2. Шпиндельные узлы на опорах качения. Конструкции опор качения. Роль предварительного натяга.

ШПИНДЕЛЬНЫЕ ОПОРЫ КАЧЕНИЯ

В шпинделях станков для обеспечения высокой грузо­подъемности, точности вращения, повышенной жесткости и мини­мальных выделений теплоты, как правило, применяют подшипники качения специальных конструкций. Для восприятия радиальных нагрузок широко применяют двухрядные подшипники 3182100 с ци­линдрическими роликами. Два ряда точных роликов, расположен­ных в шахматном порядке, обеспечивают грузоподъемность и жест­кость подшипника при высокой точности вращения. Аналогичные подшипники типа 3182100К имеют в наружном кольце четыре отверстия (под углом 90°) и кольцевую ка­навку, через которые смазочный материал подается непосред­ственно на дорожки качения, что увеличивает быстроход­ность опор и повышает надеж­ность их работы.

Для восприятия осевых сил применяют радиально-упорные подшипники в обычном исполне­нии 36000, 46000, но чаще всего используют рационально-упорные шарикоподшипники типа 178600 с углом контакта 60°, имеющие быстроходность в 2—2,5 раза выше, чему упорных шарикоподшипников (dn)_max = (4 ÷ 5)-10⁵ мм · мин-¹. В последнее время применяют роликоподшипники конические одно­рядные (тип 67000) и двухрядные (тип 697000) с упорным буртом на наружном кольце, предназначенные для восприятия радиальной и осевой нагрузки, и однорядные со встроенными в широкое наруж­ное кольцо пружинами (тип 17000), служащие для восприятия ра­диальных нагрузок в задних опорах.

При повышенных требованиях к быстроходности в опорах шпин­делей применяют особо быстроходные радиально-упорные шарико­подшипники (тип 36000K) с несколько измененными конструктив­ными и геометрическими параметрами по сравнению с обычными. Эти подшипники собирают в комплекты по два, три или четыре.

Для создания шпиндельных узлов в виде отдельных агрегатных модулей, уменьшения трудоемкости конструирования, изготовления и эксплуатации шпиндельных узлов в практике станкостроения целе­сообразно применять типовые конструктивные схемы (рис.1). 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 жесткость узла, уменьшает тепловые деформации перед­него конца шпинделя.

Точность подшипников, которая регламентируется радиальным или осевым биением вращающегося кольца, во многом определяет точность вращения шпинделя. При этом радиальное биение перед­ней 6 и задней б_в опор можно найти из простых геометрических соотношений, анализируя схему, приведенную на рис. 2, а. Ра­диальное биение конца шпинделя

^{, (1.2)}

Рис. 1 Типовые конструктивные схемы шпиндельных узлов на под­шипниках качения и области их при­менения

бычно принимают δ ≤∆/3, где ∆ — допуск на радиальное бие­ние конца шпинделя.

Приняв, что (2.2)

По величинам δ_А и δ_В выбирают подшипники соответствующего класса точности. Рекомендуемые классы подшипников шпинделей станков различной точности приведены в табл. 6.

Если при сборке шпиндельного узла подшипники устанавливают таким образом, что их биения направлены в одну сторону, то это резко снижает биение переднего конца шпинделя (рис. 2, б).

Жесткость подшипников определяется упругими сближениями тел качения с кольцами и контактными деформациями колец с со­пряженными деталями. Жесткость зависит, главным образом, от типа подшипников и их диаметра. Радиальная и осевая жесткость шпин­дельных опор различных типов приведена на рис. 3.

Для повышения жесткости подшипников, а также устранения за­зоров (что повышает точность вращения) в них применяют предва­рительный натяг, т. е. прикладывают постоянную предварительную нагрузку. В радиальных шарикоподшипниках для создания пред­варительных натягов смещают наружные кольца относительно вну­тренних в осевом направлении, для чего либо сошлифовывают торцы колец, либо применяют втулки различной длины между наружными и внутренними кольцами, либо устанавливают распорные пружины.

В роликовом подшипнике (тип 3182800) предварительный натяг создают осевым смещением внутреннего кольца подшипника на ко­нической шейке шпинделя, что вызывает радиальные деформации кольца. В шариковых радиально-упорных и конических роликовых подшипниках (тип 697000) натяг

создается при сборке за счет осе­вого взаимного сближения рядов тел качения, что обеспечивается размерами сопряженных деталей. В конических роликовых подшипниках (тип 17000) натяг создается

постоянным осевым смещением наружного кольца относительно внутреннего с помощью встроенных в него пружин.

От тщательности и точности регулирования предварительного натяга во многом зависит работоспособность шпиндельного узла. На рис. 4 представлена зависимость жесткости и долговечности подшипника типа 3182100 от предварительного натяга. При увели­чении предварительного натяга резко возрастает тепловыделение в подшипниках. Натяг или зазор шпиндельных подшипников обычно регулируют в специальном приспособлении на собранном узле вне или на станке. Для упрощения этой операции применяют дистан­ционные кольца. Их размеры устанавливают заранее и при сборке точно ограничивают силу предварительного натяга.

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. Вращающиеся (внутренние) кольца подшипников нужно устанавливать с небольшим натягом (—2÷ —4 мкм); невращающиеся (наружные) кольца — с натягом в низко­скоростных шпиндельных узлах и с небольшим зазором высокоско­ростных при (dn)_max > 2,5 10⁵ мм-мин^-1. Отклонения размеров и формы сопряженных с подшипником поверхностей деталей шпин­дельного узла не должны превышать допустимых отклонений для тех элементов подшипников, с которыми контактирует данная деталь.

