 da6 da7 da8	93,5 115,5 104,5 104,5 115,5 93,5
6. Диаметры окружности впадин зубьев колес, мм:	df3 df4 df5 df6 df7 df8	81,125 103,125 92,125 92,125 103,125 81,125
7. Межосевое расстояние, мм:	aw3-aw4	99
8. Ширина зубчатого венца, мм:	bw3-bw4	22

Проектный расчет цилиндрических прямозубых передач z9 - z10 и z12 - z13 групповой передачи

Исходные данные

Производится расчет наиболее нагруженной передачи по следующим исходным данным:

1. Расчетный крутящий момент на третьем валу привода, H·м:

Т2 = 95,93 Н·м;

2. Число зубьев шестерни: z9 = 26;

3. Число зубьев колеса: z12 = 52;

4. Передаточное число передачи: u5 = 2,04.

Выбор материала и термической обработки зубчатых колес

В качестве материала для зубчатых колес передачи выбираем сталь 40Х, которая отвечает необходимым техническим и эксплуатационным требованиям. В качестве термической обработки выбираем объемную закалку, позволяющую получить твердость зубьев 40..50HRCэ.

Проектный расчет прямозубой зубчатой передачи групповой передачи на контактную выносливость зубьев

Диаметр начальной окружности шестерни рассчитывается по формуле:

,

где вспомогательный коэффициент: для прямозубых передач

- расчётный крутящий момент на первом валу, Н?м: Т2 = 95,93 Н·м;

коэффициент нагрузки для шестерни, равный 1,3..1,5: принимаем

- передаточное число:

отношение рабочей ширины венца передачи к начальному диаметру шестерни:

допускаемое контактное напряжение, МПа.

Допускаемое контактное напряжение для прямозубых передач рассчитывается по формуле:

где базовый предел контактной выносливости поверхностей зубьев, соответствующий базовому числу циклов перемены напряжений, МПа;

МПа;

SH - коэффициент безопасности: SH = 1,2.

Коэффициент отношения рабочей ширины венца передачи к начальному диаметру шестерни может приниматься в пределах

или определяется по формуле:



где отношение рабочей ширины венца передачи к модулю: принимаем

число зубьев шестерни: z9 = 26.

что находится в допустимых пределах .

Таким образом, диаметр начальной окружности шестерни равен:

Модуль постоянной прямозубой передачи определяется из условия расчета на контактную выносливость зубьев по рассчитанному значению диаметра начальной окружности шестерни по формуле:

где диаметр начальной окружности шестерни, мм: dw9 = 82,84 мм;

число зубьев шестерни: z9 = 26.

Проектный расчет прямозубой зубчатой передачи групповой передачи на выносливость зубьев при изгибе

Модуль прямозубой передачи при проектном расчете зубьев на изгибную выносливость рассчитывается по формуле:

где вспомогательный коэффициент, зависящий от коэффициента осевого перекрытия:

расчётный крутящий момент на первом валу, Н?м: Н?м;

коэффициент нагрузки для шестерни, равный 1,3..1,5: принимаем ;

коэффициент, учитывающий форму зуба:;

число зубьев шестерни: z9 = 26;

отношение рабочей ширины венца передачи к модулю принимаем

допускаемое напряжение зубьев при изгибе, МПа.

Допускаемое напряжение зубьев прямозубой передачи при изгибе рассчитывается по формуле:

где предел выносливости материала зубьев, МПа:

коэффициент режима нагрузки и долговечности: .

Таким образом, нормальный модуль прямозубой передачи при проектном расчете зубьев на изгибную выносливость равен:

Определение модуля прямозубых передач групповой передачи

Т.к. по контактной выносливости модуль прямозубой передачи , а по выносливости зубьев при изгибе модуль, то принимаем стандартное большее значение модуля .

Расчёт геометрических параметров прямозубых передач и групповой передачи

1. Делительные диаметры зубчатых колес и :

;

;

;

.

2. Диаметр окружности вершин зубьев колес и :

;

;

;

.

3. Диаметр окружности впадин зубьев колес и :

;

;

;

.

4. Межосевое расстояние:

,

5. Ширина зубчатого венца:

.

Таблица 9.2 Геометрические параметры групповой прямозубой передачи и

Наименование параметра	Обозначение	Значение
1. Передаточное число:	u5 u6	2,04 1
2. Модуль, мм:	m9	3
3. Число зубьев колес:	z9 z10 z11 z12	26 52 39 39
4. Делительный диаметр колес, мм:	d9 d10 d11 d12	78 156 117 117
5. Диаметр окружности вершин зубьев колес, мм:	da9 da10 da11 da12	84 162 123 123
6. Диаметр окружности впадин зубьев колес, мм:	df9 df10 df11 df12	70,5 148,5 109,5 109,5
7. Межосевое расстояние, мм:	aw9-aw10	117
8. Ширина зубчатого венца, мм:	bw9-bw10	24



9.3 Проектный расчет цилиндрических прямозубых передач z13 - z14, z15 - z16

Исходные данные

1. Расчетный крутящий момент на четвертом валу привода, H·м:

Т3 = 186,2 Н·м;

2. Число зубьев шестерни: z13 = 24;

3. Число зубьев колеса: z14 = 61;

4. Передаточное число передачи: u7 = 2,56.

