4.2. Шпиндельные узлы металлорежущих станков
Шпиндельные узлы (ШУ) предназначены для вращения заготовок (токарные станки, бабки изделия шлифовальных станков и др.) или инструмента (фрезерные станки, сверлильные станки и др.) в процессе механической обработки.
Виды опор шпинделей. В шпиндельных узлах металлорежущих станков в качестве опор шпинделей применяют следующие виды подшипников (рис..4.4): а) подшипники качения; б, в) подшипники скольжения с жидкой смазкой б) - гидродинамические, в - гидростатические); г) подшипники с газовой смазкой; д) активные магнитные подшипники.
Масляный зазор
а) б) в)
Датчик
положения
магнит
Рис.
4.4. Основные виды опор шпинделей:
а
- подшипник качения;
б -
гидродинамический подшипник скольжения;
в -
гидростатический подшипник скольжения;
г -
подшипник с газовой смазкой;
д -
активный магнитный подшипник
Характеристик основных видов подшипников приведены в табл. 4.1, а области их преимущественного применения в станках - в табл..4.3. Подшипники с жидкой и газовой смазкой занимают прочное место в тех станках, к которым предъявляются экстремальные требования по точности, быстроходности или несущей способности. Активные магнитные подшипники (наиболее быстроходные) находятся на начальной стадии промышленного развития. Преобладающим видом опор шпинделей являются подшипники качения (ПК): по различным оценкам 90 - 95 % шпиндельных узлов станков выпускают с ПК.
Подшипники качения для шпиндельных узлов станков. В большинстве современных ШУ устанавливают ПК, специально предназначенные для этих узлов (рис. 4.5)
а - радиалъно-упорные шарикоподшипники с текстолитовыми сепараторами;
б - радиальные двухрядные роликоподшипники с короткими цилиндрическими роликами;
в - радиальные однорядные роликоподшипники с короткими цилиндрическими роликами;
г - упорно-радиальные шарикоподшипники;
д - конические роликоподшипники с буртом на наружном кольце;
е - конические роликоподшипники с встроенными пружинами;
ж - конические роликоподшипники с управляемым натягом;
з - перекрестно-роликовые подшипники;
и - комбинированные (упорно-радиальные шарикоподшипники).
Характеристики перечисленных типов ПК приведены в табл. 4.3, а станков, в которых они применяются, в табл.4.5.
Подшипники (рис. 4.5, з), используемые в качестве опор планшайб карусельных и зубообрабатывающих станков [11], и подшипники (рис..4.5) для поворотных столов "обрабатывающих центров" [50] далее не рассматриваются.
Критерии работоспособности ШУ. Основными показателями работоспособности шпиндельных узлов являются: быстроходность (характеризуемая "параметром быстроходности" П = dnmax-10 -5 мм • мин-1, где d, мм - диаметр шейки шпинделя в передней опоре; птах, мин -1 - наибольшая частота вращения шпинделя); жесткость; точность; ресурс.
Конструктивные схемы ШУ. Возможны многочисленные (десятки) сочетаний ПК различных типов при установке в ШУ. Однако практическое применение находят лишь 12 типовых схем размещения ПК на шпинделе (рис.4.6 ) из которых не более шести (табл.4.5) , поз. г, д, е, к, л, м) применяют широко Обобщённые характеристики могут существенно изменяться в зависимости
от конкретных особенностей условий работы и конструкции ШУ (смазывание, теплоотвод, воздействие привода и механизмов зажима обрабатываемых деталей и инструмента и т.п.). Примеры некоторых распространенных конструкций ШУ показаны на рис. 4.7. – 4.10.
Точность ШУ. Точность ШУ характеризуют: радиальное (∆R) и осевое или торцовое (∆А) биения шпинделя; смещение мгновенной оси
поворота шпинделя, называемое "погрешностью вращения", ∆1.Радиальное биение шпинделя ∆R возникает вследствие взаимных эксцентриситетов шеек шпинделей, отверстий и дорожек качения ПК; осевое (торцовое) биение - вследствие взаимных биений торцов . Допустимую величину биений регламентируют стандарты и технические условия на станки в целом. Поэтому выбор класса точности ПК , устанавливаемых в ШУ, в первом приближении, можно проводить в соответствии с классом точности станков (табл. 5.6), осуществляя последующую проверку по общеизвестным формулам векторного суммирования биений. Эффективным средством уменьшения радиального биения является сборка с ориентацией эксцентриситетов колец ПК и шеек шпинделей; с этой целью изготовители ПК делают отметки на кольцах ПК в местах наибольшего биения.
