Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Проектирование и ремонт шпиндельных узлов

ЖЕСТКОСТЬ ШПИНДЕЛЬНЫХ ОПОР КАЧЕНИЯ

Шпиндельный узел, который представляет одну из двух несущих подсистем, оказывает большое влияние на жесткость несущей системы станка в целом. При больших деформациях и упругих смещениях шпиндельных узлов трудно обеспечить необходимую точность обработки и практически невозможно добиться высокой производительности.

В § 1.3 уже отмечалась роль жесткости в повышении точности и производительности станков. Фирма SKF [24 приводит пример снижения заводской себестоимости шлифования детали е с ростом жесткости станка к (рис. 2.5). Повышение жесткости станка в 2 раза (от к - 25 Н/мкм до к - 50 Н/мкм) снижает себестоимость обработки в 1,7 раза.

На жесткость шпиндельного узла оказывают влияние жесткость шпинделя и жесткость опор. В зависимости от конструкции узла может преобладать как жесткость шпинделя, так и жесткость опор. Рассмотрим жесткость опор качения.

Влияние жесткости станка на себестоимость шлифования детали

Рис. 2.5. Влияние жесткости станка на себестоимость шлифования детали

Жесткость подшипников качения — справочная величина. Зависит от размеров, формы, числа тел качения, нагрузки, в том числе и от сил предварительного натяга. Некоторые инофирмы указывают ее в каталогах наряду с другими характеристиками. Конструкторам разнообразных машин следует лишь различать жесткость подшипников и жесткость подшипников-опор. Во втором случае наряду с контактной жесткостью между телами качения и беговыми дорожками (жесткость подшипников) необходимо учитывать и контактную жесткость в местах посадки их на вал и в корпус.

Упругие смещения и жесткость подшипников качения ки при нулевом зазоре можно определить в общем случае по эмпирической зависимости нормальных контактных силовых смещений уа [24].

где F — нагрузка на подшипник, для шарикоподшипников т = 2/3, с = 0,436; для роликоподшипников с линейным контактом т = 9/|0, с = 0,077.


В условиях чисто радиальных и чисто осевых нагрузок можно определить радиальные^и осевые смещения^ подшипников (при нулевом начальном зазоре). Для шарикоподшипников, мкм:

для роликоподшипников:

где Q — нагрузка на тело качения, Н; d — диаметр тела качения, мм; I — эффективная длина ролика, мм; а — угол контакта (конуса).

Радиальная Q и осевая Qa нагрузки на тела качения зависят от соответствующей нагрузки на подшипник F, F , числа тел качения в ряду z и числа рядов тел качения /:

Из зависимости (2.1) следует, что жесткость подшипников нелинейна и зависит от нагрузки. Из зависимостей (2.2)—(2.4) можно установить, что на жесткость подшипников диаметр тел качения d и число тел качения г влияют по-разному.

Отсюда следует создание более жестких модификаций радиальноупорных шарикоподшипников с увеличенным числом тел качения за счет уменьшения их диаметра (см. рис. 2.2, а). Для расчета контактной жесткости в местах посадки подшипника на вал и в корпус можно использовать [34]. В процессе работы станка с изменением сил резания изменяется жесткость подшипников и шпиндельного узла.

Для предварительных расчетов шпиндельных узлов жесткость опор качения можно определять по графикам А.М. Фигатнера (рис. 2.6, а). Радиальная жесткость кг определяется в функции диаметра d отверстия подшипников серий 3182100 (цилиндро-роликовый), 2007100 (коническо-роликовый) и шариковых радиально-упорных серии 46100, 46200. На рис. 2.6, б показана осевая жесткость для упорного шарикоподшипника серий 8100, 8200; упорно-радиального шарикоподшипника типа 2344 с углом контакта а = 60° и радиально-упорных шарикоподшипников. Жесткость рассчитана для усредненной нагрузки. Для нас важно подчеркнуть большую разницу в радиальной жесткости ролико- и шарикоподшипников и малую разницу в осевой жесткости подшипников серий 8100 и 2344.

Графики для определения жесткости опор с подшипниками качения

Рис. 2.6. Графики для определения жесткости опор с подшипниками качения

Для более строгих расчетов следует учитывать жесткость подшипников разных модификаций с учетом посадки, нагрузки и др. [21, 22, 58]. В табл. 2.3 приведена относительная радиальная кг и осевая ка жесткость подшипников разных серий с указанием угла контакта а [24]. За единицу радиальной жесткости принята жесткость подшипника AW30, за единицу осевой жесткости — подшипника 2344. Принято, что цилиндрические роликоподшипники устанавливаются с предварительным натягом 2—3 мкм, конические — с нулевым зазором.