Выбор материала и термической обработки зубчатых колес

В качестве материала для зубчатых колес передачи выбираем сталь 40Х, которая отвечает необходимым техническим и эксплуатационным требованиям. В качестве термической обработки выбираем объемную закалку, позволяющую получить твердость зубьев 40..50HRCэ.

Проектный расчет постоянной прямозубой зубчатой передачи на контактную выносливость

Диаметр начальной окружности шестерни рассчитывается по формуле:

где вспомогательный коэффициент: для прямозубых передач

- расчётный крутящий момент на первом валу, Н?м: Т3 = 186,2 Н·м;

коэффициент нагрузки для шестерни, равный 1,3..1,5: принимаем

- передаточное число:

отношение рабочей ширины венца передачи к начальному диаметру шестерни:

допускаемое контактное напряжение, МПа.

Допускаемое контактное напряжение для прямозубых передач рассчитывается по формуле:

где базовый предел контактной выносливости поверхностей зубьев, соответствующий базовому числу циклов перемены напряжений, МПа;

МПа;

SH - коэффициент безопасности: SH = 1,2.

Коэффициент отношения рабочей ширины венца передачи к начальному диаметру шестерни может приниматься в пределах

или определяется по формуле:

отношение рабочей ширины венца передачи к модулю: принимаем

число зубьев шестерни: z13 = 24.



что находится в допустимых пределах .

Таким образом, диаметр начальной окружности шестерни равен:

Модуль постоянной прямозубой передачи определяется из условия расчета на контактную выносливость зубьев по рассчитанному значению диаметра начальной окружности шестерни по формуле:

где диаметр начальной окружности шестерни, мм: dw13 = 98,9 мм;

число зубьев шестерни: z13 = 24.

Проектный расчет постоянной прямозубой зубчатой передачи на выносливость зубьев при изгибе

Модуль прямозубой передачи при проектном расчете зубьев на изгибную выносливость рассчитывается по формуле:



где вспомогательный коэффициент, зависящий от коэффициента осевого перекрытия:

расчётный крутящий момент на первом валу, Н?м: Н?м;

коэффициент нагрузки для шестерни, равный 1,3..1,5: принимаем ;

коэффициент, учитывающий форму зуба:;

число зубьев шестерни: z13=24;

отношение рабочей ширины венца передачи к модулю принимаем

допускаемое напряжение зубьев при изгибе, МПа.

Допускаемое напряжение зубьев прямозубой передачи при изгибе рассчитывается по формуле:

где предел выносливости материала зубьев, МПа:

коэффициент режима нагрузки и долговечности: .

Таким образом, нормальный модуль прямозубой передачи при проектном расчете зубьев на изгибную выносливость равен:



Определение модуля прямозубой постоянной передачи

Т.к. по контактной выносливости модуль постоянной прямозубой передачи , а по выносливости зубьев при изгибе модуль, то принимаем стандартное большее значение модуля . Расчёт геометрических параметров постоянной прямозубой передачи , Расчет геометрических параметров постоянной прямозубой передачи проводим по следующим формулам:

1. Делительный диаметр зубчатых колес ,

;

;

;

.

2. Диаметр окружности вершин зубьев колес ,:

;

;

;

.

3. Диаметр окружности впадин зубьев колес ,

;

;



;

.

4. Межосевое расстояние:

5. Ширина зубчатого венца:

Таблица 9.3 - Геометрические параметры постоянной прямозубой передачи ,.

Наименование параметра	Обозначение	Значение
1. Передаточное число:	u7 i8	2,56 1,59
2. Модуль, мм:	m13	4
3. Число зубьев колес:	z13 z14 z15 z16	24 61 52 33
4. Делительный диаметр колес, мм:	d13 d14 d15 d16	96 244 208 132
5. Диаметр окружности вершин зубьев колес, мм:	da13 da14 da15 da16	104 252 216 140
6. Диаметр окружности впадин зубьев колес, мм:	df13 df14 df15 df16	86 234 198 122
7. Межосевое расстояние, мм:	aw13-aw14	170
8. Ширина зубчатого венца, мм:	bw13-bw14	32



10. Проектный расчет валов и шпинделя

В результате проектного расчета определяются ориентировочные значения диаметров входных концов валов и под зубчатыми колесами. Данный расчет ведется по крутящим моментам исходя из условия прочности на кручение. Наиболее подходящим материалом для валов привода является сталь 45 и 40X с термообработкой - улучшение, твердость - не менее HB 200.