Погрешность ∆ вращения шпинделя - это векторная сумма всех частотных составляющих процесса смещения оси шпинделя, частота которых отлична от частоты вращения. Она непосредственно влияет на отклонение от круглости обрабатываемых деталей и опосредственно на параметры шероховатости обрабатываемой поверхности и другие отклонения формы и взаимного расположения обрабатываемых поверхностей .
Погрешность ∆ возникает в процессе упругого взаимодействия дорожек и тел качения при вращении ПК шпинделя. Необходимо рассматривать последовательные положения оси шпинделя при его повороте с учетом погрешностей формы рабочих поверхностей деталей ПК и внешней нагрузки, т.е. квазистатический процесс.
Рис. 4.5 (продолжение)
Рис. 4.5 (продолжение)
Таблица 4.1. Характеристики подшипников, применяемых в шпиндельных узлах металлорежущих станков
|
Характеристики подшипников |
Вид подшипника | |||||||||
|
Подшипники качения |
Гидродинамические подшипники |
Гидростатические подшипники |
Активные магнитные подшипники | |||||||
|
Смазывание маслом |
Газовая смазка |
Смазывание маслом |
Газовая смазка | |||||||
|
Среда, несущая нагрузку |
Тела качения и слой масла |
Слой масла |
Поток газа (воздуха) |
Слой масла |
Несущий слой газа (воздуха) |
Магнитное поле | ||||
|
Способ передачи нагрузки от шпинделя к корпусу
|
Контакт тел и дорожек качения через слой масла возникает при вращении |
Несущий слой масла (воздуха) возникает в процессе вращения шпинделя (у подшипников с газовой смазкой, кроме того, дополнительный наддув) |
Несущий слой масла (воздуха) создается посредством насоса, расположенного вне опоры
|
Несущее магнитное поле создается внешним источником тока | ||||||
|
Способ регулирование положения центра вращения шпинделя во время работы шпиндельного узла |
Самоустановка |
Самоустановка |
Самоустановка |
Внешнее управление магнитным источником тока | ||||||
|
Потери на трение: при пуске
во время пуска |
Малые
Малые |
Очень большие Очень большие |
Практически отсуствуют Малые |
Практически отсуствуют Большие |
Практически отсуствуют Очень малые |
Практически отсуствуют
Ничтожно малые | ||||
|
Ограничение допустимой частоты вращения |
Температура опоры |
Температура опоры |
Прочность вала (ротора) |
Температура опоры |
Прочность вала (ротора) |
Прочность вала (ротора) | ||||
|
Факторы, влияющие на точность вращения шпинделя |
Отклонение формы и размеров деталей подшипника. Компенсация погрешности при смазывании не происходит |
Отклонение формы и размеров деталей подшипника. В слое смазки происходит компенсация погрешности |
Отклонение формы и размеров деталей подшипника. В слое смазки происходит компенсация погрешности |
Точность вращения вала определяют чуствительностью датчиков и эффективностью системы управления | ||||||
|
Надежность |
Очень высокая |
Высокая |
Средняя |
Средняя |
Средняя |
- | ||||
|
Долговечность |
По усталости – практически неограниченная. По износу – в большой степени зависит от эффективности уплотнений при эффективном смазывании и надежных уплотнениях - достаточная |
Износ – в пусковом режиме. При эффективном смазывании - достаточная |
При эффективной фильтрации воздуха - достаточная |
Теоретически – бесконечная. При эффективной фильтрации масла - достаточная |
Теоретически – бесконечная. При эффективной фильтрации воздуха - достаточная |
Теоретически – бесконечная. Опыт эксплуатации – малый для окончательной оценки | ||||
|
Затраты на изготовление и последующую эксплуатацию |
Малые |
Средние |
Большие |
Очень большие |
Очень большие |
Чрезвычайно большие | ||||
|
Основные группы металлорежущих станков (в т.ч. станков с ЧПУ) |
Области применения | ||||||
|
Подшипники качения |
Гидродинамические подшипники |
Гидростатические подшипники |
Активные магнитные подшипники | ||||
|
Смазывание маслом |
Газовая смазка |
Смазывание маслом |
Газовая смазка | ||||
|
Обдирочно-заготовительные станки |
Торцеобрабатывающие, центровальные, обдирочно-фрезерные, |
Обдирочно- шлифовальные |
|
|
|
| |
|
Станки нормальной и повышенной Точности, универсальные, продукционные, специальные, автоматические линии |
Токарные, фрезерные, фрезерно- расточные, зубообрабатывающие, шлифовальные и др. |
Шлифовальные, зубообрабатывающие |
|
|
|
| |
|
Станки высокой и особо высокой точности
|
Токарные, фрезерные инструментальные, фрезерно-расточные, отделочно-расточные, зубообрабатывающие, шлифовальные, коор- динатно-расточные |
Шлифовальные, отделочно-расточные, зубообрабатывающие |
Шлифовальные, координатно- шлифовальные |
Токарные, отделочно-расгочные, фрезерно-расточиные, шлифовальные, зубо- обрабатывающие |
Шлифоваль-ные, токарные, отделочно- расточные |
| |
|
Мастер-станки (станки сверхвысокой точности)
|
|
|
|
Отделочно - расточные, зубообрабатывающие, шлифовальные, токарные |
Станки для обработки оптических деталей приборов и ЭВМ, токарные |
| |
|
Тяжелые и особо тяжелые станки
|
Токарные, фрезерные, фрезерно- расточные, карусельные, зубообрабатывающие, шлифовальные |
Зубообрабатывающие |
|
Фрезерно-расточные, токарные, ' шлифовальные |
Станки для обработки зеркал |
| |
|
Электрошпиндели и пневмо- шпиндели |
Шлифовальные, токарные, фрезерные, фрезерно-расточные |
Шлифовальные |
Шлифовальные, сверлильно- фрезерные |
Шлифовальные, фрезерные, токарные, фрезерно - расточиые |
Шлифовальные |
фрезерные, шлифовальные | |
Таблица 4.2. Области применения подшипников различных видов в шпиндельных узлах металлорежущих станков
Таблица 4.3 Подшипники качения для шпиндельных узлов металлорежущих станков.
|
Тип подшипников |
Обозначение |
Название. Особенности конструкции и применения |
Характеристика |
Обозначения серий подшипников ( принятые на ГПЗ) | ||||||
|
Интервал диаметров отверстий, мм |
Наивысший класс точности по ГОСТ 520-89 | |||||||||
|
Серийный выпуск |
Особые исполнения | |||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 | ||||
|
Радиально-упорные шарикоподшипники одинарные, сдвоенные ( дуплекс), строенные (триплекс),счетверен- ные ( кварто) со стальными или керамическими шариками( см. рис.4.5) |
|
Устанавливают в передние и задние опоры шпинделей для восприятия комбинированной ( радиальной, осевой и моментной) нагрузки ( фиксированная опора) либо часто радиальной нагрузки ( плавающая опора) Сепаратор текстолитовый. Серии диаметров по ГОСТ 3478-79;1;2;8;9.Углы контакта =15 (36000К) и а=26 (46000), применяют также а=12, 18. Поставляются либо одинарными ( в т.ч. и в универсальной исполнении), либо готовыми комплектами.
|
- 240 |
2 |
1 |
3 3600К 46000К ( одинарные) 236000К 246000К ( дуплекс) 236000КУ12 246000КУ12 ( триплекс) 236000КУ22 246000КУ22 (кварто)
| ||||
|
Радиальные двухзарядные роликоподшипники с короткими цилиндрическими роликами иконическим отверстием внутреннего кольца (см. рис. 4.5) |
|
Устанавливают в передние и задние опоры шпинделей для восприятия чисто радиальных нагрузок. Сепараторы латунные или пластмассовые .Предварительный зазор –натяг регулируется посредством осевого смещения внутреннего кольца с коническим отверстием на конической шейке вала. Для смазывания предусмотрены отверстия в наружном кольце.
|
30-50 |
2 |
12 |
3182100К 4 4162900К 5 | ||||
|
Радиальные однорядные роликоподшипники с короткими цилиндрическими роликами иконическим отверстием внутреннего кольца ( см. рис. 4.5) |
|
Устанавливают в задние опоры шпинделей для восприятия чисто радиальной нагрузки Сепараторы латунные или пластмассовые .Предварительный зазор –натяг регулируется посредством осевого смещения внутреннего кольца по конической шейке шпинделя.
