Конструкции шпиндельных опор качения

Подшипники качения широко используются в металлорежущих станках в качестве шпиндельных опор. Их основными критериями работоспособности являются точность изготовления, радиальная и осевая жесткость, радиальная и осевая несущая способность, быстроходность, нечувствительность к перекосам и небольшие темпе­ратурные деформации. В станкостроении широко применяются как обычные подшипники качения, так и специально предназначенные для уста­новки в шпиндельных узлах станков, выбираемые на основании тре­буемой грузоподъемности, предельно допустимых значений точности и быстроходности.

Стандартом предусмотрены следующие классы точности подшипников качения (по возрастанию точности): 0; 6; 5; 4; 2. В передней опоре точность подшипников обычно на класс выше, чем в задней (табл. 1).

Подшипники качения обеспечивают высокую точность вращения шпинделя, необходимую виброустойчивость, надежно работают при изменении частоты вращения и нагрузок в широком диапазоне и удобны в эксплуатации. Несущая способность подшипников качения для шпинделей характеризуется динамической и статической грузоподъемностью, их быстроходность – предельной частотой вращения и параметром быстроходности (иногда ), который имеет размерность мм×мин-1, при этом , где - диаметр отверстия подшипника в мм; - наружный диаметр подшипника в мм; - наибольшая частота вращения шпинделя в мин^-1.

Таблица 1

Рекомендуемые классы точности подшипников качения

для шпинделей

Для каждого подшипника качения существует предельная частота вращения, превышение которой приводит к существенному проявлению сил инерции тел качения и сепаратора, возрастанию влияния погрешностей формы тел и дорожек качения и соответствующему нарушению равномерности вращения подшипника, ухудшению условий смазывания, росту износа рабочих поверхностей и перегреву опоры. Предельная частота вращения подшипников в нормальных условиях эксплуатации указывается в каталогах подшипников. Если частота вращения шпинделя должна превышать предельную для подшипников, то следует обеспечить хороший отвод тепла от опор и использовать смазочные материалы малой вязкости.

Свойства выбираемых подшипни­ков должны соответствовать условиям их работы в шпиндельном узле. Необходимо учитывать значение и направление сил, быстроходность, точность. Например, несущая способность и жесткость выше у ролико­подшипников, чем у шарикоподшипников. Радиальные шарикоподшипни­ки способны воспринимать не только радиальные, но и небольшие осе­вые силы; радиальные подшипники с цилиндрическими роликами воспри­нимают только радиальную нагрузку, а упорные шарикоподшипники – только осевую. Из шарикоподшипников наиболее быстроходны радиально-упорные, наименее быстроходны – упорные. Упорные шарикопод­шипники сравнительно менее точны и плохо работают даже при умерен­ных перекосах. Недопустимы перекосы подшипников с цилиндрическими роликами.

В шпиндельном узле часто комбинируют подшипники различных типов. При этом необходимо учитывать, что передняя опора более нагружена в ра­диальном направлении, чем задняя опора, и в большей степени влияет на точность вращения шпинделя.

В большинстве случаев осевую нагрузку воспринимает одна из опор, другая должна быть плавающей, т.е. не закрепленной в корпусе в осе­вом направлении, чтобы смещаться при температурном деформировании шпинделя. Вдоль оси шпиндель удерживается упорными или радиально-упорными подшипниками (последние могут быть установлены вместе с радиальными подшипниками или воспринимать комбинированную нагруз­ку полностью). Если осевые силы в противоположных направлениях существенно различны, возможна комбинация упорного и радиально-упорного подшипников. Осевая фиксация шпинделя в задней опоре упро­щает шпиндельный узел (радиальные силы в задней части шпинделя меньше, что позволяет чаще использовать радиально-упорные подшипники без добавления упорных подшипников, а при их добавлении все-таки достигается выигрыш в размерах из-за меньшего диаметра хвостовой части шпинделя). Однако в высокоточных станках недопустимо фиксировать шпиндель сзади, так как большая часть темпе­ратурной деформации будет влиять на положение базового конца шпин­деля.