Предварительный диаметр вала рассчитывается по формуле:

,

где - крутящий момент i-го вала, Нм;

- допускаемое условное напряжения при кручении;

= 20 - 25 МПа для выходных концов валов и 10 - 20 МПа для валов под зубчатыми колесами.

10.1 Проектный расчет диаметров первого вала

1. Предварительный диаметр входного конца первого вала

,

где - крутящий момент на первом валу, Нм: = 79,1 Нм.

- допускаемое условие напряжения при кручении для выходных концов вала, МПа: = 20 - 25 МПа.



,

Исходя из расчетных значений, принимаем диаметр входного конца первого вала , а под подшипники

2. На данном валу устанавливается зубчатое колесо, соединенное с валом с помощью шпоночного соединения. Диаметр вала под шестерней:

,

Исходя из расчетных значений, принимаем диаметр первого вала под шестерней .

10.2 Проектный расчет диаметров второго вала

Предварительный диаметр второго вала под шестерней:

,

где - крутящий момент на втором валу, Нм: = 95,93 Нм.

- допускаемое условие напряжения при кручении для валов под зубчатыми колесами, МПа: = 10 - 20 МПа.

,

Исходя из расчетного значения диаметра второго вала под шестерней, применяются размеры шлицевого вала D - 8x42x46, а под подшипники 

10.3 Проектный расчет диаметров третьего вала

Предварительный диаметр третьего вала под шестерней:

,

где - крутящий момент на втором валу, Нм: = 186,2 Нм.

- допускаемое условие напряжения при кручении для валов под зубчатыми колесами, МПа: = 10 - 20 МПа.

,

Исходя из расчетного значения диаметра третьего вала под шестерней, применяются размеры шлицевого вала D - 8x46x50, а под подшипники

10.4 Расчет геометрических параметров шпинделя

Диаметр шпинделя в передней опоре рассчитывается по формуле:

,

где - быстроходность шпиндельного узла в зависимости от вида подшипников, :

- максимальная частота вращения шпинделя, мин-1:



,

Конструктивно из стандартного ряда принимается

Диаметр шейки шпинделя в задней опоре рассчитывается по формуле:

,

где - диаметр шейки шпинделя в передней опоре, мм:

,

Из стандартного ряда принимается

Расстояние между опорами рассчитывается по формуле:

,

где - вылет консоли, мм:

,

Конструктивно принимаем



11. Патентно-информационный поиск конструкций шпиндельных узлов и бабок станков аналогичных проектируемому

11.1 Патентный поиск

Патент SU1177063A

Шпиндельный узел металлорежущего станка

Целью изобретения является увеличение скорости вращения шпинделя за счет улучшения условий смазки в зоне контакта торцов роликов с буртом внутреннего кольца подшипника.

Патент 530752

Шпиндельный узел металлорежущего станка

Известны шпиндельные узлы металлорежущего станка, в которых передний конец шпинделя смонтирован на двух упорных и радиальном подшипниках, установленных с возможностью раздельного регулирования при помощи связанных со шпинделем двух гаек.

Недостатком этой конструкции является сложность регулирования подшипников, так как доступ к гайкам возможен с разных сторон подшипников, что затрудняет регулирование в станках, у которых корпус шпиндельного узла герметично связан с камерой обработки изделия, в которую входит передний конец шпинделя.

Цель изобретения - устранение указанного недостатка и упрощение регулирования подшипников шпинделя.

Патент SU1715505А1

Шпиндельный узел

Целью изобретения является повышение долговечности и надежности шпиндельного узла при работе с большими осевыми нагрузками за счет стабилизации минимально необходимой величины остаточного натяга в подшипниках задней опоры.

Патент 994126

ШПИНДЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ

Целью изобретения является повышение точности и надежности шпиндельного узла в работе.

Цель достигается тем, что предлагаемый шпиндельный узел снабжен подпружиненной гильзой, установленной с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном оси шпинделя, на втулке, на наружной поверхности которой выполнены упор и углубление, образующее в поперечном сечении при взаимодействии с гильзой клиновое соединение, а зажимное устройство смонтировано на гильзе.

Патент SU1634369А1

Шпиндельный узел металлорежущего станка

Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано в шпиндельных узлах металлорежущих станков с автоматическим регулированием натяга в подшипниках. Целью изобретения является повышение надежности шпиндельных узлов путем повышения точности и стабильности регулирования натяга в подшипниках.

Патент SU1287978А1

Шпиндельный узел

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в шпиндельных устройствах станков и испытательных стендах.
Целью изобретения является увеличение срока службы за счет повышения точности регулировки и контроля преднатяга, т.е. повышение точности вращения, улучшение виброакустических характеристик и работоспособности шпиндельной опоры.

Патент SU1447578А1

Шпиндельный узел металлорежущего станка

Изобретение относится к обработке материалов резанием и может быть использовано в металлорежущих станках повышенной точности. Целью изобретения является повышение точности и ресурса шпиндельного узла за счет обеспечения нормированного натяга в его опорах качения в широком диапазоне частот вращения.