Потери на трение в подшипниках качения оцениваются по мо­менту трения либо тепловым потоком, Вт, выделяемым в них:

Q = 0,4-10^-2 R dn f, (3.2)

где R — нагрузка на подшипник, Н; d — диаметр подшипника, мм; п — частота вращения, мин-¹; натяг создается f— условный коэффициент трения (для шариковых и роликовых цилиндрических подшипников f = 0,002÷0,003; для конических роликоподшипников f = 0,004÷0,008).

Теплота, выделяемая в подшипнике, ведет к нагреву стенок кор­пуса и самого шпинделя и, как следствие, к температурным дефор­мациям. Неравномерность нагрева наружного и внутреннего кольца

подшипника существенно изменяет первоначально установленную величину натяга (рис.5). Поэтому окончательное регулирова­ние шпиндельных подшипников целесообразно проводить при до­стижении в узле установившегося значения температуры. При пере­менном характере режима работы и высоких требованиях к точности обработки целесообразно применять искусственное охлаждение опор шпинделей. В последнее время применяют специальные конструк­ции шпиндельных подшипников с регулированием натяга или под­держанием его на заданном уровне. На рис. 6 изображен под­шипник, в котором предусмотрено промежуточное кольцо 2, обра­зующее вместе с наружным кольцом 1 подшипника небольшой гид­роцилиндр. Поршень-кольцо 3, смещаясь под давлением масла, соз­дает осевую силу предварительного натяга, воздействуя на торцы роликов 4. Давление масла автоматически изменяется при измене­нии температуры или нагрузки в узле, что обеспечивает независимость натяга подшипника от внешних воздействий.

Опоры качения

Конструкции. Совокупность свойств подшипников качения определила их широкое применение в шпиндельных узлах (ШУ) станков. Постоянное возрастание требований к характеристикам ШУ приводит к совершенствованию опор. Конструкции подшипников качения, применяемых в современных ШУ станков, показаны на рис. 7.

Применение прецизионных конических роликоподшипников (рис. 7, а - в), цилиндрических роликоподшипников (рис. 7, г - е],

упорно-радиальных шарикоподшипников с углом контакта 60° "(рис 7, д), радиально-упорных шарикоподшипников (рис. 7, ж—м), в том числе типа «триплекс» (рис. 7, л) и «кварто» (рис, 7,м}, а также так называемых шпиндельных шарикоподшипников сделало возможным унификацию конструкций ШУ. Подавляющее большинство ШУ станков создается на базе типовых конструктивных схем, приведенных в табл. 7. Типовые схемы сверхскоростных ШУ с опорами качения приведены в нижней части таблицы.

Табл.7.

Типовые схемы конструкций шпиндельных узлов с опорами качения.

Различные компоновочные схемы современных ШУ некоторых ведущих станкостроительных фирм представлены на рис. 9.

Анализ современных конструкций ШУ показывает, что применение радиально-упорных шарикоподшипников в ШУ станков возрастает и что все чаще применяют радиально-упорный шарикоподшипник типа триплекс.

Конструкции ШУ с новыми подшипниками качения показаны на рис. 8. В передней опоре высокоскоростного ШУ (рис. 8, а) установлены радиально-упорные подшипники серии АСН с шариками из высокопрочной керамики. Конструкция подшипников разработана совместно фирмами Коуо Seiko Co., Ltd и Toshiba (Япония). Задняя опора — двухрядный цилиндрический роликовый подшипник. Увеличение температуры подшипников с керамическими шариками при использовании пластичного смазочного материала (кривая 1, рис. 8,б) на 50% ниже, чем у обычных подшипников в аналогичных условиях, а при смазывании масляным туманом (кривая 2) — на 70%. При использовании пластичного смазочного материала D_n≤1,6 ^. 10⁶ мм ^. мин^-1, при смазывании масляным туманом D_n≤1,5 ^. 10⁶ мм ^. мин^-1.

ШУ с коническими роликоподшипниками серии НА, разработанный фирмой Коуо Seiko Co. Ltd (Япония), показан на рис. 8, в

Конические роликоподшипники с наружным кольцевым буртиком обеспечивают более высокую частоту вращения шпинделя по сравнению с обычными коническими роликоподшипниками. По сравнению с радиально-упорными шарикоподшипниками подшипники серии НА имеют более высокую жесткость, в результате чего в 1,3 — 1,5 раза повы­шается допустимая сила резания. Применение таких подшипников позволяет достичь показателя D_n≤ 5,5 ^. 10⁶ мм ^. мин^-1 при использовании пластичного смазочного материала (рис. 8, г).

отвод охлаждающей

жидкости

щей жидкости

Кроме рассмотренных выше способов создания натяга в шпиндельных опорах качения используют натяг, создаваемый с помощью пружин как тарельчатых, так и витых (см. табл.7). В шпинделях работающих в большом диапазоне скоростей и нагрузок, используют управляемый натяг. Для этого используют гидравлику, магнитострикционные материалы и др.

Рис.10 а

Рис.10 б

На рис.10а натяг изменяется с изменением скорости шпинделя за счет изменения центробежных сил, действующих на массу m. На рис.10б натяг регулируется изменением давления Рн в кольцевом гидроцилиндре 1. Существует и др. конструкции управления зазора в подшипниках.