Связь характеристик привода и нагрузок на шпиндель станка

Широкий диапазон вращения АДЧР от 0 до n_{макс.дв} создает иллюзию легкости построения регулируемых приводов, если оценивать у них только скоростную характеристику, не обращая внимание на силовую.

Сопоставление (рис.4) нагрузки на шпинделе (кривые 2) и силовых возможностей привода (линии 1) является важнейшим этапом его проектирования. В станках с увеличением скорости и пропорциональной ей частоты вращения нагрузка, выраженная мощностью резания Р_рез, возрастает по параболическому закону. На рисунке 4 показано часто встречающееся решение, при котором третий участок падения мощности в характеристике двигателя не используют конструкции привода.

Резание возможно, когда выполняется условие Р_ном.ро. = ηР_дв ≥ Р_рез,

кривая нагрузки 2 расположена ниже линии 1. Если мощность резания оказывается больше мощности привода на его горизонтальном участке, то необходимо увеличивать мощность привода. Если превышение происходит на наклонном участке, как это показано на рисунке 4, а), то возможно принципиально иное решение – увеличить редукцию привода, чтобы кривая 2 нагрузки оказалась ниже линии мощности 1 на всем протяжении работы (рис.4, б).

Рассмотрим зависимость между мощностью на шпинделе Р_шп и параметрами резания на примере точения:

, (1)

где k₁ – коэффициент, зависящий от физико-механических свойств материала заготовки; k₂ – коэффициент, зависящий от обрабатываемости материала заготовки; t – глубина резания (мм); v – скорость резания (м/мин); s_о – подача на оборот (мм/об); m и y – показатели степени при скорости и подаче.

Введем понятие предельной глубины t_пр – максимально возможной глубины резания, определяемой силовой характеристикой привода:

t_пр = . (2)

Предельная глубина резания является подходящим параметром для оценки силовых возможностей регулируемого главного привода.

Используя заданное значение предельной глубины резания можно решить две задачи:

1) создание возможности выполнять обработку с максимальной производительностью;

2) найти характеристики редуктора, обеспечивающего заданную предельную глубину резания при минимальной его материалоемкости.

График зависимости предельной глубины резания от скорости (рис.5) имеет два участка восходящий 1 и нисходящий 2. Левый участок 1 графика соответствует постоянному моменту на шпинделе, правый – постоянной мощности. Предельная глубина резания на участке 1, на котором мощность переменна: t_пр = = ,

на участке 2: t_пр = = .

Положение точки В пересечения участков 1 и 2 соответствует номинальной частоте вращения рабочего органа n_ном.шп= n_{макс.дв} / i, зависит от выбранного передаточного отношения i между двигателем и шпинделем. Слишком малое передаточное отношение сдвинет точку В вправо на излишнюю величину. Это приведет к пониженным вращающим моментам на шпинделе, величина предельной глубины резания понизится, и станок не сможет работать с достаточно высокой производительностью.

Если передаточное отношение привода увеличивать, то точка В будет сдвигаться влево вверх по кривой, отображенной тонкой линией, увеличивая предельную глубину резания (рис. 6). Это увеличение будет позитивным только в определенных пределах. При чрезмерно большой редукции в привод с АДЧР будет перенесен недостаток привода с нерегулируемым АД. Предельная глубина резания станет избыточной.

Исследования и практика мирового станкостроения показывают, что в главных приводах легких станков можно использовать мотор-шпиндели, у которых ротор двигателя одновременно является шпинделем станка. Эта тенденция заметна в сверлильно-фрезерно-расточных станках с ЧПУ (обрабатывающих центрах), у которых можно ограничить максимальный размер режущего инструмента, например, работать торцовыми фрезами диаметром не более 100 мм. В токарных станках приходится обрабатывать заготовки большого диаметра. Станкам средних размеров наиболее приемлемыми являются приводы с двумя диапазонами вращения, которые создаются двухскоростной коробкой скоростей.