Въртящ шпиндел: характеристики на производителността

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 10:19

Шпинделът на металорежещите машини обикновено се представя като един от елементите на задвижващия механизъм, отговорен за фиксирането и оформянето на детайла. В същото време интерфейсът му с електроцентралата, носещата част и работното оборудване на блока е толкова стегнат, че можем да говорим за цялата инфраструктура на тази част. По един или друг начин шпинделният модул (SHU) трябва да се разглежда като отговорен основен механизъм на машината, осигуряващ функцията за предаване на въртящ момент и насочване на силата на обработка.

Преглед на продукта

Този механизъм се нарича още моторно шпиндел и формира една от ключовите монтажни единици на съвременните дърво и металообработващи машини. Производителността и в още по-голяма степен точността на механичното въздействие върху детайла зависят от неговите характеристики. Както вече беше отбелязано, говорим за цял комплекс от елементи,формиращи основата на шпинделните възли. Подпорите, системата за смазване, уплътненията, предаването на въртящия момент и лагерните части са в основата на този механизъм. Предимно това са компоненти, които изпълняват поддържащи и спомагателни функции, за да осигурят работата на дюзата под формата на режещ инструмент.

Общоприето е, че потенциалът на мощността на металорежещите машини зависи преди всичко от двигателя. Това е вярно, но само отчасти. Например, шпинделните възли на металорежещите машини имат собствен честотен диапазон на въртене, което причинява ограничителни условия за скоростите на рязане. Но е важно да се разбере, че този диапазон е по-скоро функция на регулиране на оптималната скорост на обработка с поддръжка на достатъчно висока точност.

Друга от ключовите функции на шпиндела е директното задържане на обработващия инструмент, а в някои случаи и на самия детайл. За този вид закрепване се използват специални скоби и скоби, като държач за инструменти и патрони. Ето защо е важно да се вземат предвид характеристиките на шпиндела при избора на инструментална екипировка според размерите на опашката и определяне на допустимите параметри на процеса на обработка.

ShU дизайн

По време на разработването на проектното решение за шпиндела на двигателя, изпълнителите на задачите трябва да се съсредоточат върху максимално намаляване на динамичните и вибрационни натоварвания върху механизма. Постигането на това качество на работната група пряко влияе върху издръжливостта на машината и качеството на обработка. Поради тази причина шпинделният монтаж става все по-голямпроектирано като независимо устройство в отделен корпус, който се нарича главна баба.

Следните са взети като начални данни за алгоритъма за проектиране:

• Мощност.
• Точност на въртене.
• Бързина.
• Максимално отопление за опори.
• Устойчивост на вибрации.
• твърдост.

Въз основа на първоначалните параметри се избират структурна схема, детайли за оформление и производствени материали. Видът на бъдещата машина също оказва влияние върху избора на определени дизайнерски решения. Например, проектирането на шпинделни възли за високопрецизно обработващо оборудване се основава на разположението на хидродинамичните лагери, които могат да осигурят точността на механичното действие в диапазона от 0,5 до 2 микрона. За особено високоскоростни агрегати с вътрешни шлифовъчни глави се използват специални плъзгащи лагери, които изискват смазване с въздух. Обикновено принципите на конструиране на шпинделна основа с акцент върху поддържането на високи скорости на обработка от 600 rpm се използват за диамантено пробиване и универсални металорежещи машини. Параметрите на компонентите, поддържащи ниски скорости, традиционно се изчисляват за фрезови, револверни и пробивни машини. Тук важи правилото, колкото по-деликатна е точността на механичното действие, толкова по-висок трябва да бъде въртящият момент на шпиндела. За сложна грубова обработка и рязане се използват конфигурации с ниски обороти.

Изчисляване на шпиндела

Bтвърдостта се счита за основна характеристика на дизайна. Изразява се като индикатор за еластични премествания в зоната на обработка под общата действаща сила от собствената еластична деформация на шпиндела с неговите опорни елементи. Силата също се използва за характеризиране на силно натоварени възли, а за глави с високи обороти, минимална резонансна стойност, т.е. висока устойчивост на вибрации, ще бъде ключов фактор за успешната обработка.