Патент 611725

Шпиндельный узел металлорежущего станка

Изобретение относится к станкостроению.

Цель изобретения - измерение крутящего момента в любом из поддиапазонов скоростей одним датчиком с помощью одного чувствительного элемента.



11.2 Информационный поиск

Приводы главного движения и шпиндельные узлы

В качестве приводного двигателя в станках с ЧПУ обычно применяются регулируемые двигатели постоянного и переменного тока. Последние проще по конструкции и обладают большей надежностью в виду отсутствия щеточных узлов (особенно в области высоких частот вращения, которые требуются для главного движения).

Диапазон регулирования двигателя с постоянной мощностью (Rд)р ограничен величиной 3...5 (в последних моделях двигателей 6...8), что требует, как правило, применения в приводе главного движения механических устройств (коробок скоростей) и диапазоном регулирования RK и числом ступеней скорости ZK = 2,3 или 4

При этом (особенно в широкоуниверсальных станках) иногда закладываются значительные перекрытия отдельных диапазонов регулирования (Rк < (Rд)р) при переключении передач, что обеспечивает полную обработку детали определенного диаметра без переключения диапазонов в коробке в процессе обработки. Конструктивные схемы таких приводов приведены на рисунке 11.1, а и б. Максимальное передаточное отношение коробки imах, учитывая высокие частоты вращения двигателя, обычно равно 1. Поэтому предельный диапазон регулирования обычной двухваловой группы передач с прямозубыми колесами составляет (Rгр)пред = 4. Иногда для исключения влияния на положение шпинделя тепла, выделяемого в коробке скоростей, применяется термическое разделение корпусов коробки скоростей 3 и шпиндельной бабки, как это показано на рисунке 11.2.



Рисунок 11.2 - Шпиндельная бабка токарного станка

1 - механизм зажима заготовки; 2 - привод датчика через зубчатый ремень; 3 - корпус трехступенчатой коробки скоростей; 4 - запрессованная втулка; 5 - пружинная муфта для быстрой остановки шпинделя при внезапном отключении электроэнергии; 6 - трубопровод для отвода смазки

В соответствии с наметившейся тенденцией по созданию блочно-модульных конструкций в токарных станках в приводах главного движения широко применяются унифицированные коробки скоростей (редукторы), кинематические и силовые характеристики которых соответствуют применяемым регулируемым электродвигателям.

На рисунок 11.3 приводится конструкция автоматической коробки скоростей одношпиндельного токарно-револьверного автомата. Переключение скоростей, необходимое при автоматической смене инструмента при повороте револьверной головки, обеспечивается включением соответствующих бесконтактных электромагнитных муфт M1, ...,М5.



Рисунок 11.3 - Автоматическая коробка скоростей токарно-револьверного автомат

Предусмотрена также настройка скоростей сменными зубчатыми колесами ав, которые меняются вручную при полной переналадке станка на другую деталь. Вращение от входного вала / через зубчатые колеса 1, 2, 11 передается при включении муфты M1 или М2 на вал-втулку. Далее, при включении муфты М4 вращение передается на выходной вал V через понижающую передачу с колесами 12 и 3, сменные шестерни , колеса 9 и 6, либо при включении муфты Мз высокие скорости передаются через шестерни 4 и J. Для реверсирования направления вращения вала V включается муфта Ms, и вращение от вала-втулки IV передается через колеса 12 и 3, сменные шестерни а к в, колеса 8 и 7, между которыми расположена паразитная шестерня.

На рисунке 11.4. показан шпиндельный узел токарного станка с четырёхступенчатой коробкой скоростей. Скорости переключаются при перемещении колёс 1,2 или 3.



Рисунок 11.4 - Шпиндельный узел токарного станка с четырёх ступенчатой коробкой скоростей

Привод шпинделя вертикального токарного полуавтомата с ЧПУ станка осуществляется от двигателя постоянного тока. Двухступенчатый редуктор, состоящий из зубчатого блока сборной конструкции ,находящегося на шлицевом валу зубчатых колес 5 и 11, закреплённых на шпинделе 13, обеспечивает два диапазона регулирования частоты вращения шпинделя.

Рисунок 11.5 - Шпиндельная бабка вертикального токарного полуавтомата с ЧПУ



Для предотвращения вытекания жидкого масла через нижнюю опору шпинделя применены стакан 2 и щелевое уплотнение Е.

Верхняя опора шпинделя состоит из двухрядного роликового подшипника 16 с короткими цилиндрическими роликами, воспринимающего радиальную нагрузку,и упорно-радиального шарикового подшипника 17, воспринимающего осевую нагрузку .

