Шпиндели и шпиндельные узлы

Шпиндель является конечным звеном привода главного движения и предназначен для крепления инструмента или заготовки.

Шпиндельный узел в целом (шпиндель, его опоры, элементы кинематической цепи, смонтированные на нём) предназначен для осуществления точного вращения инструмента или обрабатываемой заготовки. Шпиндельный узел – ответственейшая часть станка и качество элементов этого узла и его сборки оказывает существенное, часто лимитирующее, влияние на точность, производительность и надёжность всего станка.

Шпиндельные узлы станков должны обеспечивать: быстрое и точное закрепление инструмента или обрабатываемой детали в шпинделе; передачу на инструмент или заготовку требуемых режимов резания; точность вращения шпинделя; необходимые быстроходность, жёсткость и долговечность; высокие динамические качества; минимальные тепловыделения и температурные деформации. Рассмотрим подробнее некоторые из этих качеств и критериев.

Рис. 2.15. Управление передвижными блоками шестерен:

а,б, в – варианты решений при многорукояточном управлении: 1 – передвижной зубчатый блок; 2 и 3 – переводные камень и рычаг; 4 – ось; 5 – ступица; 6 – стержень; 7 и 12 – ручки; 8 – ползун с рейкой и вилкой; 9 – направляющая скалка; 10 – зубчатый сектор; 11 – рукоятка; г – схемы захвата блока с помощью переводных вилки и камня; д – формы переводных камней и канавок под них на блоках; е – варианты фиксирующих устройств; ж – варианты блокирующих устройств; з – вариант решения механизма однорукояточного управления с кулачком для последовательного переключения скоростей; и – вариант решения механизма однорукояточного управления для избирательного (селективного) управления: 1 – диск переключения;

2 – штанги с рейками; 3 – реечные шестерни; 4 – переводные рычаги

Точность вращения шпинделя оценивается по величине радиального и осевого биения его переднего конца. Предельные значения этих параметров для универсальных станков конкретных классов точности устанавливаются ГОСТами; для специальных станков они определяются в зависимости от требуемой точности обработки:

где – допустимое биение шпинделя;

– допуск на лимитирующий размер готового изделия.

Для обеспечения требуемой точности вращения выбирают подшипники примерно в три раза точнее, чем допустимое биение шпинделя.

Быстроходность оценивается показателем b=n·d, мм/мин, где d – диаметр шейки шпинделя под передний подшипник, а n – частота вращения шпинделя. Для опор разных типов принимаются следующие максимальные значения показателей b:

- опоры на подшипниках качения: (2-2,5)·10⁶;

- гидростатические опоры: (1,5-1,8)·10⁶ (ограничено потерями мощности);

- аэростатические опоры: (2,5-3)·10⁶ (ограничено риском потери устойчивости).

Учитывая указанное, а также то, что подшипники качения имеют меньшую стоимость при централизованном изготовлении и просты в эксплуатации, подавляющее число станков изготавливают со шпиндельными узлами на подшипниках качения. Следует иметь в виду, что установка каждого дополнительного подшипника значительно снижает быстроходность. Автоматическое регулирование натяга в подшипниках, использование совершенной системы смазывания позволяет повысить быстроходность шпиндельных узлов.

жёсткость (статическая жёсткость) шпиндельного узла, радиальная и осевая, определяется по деформации шпинделя под нагрузкой:

где Р – сила, приложенная на переднем конце шпинделя, Н;

у – прогиб переднего конца шпинделя в совокупности с деформацией опор, мкм.

Допустимую величину прогиба и жёсткость часто увязывают с требованиями к точности обработки:

Деформация шпиндельных узлов в общем балансе упругих перемещений станков доходит до 50 %, а в некоторых типах до 85 %.

Жёсткость шпинделя на участке между опорами, исходя из нормальной работы подшипников, не должна быть менее 250-500 Н/мкм (бóльшие значения – для прецизионных станков). Для этого диаметр шпинделя должен быть не меньше, чем где l – расстояние между опорами шпинделя.