Практически всички шпинделни възли за металорежещи машини се изчисляват отделно за точност на рязане. Това изчисление се извършва за лагери въз основа на радиалния коефициент на биене на края на шпиндела. Допустимата стойност на биене зависи от класа на точност на проектиране, при чието определяне конструкторите изхождат от изискванията за процеса на обработка.

Индексът на радиалното биене по вътрешната повърхност на лагерния пръстен зависи от неговия ексцентриситет и грешките на коловозите с търкалящи елементи. Този параметър на точност се изразява чрез ефекта на така наречения блуждаещ ритъм. В процеса на контрол на лагерите се определя тяхното съответствие с установените стандарти, след което, ако се открият отклонения, продуктите могат да бъдат изпратени за ревизия. Сред мерките за по-нататъшно подобряване на точността на лагерите за шпиндела по време на монтажа, могат да се разграничат следните:

• Ексцентрицитетите на вътрешните пръстени и лагерните шейни са в противоположни посоки.
• Ексцентричности на външните пръстени на лагера идупките на тялото също са поставени в противоположни посоки.
• При монтиране на ексцентрицитетите на вътрешните пръстени на лагерите на задната и предната част, те трябва да се държат в една и съща равнина.

ShU изпълнение

Твърдостта и точността на набора от важни технически и физически показатели на шпиндела не е ограничена. Сред другите значими свойства на този механизъм си струва да се подчертае:

• Устойчивост на вибрации. Способността на SHU да осигурява стабилно въртене без трептене. Невъзможно е напълно да се елиминира вибрационният ефект, но благодарение на внимателни проектни изчисления той може да бъде сведен до минимум чрез намаляване на ефекта от източници на напречни и усукващи вибрации, като пулсиращи сили в зоната на обработка и въртящ момент в задвижването на машината.
• Бързина. Характеристика на скоростта на шпиндела, отразяваща броя на оборотите в минута, разрешен за оптимално работно състояние. С други думи, максимално допустимата скорост на въртене, която се определя от конструктивните и технологичните качества на продукта.
• Нагревателни лагери. Интензивното генериране на топлина е естествен производен фактор по време на обработка при високи скорости. Тъй като нагряването може да доведе до деформация на елементната база, този индикатор трябва да се изчисли по време на проектирането. Най-чувствителният към топлина компонент на сглобката е лагерът, чиято промяна във формата може да наруши функцията на шпиндела. За да намалят процесите на термична деформация, производителите трябваспазвайте нормите за допустимо нагряване на външните лагерни пръстени.
• Носеща способност. Определя се чрез коефициента на производителност на лагерите на шпиндела при условия на максимално допустими статични натоварвания.
• Издръжливост. Индикатор за време, показващ броя на часовете на работа на продукта преди основен ремонт. При условие, че аксиалната и радиалната твърдост на шпиндела е балансирана, издръжливостта може да достигне 20 хиляди часа. Минималното време до отказ е две и пет хиляди часа, което е типично за шлифовъчни и вътрешно шлифовъчни машини, съответно.

Материали за направата на SHU

Изборът на материали за елементната база на шпиндела също е фактор за осигуряване на определени технически и експлоатационни свойства на оборудването. При устройствата за приточване, нарязване на резба и пробиване се набляга на защитата срещу въздействието на въртящия момент, а шпинделният монтаж на фрезова машина, например, се сглобява въз основа на ефектите на огъващите моменти. Във всеки случай материалът трябва да има достатъчна устойчивост на износване на задействащата повърхност, както и на шейната на лагера. Стабилността на формата и размерите е основното условие за правилната работа на продукта, до голяма степен зависи от характеристиките на класа на използвания материал.