Шпиндельная бабка станка модели 1341 имеет корпус, в котором смонтированы шпиндель с механизмом подачи и зажима прутка (рисунок 11.6). Шпиндель 5 представляет собой полый стальной вал, смонтированный в шпиндельной бабке 7 на подшипниках качения 3,4 и 8. Передний конец шпинделя имеет фланец 10 крепления патрона для установки заготовок. Гайками 11 и 12 регулируется зазор в переднем подшипнике 8. На левом конце шпинделя установлен шкив 2, который крепится гайкой 1, соединяющий шпиндель ременной передачей с коробкой скоростей. Шпиндель имеет ограждение 9. Крышка 6 защищает от загрязнения охлаждающее масло, которое сливается по патрубку 13.

Рисунок 11.6 - Шпиндельная бабка станка модели 1П326

Для обработки пруткового материала внутри шпинделя размещается механизм подачи и зажима прутка.

Механизм подачи и зажима прутка (рис. 30) работает от гидравлического привода. Пруток зажимается цангой 7, которая соединена трубой 4 с поршнем 1. Поршень под давлением масла может перемещаться в цилиндре 2. Цилиндр закреплен на шпинделе и вместе с ним вращается в неподвижной маслоподводящей втулке 3.

При подаче масла в правую полость цилиндра поршень через трубу 4 перемещает цангу влево, при этом происходит закрепление прутка. Для освобождения прутка масло подается в левую полость цилиндра, и цанга разжимается.

Рисунок 11.7 - Механизм подачи и зажима прутка на станке модели 1341

Ученые и разработчики из Комсомольска-на-Амуре представляют инновационную разработку высокоскоростной шпиндельный узел на частично пористых газостатических подшипниках для прецизионной обработки на шлифовальных станках внутренних и наружных поверхностей деталей.

Современный уровень требований к точности, быстроходности и долговечности шпиндельных узлов характеризуется следующими показателями:

* погрешность вращения -- менее 0,5 мкм;

* долговечность -- более 5000 часов;

* быстроходность -- более 5-Ю5 мм-мин'.

Достижение таких высоких показателей при шлифовании изделий с использованием шпиндельных узлов на опорах качения осложняется сравнительно малой окружной скоростью резания, что вынуждает прибегать к сильному прижатию круга. Это приводит к изгибу оправки, искажению геометрии изделия и снижению качества шлифуемой поверхности из-за засаливания круга.

Внедрение в конструкцию шпиндельных узлов подшипников на газовой смазке позволяет повысить жесткость и массу шпинделя путем увеличения диаметра рабочих шеек при одновременном повышении окружной скорости шлифовального круга. Последнее позволяет шлифовать с большими подачами, что приводит к повышению производительности труда, улучшению качества шлифования и уменьшению чувствительности к дисбалансу оправки и круга, так как их масса заметно меньше массы шпинделя.

Рисунок 11.8 - Шпиндельный узел подшипников на газовой смазке

Помимо сказанного, многолетний опыт Экспериментального научно-исследовательского института металлорежущих станков (ЭНИМС) по эксплуатации пневмошпинделей с подшипниками на газовой смазке в условиях мелкосерийного и серийного производства позволил выявить их дополнительные преимущества по сравнению со шпинделями на опорах качения:

* большую долговечность, определяемую временем работы шпинделя при неизменном качестве шлифования;

* в 4-5 раз меньший уровень вибрации;

* применение чистого воздуха в качестве смазки исключило загрязнение окружающей среды масляным туманом.

Результатом совместной работы Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета с ОАО «Комсомольское-на-Амуре производственное авиационное объединение им. Ю.А. Гагарина» явилось создание двух моделей высокоскоростных внутришлифовальных пневмошпинделей шлифовальных станков.

Конструкция высокоскоростного внутришлифовального шпинделя к шлифовальному станку мод. ЗА228 показана на рисунке выше.

Газовыми опорами шпинделя служат: двухсторонний упорный подшипник с микролабиринтами и два радиальных подшипника с частично пористой стенкой вкладыша. Каждый радиальный подшипник имеет два ряда пористых вставок диаметром 4 мм, расположенных равномерно по окружности. Материал вставок -- пористая бронза, изготовленная методом порошковой металлургии. При диаметре шпинделя 30 мм относительная длина подшипников равна 1,2. Относительное расстояние пористых вставок от торцов подшипника -- 0,26. Средний радиальный зазор с=17 мкм. Вкладыш подшипников изготовлен из бронзы Бр010, а шпиндель -- из стали 3X1 3. После токарной обработки шпиндель закаливался до твердости HRC 60-62 с охлаждением ниже 70 °С между промежуточными отпусками. Такая термообработка стабилизирует структуру металла и тем самым предотвращает в дальнейшем поводку шпинделя. После окончательной обработки поверхности шпинделя отклонения от формы (конусность, овальность, бочковатость и т.д.) не превосходили 10 мкм.