Таблица 2.3

Относительная радиальная кг и осевая ка жесткость подшипников

Серия подшипника

а, град

К

«с

NN30K

1

-

NNU49BK

1,3

-

толк

0,5

-

N19АК

0,65

-

719 CD

15

0,21

0,11

70 CD

15

0,22

0,1

719ЛСО

25

0,31

0,39

70 ACD

25

0,31

0,36

320Х

0,47

0,53

2344

60

-

1

ВТА-В

40

-

0,56

ВТА-А

30

-

0,36

Применение подшипников с уменьшенным поперечным сечением (уменьшенным диаметром шариков) позволяет существенно увеличить жесткость шпиндельного узла. Например, при одинаковом наружном диаметре переход с подшипника типа 70ACD на 719АСD позволяет увеличить диаметр шпинделя примерно на 7% (со 140 до 150 мм) и жесткость шпиндельного узла примерно на 25% [24]. При этом снижение грузоподъемности совсем не означает снижения долговечности подшипников. Наоборот, с увеличением жесткости узла уменьшается прогиб шпинделя, создаются более благоприятные условия для работы подшипников.

На рис. 2.7, а сравниваются жесткости трех шпиндельных узлов, в передней опоре А которых устанавливается комплект радиальноупорных шарикоподшипников с уменьшенным диаметром шариков [3]. Тип подшипников в опорах Л и В, их внутренний диаметр d указаны в табл. 2.4 (обозначения подшипников аналогичны рис. 2.2). Наружный диаметр одинаков для всех трех вариантов, Z) = 180 мм. В задней опоре установлен один двухрядный цилиндро-роликовый подшипник. Для каждого варианта определено оптимальное расстоя-

Влияние подшипников качения на жесткость шпиндельных узлов

Рис. 2.7. Влияние подшипников качения на жесткость шпиндельных узлов:

а - подшипники с уменьшенным диаметром шариков; б - сравнительная жесткость опор качения

Табл и ца 2.4

Параметры шпиндельных узлов на подшипниках с уменьшенным диаметром шариков

№ п/п

Опора Л

Опора В

d, мм

°опт'ММ

Жесткость, Н/мкм

к

кА

кв

1

В7220Е

А/Л/301 б

95

270

148

900

1500

2

В7024Е

Л/Л/3020

115

370

216

880

1700

3

В71926Е

Л/Л/3022

125

430

245

835

1900

ние между опорами яопт, соответствующее максимальной жесткости узла (см. рис. 2.7, а) и табл. 2.4, жесткость передней кА и задней кв опор. Самая высокая жесткость шпиндельного узла на подшипниках серии ?719. Она в 1,7 раза выше жесткости узла на подшипниках серии В72.

На рис. 2.7, б показаны радиальные Ъг и осевые Ьа упругие смещения для подшипников разных типов, которые обратно пропорциональны их жесткости. Радиальная жесткость однорядных конических роликовых (32020Л) и двухрядных цилиндро-роликовых (AW3020) подшипников примерно одинакова. Осевая жесткость упорно-радиального шарикоподшипника 234420 мало уступает коническо-роликовому подшипнику 32020Х

Способы повышения жесткости опор шпинделей. Один из нормируемых способов — предварительный натяг подшипников качения. При этом увеличивается жесткость и точность вращения шпинделя. Поэтому в рабочем состоянии подшипники должны работать с натягом.

Идея преднатяга следует из нелинейности нормальных контактных смещений уа (рис. 2.8, а). Пусть при увеличении нормальной силы от N-Оцо N- нормальное смещение увеличилось науг При увеличении нормальной силы еще на единицу смещение увеличилось на у2, которое существенно меньше yv На участке нагружения 1—2увеличилась средняя нормальная контактная жесткость. Если до приложения рабочей нагрузки подшипник предварительно нагрузить силой N= , то мы как бы переносим систему координат из точки 0 в точку О'. В новой системе координат средняя жесткость будет выше, чем в первоначальной. При наличии предварительного натяга конструкция работает на более жестком участке характеристики силовых смещений О'—Г.