В машини с класове на точност H и P се използват шпиндели, изработени от стоманени сплави от класове 40X, 45, 50. В някои случаи проектните решения могатизискват и специално рафиниране на метала чрез втвърдяване с индукционно термично действие. Обикновено втвърдяването на продуктите чрез втвърдяване се прилага върху работните повърхности и лагерните шейки като най-критичните части на детайла.

За елементи със сложна форма с конични отвори, канали, фланци и стъпаловидни преходи се използва обемно закалена стомана. Тази технология на обработка е разрешена само за детайли, от които се планира производството на предните части на машинните шпинделни възли с последващо карбуризиране. В този случай се използват стомани 40XGR и 50X.

Оборудването с класове на точност A и B се доставя с шпиндели, изработени от стомана марки 18KhGT и 40KhFA, азотирани. Процесът на третиране с азот е необходим за повишаване на твърдостта на детайла, както и за поддържане на оригиналната форма и размери. Повишаването на здравината и стабилността на конструкцията е предпоставка за шпиндели, използвани в системи с течно триене.

В опростеното оформление на контролната зала изискванията за материали не са толкова високи. Елементи с прости форми могат да бъдат изработени от стомана марки 20Kh, 12KhNZA и 18KhGT, но дори и в този случай заготовките предварително се подлагат на закаляване, карбуризиране и закаляване.

ShU структурни модели

Основният дял от шпинделните механизми, използвани в съвременните металорежещи машини, имат двулагерно устройство. Тази конфигурация е оптимална от гледна точка на оптимизиране на оборудването и удобство на техническата организация.производствен процес. Големите предприятия обаче използват и модели с допълнителна поддръжка от третия стълб.

Конфигурациите за поставяне на лагери също са двусмислени по отношение на методите за изпълнение. Днес има тенденции към прехвърляне на критични регулаторни функции към зоната на челната баба, което намалява въздействието на топлинните ефекти. В простите модели на шпиндела се използват ролкови лагери, което също така минимизира риска от деформация от генериране на топлина и повишава ефективността на настройката. В същото време, наред с увеличаването на твърдостта и увеличаването на точността на въртене, такива механизми имат недостатък под формата на намаляване на скоростта. Следователно тази конфигурация е най-подходяща за стругове с ниски скорости.

Бавноскоростните шлифовъчни агрегати също са оборудвани с ролкови лагери в предната опорна част, а задната страна е снабдена с дуплекс от ъглови контактни елементи. По-специално, така се внедряват шпинделните възли в дизайна на циркулярни и вътрешни шлифовъчни машини. За опростяване на функционалната система на уреда, конусните ролкови лагери също позволяват. Такова решение по отношение на фрезовите единици елиминира необходимостта от включване на аксиална лагерна група. В резултат на това се поддържа оптимален марж на твърдост, но с него проблемите с генерирането на топлина с ограничен въртящ момент не отиват никъде.

Контрол на качеството на продукта

След сглобяването на главната баба се проверява хлабината-предварително натоварване на лагерната група. Тази операциянеобходими за оценка на готовността на механизма за пълноценни натоварвания. Проверката се извършва чрез зареждане на устройството с крик и динамометър. Измерванията се извършват директно с индикаторни устройства, включително измервателни глави, сензори, микрокатори и др. Измервателното устройство се монтира на челната баба възможно най-близо до предния лагер. При фиксиране на промяна на стъпаловидно натоварване се изгражда графика на преместванията на края на шпиндела.

Твърдостта на въртящия шпиндел с опорни елементи се контролира чрез двуточков метод на измерване. Първо, две контролни точки се задават върху линейния участък на кривата на натоварване. Освен това за всеки ред се записват данни за деформация, след което се извършва сравнение. Като стандартни индикатори могат да се използват както проектни стойности, така и цифри от общите технически изисквания за машината. Освен това сложните данни за сравнение, получени в резултат на тестове, трябва да бъдат представени под формата на средноаритметични стойности. По същия начин се извършват измервания на аксиални и радиални натоварвания с фиксиране на празнините, образувани между лагерите.