Шпиндельная бабка автомата продольного точения включает в себя шпиндель, установленный в опорах (подшипниках качения и скольжения), механизм зажима прутка и приводной шкив ременной передачи. Шпиндельная бабка вместе с зажатым прутком может иметь или не иметь рабочей подачи в зависимости от формы обрабатываемой поверхности. Шпиндельные бабки автоматов продольного точения перемещаются в направлениях станины от рычага, связанного с кулачком распределительного вала. Исключение составляет шпиндельная бабка автомата мод. 1125, у которого корпус шпиндельной бабки прочно закреплен на станине, а подачу имеет пиноль шпинделя с зажатым прутком. Шпиндельные бабки автоматов продольного точения (кроме мод. 1125) отличаются только конструктивными параметрами.

В шпиндельной бабке токарно-револьверного автомата расположены пустотелый шпиндель, установленный на двух опорах качения, приводной шкив клиноременной передачи и механизм подачи и зажима прутка. Подача прутка осуществляется перемещением трубы с подающей цангой, после чего зажимная цанга зажимает его.

Примеры шпиндельных узла и механизма зажима и подачи приведены на рисунках 2.9 и 2.10.

Рисунок 11.9 - Шпиндельного узла станка 1г340

В шпиндельном блоке многошпиндельного пруткового автомата может быть установлено четыре, шесть или восемь шпинделей. Конструкция всех шпинделей одинакова. Передние опоры шпинделей состоят из роликовых подшипников качения, а задние -- из радиально-упорных шарикоподшипников. Осевые силы воспринимаются упорным шарикоподшипником. Шпиндельный узел включает в себя механизмы подачи и зажима прутка, состоящие из подающих и зажимных труб и цанг. Подача и зажим прутка производятся на одной, а иногда на двух позициях. В центральное отверстие шпиндельного блока запрессована круглая полая направляющая продольного суппорта.

Рисунок 11.10 - Механизм подачи и зажима прутка на станке мод.1г340

В качестве опор шпинделей применяют подшипники скольжения и качения. Конструктивная схема регулируемых коническую форму, приведена на рисунке 11.11.

Рисунок 11.11 - Регулируемые подшипники скольжения

а - с цилиндрической шейкой шпинделя: 1 - корпус, 2 - разрезная втулка, 3 - шейка шпинделя;

б - с конической шейкой шпинделя: 1 - цельная втулка; 2 - шпиндель.

В опорах скольжения шпинделей используют смазочный материал в виде жидкости (гидростатические и гидродинамические) или газа (аэродинамические и аэростатические) подшипников скольжения, выполняемых в виде бронзовых втулок-вкладышей, одна из поверхностей которых имеет.

Гидродинамические подшипники выполняются одно- и многоклиновыми. Одноклиновые наиболее просты по конструкции (втулка), но не обеспечивают стабильного положения шпинделя при больших скоростях скольжения и малых нагрузках. Этот недостаток отсутствует в многоклиновых подшипниках, имеющих несколько несущих масляных слоев, охватывающих шейку шенделя равномерно со всех сторон (рисунок 11.11).

Гидростатические подшипники - подшипники скольжения, в которых масляный слой между трущимися поверхностями создается путем подвода к ним масла под давлением от насоса, - обеспечивают высокую точность положения оси шпинделя при вращении, имеют большую жесткость и обеспечивают режим жидкостного трения при малых скоростях скольжения

Подшипники качения в качестве опор шпинделей широко применяют в ланках разных типов. В связи с повышенными требованиями к точности вращения шпинделей в их опорах применяют подшипники высоких классов точности, устанавливаемые с предварительным натягом, который позволяет устранить вредное влияние зазоров. Натяг в радиально-упорных шариковых и конических роликовых подшипниках создается при их парной установке благодаря осевому смещению внутренних колец относительно наружных.

Это смещение осуществляется с помощью специальных элементов конструкций шпиндельного узла -- проставочных колец определенного размера; пружин, обеспечивающих постоянство силы предварительного натяга; резьбовых соединений. В роликоподшипниках с цилиндрическими роликами предварительный натяг создается за счет деформирования внутреннего кольца 6 (рисунок 11.12) при затяжке его на коническую шейку шпинделя 8 с помощью втулки 5, перемещаемой гайками L Подшипники шпиндельных опор надежно защищены от загрязнения и вытекания смазочного материала манжетными и лабиринтными уплотнениями 7.



12. Охрана труда

Токарная обработка металлов может сопровождаться наличием ряда вредных и опасных производственных факторов, в том числе:

- электрический ток;

- мелкая стружка и аэрозоли смазочно-охлаждающей жидкости;

- отлетающие кусочки металла;

- высокая температура поверхности обрабатываемых деталей и инструмента;

- повышенный уровень вибрации;

- движущиеся машины и механизмы, передвигающиеся изделия, заготовки и материалы;

- недостаточная освещенность рабочей зоны, наличие прямой и отраженной блескости, повышенная пульсация светового потока.

