5 РАСЧЕТ НА ЭВМ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА
5.1 Описаниеконструкции шпиндельного узла
Шпиндель выполняем в качестве отдельного узла выполненного в отдельном корпусе.Вращающий момент с выходноговала коробки скоростей на шпиндель передается через шлицевое соединение.Принимаем следующую конструкцию данного узла: шпиндель располагается на двухопорах состоящих из подшипников качения. Переднюю опору выполняем комплексной, состоящей из трех радиально-упорных шариковых подшипниковтипа 46120У поставленных по схеме триплекс-тандем О-образная основные характеристики,которых приведены в таблице 5.1. Заднюю опору выполняем также комплексной,состоящей из двух радиально-упорных шариковых подшипников типа 36200Упоставленных по схеме дуплекс-тандем основные характеристики, которых приведеныв таблице 5.1.Предварительный натяг в прах шпинделя создаем следующим образом:
· в передней опорес использованием специальной разжимной гайки;
· в задней опоре сприменением специальных регулировочных колец.
Таблица 5.1
Основные технические характеристики подшипниковшпиндельного узла.
Опора
Шпинделя
Обозначение
подшипника
Посадочный
диаметр
d, мм
Наружный
диаметр
D, мм
Ширина
B, мм
Грузоподъемность
кН
Динамическая C
Статическая
С0
Передняя
36220У
100
150
24
122
116
Задняя
36220У
100
150
24
122
116
Передний конец шпинделя выполняем в соответствии ГОСТ24644-81 с внутреннимметрическим конусом с конусностью 7:24 по ГОСТ15945-82 обозначением 50, ипередачей крутящего момента через торцовые шпонки (в соответствии с типовойкомпоновкой шпиндельного узла для обрабатывающих центров).
Предполагаем смазывание шпиндельного узлажидким смазочным материалом, основные параметры которого рассчитаем далее.
Для уплотнения шпиндельного узла принимаемдинамическое бесконтактное уплотнение. Также предусматриваем подвод СОЖ через шпиндельный узел, что облегчает условияобработки в зоне резания.
Для изготовления шпинделя применяем сталь 12Х2Н4А с цементацией изакалкой до твердости 56…60HRCв соответствии с рекомендациями [1] для шпинделей станков с ЧПУ и многоцелевых станков,для которых требуется повышенная износостойкость поверхностей, используемых дляцентрирования и автоматического закрепления инструментов. Основныехарактеристики применяемой стали, приводим в форме таблицы 5.2
Таблица 5.2
Основные механическиехарактеристики стали 12Х2Н4А
Марка
стали
Диаметр заготовки
МПа
МПа
МПа
МПа
МПа
12Х2Н4А
1226
1050
736
618
314
1,17
5.2 Определение действующих нагрузоки моментов
Составляем расчетную схему (рис 5.1) по чертежуопределяем основные линейные размеры необходимые для дальнейших расчетов ипроставляем их на расчетной схеме.
Определяемдействующие усилия при обработке торцевой фрезой в соответствии с таблицей 1.3 (Pzв Н,N в кВт, n в об/мин):
определяем крутящий момент на шпинделе, Н/м ([3].с.290)
Произведем построение эпюр моментов от действующих сил.
Рассматриваемплоскость YOZ. Определяем опорные реакции, составляя уравнения моментовотносительно точек А и В последовательно.
Откуда определяем:
Откудаопределяем:
Производим проверку:
Определяемизгибающие моменты от действующих сил при: y=l и y=l+a
Рассматриваемплоскость XOY. Определяем опорные реакции, составляя уравнения моментовотносительно точек А и В последовательно.
Откуда определяем:
Откудаопределяем:
Производимпроверку:
Определяемизгибающие моменты от действующих сил при: y=l и y=l+a
Определяем суммарный изгибающий момент
Определяемсуммарные опорные реакции:
5.3 Проверка шпиндельноговала на выносливость
Всоответствии с рекомендациями [2] проверочный расчет шпиндельного вала на выносливостьсводим к определению коэффициента безопасности вала в опасном сечении. В соответствиис рис.5.1 опасным сечением будет сечение шпинделя под передней опорой.
определяеммомент сопротивления и полярный момент сопротивления сечения вала постоянные и переменные составляющие цикловперемены напряжений.
где
d — диаметр шпинделя в опасном сечении, мм
do — диаметр внутреннегоотверстия в опасном сечении, мм
определяемпостоянные и переменные составляющие циклов перемены напряжений.