|
30-320 |
4 |
2 |
302000К | ||||
|
Тип подшипников |
Обозначение |
Название. Особенности конструкции и применения |
Характеристика |
Обозначения серий подшипников ( принятые на ГПЗ) | ||||||
|
Интервал диаметров отверстий, мм |
Наивысший класс точности по ГОСТ 520-89 | |||||||||
|
Серийный выпуск |
Особые исполнения |
| ||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 | ||||
|
Конические, однорядные и двухрядные роликоподшипники с буртом или без бурта на наружных кольцах ( см. рис. 4.5)
|
|
Устанавливают в передние опоры шпинделей. Воспринимают радиальную, осевую и моментную нагрузки. |
25-500 |
2 |
|
67000-5 697000 20070007000 | ||||
|
Конические роликоподшипники однорядные с широким наружным кольцом и встроенными пружинами ( см. рис. 4.5) |
|
Устанавливают в заднюю опору шпинделя. Воспринимают радиальную нагрузку. Благодаря встроенным пружинам компенсируют осевой зазор. Возникающий при температурном удлинении шпинделя.
|
25-280 |
2 |
|
17000 | ||||
|
Конические роликоподшипники с управляемым натягом ( см. рис. 4.5)
|
|
Устанавливают в заднюю опору шпинделей. Позволяют управлять с помощью подводного под давлением масла или воздуха натягом подшипников.
|
100-240 |
4 |
2 |
117000 | ||||
|
Перекрестно-роликовые конические подшипники ( см. рис. 4.5) |
|
Предназначены для установки в планшайбы станков. Воспринимают радиальную, осевую и моментальную нагрузки.
|
150-2400 |
2 |
|
766900 | ||||
|
Комбинированные (упорно- радиальные) роликоподшипники. ( см. рис. 4.5) |
|
Устанавливают в делительные столы станков. |
150-2500 |
4 |
2 |
56000 | ||||
|
|
|
|
|
|
|
| ||||
Таблица 4.4.Станки в которых эффективно применяются прецизионные подшипники качения
|
Станки |
Требуемый параметр Быстроходности П =dnmax • 10-5 мм ьин-1 |
Рекомендуемые типы подшипников Качения (передние опоры подшипников) | |
|
свыше |
до | ||
|
С ручным управлением; традиционные автоматические линии; небыстроходные с ЧПУ |
|
2,5 |
Радиальные двухрядные ролико-подшипники совместно с упорно-радиальными шарико-под-шипниками; конические ролико-подшипники; радиально-упорные шарикоподшипники одинарные, дуплексы, триплексы со средним и тяжелым предварительным натягом; смазывание, по преимуществу, пластичной смазкой |
|
Среднескоростные токарные, фрезерные, шлифовальные и др |
2,5 |
4,0 |
Радиальные двухрядные ролико-подшипники с упорно-радиальными шарикоподшипниками; конические ролико-подшипники; смазывание маслом циркуляционное или минимальное жидкое. Радиально-упорные шарико под- шипники (дуплекс, триплекс), смазывание пластичной смазкой |
|
Скоростные токарные, фрезерные с ЧПУ, типа "обрабатывающий центр", внутришлифовальные головки |
4,0 |
8,0 |
Радиально-упорные шарикоподшипники дуплекс и триплекс, смазывание пластичной смазкой; у верхней границы диапазона - минимальное смазывание маслом |
|
Особобыстроходные для обработки цветных металлов и сплавов, а также композитных материалов |
6,0 |
12,0 |
Специальные особобыстроходные радиально-упорные шарикоподшипники (одинарные и дуплекс); минимальное смазывание маслом; в нижней части диапазона смазывание пластичной смазкой |
|
Особомощные и быстроходные высокопроизводительные для обработки черных металлов |
6,0 |
10,0 |
Специальные конические роликоподшипники; циркуляционное смазывание маслом с охлаждением |
|
Фрезерные электрошпиндели |
12,0 |
18,0 |
Специальные особыстроходные радиально-упорные шарикоподшипники (в т.ч. и с керамическими шарами);' минимальное смазывание с отсасыванием и охлаждением масла |
|
Станки XXI века |
20,0 |
30,0 |
Область поисковых исследований |
Таблица 4.5. Параметры работоспособности ШУ при различных схемах
|
Схема |
Обозначения типа подшипников (принятые на ГПЗ) |
Параметр быстроходности П = dnmax • 10 -5, мм мин -1 |
Относительная жесткость | |||||
|
на рис.4..6 |
Передняя опора |
Задняя опора |
Пластичная смазка |
Масловоздуш- ное смазывание |
радиальная |
осевая | ||
|
а |
36100 |
36100 |
11,2 |
14,4 |
0,3 |
0,5 | ||
|
а |
361001 |
361001 |
- |
18 -г 20 |
0,2 |
0,1 | ||
|
в |
436100 |
436100 |
9,6 |
12,0 |
0,5 |
0,2 | ||
|
в |
4361002 |
4361002 |
10,4 |
12,8 |
0,5 |
0,2 | ||
|
г |
246100 |
236100 |
8,8 |
11,2 |
0,5 |
0,3 | ||
|
д |
246100КУ12 |
236100 |
7,2 |
9,6 |
0,5 |
0,4 | ||
|
е |
246100КУ12 |
3182100 |
7,2 |
9,6 |
0,6 |
0,4 | ||
|
ж |
246100КУ12 |
302100 |
7,2 |
9,6 |
0,55 |
0,4 | ||
|
3 |
1246900КУ22 |
302100 |
8 |
10,4 |
0,6 |
0,3 | ||
|
и |
3182100 |
246100 |
6,4 |
9,6 |
0,9 |
0,3 | ||
|
к |
3182100 1780003 |
3182100 |
4,8 |
6,4 |
1,0 |
1,0 | ||
|
л |
2007100(67000)4 |
2007100(67000)4 |
2,4 |
3,2 |
0,8 |
0,5 | ||
|
м |
697000 |
17000 |
2,0 |
3,0 |
1,0 |
0,7 | ||
Примечание:В таблице указаны предельные значения параметра П.
1. Особо быстроходные исполнения радиально-упорных шарикоподшипников при смазывании впрыскиванием и принудительном охлаждении масла.
2 Пружинный натяг. 3 Для упорного подшипника 4 Разные конструктивные исполненя
Рис.4.6. Схемы ШУ
Таблица 4.6. Класс точности ПК
|
Класс точности станка |
Рекомендуемый класс точности подшипников качения по ГОСТ 520- 89 |
Примечание | |
|
|
Передняя опора |
Задняя опора | |
|
Н |
4 |
5(4)1 |
В задней опоре класс точности 4 при dnmax > 2,0-10 -5, мм • мин -1 |
|
П |
4(2) |
4 |
Класс точности 2 при параметре быстроходности dnmax > > 3,0 • 10 -5, мм • мин -1 или при особых требованиях к точности формы, или шероховатости деталей |
|
В |
2(4) |
2(4) |
Класс точности 4 допустим для станков, где dnax не выше 2 • 10 -5 , мм • мин -1 и точность станка определяют, в первую очередь, поступательные перемещения (например, фрезерные станки) |
|
А |
2 или Т |
2 или Т |
Класс Т, по преимуществу, для шлифовальных шпинделей |
|
С |
1 |
1 |
Класс точности 1 показан условно; в ГОСТ 520-89 такого класса точности нет; речь идет о специальных особо точных ПК |
1 По выбору конструктора.
Рис. 4.7. Шпиндельный узел токарного станка Рис. 4.10. Шпиндельный узел
средних размеров высокоскоростного фрезерного станка
Рис. 4.8. Шпиндельный узел высокоскоростного Рис. 4.9. Шпиндельный узел станка типа
токарного станка «обрабатывающий центр
При однокоординатной записи биения шпинделя с помощью контактного или бесконтактного датчиков, сигналы которых разлагаются в ряд Фурье, либо численными методами, либо с помощью узкополосного спектрального анализатора, приближенной оценкой погрешности является:
где ki =fi /fo {fi ≠ fo; f m = 10 fo); aki - амплитуда i -й нормированной гармоники. Допуски на эту погрешность целесообразно устанавливать, исходя из норм допустимого отклонения от круглости обрабатываемых деталей, регламентируемых стандартами и техническими условиями на станки.
Для повышения точности вращения шпинделей станков класса точности А и С необходимо изготовление ПК по дополнительным техническим условиям (условно - класс точности 1), либо отбор среди ПК класса точности 2, осуществляемого на основе спектральной оценки виброактивности ПК .
Погрешность ∆ вращения шпинделя (квази- сгатический процесс) и вынужденные колебания на собственной частоте шпинделя (динамический процесс) трудно различимы, если колебания не имеют резко выраженного резонансного характера. Практически все типы ШУ, кроме электрошпинделей, работают в докритической области вращения. Заметные колебания возникают при совпадении частоты fi одной из гармонических составляющих aki погрешности ∆ с собственной частотой fc шпинделя. При этом погрешность вращения ∆ значительно увеличивается. В связи с этим на особо точных станках целесообразно выделять "запретные" частоты вращения шпинделя .
Динамика ШУ заметно улучшается при изготовлении шпинделей из новых неметаллических материалов.
Требования к деталям, сопряженным с ПК. Выбор посадок ПК. При недостаточно точном изготовлении деталей, сопряженных с ПК, после установки ПК в ШУ их первоначальная точность может быть утрачена вследствие деформации относительно маложестких колец подшипников . ГОСТ 3325-85 регламентирует требования к точности деталей, сопряженных с ПК и, в целом, они приемлемы для ШУ, за исключением допусков на торцовое биение заплечиков.. Для деталей ШУ особо точных станков, у которых погрешность формы отклонения от круглости обрабатываемых деталей не должна превышать 1 мкм и в которые устанавливают ПK, специально изготовленные (условно - класс точности 1) или отобранные (из ПК класса точности 2 и Т).
Выбор посадок ПК также регламентирует ГОСТ 3325-85. Для прецизионных ШУ рекомендуются определенные ограничения (табл.4.7). Для особо быстроходных и особо точных ШУ обработку сопряженных деталей ведут в соответствии с фактическими отклонениями колец ПК, руководствуясь данными табл.4.8.
Жесткость ИГУ.Радиальная и осеваяj'aжесткость ШУ есть отношение радиальнойFrи осевойFА сил к возникающим под действием этих сил радиальной δRи осевой δAдеформациям (соответственно).
Радиальная деформация ШУ происходит как изгиб упругой балки на упругих опорах (что создает предпосылки для оптимизации межопорного расстояния шпинделя); осевая податливость ШУ практически полностью определяется податливостью ПК. Расчет жесткости ШУ выполняют с помощью ЭВМ. Сравнительные данные по жесткости ПК приведены в табл. 4.9.
На радиальную жесткость ШУ определяющее влияние оказывают диаметр d, расстояние между опорамиlи длина консоли а. Если отношение общей длины шпинделя
(l+ а) к его диаметру в передней опоре dне менее 3 и не более 6, то межопорное расстояние можно выбирать из чисто конструктивных соображений. Жесткость ШУ в целом в большой мере определяет его конструктивная схема. Осредненные соотношения жесткостей для различных конструктивных схем ШУ приведены в табл.4.6.
Быстроходность ШУ.Требования к быстроходности ШУ непосредственно вытекают из технического задания на станок. Определяющими факторами являются диаметр шпинделя, тип ПК, система смазывания. Уменьшению диаметра шпинделя и соответственно повышению быстроходности препятствуют требования к жесткости и технологические требования к станку (размеры патрона, диаметр обрабатываемого прутка и т.п.). Наибольшую допустимую частоту вращения ПК пп П1ахуказывают в каталогах изготовителей ПК. В высокоскоростных ШУ применяют, как правило, ПК серий диаметров 1 и 9. В последние годы с целью повышения быстроходности ШУ начато производство радиально-упорных шарикоподшипников с керамическими шарами, у которых благодаря меньшей массе шариков снижается отрицательное воздействие центробежных сил и гироскопического верчения шариков . Помимо ПК быстроходность ШУ ограничивают сопряженные с ШУ механизмы (зажимные устройства для деталей и инструментов, ремни, соединительные муфты и т.п.).
Препятствием для обеспечения требуемой быстроходности ШУ может явиться тепловыделение в ПК. Соответствующими расчетными методами можно приближенно оценить тепловую мощность опор шпинделя и ожидаемую температуру опор, которая не должна превышать допустимую, регламентируемую техническим заданием на станок. Осредненная характеристика быстроходности ШУ с различными конструктивными схемами приведена в табл.4.6.
