Станочные приспособления

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МНОГОШПИНДЕЛЬНЫХ ГОЛОВОК

Проектирование головок, как и любого другого механизма, выполняется на основании проектного задания. Проектное задание должно содержать сведения о характере операции, для которой предназначается головка (например, при проектировании многошпиндельной сверлильной головки должны быть сведения о количестве, взаимном расположении, диаметрах и глубине сверления отверстия); о механических свойствах материала, о габаритных размерах и форме обрабатываемых деталей; об инструментах (тип, конструкция, материал), которые будут укрепляться в головке, и т. д.

Проектирование должно выполняться с максимальным использованием стандартов и нормалей в последовательности, обеспечивающей наиболее экономное расходование времени на разработку конструкции при затрате минимального труда. Исходя из этого можно рекомендовать следующую последовательность проектирования, например, сверлильной головки: 1) выбор кинематической схемы головки, определение потребной мощности привода к головке и выбор соответствующего этой мощности станка или проверка пригодности заданного станка; 2) предварительный расчет основных деталей; 3) выбор типа подшипников и конструирование деталей и узлов; 4) проработка возможных вариантов компоновки узлов, связи головки со станком и с обрабатываемой деталью, выбор способа смазки трущихся деталей и уплотнений подвижных соединений; 5) поверочный расчет прочности основных деталей и по результатам этого расчета уточнение конструкции головки; 6) разработка чертежей общего вида головки и рабочих чертежей ее деталей.

Кинематическая схема головки выбирается на основании заданного расположения подлежащих сверлению отверстий. Поэтому на чертеже прежде всего отмечается положение осей будущих отверстий и находится точка приложения равнодействующей всех осевых сил, которые будут возникать при сверлении отверстий. Через эту точку должна проходить ось ведущего центрального валика головки. Иногда для упрощения конструкции головки может быть допущено некоторое смещение оси ведущего валика относительно точки приложения равнодействующей осевых сил. После этого" по нормативным материалам выбирается подходящая кинематическая схема и на чертеже изображаются (в произвольном масштабе) начальные окружности колеса ведущего валика, паразитных колес и колес шпинделей сверл. При этом начальные окружности колес ведущего валика и паразитных колес должны касаться друг друга, а между окружностями колес шпинделей и ведущего валика должны быть достаточно большие зазоры (не менее трех модулей зацепления). Число паразитных колес должно быть минимальным.

Диаметр начальной окружности колеса ведущего валика головки следует принимать по возможности равным диаметру колес, располагаемых на шпинделях инструментов, или близких к нему. Диаметры окружностей паразитных колес приходится подбирать из условия постоянного и нормального зацепления этих колес с колесами шпинделей инструментов и с колесом центрального ведущего валика. При этом иногда не удается осуществить такой подбор при использовании нормальных прямозубых колес, так как габаритные размеры таких колес не всегда могут обеспечить заданное расстояние между осями обрабатываемых отверстий. В таких случаях приходится прибегать к корригированию колес или к применению нормальных косозубых колес.

Мощность электродвигателя привода зависит от силы, расходуемой на подачу инструмента, от момента, необходимого для вращения инструмента, и от скорости вращения инструмента. Сила Р, расходуемая на подачу инструмента, и момент М, в свою очередь, зависят от диаметра d инструмента, от величины подачи s инструмента, от механических свойств материалов обрабатываемой детали и инструмента, и от других технологических факторов, а скорость v вращения инструмента (скорость резания) зависит от стойкости Т инструмента.

2. Предварительный расчет головки включает расчет основных деталей (зубчатых колес и валов). При этом прежде всего находятся числа зубьев и модуль колес, а затем диаметры начальных окружностей, основных окружностей, окружностей выступов и впадин и ширина зубчатых венцов колес. Числа зубьев легко найти по величине передаточного числа от шпинделей сверл к валику головки

Оси паразитных колес на этом этапе не рассчитываются, так как в процессе работы головки на них действует только изгибающий момент, который можно определить после того, как будут определены расстояния между опорами этих осей, т. е. после выявления конструкции узлов головки на следующем этапе проектирования.

3. На этапе конструирования, как отмечалось выше, прорабатываются все узлы головки, окончательно выявляется конструкция деталей, подбираются подшипники по предварительно найденным размерам посадочных мест для них, решаются вопросы монтажа и смазки головки.

Наиболее сложными деталями при конструировании следует считать рабочие шпиндели (валы, несущие инструменты). Сложность обусловлена тем, что эти валы должны быть консольными, причем с весьма большой консолью. Вместе с инструментом консоль шпинделей превышает в 1,5—2 (а иногда и больше) раза длину той части шпинделя, которая находится в опорах корпуса головки. Кроме того, шпиндель подвергается воздействию значительных радиальных и осевых нагрузок, приложенных на конце консоли (на режущей кромке инструмента) и в промежутке между опорами в корпусе (на зубьях колеса). Поэтому шпиндели необходимо устанавливать на радиальных и упорных подшипниках, или на радиально-упорных подшипниках.