Опоры качения для шпинделя, как правило, должны иметь предварительный натяг, т.е. постоянную дополнитель­ную нагрузку тел качения. Хотя долговечность подшипника при этом несколько снижается, так как на него действует суммарная нагрузка, равная рабочей нагрузке и предварительному натягу, но получаемая более высокая точность шпиндельного узла является большим преимуществом данного метода. Специальные шпиндельные подшипники качения различаются, прежде всего, способами создания предварительного натяга, который обеспечи­вают на заводе-изготовителе подшипников или устанавливают при сборке шпиндельных узлов.

Существуют различные способы со­здания предварительного натяга. Они зависят от типа подшипников и конст­рукции опор. Например, в радиаль­ных шарикоподшипниках осевое смеще­ние наружных или внутренних колец друг относительно друга создает пред­варительную деформацию в подшипни­ках. Это достигается установкой распорных втулок или колец неодинако­вой длины или специальных пружин, которые обеспечивают сохра­нение силы предварительного натяга и при износе подшипников. При приме­нении подшипников с цилиндрическими роликами предварительный натяг соз­дается деформацией внутреннего кольца подшипника, имеющего конусную расточку, которое с помощью гайки устанав­ливается на коническую шейку шпинде­ля.

Минимальное значение пред­варительного натяга должно опреде­ляться с тем расчетом, чтобы после при­ложения к шпинделю полезной нагруз­ки в подшипнике не образовался за­зор. Следовательно, сила предварительного натяга определяется из условия

,

где - внешняя радиаль­ная загрузка, - внешняя осевая на­грузка (плюс ставят, если она ослаб­ляет натяг, и минус, если увеличи­вает его); - угол контакта тел ка­чения с кольцом.

Наибольшее распространение в опорах шпиндельных узлов получили (рис. 1) двухрядные цилиндрические роликоподшипники с коническим отверстием типа 3182100 (ГОСТ 7634-75), роликоподшип­ники конические однорядные типа 7000, 2007900 (ГОСТ 333-79), с упорным бортом на наружном кольце типа 67000 (ГОСТ 3169-81) и с подпружиненным наружным кольцом типа 17000, а также двухрядные конические типа 97000, 2097700(ГОСТ 6364-78) и с упорным бортом типа 697000. Кроме того, применяются шариковые радиально-упорные под­шипники 36000, 46000, 66000 (ГОСТ 831-75), упорно-радиальные сдвоенные с углом контакта 60° типа 178800 (ГОСТ 20821-75) и упор­ные типа 8000 (ГОСТ 6874-75) и сдвоенные типа 38000 (ГОСТ 7842-75).

Двухрядные роликовые подшипники с короткими цилиндри­ческими роликами предназначены для восприятия только радиальной нагрузки и характеризуются высокой грузоподъемностью. Подшипники типа 3182100 (см. рис. 1 а) имеют гладкую дорожку качения на наружном кольце. Благодаря коническому отверстию во внутреннем кольце можно регулировать радиальный зазор в подшипнике при осевом перемещении этого кольца относительно конической шейки шпинде­ля. Эти подшипники могут устанавливаться в передней и задней опорах шпинделя.

Поскольку коническая шейка шпин­деля не является достаточно хорошей базовой поверхностью и не обеспечивает достаточно точного совпадения оси отверстия подшипника с осью шпинделя, то подшипники такого типа рекомендуется базировать не только по конической поверхности, но и по одному из торцов, что может быть выполнено прижимом внутреннего кольца подшипника до упора в торец дистанционного кольца, в свою очередь, упирающегося в бурт шпинделя, и постановкой между торцом регулировочной гайки и торцом внутреннего кольца подшипника длинной втулки (с длиной не менее диаметра). Для облегчения монтажа упорные дистан­ционные кольца часто делают составными (из двух частей) и за­ключают их в охватывающий хомут.