Ако се открият отклонения от стандартните стойности, хлабината-предварително натоварване се коригира. При обслужване на шпинделните възли на струг за такива задачи се използва техниката на нагряващи опори. При условията на термично излагане на термометри и термодвойки в определен диапазон, гайките се затягат и регулират.

Уплътнения за SHU механизъм

Съставът на главата включва испециални уплътнения, които повишават изолационните и уплътняващи свойства на механизма. За какво е? Тъй като работният процес на струг е свързан с отделянето на големи количества фини отпадъци при смазочни условия, запушването на функционалните части е често срещано. Съответно, при сглобяването на шпиндела трябва да се осигурят устройства, които предпазват работните елементи от прах, мръсотия и влага. За това е уплътнителят. По правило това е консуматив под формата на пръстен, който се монтира на шпиндела с помощта на центриращ ремък. По време на работа на механизма е необходима неговата периодична подмяна или регулиране на позицията. В условия на повишено външно замърсяване може да се използва допълнително защитен пръстен за плъзгане. Ако машината работи със средни или ниски скорости, тогава уплътнението трябва също да бъде фиксирано.

SHU Поддръжка

Основната задача на персонала по време на работа на главната баба е да следи за смазването на нейните части. Това обикновено се прави чрез пръскане върху повърхностите на въртящи се зъбни колела, работни колела и дискови компоненти. Оптималният състав за този тип лубрикант трябва да има индекс на вискозитет 20 при нагряване до 50 ° C. Конструкциите на модула на фрезовия шпиндел предвиждат възможност за насочване на маслото в лагера през колектор или директно към работната група. Освен това част от маслото трябва да остане дори след приключване на работната сесия. Старата замърсена течност се заменя с нова. За да се опрости процеса на пълнене в съвременните машини, циркулиращата доставка на масло се организира едновременно към скоростната кутия и шпиндела в автоматичен режим, докато отпадъчната маса се източва.

В допълнение към обновяването на маслото е необходимо да се поддържа техническото състояние на механизма. Технически и структурни проблеми могат да възникнат поради прегряване, прекомерна деформация, високи вибрации или късо съединение между завоите. Типичен ремонт на шпинделни възли като част от производствения процес може да бъде замяна на повредени части, консумативи или възстановяване на седалки. Например, когато се деформират или монтират нови елементи, понякога се налага допълнителна корекция на гнездата или самите части чрез заточване, шлайфане, шлифоване или надграждане.

Производство на SHU в Русия

Някои от компонентите на шпиндела, необходими за комплектоването на металорежещи машини, се произвеждат от местни производители в техните собствени машинни съоръжения, разчитайки на разработките и опита на съветската индустрия. Практически няма проблеми с производството на конвенционални задвижващи шпинделни възли за фрезова машина или стругови агрегати, които не са фокусирани върху високопрецизна обработка. Съвременните високотехнологични електрошпиндели обаче се произвеждат в Русия само на части и на базата на вносни компоненти. Тези ограничения са свързани не само с липсата на съвременни технологии в тази област, но и с недостига на квалифициран персонал, който трябва да решава инженерни и производствени проблеми.

Заключение

Шпинделът е един от централните функционални компоненти на различни видове металорежещи машини. Точността на изпълнение на работните операции, ергономичността на управлението на оборудването и ефективността на регулиране на мощностния потенциал на задвижващия механизъм зависят от качеството на основните му функции. Ето защо е толкова важно да се обърне внимание на характеристиките на шпиндела в струга, когато го избирате. И това важи не само за индустриалния сегмент, където се извършват операции по поточна обработка. Обикновеният домашен майстор, който извършва прости операции в гараж или селска къща, също трябва да има основни познания за главата. Уменията при боравене с шпинделния механизъм ще направят работата по-надеждна и поддръжката на машината по-икономична.