Иногда в станках нормального класса точности приведённой величиной ограничивают жёсткость переднего конца шпинделя.

Долговечность шпиндельного узла зависит в основном от долговечности опор шпинделя, которая, в свою очередь, зависит от эффективности системы смазки и качества уплотнений, частоты вращения, величины предварительного натяга в подшипниках качения и т.д. Если диаметр шейки шпинделя под подшипник выбран по критерию жёсткости, то размер подшипника может считаться оптимальным и его долговечность при нормальных условиях эксплуатации допустимо предполагать до 12000-20000 ч. При применении бесконтактных опор (гидростатических, гидродинамических, аэростатических) долговечность теоретически считают неограниченной.

В металлорежущих станках часто возникают вибрации, которые отрицательно сказываются на точности и чистоте обработки, стойкости инструмента и производительности станка. Виброустойчивость станка на 40-50 % зависит от динамических качеств (виброустойчивости) шпиндельного узла. Виброустойчивость узла определяется амплитудой колебаний переднего конца шпинделя и частотой собственных колебаний. Причинами вынужденных колебаний, способных привести к возникновению вибраций и резонансных явлений, могут быть дисбаланс находящихся на шпинделе деталей; работа зубчатой передачи, если посредством таковой передаётся вращение шпинделю; прерывистый характер резания и пр. Чем выше собственная частота шпинделя (не менее 500-600 Гц) и меньше резонансная амплитуда, тем лучшими потенциальными возможностями обладает шпиндельный узел.

Тепловыделения и температурные деформации шпиндельного узла влияют и на точность обработки, и на работоспособность опор. Тепловыделения регламентируются допустимым нагревом подшипников. Норма нагревания установлена только для станков класса Н (допустимый нагрев наружного кольца подшипника составляет 70 °С), для станков других классов имеются лишь некоторые рекомендации (например, нагрев наружного кольца подшипника в станках класса С не должен превышать 28-30 °С).

Конструкция шпиндельного узла зависит, с одной стороны, от типа и размеров станка, класса его точности, максимальной частоты вращения шпинделя, мощности привода, а с другой – от взглядов разработчика (конструктора). В частности, конфигурация шпинделя является оригинальной и определяется конструктором. Однако для крепления инструмента или заготовки применяют стандартные приспособления, в связи с чем передние концы шпинделей для большинства типов станков стандартизованы.

Также обстоит дело и с конфигурацией шпиндельного отверстия, если таковое должно иметься в шпинделе. К примеру, шпиндели универсальных токарных станков имеют сквозное отверстие, назначение которого – позволить выбить из шпинделя центр с помощью какого-либо стержня, а также, если на станке возможна обработка пруткового материала, – пропустить свободную часть прутка. Для установки центра передняя часть отверстия выполнялась в своё время конической, но в современных токарных станках она является цилиндрической с диаметром большим, чем диаметр остальной части отверстия. При необходимости использования центра он устанавливается через переходную втулку. Для установки инструмента на сверлильных и расточных станках в шпинделях выполняется глухое коническое отверстие. С помощью этих отверстий обеспечивается совмещение осей шпинделя и инструмента, т.е. центрирование.

Параметры конусов отверстий и хвостовиков инструментов и приспособлений стандартизованы, при этом для токарных, сверлильных и расточных станков применяются обычно т.н. конуса Морзе (для меньших диаметров) и метрические (для больших), имеющие конусность примерно 1:20 и являющиеся самотормозящими, для фрезерных – конуса с конусностью 7:24.

В шпинделях фрезерных станков отверстие является сквозным, через него пропускается специальный болт ("шомпол") для закрепления инструмента в шпинделе. Для передачи крутящего момента фрезе на фланце переднего конца шпинделя выполняется диаметральный паз, в котором закрепляются торцевые шпонки.

Для установки и центрирования шлифовального круга на переднем конце шпинделя выполняется наружный конус с конусностью 1:3, передача крутящего момента обеспечивается сегментной шпонкой, а закрепление круга на шпинделе осуществляется с помощью гайки, наворачиваемой на резьбовой выступ шпинделя (или винта, вворачиваемого в резьбовое отверстие на торце шпинделя).

Конфигурация внутренних поверхностей шпинделей станков с ЧПУ и прутковых станков определяется конструкцией зажимного устройства, встраиваемого в шпиндель.

Главные размеры шпиндельного узла (диаметр шейки шпинделя под передней опорой и расстояние между опорами) выбирают из расчёта шпинделя на жёсткость. Величину вылета шпинделя определяют по стандартным размерам его переднего конца и размерам уплотнений.

Тип приводного элемента зависит, в первую очередь, от частоты вращения шпинделя, величины передаваемой силы, требований к плавности вращения, а также от общей компоновки привода. Зубчатые передачи наиболее просты и компактны, передают большие крутящие моменты, однако из-за погрешностей и передачи возмущений на шпиндель (работа зубчатых передач сопровождается скольжением по рабочим поверхностям и ударами) их обычно не применяют в прецизионных станках, а также при высоких частотах вращения. Предел по окружной скорости для непосредственно зубчатых передач составляет 30 м/с. При применении ременной передачи конструкция усложняется, увеличиваются её размеры, особенно если шкив устанавливают на самостоятельные опоры для разгрузки шпинделя. Однако при этом существенно повышается плавность вращения, уменьшаются динамические нагрузки в приводе станков с прерывистым характером процесса резания. Ременные передачи применяются при окружных скоростях ремня до 100 м/с. Приводные шестерни и шкивы должны иметь посадки без зазора (предпочтительно на конические поверхности) и быть расположены ближе к опорам. Шпиндель может быть соединён с последним валом коробки скоростей муфтой. При этом исключается изгибная деформация шпинделя от приводного элемента.

Для привода скоростных шпинделей, например шлифовальных станков, часто применяют высокочастотные асинхронные электрошпиндели с короткозамкнутым ротором, несущие шлифовальный круг. В станках с исключительно высокими требованиями к шероховатости обработки для полного исключения передачи возмущений на шпиндель применяют инерционный привод, когда после разгона шпиндель с маховиком отключают от привода и обработку проводят при его свободном выбеге.

В шпиндельных узлах станков применяются опоры качения и опоры скольжения.

В качестве опор качения используются подшипники с двумя рядами цилиндрических роликов, с коническими роликами, шариковые и др. Для обеспечения высокой грузоподъёмности, точности вращения, повышенной жёсткости и минимального выделения теплоты применяют подшипники качения специальных конструкций. в кольцах подшипников могут предусматриваться отверстия и канавки, через которые смазочный материал подаётся непосредственно на дорожки качения, что увеличивает быстроходность опор и повышает надёжность их работы.

При проектировании шпиндельных узлов обычно применяют хорошо себя зарекомендовавшие в практике конструктивные схемы. В этой связи они стали типовыми и приводятся в справочных и учебных изданиях. Их отличительной особенностью является то, что осевая нагрузка воспринимается передней опорой, задняя опора при этом плавающая, т.е. не закреплена в осевом направлении. Это повышает радиальную жёсткость узла, уменьшает тепловые деформации переднего конца шпинделя.

Посадки подшипников качения оказывают большое влияние на точность вращения шпинделя и другие критерии работоспособности, так как они сказываются на величине и постоянстве предварительного натяга в подшипниках. Внутренние вращающиеся кольца подшипников следует устанавливать с небольшим натягом (–2…–4 мкм); наружные не вращающиеся кольца – с натягом в низкоскоростных шпиндельных узлах и с небольшим зазором в высокоскоростных.

Опоры скольжения применяют в шпиндельных узлах тех станков, где подшипники качения не могут обеспечить требуемой точности и долговечности работы. В качестве таких опор используют в зависимости от свойств гидродинамические и гидростатические подшипники, а также подшипники с воздушной смазкой.

Методы смазывания во многом определяют надёжность работы шпиндельного узла. Для подшипников качения применяют жидкий либо твёрдый (пластичный) смазочный материал. Следует чётко представлять, что вред приносит не только недостаток смазки (при этом появляется скольжение и износ тел качения), но и её избыток (увеличивается нагрев из-за интенсивного её перемешивания и расход мощности). Отмеченное, однако, относится не только к шпиндельным опорам.

Самым простым методом смазывания при горизонтальном расположении валов привода является смазывание разбрызгиванием, производимым одной из постоянно и быстро вращающихся шестерён привода. При этом методе масло подаётся в подшипники либо непосредственно, либо через специальный сборник. Следует учитывать, что в этом случае к подшипникам поступает масло, загрязнённое продуктами изнашивания шестерён коробки.

Циркуляционное (проточное) смазывание обеспечивает необходимый по условиям теплоотвода расход масла через подшипник и охлаждает его. В большинстве случаев система циркуляционного смазывания является общей для шпинделя и всей коробки скоростей, раздельные системы смазывания применяют для высокоскоростных шпиндельных узлов.

При капельном методе подшипники смазываются независимо от других элементов, что позволяет гарантировать снижение тепловыделения. В подшипники подаётся ограниченное количество масла (от 1 до 100 г за 1 час). При таком методе необходимо предотвращать попадание в подшипники смазки из коробки скоростей.

Смазывание масляным туманом применяют в высокоскоростных узлах. Для получения масляного тумана пропускают сжатый воздух через специальные маслораспылители. При прохождении воздуха с распылённым в нём маслом через подшипник осуществляется не только постоянное и равномерное смазывание, но и интенсивное его охлаждение. Избыточное давление воздуха в подшипнике препятствует попаданию в него внешних загрязнений.

Смазку впрыскиванием при строгом дозировании смазочного материала применяют для шпиндельных узлов, работающих в особо напряжённых условиях. В этом случае масло под давлением с помощью специальных дозаторов периодически впрыскивают через сопла непосредственно в зазор между сепаратором и кольцом подшипника. Тем самым преодолевается воздушный барьер, создаваемый подшипником при высоких частотах вращения.

Пластичные смазочные материалы применяют в шпиндельных узлах при относительно низких частотах вращения, особенно они удобны для шпиндельных узлов, работающих в вертикальном или наклонном положении.

Уплотнения шпиндельных узлов служат для защиты подшипников шпинделя от проникновения в них грязи, пыли и охлаждающей жидкости, а также препятствуют вытеканию смазочного материала из подшипника. В шпиндельных узлах чаще всего применяют различные бесконтактные лабиринтные уплотнения для уменьшения тепловыделений в узле и исключения изнашивания уплотнений. Для надёжной их работы необходимо, чтобы радиальные зазоры в них были не более 0,2-0,3 мм. В уплотнениях размещают полости и каналы для отвода смазочного материала от подшипников. В шпиндельных узлах, работающих в тяжёлых (по загрязнению) условиях, лабиринт заполняют твёрдым смазочным материалом, а при жидком смазочном материале иногда применяют продувку воздуха через уплотнение.

Материалы шпинделей и термообработка.Для шпинделей станков нормальной точности применяют конструкционные стали 45, 50, 40Х с поверхностной закалкой (обычно закалка с нагревом токами высокой частоты) до твёрдости HRC 48-56. Шпиндели сложной формы изготавливают из сталей 50Х, 40ХГР и применяют объёмную закалку до HRC 56-60. Для прецизионных станков в условиях жидкостной смазки применяют низкоуглеродистые стали 20Х, 18ХГТ, 12ХН3А с цементацией и закалкой до твёрдости HRC 56-60. Для слабонагруженных шпинделей высокоточных станков с целью уменьшения внутренних деформаций применяют азотируемые стали 38Х2МЮА, 38ХВФЮА с закалкой до твёрдости HRC 63-68. Для изготовления полых шпинделей большого диаметра иногда применяют серый чугун СЧ 20.