Шпиндельные роликоподшипники типа 3182100 монтируют, как правило, с радиальным зазором, который в результате нагрева часто переходит в натяг.

Рекомендуемые радиальные зазоры-натяги двухрядных роликоподшипников приведены в табл.2.

Таблица 2

Радиальные зазоры-натяги (мкм) для двухрядных роликоподшипников

, мм·мин-1	Класс точности подшипников
<1	-2…0	-4…-2	-6…-4
1…1,6	+1…+3	-1…+1	-2…0
1,6…2	+3…+5	0…+2	-1…+1
2…2,5	+4…+6	+2…+4	+1…+3

Однорядные роликовые конические подшипники с бортом на наружном кольце типа 67000 (рис. 1 б) предназначены для восприятия радиальных и осевых нагрузок. От обычных роликовых подшипников отличаются тем, что имеют малый угол конуса дорожек качения, благодаря чему снижа­ется давление роликов на борт внутреннего кольца и повышается ра­диальная жесткость. На внутреннем кольце отсутствует малый борт, что дает возможность обрабатывать дорожку качения с повышенной точностью. Параметр быстроходности подшипников мм×мин^-1. Эти подшипники обычно устанавливаются в передней опоре шпинделя.

Двухрядные роликовые конические подшипники с бортом на наружном кольце типа 697000 (рис. 1 в) воспринимают радиальную и осевую нагрузки.

Благодаря ужесточенным требованиям к волнистости и гранности поверхностей, а также тому, что в переднем ряду на один ролик больше, чем в заднем, снижается уровень вибраций шпинделя и улучшается стабильность положения его оси. С помощью промежуточного кольца в подшипнике при сборке создается заданный натяг или зазор, благодаря чему отпадает необходимость в регулировании или подгонке деталей при монтаже шпиндельного узла. Борт на наружном кольце позволяет использовать при сборке удобную базу - торец шпиндельной бабки и сделать шпиндельную опору более компактной.

Однорядные роликовые конические подшипники с широким наружным кольцом типа 17000 (рис. 1 г) предназначены для установки в задней опоре шпинделя. Пружины, вставленные в осевые отверстия наружного кольца, обеспечивают постоянный предварительный натяг подшипника. Благодаря большой ширине наружного кольца снижается его перекос в корпусе.

Радиально-упорные шариковые высокоскоростные подшипники имеют угол контакта 15, 26 или 36° и отличаются высокой точностью изготовления. В шпиндельных опорах указанные подшипники могут быть установлены по схемам дуплекс О-образный (фиксируют вал в обоих осевых направлениях), Х-образный (воспринимают комбинированные, двусторонние осевые, а также радиальные нагрузки) и тандем (фиксируют вал в одном осевом направлении) или по три по схеме триплекс тандем О-образный (рис. 1, д…з). Подшипники поставляются в одиночном (универсальном) исполнении или комплектами, состоящими из двух, трех или четырех подшипников (табл. 3, 4). Опоры шпиндельных узлов с радиально-упорными шарикоподшипниками могут собираться с предварительными натягами: легкий (обозначается цифрой 1), средний (обозначается цифрой 2) или тяжелый (обозначается цифрой 3), которые обеспечиваются при изготовлении комплекта подшипников. Способ установки подшипников и предварительный натяг оказывают влияние на их работоспособность.

Для большинства шпиндельных узлов прецизионных станков, работающих с низкими нагрузками, выбирают легкий натяг, для силовых шпиндельных узлов – средний. При тяжелом натяге достигается наибольший выигрыш в жесткости (15-20%), но значительно уменьшается долговечность и увеличивается интенсивность тепловыделения в опорах. Поэтому он рекомендуется только при больших осевых или радиальных нагрузках.

Жесткий преднатяг в шпиндельных узлах при использовании радиально-упорных подшипников осуществляется при сборке за счет смыкания торцов внутренних колец подшипников. Если ширина внутренних и наружных колец подшипников одинакова, то величина пред­варительного натяга в каждом из подшипников после сборки будет зави­сеть от значений и (рис. 2).