С ростом силы предварительного натяга одновременно снижается долговечность подшипников, увеличивается тепловыделение и снижается быстроходность, а интенсивность роста жесткости снижается. Поэтому силу преднатяга оптимизируют.

Существуют три вида предварительного натяга: легкий, средний и тяжелый. На рис. 2.8, б показаны графики изменения радиальных смещений 5Г в функции радиальной силы Fr для комплекта из трех радиально-упорных подшипников ?7020?, установленных по схеме 2 ТО: легкий натяг — график /, средний натяг — график 2, тяжелый натяг — график 3. При переходе от легкого к тяжелому предварительному натягу жесткость увеличивается в 2 раза. На рис. 2.8, в показано изменение радиальных упругих смещений Ъг в функции зазора-натяга при постоянной радиальной силе F = 12 кН для цилиндро-роликового подшипника A7V3020 ASX[2], Сростом зазора растут смещения, с ростом натяга смещения сначала интенсивно снижаются, а потом стабилизируются. Из этих условий определяется сила преднатяга. На всех графиках рис. 2.8 жесткость обратно пропорциональна смещениям.

Предварительный натяг подшипников

Рис. 2.8. Предварительный натяг подшипников:

а - принцип повышения жесткости при преднатяге; 6 - три типа преднатяга; в - влияние зазора-натяга на жесткость

Исходя из накопленного опыта производители подшипников устанавливают связь между предварительным натягом и предельной быстроходностью. Рекомендации фирмы FAG для радиально-упорных шарикоподшипников легкой серии типа А12Сс углом контакта а = 15° (отечественный аналог — подшипники серии 36200) для пластичной смазки приведены в табл. 2.5. Комплект подшипников обычно поставляется с заранее установленным предварительным натягом, и при монтаже не требуется специальная технологическая оснастка.

Наибольший предварительный натяг назначается из условия, чтобы наименьшее нагруженное тело качения полностью не разгружалось после приложения рабочей нагрузки.

Среди способов создания предварительного натяга можно выделить периодический, непрерывный — натяг с помощью пружин и регулируемый (гидравлический, пьезокристаллический и др.). Регулируемый предварительный натяг создается по команде по мере необходимости. Пример подшипника с гидравлическим регулируемым натягом показан на рис. 2.9. Втулка 1 с подшипниками выполняет

Предварительный натяг и предельная быстроходность радиально-упорных шарикоподшипников типа А72С (рекомендации фирмы FAG)

Диаметр

отверстия,

мм

Предварительный натяг, Н

Предельная быстроходность, мин 1

Одиночный

подшипник

Сдвоенные подшипники

Предварительный натяг, Н

легкий

средний

тяжелый

легкий

средний

тяжелый

50

236

708

1416

12 000

10 000

8000

5000

75

413

1239

2478

8000

6300

5000

3200

100

814

2442

4884

5600

4500

3600

2200

120

953

2859

5718

5000

4000

3200

2000

роль поршня. При подаче масла под давлением (показано стрелкой) втулка 1 перемещается относительно корпуса 2 и создает осевую силу натяга на наружные кольца подшипников, установленных по схеме 2 Т. Фланец 3 и ступенчатая втулка 4 образуют лабиринтное уплотнение. Работа последнего не нарушается в силу малых смещений втулки 1 (порядка нескольких мкм) [24J.

Дополнительная информация о способах создания предварительного натяга будет дана при анализе конструкций шпиндельных узлов в гл. 4.

Повышение жесткости радиально-упорных шарикоподшипников можно достигать за счет уменьшения диаметра шариков и соответствующего увеличения их числа, что следует из зависимости (2.5). При этом снижается температура подшипников, увеличивается их быстроходность.

При постоянном наружном диаметре подшипников с уменьшением диаметров шариков одновременно увеличивается диаметр шпинделя и существенно повышается жесткость узла (см. рис. 2.7).

Устройство регулируемого предварительного натяга

Рис. 2.9. Устройство регулируемого предварительного натяга

Радиальная жесткость радиально-упорных шарикоподшипников уменьшается с ростом частоты вращения в связи с изменением углов контакта. При частоте вращения до п = 15 000 мин-1 жесткость снижается примерно на 7% при стальных телах качения.

К числу способов увеличения жесткости опор можно отнести и увеличение числа подшипников в опорах, что будет строго доказано ниже. Самая высокая жесткость опор достигается на роликовых подшипниках.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы