13.1. Конструкция шпиндельного узла

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

13.1. Передние концы шпинделей

Конструктивное исполнение	Присоединительные размеры	Применение в станках
	ГОСТ 12595—85 D = 54...584 мм D1 = 70...648 мм Конус Морзе № 4 ... 6 Конус метрический 80 ... ... 120	Токарных, токар-но-револьверных, токарных много­резцовых, шлифо­вальных и др.
	ГОСТ 24644—81 D = 30...80 мм d1 = 17,4 ... 140 мм D1 = 50... 350 мм D2 = 36...305 мм	Фрезерных, свер­лильных, расточ­ных и многоцеле­вых
	ГОСТ 24644—81 D = 30 .. .70 мм D1 = 50...320 mm	Фрезерных
	ГОСТ 24644—81 Конус Морзе № 1 ... 6 Конус метрический 80... ... 160 D=25...320 мм	Сверлильных и расточных
	ГОСТ 10681—72 d=8 .. .80 мм D=12 .. .260 мм	Шлифовальных

Примечание. Концы шпинделей фланцевые типа Кэмлокк — по ГОСТ 26651—85; концы инструментальных шпинделей зуборезных станков — по ГОСТ 17548-83.

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 ти­пов станков стандартизо­ваны (табл. 13.1). В зави­симости от требований к процессу смены инстру­мента или приспособле­ний центрирование осуще­ствляется конусом Морзе, конусами конусностью 7/24 или 1/3.

Конфигурация внут­ренних поверхностей опре­деляется наличием отвер­стия для пруткового материала и конструкцией зажимного устройства, встраиваемого в шпиндель.

Тип приводного элемента зависит, в первую очередь, от частоты вращения, 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 их обычно не применяют в прецизионных станках, а также при высо­ких частотах вращения. При применении, ременной передачи конструкция усложняется, увеличиваются ее 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. Приводные шестерни и шкивы должны иметь посадки без зазора (предпочтительно на ко­нические поверхности) и быть расположены ближе к опорам.

Методы смазывания во многом определяют надежность работы шпиндельного узла. Для подшипников качений применяют жидкий либо твердый смазочный материал. Примерные границы применимости различных методов смазывания по параметру указаны ниже.

Метод смазывания:

разбрызгиванием . . . . . . . . . . . . . . 2,2 - 3,2

циркуляционное . . . . . . . . . . . . . . 4,2 - 6

капельное . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,8 - 4

масляным туманом . . . . . . . . . . . . . 5,5 - 8

под давлением . . . . . . . . . . . . . . . 7,5 - 10

погружением . . . . . . . . . . . . . . . 5,5 - 8

Примечание: Меньшие значения для подшипников тяжелых серий, большие для подшипников особо легких серий.

Смазывание погружением; для шпиндельных узлов практически не применяют. При смазывании разбрызгиванием от шестерен при­вода масло подается в подшипники либо непосредственно, либо через специальный сборник. Следует учитывать, что в этом случае масло поступает к подшипникам загрязненным продуктами изна­шивания у шестерен коробки, кроме того, для нормальной работы системы смазывания частота вращения шпинделя не должна быть низкой

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

При капельном методе смазывания подшипники смазываются независимо от других элементов, в них подается ограниченное ко­личество масла (от 1 до 100 г в 1 ч), что снижает тепловыделение. В этом случае необходимо предотвращать попадание в подшипники смазки из коробки скоростей.

Смазывание методом масляного тумана применяют в высокоскоростных узлах; при этом кроме постоянного и равномерного смазывания осуществляется интенсивное охлаждение подшипника сжа­тым воздухом, служащим Для образования масляного тумана в спе­циальных маслораспылителях. Избыточное давление воздуха в под­шипнике препятствует" попаданию в него внешних загрязнений.

Проточное смазывание при строгом дозировании применяют при работе шпиндельного узла в особо напряженных условиях (при вы­соких частотах вращения). 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.

Твердые смазочные материалы применяют в шпиндельных узлах при относительно низких частотах вращения, особенно они удобны для шпиндельных узлов, работающих в вертикальном или наклон­ном положении. Следует учитывать, что избыток смазочного материа­ла, закладываемого в подшипник, ведет к повышению температуры в опоре и вытеканию смазочного материала, а недостаточное его коли­чество приводит к быстрому выходу подшипников из строя.

Уплотнения шпиндельных узлов служат для защиты подшипников шпинделя от проникновения в них грязи, пыли и охлаждаемой 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 надежной их работы необходимо, чтобы радиальные зазоры в них были не более 0,2—0,3 мм. В шпиндельных узлах, работающих в тяжелых (по загрязнению), условиях, лабиринт заполняют твер­дым смазочным материалом, а при жидком смазочном материале иногда применяют продувку воздуха через уплотнение. В уплотне­ниях размещают полости и каналы для отвода смазочного материала от подшипников. Основные типы уплотнений приведены на рис. 13.1.

Рис. 13.1. Основные типы уплотнений шпиндельных узлов:

а - контактное манжетное резиновое армированное уплотнение с пружиной; б - кон­тактное манжетное кожаное уплотнение с пружиной; в - бесконтактное лабиринтное уплотнение; г — лабиринтное дисковое уплотнение; D, d, b - основные конструктивные размеры; мм - лабиринтный зазор; 1 — вращающийся стакан; 2 — кольца: 3 – диски; 4 – не вращающийся стакан; 5 - резиновое кольцо; 6 - фиксирующий винт

Материалы шпинделей и термообработка. Для шпинделей стан­ков нормальной точности применяют конструкционные стали 45, 50, 40Х с поверхностной закалкой (обычно закалка с нагревом ТВЧ) до твердости HRC_э 48—56. Шпиндели сложной формы изготавли­вают из сталей 50Х, 40ХГР и применяют объемную закалку до HRC_э 56—60. Для прецизионных станков в условиях жидкостной смазки применяют низкоуглеродистые стали 20Х, 18ХГТ, 12ХНЗА с цементацией и закалкой до твердости HRC_э 56—60. Для слабонагруженных шпинделей высокоточных станков для уменьшения вну­тренних деформаций применяют азотируемые стали 38Х2МЮА, 38ХВФЮА с закалкой до твердости HRC_э 63—68.

Для изготовления полых шпинделей большого диаметра иногда применяют серый чугун СЧ 20.

Опоры шпинделей: В ШУ станков для обеспечения высоких нагрузочной способности, точности, быстроходности, надёжности, жёсткости, виброустойчивости, минимальных тепловыделений, как правило, применяют подшипники специальной конструкции (качения, гидростатические, гидродинамические, газостатические и магнитные). Их основные характеристики приведены в табл. 3.1, а конструкции и расчёт даны в п. 3.4 – 3.8.