5. Шпиндельные узлы

Одной из наиболее ответственных деталей станка, определяю­щей точность обработки, является шпиндель. Поэтому к шпин­делю предъявляют следующие требования: достаточная жесткость, точность движения, износостойкость трущихся поверхностей, виб­роустойчивость и др. Эти требования обеспечиваются соответству­ющим выбором материала и его термообработки, конструкцией, размерами и компоновкой шпинделя, качеством изготовления, сборки и регулировки.

Средненагруженные шпиндели изготовляют обычно из стали 45 с улучшением (закалка и высокий отпуск). При повышении сило­вых нагрузок применяют сталь 45 с низким отпуском. Для шпин­делей, требующих высокой поверхностной твердости и вязкой сердцевины, применяют сталь 45 с закалкой ТВЧ и низким отпус­ком. При повышенных требованиях применяют сталь 40Х, 38ХМЮА, 38ХВФЮА (шпиндели быстроходных станков), 20Х с цементацией, закалкой и отпуском, 12ХНЗ (быстроходные и тяже­ло нагруженные шпиндели) и другие малолегированные стали. Сталь 65Г применяют для крупных шпинделей.

Конструкция шпинделя и его размеры определяются количест­вом опор и их креплением, конструкцией регулирования радиаль­ного и осевого положений шпинделя, видом привода, типом и раз­мерами подшипников. Поскольку трудоемкость изготовления шпинделя высока, необходимо стремиться к возможно более прос­той его форме.

Тип передачи на шпиндель в основном зависит от требуемой частоты его вращения и передаваемой силы (момента). Передачу вращения зубчатыми колесами применяют обычно для частот вра­щения до 50 об/с, ременный привод — для частот вращения до 100...120 об/с. Для высокоскоростных приводов применяют элект­рошпиндели с короткозамкнутым ротором, которые обеспечивают частоту вращения до 2000...3000 об/с.

Компоновка шпиндельного узла связана с компоновкой в це­лом всего станка и должна осуществляться таким образом, чтобы вибрации и динамические нагрузки, возникающие от привода и других смежных систем, были минимальными. С этой целью в пре­цизионных станках шпиндель выделяется в самостоятельный кон­структивный узел.

Пример конструктивного оформления шпиндельного узла (шпиндель внутришлифовального станка) показан на рис. 19. Внутренние кольца всех семи радиальных шарикоподшипников закреплены на шпинделе в осевом направлении гайками 1 и 6, фланцы которых служат одновременно разбрызгивающими коль­цами. В каждой опоре внутренние кольца разделены узкими втул­ками. Наружные кольца всех трех подшипников

задней опоры в осевом направлении свободны (крышка 5 служит только для уп­лотнения), что позволяет этой опоре воспри-

Рис. 19. Шпиндельный узел

нимать только ради­альные усилия. То же относится и к двум средним подшипникам передней опоры. При затягивании резьбовой крышки 2 можно соз­дать натяг только в двух крайних шарикоподшипниках 3 и 4 передней (левой) опоры. Таким образом, осевые усилия, действую­щие на шпиндель влево, воспринимаются подшипником 3, а уси­лия противоположного направления — подшипником 4. Отсутствие в данной конструкции упорных или радиально-упорных под­шипников объясняется незначительными осевыми усилиями, дей­ствующими в процессе шлифования на шпиндель от сил реза­ния и привода.

Шпиндель рассчитывают, как правило, на жесткость, а для тя­жело нагруженных шпинделей проводят поверочный расчет на прочность. При расчете на жесткость шпиндель рассматривают как балку на опорах, тип которой зависит от типа принятых под­шипников. Так, при двух шариковых подшипниках качения рас­четная схема принимает вид, показанный на рис. 20, а. Если в передней опоре два подшипника качения или один роликовый, то можно считать, что шпиндель не имеет поворота (рис. 20, б). Ес­ли в передней опоре поставлен подшипник скольжения (рис. 20, в), то он создает определенный реактивный мо­мент М_р, который равен (0,3...0,35) М_изг в передней опоре. При двух подшипниках скольжения (рис. 20, г) вначале определяют прогиб у₁ при деформации шпинделя в пределах радиального зазо­ра подшипников. Если сила вызывает большую деформацию, то , следует подсчитать прогиб у₂ конца шпинделя от той составляю­щей, которая деформирует его как консольную балку с заделкой в передней опоре. В этом случае суммарный прогиб y = y₁+ y₂. К прогибу шпинделя следует добавить его деформацию на упру­гих опорах, рассматривая при этом шпиндель как жесткое тело.

Рис. 20. Схемы расчета шпинделя на жесткость

Допустимый прогиб шпинделя определяют исходя из точности обработки на станке. При приближенных расчетах можно принимать его равным 1/3 от допустимого биения или подсчитывать по формуле y_доп = (0,0001…0,0002)l, где l — расстояние между опора­ми шпинделя.

В шпинделях станка могут возникать продольные, поперечные, осевые и крутильные колебания. По виду их подразделяют на соб­ственные, вынужденные и автоколебания. Так как шпиндель име­ет сложную конструкцию и в процессе работы станка на него дей­ствует большое количество различных факторов как систематиче­ского, так и случайного характера, в том числе от смежных техно­логических систем, то расчет колебаний представляет определен­ную трудность.

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 и вынужденных колебаний f_в . Во избежание резонанса необходимо, чтобы f_c и f_в различались в 1,3...2,0 раза.

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. Биение шпинделя станков нор­мальной точности находится в пределах 0,01...0,03 мм, а для пре­цизионных станков достигает нескольких микрометров. Эту точ­ность могут обеспечить подшипники качения и скольжения. Одна­ко в последнем случае при изменении нагрузки или скорости ось вращения шпинделя будет смещаться, так как изменяется толщи­на масляной пленки.

2. Опоры шпинделей должны быть долговечны. Подшипники качения имеют ограниченный срок службы, зависящий от частоты вращения шпинделя и нагрузки. Подшипники скольжения изнаши­ваются, в основном, в период пуска, остановки или реверса шпин­деля станка. Поэтому при редких включениях они могут работать длительное время.

3. Виброустойчивость опор — важное условие для работы высокооборотных шпинделей. Современные прецизионные подшипники качения отвечают требованиям виброустойчивости. Подшипники скольжения обладают способностью гасить колебания за счет демпфирующего действия масляного слоя.

4. Для универсальных станков необходимо, чтобы подшипники работали одинаково надежно во всем диапазоне применяемых скоростей и нагрузок. В этом отношении существенное преимуще­ство имеют подшипники качения.

Эксплуатационными преимуществами (легкость замены, прос­тота эксплуатации и др.) обладают подшипники качения, вследствие чего они получили наибольшее применение в современных станках. В тех случаях, когда режим работы постоянный и требу­ется высокая виброустойчивость, применяют подшипники сколь­жения.