©АКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТОЧНОСТЬ ВРАЩЕНИЯ ШПИНДЕЛЯ

Точность вращения шпинделя шлифовального станка зависит от множества различных факторов, обусловлен­ных как конструктивными особенностями и точностью изготовления самого узла, так и режимами его эксплуа­тации, определяющими величины возникающих возму­щающих воздействий. Например, экспериментально установлено [62], что изменение частоты вращения двух­опорного шпиндельного узла на опорах качения от О до 400 об/мин вызывает изменение декремента колеба­ний от 0,1 до 0,3, вследствие чего амплитуда его резо­нансных колебаний уменьшается более чем в 2,5 раза.

Существенный вклад в погрешность вращения шпин­деля вносят его опоры. Схема образования погрешностей вращения в опоре качения представлена на рис. 3.1. По дорожкам качения внутреннего и наружного колец под­шипника, имеющих определенную величину некругло — сти, перемещаются тела качения, представленные на схеме величинами их упругости. Как показывают ре­зультаты теоретических п экспериментальных исследо­ваний [61], наиболее существенными факторами, вызы­вающими погрешности вращения шпиндельных узлов на опорах качения, являются овальность и эксцентриситет дорожек качения и сопрягаемых посадочных поверхно­стей элементов опор, а также разиоразмерность тел ка­чения подшипников и другие чисто случайные факторы. В результате возбуждаются колебания шпинделя с широким спектром частот, близкие по своему характеру к случайным. Эффективность использования в таких слу­чаях подшипников более высоких классов обеспечивает­ся лишь в случае соблюдения равенства величин откло­нений формы колец подшипников и сопрягаемых с ними поверхностей на валу шпинделя и в корпусе шлифоваль­ной бабки.

При действии осевой нагрузки на шпиндель наруж­ное кольцо подшипника деформируется под действием контактных нагрузок со стороны шариков (роликов), принимая форму многогранника, вращающегося синх­ронно с телами качения. Частота такой вибрации равна частоте прохождения тел качения относительно непод­вижного кольца, а ее уровень, обусловленный этой при­чиной, невелик в силу достаточно высокой жесткости

Рис. 3.1. Схема образования погрешностей вращения в опо­ре качения: 1,2 — дорожки качения внутреннего и внеш­него колец подшипника; 3 — упругость тел качения; 4 —

колец подшипников (особенно запрессованных в корпус шлифовальной бабки) и малости их изгибных деформа­ций.

При действии радиальной силы жесткость шпин­дельной опоры периодически изменяется по мере пе­ремещения тел качении относительно направления действий нагрузки. Частота колебаний жесткости при этом совпадает с частотой прохождения шариков по не­подвижному кольцу. В результате возникает параметри­ческая вибрация шпинделя с амплитудой, определяемой уровнем колебаний радиальной жесткости подшипнико­вой опоры.

Значительный вклад в образование погрешности вращения шпинделя вносит волнистость дорожек каче­ния колец подшипниковых опор. Согласно данным, при­веденным в работе [61], вибрация генерируется не все­ми гармониками волнистости, а лишь теми, номера которых кратны числу тел качения или отличны от него на величину ±1. Амплитуды таких возмущений про­порциональны числу шариков и амплитуде соответст­вующей гармоники волнистости кольца, а также корню квадратному из величины осевого натяга падшипника.

Волнистость шариков также вызывает вибрацион­ные возмущения шпинделя. При этом амплитуда дан­ного возмущения пропорциональна амплитуде соответ­ствующей гармоники волнистости шарика и корню квад­ратному из произведения числа шариков на величину осевого натяга подшипника. Разноразмерность же ша­риков вызывает вибрационные возмущения на частоте

вращения сепаратора подшипника относительно невра — щающегося кольца.

На рис. 3.2 изображены зависимости уровня колеба­ний шпинделя прецизионного плоскошлифовального станка мод. ЗЕ711В от частот вращения на холостом ходу при воздействии кинематических (геометрических) погрешностей (кривая 1) и динамических (кривая 2) возмущений в опорах качения, их суммарного воздейст­вия (кривая 3) и влияния привода (ременной передачи) (кривая 4). Как видно из рисунка, с увеличением частот вращения шпинделя от 0 до 4000 об/мин вклад кинема­тического копирования геометрических погрешностей шпиндельных опор изменяется от 100 до 35%. Мини­мальное влияние (до 10%) этот источник погрешностей оказывает на рабочую частоту вращения 2500 об/мин. Удельный вес динамических возмущений в уровне коле­баний шпинделя возрастает по мере увеличения частоты вращения от 0 до 50% (кривая 2). В рабочем же диа­пазоне частот вращения 25% общего уровня его колеба­ний на холостом ходу определяется совместным влияни­ем факторов, обусловленных кинематическими и дина­мическими возмущениями в шпиндельных опорах. Вклад воздействия ременного привода составляет 70—75% от суммарного уровня колебаний.

Шпиндельные узлы станков, работающих в тяжелых условиях, а также станков, к которым предъявляются особо высокие требования по точности обработки, вы­полняются на гидродинамических подшипниках сколь­жения. Результаты экспериментальных исследований [62] показали, что на точность вращения данных шпин­дельных узлов оказывает влияние ряд факторов, кото­рые по степени влияния располагаются следующим об­разом: рабочая частота вращения шпинделя, изгибная жесткость вала, дисбаланс вращающихся масс и, нако­нец, жесткость конструкции самих опор. Способность шпиндельной опоры на подшипниках скольжения ком­пенсировать перечисленные факторы достаточно полно характеризуется двумя ее рабочими показателями: ми­нимально допустимым значением рабочего зазора в под­шипниках и величиной потерь на трение, обеспечивающей низкотемпературный режим работы при высокой частоте вращения шпинделя.

В опорах скольжения для обеспечения хорошей са — моустановки относительно шпинделя сегменты устанав­ливаются на сферических опорах. Жесткость конструк­ции таких подшипников составляет 50—100 Н/мкм при частоте вращения шпинделя 1000—3000 об/мин и его диаметре 70—110 мм. С увеличением рабочей частоты вращения шпинделя жесткость опор скольжения повы­шается за счет стабилизации масляного клина, а жест­кость сегментных самоустаиавливающихся вкладышей дополнительно обеспечивается тем, что они своей наруж­ной поверхностью опираются непосредственно на внут­реннюю поверхность корпуса.

Подшипники скольжения, обеспечивая окружные скорости вращения до 60—80 м/с, а кратковременно и до 200 м/с, тем не менее обладают рядом существенных недостатков: сложностью проведения регулировок рабо­чих зазоров, возникновением больших кромочных давле­ний, насыщением рабочей жидкости воздухом, турбу­лентным характером ее потока и др. Перечисленных недостатков лишена перспективная конструкция гидро­динамической опоры [63], в которой самоустанавливаю — щиеся сегменты жестко закреплены в разрезной кони­ческой втулке с кольцевыми канавками для подвода и
отвода смазки. В конструкции данной опоры предусмот­рено продольное наладочное перемещение конической втулки, обеспечивающее одновременную регулировку рабочих зазоров под всеми вкладышами.