Наиболее компактную конструкцию шпинделей обеспечивают радиально-упорные двухрядные шариковые подшипники. Применение конических роликовых подшипников нецелесообразно, так как при той же нагрузке они изнашиваются по сравнению с упорными шарикоподшипниками значительно быстрее.

При расчете шарикоподшипников для головок необходимо руководствоваться сроком их работы (машинного времени 2000 ч), что практически приводит к смене подшипников не чаще 1 раза в год. Между радиальными шарикоподшипниками устанавливаются распорные втулки, исключающие перегрузку подшипников от силы натяжения гайки при регулировании шпинделей.

В последние годы быстроходные шпиндели, предназначаемые для сверления отверстий диаметров 0,75—2,75 мм, монтируют на газостатических или воздушных «подшипниках».

Результаты использования газовых опор и смазки в других машинах и механизмах позволяют считать вполне возможным применение их и в многошпиндельных головках.

Оси паразитных зубчатых колес в головках монтируются также на шариковых или на обычных подшипниках скольжения. Если паразитное зубчатое колесо вращает не более двух рабочих шпинделей, то используют радиальные подшипники для осей тех же размеров, что и для рабочих шпинделей. Если же паразитное зубчатое колесо приводит во вращение три рабочих шпинделя, диаметры осей для подшипников принимают равными 1,3 диаметра направляющей части рабочего шпинделя.

Ответственной деталью головки является центральный ведущий валик, связанный непосредственно со шпинделем станка. От ведущего валика вращение передается рабочим шпинделям головки. Поэтому модуль зацепления всех зубчатых колес головки определяется по нагрузке на зуб зубчатого колеса этого валика.

Ведущий валик обычно разгружают от осевых сил и монтируют в связи с этим только на радиальных шарикоподшипниках.

Связь валика со шпинделем станка осуществляется при помощи переходной детали с коническим хвостовиком, входящим в коническое отверстие шпинделя, и с торцовым пазом, захватывающим шпонкообразный конец центрального вала головки. Применять центральный валик, выполненный за одно целое с коническим хвостовиком, не рекомендуется, так как в этом случае трудно координировать оси этого валика и хомута, закрепляющего головку на шпинделе станка, с осью шпинделя.

Корпус головки изготовляется из чугуна или алюминиевого сплава и, как уже отмечалось, для облегчения монтажа должен состоять из нескольких частей. Конструкция верхней части должна обеспечивать удобство крепления ее к пиноли шпинделя станка, конструкция остальных частей определяется формой и удобством размещения узлов головки в корпусе.

Отверстия в корпусе головки для шпинделей обычно выполняются ступенчатыми по размерам направляющей части шпинделя и по размерам наружных диаметров подшипников. Существует более технологичная конструкция этого узла. В этой конструкции в корпусе головки делают отверстие по размерам наружного диаметра подшипников, а между подшипниками помещается специальная втулка, которая стопорится пальцем и при работе головки воспринимает осевые силы.

Так как опоры шпинделей головки находятся, как правило, в различных частях корпуса, то эти части должны быть точно сцентрированы относительно друг друга и зафиксированы в определенном угловом положении. Центрирование частей корпуса осуществляется концентрическими выточками и выступами, создаваемыми на каждой части корпуса, фиксация углового положения — штифтами.

4. Компоновка узлов головки выбирается такой, чтобы можно было обеспечить минимальные габаритные размеры головки и максимальную надежность ее работы. Для этого иногда бывает целесообразно опробовать несколько вариантов компоновки, вплоть до изменения не только конструкции отдельных деталей, но и намеченной ранее кинематической схемы. При этом должны быть обеспечены следующие основные технические условия на сборку: биение шпинделей не должно превышать 0,05 мм на длине выступающей из корпуса головки части; непараллельность шпинделей к направляющим колонкам, а также неперпендикулярность любого шпинделя к верхней плоскости прилегания крышки к корпусу головки не должна превышать 0,03 мм на длине 300 мм\ биение конусного отверстия державки для инструмента в рабочем шпинделе не должно быть более 0,05 мм на длине 300 мм.

При компоновке головок необходимо тщательно решать вопрос о смазке трущихся деталей. Тип смазки зависит от окружных скоростей зубчатых колес. Для тихоходных головок с двумя- тремя шпинделями применяется простейший способ смазки — заполнение корпуса головки консистентной смазкой при монтаже. Для быстроходных головок такой способ непригоден, так как сплошное заполнение смазкой шарикоподшипников и зубчатых колес вызывает значительные потери мощности на трение; связанное с этим нагревание подшипников приводит к разжижению смазки, вследствие чего уплотнения, например, фетровые кольца, рассчитанные на консистентную смазку, не могут удержать ее; при утечке смазки детали головки, находящиеся в верхней ее части, не смазываются при работе, что заставляет постоянно следить за головкой и пополнять ее смазкой; данный способ не обеспечивает хорошего смазывания подшипников скольжения, поэтому для быстроходных головок необходима принудительная смазка. Простейшей принудительной смазкой является фитильная, которая осуществляется при помощи шерстяных, обвитых вокруг проволоки, фитилей, помещенных в масляный резердуар, расположенный в верхней части корпуса головки. Резервуар наполняется смазкой через специальную масленку 1—2 раза в смену.

