1.Шпиндельные узлы, характеристики шпиндельных узлов. Разновидности конструкций

Шпиндель, являющийся конечным звеном привода глав­ного движения и предназначенный для крепления инструмента или заготовки, оказывает существенное, часто лимитирующее, влияние на точность, производительность и надежность всего станка. Шпин­дельные узлы станков в соответствии с предъявляемыми к ним тре­бованиями должны обеспечить следующее.

3. Передачу на заготовку или инструмент расчетных режимов для заданных технологических операций.

Точность вращения, оцениваемую радиальным и осевым бие­нием переднего конца шпинделя;

1. Жесткость (радиальная и осевая), определяемая по деформа­ции шпинделя под нагрузкой;

2. Минимальные тепловыделения и температурные деформации шпиндельного узла, так как они влияют как на точность обработки, так и на работоспособность опор.

4.Долговечность шпиндельных узлов, которая зависит от долговечности опор шпинделя, которая в свою очередь во многом зависит от эффективности системы смазывания, уплотнений, частоты вращения, величины предварительного натяга в подшипниках качения и т. д.

5.Быстрое и точное закрепление инструмента или обрабатывае­мой детали в шпинделе станка

6.Минимальные затраты на изготовление, сборку и эксплуата­цию шпиндельного узла при удовлетворении всех остальных требова­ний.

Критериями работоспособности являются точность, быстроходность, нагрузочная способность, статическая жесткость, динамические характеристики, энергетические потери, нагрев опор, статические, динамические и температурные смещения переднего конца шпинделя, ресурс работы.

По виду опор различают шпиндельные узлы на подшипниках качения (1) (более 90%), гидростатических (2), гидродинамических (3), аэростатических (4) и электромагнитных опорах (5).

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

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.

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°

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.

Точность подшипников, которая регламентируется радиальным или осевым биением вращающегося кольца, во многом определяет точность вращения шпинделя

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

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.

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.

От тщательности и точности регулирования предварительного натяга во многом зависит работоспособность шпиндельного узла. 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 , невращающиеся (наружные) кольца — с натягом в низко­скоростных шпиндельных узлах и с небольшим зазором высокоско­ростных

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

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. 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

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

Регулирование величины зазора (натяга) в роликоподшипниках типа 3I82I00 и 4162900

Величина натяга в подшипниках этого типа изменяется в результате напрессовки внутреннего кольца подшипника на коническую шейку шпинделя.

Регулировка предварительного натяга.

Радиальные и радиально-упорные шарикоподшипники, как правило, монтируют попарно.

Во многих случаях радиально-упорные шарикоподшипники для попарной установки (дуплексирование) подбирают на станкостроительных заводах. При этом необходимый предварительный натяг в подшипниках создается разностью высот дистанционных втулок, устанавливаемых между наружными и внутренними кольцами подшипников.

Регулировка зазора-натяга по нагреву опор.

Температуру подшипников измеряют с помощью термопар, устанавливаемых в отверстиях корпуса шпиндельной бабки так, что они непосредственно касаются наружных колец подшипников, либо с помощью термометров, устанавливаемых в отверстиях в корпусе бабки (отверстия заполняют маслом). Нагрев опор не должен превышать известных границ, но и не должен быть ниже известного уровня. Если указанное условие не выполнено - проводится регулировка подшипников. Такой метод регулировки возможен лишь при том условии, что показатели точности подшипников и сопряженных сними деталей имеют малое рассеяние.

Регулировка зазора-натяга по моменту трения.

По результатам исследования прототипа станка устанавливают допуск на величину момента трения покоя или движения (при медленном) вращении. Изменяют момент трения с помощью рычага с грузом, гибкой тяги с пружинным динамометром или с помощью рычага и манометра. Достоинство описанного метода - измерение очень простое и кратковременно. Однако еще в большей мере, чем при испытаниях на нагрев, стабильность регулировки подшипников зависит от постоянства точностных параметров подшипников.

3.Конструкции шпинделей, материалы шпинделей, защита, эксплуатация.

Конструкция шпиндельного узла. Конструкция шпиндельного узла зависит от типа и размера станка, класса его точности, предельных параметров процесса обработки (максимальной частоты вращения, мощности привода).

Конфигурацию переднего конца шпинделя выбирают в зависимости от способа крепления инструмента или заготовки. Так как для их крепления применяют стандартные приспособления, то передние концы шпинделей для большинства станков стандартизированы

Диаметры шеек под подшипники назначаются конструктором с учетом быстроходности и статической жесткости. Верхнее значение диаметра ограничено максимальной частотой и нагревом, а нижнее — жесткостью. Межопорное расстояние b поддается оптимизации с позиции статической жесткости.

Конфигурация внутренних поверхностей определяется конструкцией зажимного устройства, встраиваемого в шпиндель.

Тип опор назначают на основании требований по точности вращения быстроходности с учетом условий эксплуатации.