Смазывание ШУ.Наиболее эффективны минимальное смазывание (минимальные потери на трение и, соответственно, малый нагрев опор) и обильное смазывание с тепло отводом маслом (большие потери на трение, но, одновременно, интенсивный тепло отвод маслом и, соответственно, низкая температура). Внешний теплообмен (охлаждение масла с помощью холодильных установок) обеспечивает стабилизацию температуры опор на заданном уровне, но усложняет конструкцию ШУ, и требует использования смазочных установок большой производительности.
Рекомендуемые системы смазывания ШУ приведены в табл. 4.10.
Таблица 4.7. Рекомендуемые посадки подшипников качения в шпиндельных узлах
|
Тип подшипника |
Опора шпинделя |
Рекомендуемая посадка | ||||
|
на шпиндель |
в корпус | |||||
|
Класс точности подшипников | ||||||
|
4 |
2, Т и 1 |
4 |
2, Т и 1 | |||
|
Радиально-упорные |
Передняя Задняя |
JS4 |
jS3 |
Н5 JS5 |
Н4 JS4 | |
|
Двухрядные и однорядные роликоподшипники типа 3182100, 4162900 и 302000 |
Передняя Задняя |
- |
- |
К5 |
К4 | |
|
Упорно-радиальные шарикоподшипники типа 178000 |
Передняя Задняя |
h4 |
h3 |
К5 |
К4 | |
Таблица 4.8. Рекомендуемые зазоры и натяги посадок подшипников качения при обработке сопряженных деталей в соответствии с результатами измерений посадочных диаметров колец
|
Тип подшипника |
Интервалы диаметров d и D мм |
Опора шпинделя |
Рекомендуемый зазор (+) или натяг (-) посадки, мкм | |||||
|
свыше |
до |
на шпиндель |
в корпус | |||||
|
Интервалы диаметров, мм | ||||||||
|
|
- |
50 |
Передняя |
0 ÷ (-2) |
- | |||
|
|
50 |
80 |
«» |
(-1) ÷ (-3) |
0 ÷ (+3) | |||
|
|
80 |
120 |
«» |
(-1) ÷ (-4) |
0 ÷ (+3) | |||
|
Радиально-упорные |
120 |
180 |
«» |
(-2) ÷ (-6) |
0 ÷ (+4) | |||
|
шарикоподшипники |
180 |
250 |
«» |
- |
0 ÷ (+5) | |||
|
|
- |
50 |
Задняя |
0 (-2) |
- | |||
|
|
50 |
80 |
«» |
(-1) ÷ (-3) |
(+5) ÷ (+8) | |||
|
|
80 |
120 |
«» |
(-1) ÷ (-4) |
(+6) ÷ (+10) | |||
|
|
120 |
180 |
«» |
(-2) ÷ (-6) |
(+8) ÷ (+12) | |||
|
|
180 |
250 |
«» |
- |
(+10)÷(+15) | |||
|
Радиальные однорядные и двухрядные роликоподшипники типа 3182100 и 302000 К |
Все размеры |
Передняя и задняя |
- |
0 ÷ (-2) | ||||
Таблица 4.9. Жесткость ПК
|
Тип ПК |
Обозначение серии ПК |
Жесткость (относительная) | |
|
радиальная |
осевая | ||
|
Радиальный двухрядный роликоподшипник с коническим отверстием внутреннего кольца |
3182100К 4162900К |
1,0 1,3 |
- |
|
Однорядный радиальный роликоподшипник с коническим отверстием внутреннего кольца |
302100 |
0,5 |
- |
|
Радиально-упорные шарикоподшипники сдвоенные (О-обратная схема) с легким предварительным натягом, класс точности 2; угол контакта 15 ° |
22-1236900К 22-236100К 22-236200К |
0,21 0,22 0,25 |
0,11 0,10 0,10
|
|
Радиально-упорные шарикоподшипники строенные (схема тандем-О) со средним предварительным натягом, класс точности 2; угол контакта 26 ° |
22-1246900КУ12 22-246100КУ12 22246200КУ12 |
0,31 0,4 0,37
|
0,39 0,36 0,37 |
|
Конический роликоподшипник |
2007100 |
0,47 |
0,53 |
|
Упорно-радиальные шарикоподшипники |
178000 |
- |
1,0 |
Предварительный натяг ПК в шпиндельных узлах.С увеличением предварительного натяга жесткость ШУ и тепловыделение увеличиваются, быстроходность уменьшается, но, вместе с тем, после определенного предела растет виброактивность подшипника. Существуют определенные соотношения нагрузки на подшипники и предварительного натяга, при которых долговечность по усталости становится наибольшей, а проскальзывание тел качения - уменьшается . Радиально- упорные шарикоподшипники выпускают комплектами с заранее заданным предварительным натягом - легким (1), средним (2) или тяжелым (3), указанным слева в обозначении подшипника (например, 12-246108К).Сувеличением натяга жесткость возрастает, а допустимая частота вращения снижается. ВШУ.у которых высокая быстроходность сочетается с очень большими нагрузками (например, d= 100 мм;nmax= 10 000 мин-1;N =80 кВт), и в сверхбыстроходных ШУ (dnmax > 12 105мм мин-1) целесообразно предусматривать управление зазор - натягом в процессе работы станка. Общие рекомендации по системам регулирования зазора-натяга вШУприведены в табл.4.11.