При разработке Типовой инструкции использованы следующие стандарты системы безопасности труда: ГОСТ 12.0.003-74. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация; ГОСТ 12.1.004-91. Пожарная безопасность. Общие требования; ГОСТ 12.3.002-75. Процессы производственные. Общие требования безопасности; ГОСТ 12.3.025-80. Обработка металлов резанием. Требования безопасности и др.

Токари при производстве работ согласно имеющейся квалификации обязаны выполнять требования безопасности, изложенные в настоящей Инструкции.

В случае невыполнения положений настоящей Инструкции работники могут быть привлечены к дисциплинарной, административной, уголовной и материальной ответственности в соответствии с законодательством Российской Федерации в зависимости от тяжести последствий.



12.1 Общие требования безопасности

К самостоятельной работе на токарных станках допускаются лица, прошедшие медицинский осмотр, обучение по программе токаря, инструктаж по охране труда на рабочем месте, ознакомленные с правилами пожарной безопасности и усвоившие безопасные приемы работы.

Токарю разрешается работать только на станках, к которым он допущен, и выполнять работу, которая поручена ему администрацией цеха.

Персонал, обслуживающий токарные станки, должен иметь: костюм хлопчатобумажный или полукомбинезон, очки защитные, ботинки юфтевые.

Если пол скользкий (облит маслом, эмульсией), рабочий обязан потребовать, чтобы его посыпали опилками, или сделать это самому.

Токарю запрещается:

- работать при отсутствии на полу под ногами деревянной решетки по длине станка, исключающей попадание обуви между рейками и обеспечивающей свободное прохождение стружки;

- работать на станке с оборванным заземляющим проводом, а также при отсутствии или неисправности блокировочных устройств;

- стоять и проходить под поднятым грузом;

- проходить в местах, не предназначенных для прохода людей;

- заходить без разрешения за ограждения технологического оборудования;

- снимать ограждения опасных зон работающего оборудования;

- мыть руки в эмульсии, масле, керосине и вытирать их обтирочными концами, загрязненными стружкой.

О всяком несчастном случае немедленно поставить в известность мастера и обратиться в медицинский пункт.

Требования безопасности перед началом работ



12.2 Перед началом работы токарь обязан

- принять станок от сменщика; проверить, хорошо ли убраны станок и рабочее место. Не приступать к работе до устранения выявленных недостатков;

- надеть спецодежду, застегнуть рукава и куртку, надеть головной убор, проверить наличие очков;

- проверить наличие и исправность защитного кожуха зажимного патрона, защитного экрана, предохранительных устройств защиты от стружки, охлаждающих жидкостей;

- отрегулировать местное освещение так, чтобы рабочая зона была достаточно освещена и свет не слепил глаза;

- проверить наличие смазки станка. При смазке пользоваться только специальными приспособлениями;

- проверить на холостом ходу станка:

а) исправность органов управления;

б) исправность системы смазки и охлаждения;

в) исправность фиксации рычагов включения и переключения;

г) срабатывание защиты - патрон должен остановиться при откинутом кожухе, станок не должен включиться, пока кожух не будет поставлен в исходное положение.

Токарю запрещается:

- работать в тапочках, сандалиях, босоножках и т.п.;

- применять неисправный и неправильно заточенный режущий инструмент и приспособления;

- прикасаться к токоведущим частям электрооборудования, открывать дверцы электрошкафов. В случае необходимости следует обращаться к электромонтеру.



12.3 Требования безопасности во время работы

Во время работы токарь обязан:

- устанавливать и снимать тяжелые детали со станка только с помощью грузоподъемных средств;

- не опираться на станок во время его работы и не позволять делать это другим;

- поданные на обработку и обработанные детали укладывать устойчиво на подкладках;

- при возникновении вибрации остановить станок. Проверить крепление заготовки, режущего инструмента и приспособлений, принять меры к устранению вибрации;

- при обработке деталей из металлов, дающих ленточную стружку, пользоваться стружколомателем;

- остерегаться наматывания стружки на обрабатываемую деталь или резец и не направлять вьющуюся стружку на себя;

- для удаления стружки со станка использовать специальные крючки и щетки - сметки. Не допускать уборщицу к уборке станка во время его работы;

- остановить станок и выключить электрооборудование в следующих случаях:

а) уходя от станка даже на короткое время;

б) при временном прекращении работы;

в) при перерыве в подаче электроэнергии;

г) при уборке, смазке, чистке станка;

д) при обнаружении какой-либо неисправности, которая грозит опасностью;

е) при подтягивании болтов, гаек и других крепежных деталей;

- в кулачковом патроне без подпоры задней бабки можно закреплять только короткие, длиной не более двух диаметров, уравновешенные детали; в других случаях для подпоры пользоваться задней бабкой;

- при обработке в центрах деталей длиной, равной 12 диаметрам и более, а также при скоростном и силовом резании деталей длиной, равной восьми диаметрам и более, применять дополнительные опоры (люнет);

- при обработке деталей в центрах проверить крепление задней бабки, смазать центр после установки изделия;

- при работе с большими скоростями применять вращающийся центр, прилагаемый к станку;

- при обточке длинных деталей следить за центром задней бабки;

- следить за правильной установкой резца и не подкладывать под него разные куски металла; использовать подкладки, равные площади резца;

- резец зажимать с минимально возможным вылетом и не менее чем тремя болтами.