Рациональным способом принудительной смазки следует считать смазку при помощи специального насоса, обеспечивающего непрерывную подачу ее к трущимся поверхностям. Такоа способ обладает следующими достоинствами: смазка находится в специальном резервуаре и попадает в головку только к трущимся поверхностям, при этом устраняется попадание смазки в полости головки, где она совершенно не нужна; создаваемая насосом постоянная циркуляция обеспечивает наиболее надежную смазку трущихся поверхностей; смазка всех сопряжений как в нижней, так и в верхней частях головки производится одинаково; постоянная циркуляция смазки способствует более равномерному распределению и отводу тепла.

Головка с шестеренчатым масляным насосом. Когда головка не работает, все масло собирается в прикрепленном к ней специальном поддоне 2. Насос /, погруженный в масло поддона, находится под ведущим валиком 5 головки, от которого приводится в действие. Во время работы головки масло нагнетается насосом в продольное отверстие ведущего валика и через верхнее радиальное отверстие в нем разбрасывается по всей поверхности промежуточной плиты 4. По нижнему радиальному отверстию валика смазка поступает к верхней его втулке. Масло, находящееся на поверхности промежуточной плиты 4, попадает в зону расположения зубчатых колес через отверстие М в плите, отверстия в осях 3 паразитных зубчатых колес и через зазоры верхних подшипников рабочих шпинделей. Смазав зубчатые колеса и верхние подшипники, масло протекает через нижние подшипники шпинделей и осей паразитных зубчатых колес и собирается в резервуаре поддона, откуда снова подается вверх.

Внутри насоса движение масла происходит следующим образом. Из резервуара оно поднимается по вертикальному отверстию в левую полость между зубчатыми колесами насоса(разрез В—Б), а зубчатые колеса перегоняют его в правую полость. Далее через отверстие в крышке насоса масло идет в канавку на внешней поверхности крышки (разрез Б—Б) и в полость, расположенную под насосом. Отверстие в ведущем валике головки сообщается с этой по- лоетью через поперечный паз на торце валика, который одновременно является поводком для привода насоса в действие. Вследствие трудности точно согласовать количество масла, подаваемого насосом, с количеством масла, протекающим через подшипники, необходимо выбирать насос с некоторым избытком подачи масла по сравнению с количеством его, проходящим через подшипники.

Чтобы в верхних полостях головки при этом не скопилось с течением времени все масло, так как в головку масло заливают в ограниченном количестве и все полости связаны между собой отверстиями, верхний край которых несколько возвышается над дном полости. Таким образом, в каждой из них постоянно поддерживается некоторый уровень масла, а избыток его свободно стекает в нижнюю полость. В данной головке нужный уровень масла поддерживается высотой буртика втулки 5, через которую избыток масла стекает в поддон.

Для предупреждения утечки смазки в головках, как и в других механизмах с быстровращающимися валами и подшипниками, предусматриваются уплотнения. Применяются различные типы уплотнительных устройств. Чаще всего используют обычные фетровые или кожаные кольца с предварительной затяжкой при монтаже головок или с постоянным натяжением, осуществляемым специальным пружинным устройством.

Предварительная затяжка осуществляется винтами и гайками, специально для этой цели предназначенными, или стягиванием деталей, несущих эти уплотнения. Уплотнительные кольца надо сжимать так, чтобы они плотно прилегали к поверхности вращающейся детали.

Преимущество первой конструкции заключается в простоте смены уплотнительного кольца. Однако чрезмерная близость соседних шпинделей иногда не позволяет разместить подобное крепление. В этих случаях прибегают к срезу сегментов на прижимной шайбе или используют более компактные конструкции описанного типа. В некоторых конструкциях вместо уплотнительных устройств применяют маслоотражательные кольца.

5. Поверочный расчет прочности основных деталей выполняется для того, чтобы убедиться насколько точно удовлетворяет разработанная конструкция головки предъявляемым к ней требованиям и, кроме того, найти возможные ошибки, которые могли быть допущены при выполнении.расчетов и в процессе конструирования.

Как в любом другом механизме, поверочному расчету обычно подлежат зубчатые колеса, валы и подшипники.

Центральный и шпиндельные валы во многих случаях целесообразно проверить на прочность в опасных сечениях. Опасные сечения валов, нагрузка на которые расположена между опорами, находятся, как правило, в местах расположения колес. В этих местах опоры ослаблены шпоночными канавками для колес или шлицами и, кроме того, находятся под действием крутящего и максимального изгибающего моментов, для определения которого предварительно находят реакции в опорах валов.

Однако во многих случаях указанные опасные сечения могут оказаться не опасными, как это встречается, например, в случаях, когда вал передает момент двум одинаково нагруженным валам и расположенным в диаметральной плоскости с двух сторон от ведущего вала. Для проверочного расчета вала необходимо в каждом конкретном случае сначала определить опасные сечения вала.

Оси паразитных колес иногда также следует проверить на прочность, так как их диаметры предварительно не рассчитывались, и выбирались из конструктивных соображений. Производя проверку, не следует забывать, что эти детали находятся только под действием изгибающих моментов.