подшипники качения превосходят другие типы опор, и им слеует отдавать предпочтение.

Применение гидростатических опор целесообразно в точных (с погрешностью около 2 мкм) и тяжелых станках, а также в машинах, где требуется высокое демпфирование (шлифовальные, зубообрабатывающие станки).

Гидродинамические подшипники применяют в станках, где частот вращения шпинделя меняется редко (шлифовальные, специальные).

Аэростатические подшипники применяют в станках особо высокой точности, например, для обработки оптических изделий, где требуется обеспечить высокую точность вращения и малые тепловыделения.

Электромагнитные опоры находятся на стадии создания и предназначены для сверхскоростной (со скоростью свыше 300 м/с) обработки.

Шпиндели изготавливают из высокопрочных износостойких сталей, с обработкой базовых поверхностей до (6-1) квалитетов, в зависимости от назначения станка

Уплотнения шпиндельных узлов служат для защиты подшипников от проникновения в них грязи, пыли и охлаждающей жидкости, а также препятствуют вытеснению смазочного материала из подшипников. Наиболее часто используют бесконтак­тные уплотнения. Контактные уплотнения применяют при скорости на шейке менее 10 м/с из-за большего нагрева.

При эксплуатации шпиндельных узлов на опорах качения необходимо следить за нормальной работой смазки, во время ее менять. Периодически проверять жесткость шпиндельных опор, т.е. своевременно производить подрегулировку натяга в подшипниках, т.к. от этого зависит жесткость и виброустойчивость шпиндельного узла. При проведении ремонтных работ проверить базовые поверхности на точность, т.к. они изнашиваются в процессе эксплуатации даже в местах посадки подшипников за счет усталостного износа. При необходимости провести восстановление изношенных поверхностей. Подшипники выбирать, не меняя расчетной точности, а лучше более высокой, т.к. это оправдается при эксплуатации. Повышенные радиальные биения опор приводят к повышенным нагрузкам на опоры. Подшипники устанавливать при монтаже так, чтобы радиальные биения их были направлены в одной плоскости и в одну сторону. Это повышает точность вращения шпинделя.

Жесткость шпиндельного узла на опорах качения значительно зависит от создаваемого предварительного натяга в подшипниках. Жесткость растет с увеличением натяга до определенного значения с дальнейшим увеличением, которого жесткость опоры практически не изменяется, а резко возрастают внутренние нагрузки, что приводит к перегреву в процессе эксплуатации и снижению ресурса.

Температура опор шпинделя станка нормального класса точности может достигать (60-70)°С (рекомендации различных фирм), если температура мала, т.е. недотяг, если выше перенатяг, необходимо сделать перерегулировку.

Натяг подшипников высокоточных станков можно проверить по моменту трогания шпинделя

Окончательную регулировку натяга необходимо осуществлять при установившейся температуре. Если это выполняется вне станка, то предварительно нагреть до рекомендуемой температуры детали узла шпинделя. При переменном режиме работы узда и высоким требованиям и точности, необходимо применять искусственное охлаждение опор.

4.Баланс жесткости шпиндельных узлов. Расчет шпиндельных узлов на жесткость.

Расчет на жесткость. Главные размеры шпиндельного узла (рис. 16) — диаметр d шейки шпинделя под передней опорой и расстояние l между опорами — выбирают из расчета шпинделя на жесткость. Величину вылета а шпинделя определяют по стан­дартным размерам его переднего конца и размерам уплотнений; она должна быть возможно малой. При приближенных проектных расчетах шпиндель заменяют балкой на двух опорах с силой F, приложенной на консоли, т. е. на расстоянии а от середины передней опоры

Вычисления целесообразно проводить с учетом защемления в пе­редней опоре и конкретной величины натяга средствами вычисли­тельной техники. Выбирая определенным образом угловое располо­жение элемента и расстояния 1₁ и /₂, можно добиться минимального влияния привода на положение переднего конца шпинделя.

При расчете общей жесткости шпиндельного узла необходимо учитывать жесткость конического соединения шпинделя с приспособ­лением (оправкой, патроном) или хвостиком инструмента, а также жесткость приспособлений и инструмента. Во многих случаях они являются определяющими в общем балансе жесткости.

Погрешности изготовления конического соединения, обусловлен­ные несовпадением углов конусов отверстия и оправки, резко сни­жают жесткость соединения. Для ее повышения применяют предва­рительную затяжку осевой силой F₀ (величина которой для конуса ISO 50 составляет 15 кН), которая создается специальными зажим­ными приспособлениями, расположенными во внутренних цилинд­рических полостях шпинделя.

5. Расчет шпиндельных узлов на точность.

Наряду с обычными требованиями, предъявляемыми к под­шипникам качения по критериям их работоспособности, к шпин­дельным опорам качения предъявляют дополнительные требова­ния по условиям работы шпиндельного узла и всего станка. К числу таких требований относятся высокая точность вращения, повышенные радиальные и осевые жесткости, незначительное вы­деление тепла и небольшие температурные деформации.