Во время работы на станке токарю запрещается:

- работать на станке в рукавицах или перчатках, а также с забинтованными пальцами без резиновых напальчников;

- удалять стружку непосредственно руками и инструментом;

- обдувать сжатым воздухом из шланга обрабатываемую деталь;

- пользоваться местным освещением напряжением выше 42 В;

- брать и подавать через работающий станок какие-либо предметы, подтягивать гайки, болты и другие соединительные детали станка;

- тормозить вращение шпинделя нажимом руки на вращающиеся части станка или детали;

- на ходу станка производить замеры, проверять рукой чистоту поверхности обрабатываемой детали, производить шлифовку шкуркой или абразивом;

- находиться между деталью и станком при установке детали грузоподъемным краном;

- во время работы станка открывать и снимать ограждения и предохранительные устройства;

- работать со сработанными или забитыми центрами;

- затачивать короткие резцы без соответствующей оправки;

- пользоваться зажимными патронами, если изношены рабочие плоскости кулачков;

- при отрезании тяжелых частей детали или заготовок придерживать отрезаемый конец руками;

- применять центр с изношенными или забитыми конусами. Размеры токарных центров должны соответствовать центровым отверстиям обрабатываемых деталей;

- оставлять ключи, приспособления и другой инструмент на работающем станке.

12.4 Требования безопасности в аварийных ситуациях

В случае поломки станка, отказа в работе пульта управления отключить станок и сообщить об этом мастеру.

В случае загорания замасленной ветоши, оборудования или возникновения пожара немедленно отключить станок, сообщить о случившемся администрации и другим работникам цеха и приступить к ликвидации очага загорания.

В случае появления аварийной ситуации, опасности для своего здоровья или здоровья окружающих людей отключить станок, покинуть опасную зону и сообщить об опасности непосредственному руководителю.

12.5 Требования безопасности по окончании работы

После окончания работ токарь обязан:

- выключить станок и электродвигатель;

- привести в порядок рабочее место:

а) убрать со станка стружку и металлическую пыль;

б) очистить станок от грязи;

в) аккуратно сложить заготовки и инструмент на отведенное место;

г) смазать трущиеся части станка;

- сдать станок сменщику или мастеру и сообщить о всех неисправностях станка;

- снять спецодежду и повесить в шкаф. Вымыть лицо и руки теплой водой с мылом или принять душ.



Литература

1. Глубокий, В.И. Конструирование и расчет станков. Конструкции приводов главного движения / В.И. Глубокий, В.И. Туромша. - М.: Машиностроение, 2012. - 69 с.

2. Глубокий, В.И. Конструирование и расчет станков. Проектирование главных приводов / В.И. Глубокий, В.И. Туромша. - М.: Машиностроение, 2013. - 116 с.

3. Глубокий, В.И. Расчет главных приводов станков с ЧПУ / В.И. Глубокий, В.И. Туромша. - Минск: БНТУ, 2011. - 176 с.

4. Металлорежущие станки / Н.С. Колев, Л.В. Красниченко, Н.С. Никулин [и др.]. - М.: Машиностроение, 1980. - 500 с.

5. Справочник технолога-машиностроителя: в 2 т. / под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова - М.: Машиностроение, 1985. - 656 с.

6. Металлорежущие станки: учебник. В 2 т. / Т.М. Авраамова, В.В. Бушуев, Л.Я. Гиловой и др.; под ред. В.В. Бушуева. Т. 1. -- М.: Машиностроение, 2011. -- 608 с.

7. Металлорежущие станки / А.М. Кучер [и др.]. - М.: Машиностроение, 1972. - 308 с.

8. Тепинкичиев, В.К. Металлорежущие станки / В.К. Тепинкичиев. - М.: Машиностроение, 1973. - 465 с.

9. Всемирная сеть Internet.



Аннотация

Целью данного курсового проектирования является разработка кинематики и кинематической настройки главного привода токарно-винторезного станка.

В работе описывается компоновка, технологическая схема обработки, принцип образования поверхностей, структурная схема и кинематика токарно-винторезного станка модели 16К20. Выполняется кинематический расчет привода главного движения, расчет передаточных отношений передач привода. Приводится выбор чисел зубьев зубчатых колес и предварительный расчет диаметров валов.

Графическая часть состоит из кинематической схемы со всторенной разработанной кинематикой главного привода, структурной схемой и общего вида токарно-винторезного станка модели 16К20.

Размещено на Allbest.ru

...