определяемосновные составляющие в формулах коэффициентов безопасности:
Определим коэффициенты безопасности по изгибу и кручению
где
, — эффективные коэффициенты концентрациинапряжений при изгибе икручении;
, — масштабные факторы, учитывающие влияниеразмеров сечения вала;
— коэффициент упрочнения, принимаем с учетомтого, что выполняем закалку ТВЧ;
, — коэффициенты, характеризующиечувствительность материала к асимметрии циклаизменения напряжений.
Определяемкоэффициент безопасности:
Учитывая,что [S]=2,5...4 то условие прочности вала на выносливость выполняется.
5.4 Проверочный расчет подшипниковкачения на долговечность
Производим проверку подшипников каченияпередней эпюры, т.к. она является наиболее нагруженной.
Определяем радиальную нагрузку на одинподшипник с учетом того, что в опоре установлено три подшипника:
В опоре установлены радиально-упорныешарикоподшипники 36220У для которых в соответствии с таблицей 5.1:
Учитывая, что в радиально-упорныхподшипниках при действии на них радиальной нагрузки возникают некоторые осевые усилияS как составляющие радиальных нагрузок.
Определим коэффициент осевой нагрузки ([2], т.14.14, с.354)и осевую составляющую:
при
Определяем осевые нагрузки на каждыйподшипник с учетом действия осевой силы и осевых усилий ([2], рис.14.3, с.349):
т.е расчет производим для подшипников установленныхпервым и вторым в опоре.
Определяем эквивалентную нагрузку:
при
где
X — коэффициент радиальной нагрузки;
Y — коэффициент осевой нагрузки;
V — коэффициентвращения (принимаем, что относительно нагрузки вращается внутреннее кольцо);
Kб — коэффициент безопасности;
Kт — температурный коэффициент;
Тогда время безотказной работы подшипника(долговечность) в часах:
т.е при требуемой долговечности в 12000 условиенадежности подшипника выполняется.
5.5 Расчетжесткости опор шпинделя
Расчет жесткости шпиндельных опор выполняем в соответствиис рекомендациями ([1], с.174-177).
Определяем силу предварительного натяга, Н ([1], т.6.15, с.154):
Определяемосновные размеры подшипника в соответствии с таблицей 5.1:
Определяем основные параметры подшипников:диаметр шариков и количество тел вращения:
принимаем
Определяемизменение угла контакта в подшипнике под действием предварительного натяга ([1], рис.6.14, с.175):
при
Определяемосевую жесткость шпиндельных опор, Н/мм ([1], с.174)
-передней опоры
где
— количество подшипников в первой условнойопоре;
- количество подшипников во второй условной опоре;
— коэффициент жесткости подшипника;
— заднейопоры
Определяемкоэффициент, характеризующий распределение нагрузки между телами качения ([1], с.174):
-для передней опоры
при
-для задней опоры
при
Определяемрадиальную жесткость шпиндельных опор, Н/мм ([1], с.174)
-передней опоры
-задней опоры
Внешняя осевая сила, при, которой натяг комплекснойопоры полностью снимается,
Н([1], с.174)
-в передней опоре
-в задней опоре
Максимальнаядействующая осевая сила при обработке:
т.е. принятое усилие натяга в опорах полностьюне снимается.
5.5 Расчет жесткости шпиндельного узла
Определимрадиальное перемещение переднего конца шпинделя сначала в двух взаимноперпендикулярных плоскостях, а затем определим суммарное перемещение. Причемдля удобства представления формулы в отчете разбиваем ее на логическиесоставные части Zi.
Вместо крутящего момента прикладываем эквивалентноеусилие:
Учитывая,что сечение шпинделя по его длине примерно постоянно, то средний момент инерциисечения, :
Определим перемещение в плоскости YOZ:
Определимперемещение в плоскости XOY:
Определяемсуммарное перемещение переднего конца шпинделя:
т.е. проектируемым шпиндельным узломобеспечивается достаточная точность даже при работе с максимально допустимойнагрузкой.
5.5 Расчет системы смазки шпиндельного узла
Принимаем циркуляционную систему смазки,при которой масло автономной системой постоянно подается в шпиндельный узел. Определимминимально допустимый расход жидкого смазочного материала:
где
— вязкость масла при рабочей температуреопоры,/c;
— коэффициент, характеризующий тип подшипника;
- коэффициент,характеризующий условия нагружения;
— коэффициент, характеризующий условия выходамасла из рабочей зоны подшипника;
— коэффициент, зависящий от рабочейтемпературы подшипника;