Таблица 3

Типы шариковых радиально-упорных сдвоенных подшипников (ГОСТ 832-78) в зависимости от углов контакта

Обозначение типов подшипников	Угол контакта	Схема комплектации подшипников	Примечание
				Наружные кольца обращены друг к другу широкими торцами
		О
			Комплект
			двустороннего	Наружные кольца обращены друг к другу узкими торцами
		Х	осевого действия
			Комплект	Наружные кольца обращены друг к другу разноименными торцами
		Т	одностороннего
			осевого действия

Таблица 4

Схема комплектации шариковых радиально-упорных сдвоенных подшипников (ГОСТ 832-78)

Обозначение типов подшипников	Схема комплектации подшипников	Рисунок сдвоенного подшипника после монтажа	Примечание
236000; 246000;	О		Комплекты подшипников фиксируют вал в обоих осевых направлениях
336000; 346000;	Х		Комплекты подшипников воспринимают комбинированные, двусторонние осевые, а также радиальные нагрузки
436000; 446000;	Т		Комплекты подшипников фиксируют вал в одном осевом направлении

Р и с. 2. Способы создания жесткого предварительного на­тяга в подшипниках, поставляемых в комплекте (а) и в универсальном исполнении (б)

При поставке в комплекте (рис. 2 а) значения и в общем случае различны. Подбираются они таким образом, чтобы после смыкания торцов в передних подшипниках устанавливались именно те значения пред­варительного натяга, которые указаны в документации на комплект. При этом величина осевого натяга в заднем подшипнике в два раза боль­ше, чем в двух передних.

При поставке подшипников в универсальном исполнения (рис. 2 б) все три подшипника в опоре совершенно одинаковы, и, следовательно, их торцы выступают на одинаковую величину. Однако истинные значения осево­го натяга, которые устанавливаются в подшипнике опоры после смыкания торцов, в этом случае неизвестны. Эти значения будут несколько меньшими, чем в подшипниках, поставляемых в комплекте.

Сравнительные расчеты показывают, что при поставке подшипников в комплекте нагрузочная способность по критерию нераскрытия стыков и радиальная жесткость на 20...30% выше, чем при поставке в универсальном исполнении.

Упорно-радиальные двухрядные шариковые подшипники с углом контакта 60° предназначены для восприятия только осевой нагрузки. В состав подшипников типа 178800 (рис. 1 и) входят два тугих внутренних кольца, свободное наружное кольцо, проставочное кольцо, тела качения, два массивных сепаратора. Ширина проставочного кольца обусловливает величину предварительного натяга, поэтому отпадает надобность в регулировании натяга в процессе монтажа шпиндельного узла и повышается стабильность натяга и долговечность подшипника.

Быстроходность упорно-радиальных подшипников приблизительно в 2-2.5 раза выше, чем у обычных упорных подшипников, и параметр их быстроходности составляет мм×мин^-1. Упорно-радиальный двухрядный шариковый подшипник устанавливается в опору вместе с роликоподшипником, воспринимающим только радиальную нагрузку.

Опоры качения в передней опоре шпиндельных узлов многооперационных станков и других станков с ЧПУ применяются главным образом в виде комбинации радиальных двухрядных роликоподшипников с коническим отверстием и упорно-радиальных шарикоподшипников. Реже используются конические роликовые подшипники, в частности при больших осевых нагрузках, а для высокоскоростных шпиндельных узлов применяются комплекты радиально-упорных шарикоподшипников с углом контакта 15°.

Совершенствование подшипников качения для шпиндельных опор многооперационных станков направлено на оптимизацию ус­ловий их работы при изменяющихся в широких пределах скоростях и нагрузках. Появились конструкции подшипников с регулированием натяга и поддержанием его на заданном уровне с помощью встраиваемых пружин и под давлением масла в предусмотренных камерах независимо от других перемещений шпиндельного узла под действием сил или температу­ры.