Высокую точность вращения шпиндельного узла достигают прежде всего при высокой точности изготовления подшипников качения.

Выбор посадки подшипников качения оказывает большое влияние на точность вращения шпинделя, а также и на другие критерии работоспособности шпиндельного узла. С увеличением натяга ухудшается форма дорожек качения, но наряду с этим в еще большей мере происходит усреднение погрешностей под­шипников. Усреднение погрешностей усиливается после устране­ния зазоров в подшипнике и при увеличении натяга до определен­ного значения, что. и предопределяет целесообразный выбор поса­док.

Жесткость подшипников качения зависит главным образом от типа подшипника, его диаметра и величины предварительного натяга. На жесткость подшипников оказывают влияние погрешности изготов­ления. Неперпендикулярность торца кольца подшипника его оси может снизить осевую жесткость в 2—2,5 раза; повышенные за­зоры в подшипнике существенно снижают как радиальную, так и осевую жесткость.

Предварительный натяг в подшипниках качения, исполь­зуемых для опор шпинделей, необходим для повышения точности вращения и жесткости. Шариковые радиально-упорные и кони­ческие роликовые подшипники при сборке устанавливаются по­парно с предварительным натягом.

6. Расчет шпиндельных узлов на виброустойчивость. Особенности проектирования высокоскоростных шпиндельных узлов.

Расчет на виброустойчивость, который предусматривает определение собственной частоты шпинделя с целью избежания резонансных колебаний,рекомендуется производить для быстроходных шпинделей.

Собственную частоту колебаний можно определять любым из методов, рассматриваемых в курсах теоретической механики. При отсутствии зна­чительных масс, расположенных на консоли, целесообразно применять графический способ.

Строят упругую линию оси шпинделя под действием собственного веса. Затем задаются произвольной угловой скоростью вращения шпинделя ω₀ и строят новую упругую линию под действием центробежных сил, возни­кающих в каждом сечении шпинделя.

С увеличением угловой скорости шпинделей резко возрастают динамические давления на опоры.

С увеличением частоты вращения шпинделя с 10000 об/мин до 100000 об/мин, нагрузки на опору возрастают в 10⁸ – 10¹⁰ степени раз. Очевидно, подшипники такой нагрузки не выдержат и сломаются. При больших частотах вращения шпиндель изгибается в процессе эксплуатации. Его ось вращения смещается от оси шпинделя. Это приводит к увеличению амплитуды колебаний, ухудшению качества обработки и повышению реакции между шпинделем и опорами.

П ри изгибе шпинделя на больших частотах вращения может возникнуть вибрация, вызванная внутренним трением в материале шпинделя. Применение упругих опор позволяет устранить или уменьшить эти опасные явления. Упругие опоры по конструкции представляют собой замкнутые рессорные упругие кольца, материал и конструкция которых определяют необходимую расчетную жесткость.

Высокоскоростные шпиндели для фрезерных работ работают с частотой до 10000 об/мин. В настоящее время широко используют встроенные мотор – шпиндели с диапазоном регулирования Д_СТ≥ 10000. Для устранения нагрева шпинделя применяют активное водяное охлаждение и проходное воздушное, с локальным подводом к опорам смазки туманом.

В качестве привода для внутришлифовальных шпинделей применяют ременный привод, встроенный электропривод – мотор - шпиндель и воздушные турбины.

Ременный привод применяют до n < 30000 об/мин. Встроенный электропривод применяют с n=12000 об/мин до 15000 об/мин. Дальнейшему повышению n препятствует недостаточная прочность шихтованного ротора, который начинает течь.

Применение в качестве привода воздушной турбины сопорами на газовой смазке позволяет получать более высокие частоты шпинделя до 300000 об/мин.

При проектировании высокоскоростных шпинделей необходимо

1. Применять высокоточную динамическую балансировку

2. Использовать в опорах подшипники с минимальным радиальным биением

3. Использовать конструкции опор в зависимости от скоростной характеристики d_шп• n_max .

4. Использовать упругие опоры расчетной жесткости

5. Добиваться высокой точности формы опорных поверхностей шпинделя и их взаимного расположения

Основная характеристика шпинделя для оценки его виброустойчивости— частота собственных колебаний f_c. Обычно чем ниже частота колебаний, тем меньше виброустойчивость, так как для возбуждения колебаний на низкой частоте нужна меньшая энергия.

Расчет шпинделя на виброустойчивость заключается в сравнении частот собственных колебаний f_c с вынужденными колебаниями f_в

Точность вращения, жесткость и виброустойчивость шпинделей во многом зависят от типа опор. В качестве опор применяют прецизионные подшипники качения и подшипники скольжения с жидкостным трением,к которым предъявляют следующие требования:

1. Высокая точность вращения.

2. Опоры шпинделей должны быть долговечны.

3. Виброустойчивость опор — важное условие для работы высокооборотных шпинделей.