РесурсШУ. Ресурс ПК, устанавливаемых в ШУ,характеризуют два понятия:
долговечность ПК; в терминах ГОСТ 18855-82 это число оборотов, которое одно из колец подшипников делает относительно другого кольца до начала усталостного разрушения;
срок службы ПК, устанавливаемых в ШУ, - это продолжительность работы (в оборотах колец или часах) в течение которой параметры работоспособности ШУ (жесткость и точность) не выйдут за установленные пределы в результате износа рабочих поверхностей деталей ПК, деструкции пластичной смазки, контактной коррозии на поверхностях сопряжений ПК с деталями ШУ и т.п.
Расчет долговечности ПК стандартизован (ГОСТ 18855-82). Новые более совершенные методики расчета долговечности, дают более точные оценки, в особенности для условий, близких к условиям работы ПК в ШУ станков. Оценка срока службы ПК в настоящее время возможна на основе приближенных эмпирических данных, а также эмпирических значений зависимостей по возможному сроку службы пластичной смазки.
Таблица 4.10. Системы смазывания шпиндельных узлов на подшипниках качения
|
Смазыва-ние на дорожкх качения |
Смазывание |
Наивысший параметр быстроходности П = d nmax l0-5, мм • мин-1 |
Интенсивно-сть теплоотвода смазкой |
Использ-уемая аппаратура |
Затраты на системы смазыва- ния |
Особенности конструкции шпиндельных узлов, обусловленные системой смазывания |
Область применения в станках |
|
Минимальное |
Капельное, разбрызгиванием (картерная)
|
1,5 |
Отсутствует |
Капельные фитильные масленки |
Малые |
Смазочные устройства размещают над опорами шпинделя; на шпинделе – масло подающие кольца |
Простейшие станки нормальной точности (центровальные, заточные для ручной заточки и т.п.) |
|
Масляный туман |
10,0 |
Слабая |
Установки для образо- вания масляного тумана |
Умерен- ные |
Рабочая зона станка должна быть тщательно изолирована и рабочее место оборудовано вытяжной вентиляцией |
В первую очередь, внутришлифовальные шпиндели | |
|
Масловоз- душное |
12,0 |
Слабая |
Установки масло воздушного смазывания |
Умеренные |
От установки масловоздушного смазывания трубопроводы должны быть подведены к каждому подшипнику и на них устроены специальные насадки для ввода масла в подшипники |
Станки с ЧПУ токарные, фрезерные, станки типа "обрабатывающий центр" для высокоскоростной обработки | |
|
Пластичной смазкой
|
7,0 |
Отсутствует |
Не нужна |
Отсутствуют |
Опоры, смазываемые пластичной смазкой, должны быть защищены от попадания масла; поэтому в большинстве случаев ее применяют в шпиндельных бабках с приводом, расположенным за задней опорой шпинделя |
Все виды станков; наиболее распространенная система смазывания в станках с ЧПУ и шлифовальных шпинделях с ременным приводом | |
|
Обильное |
Циркуляционное
|
5,0 |
Умеренная |
Стандартные насосы |
Умеренные |
Как правило, одна система обеспечивает смазывание ПК и шестеренного привода; схема циркуляции масла и защиты подшипников должна быть такой, чтобы масло не поступало в подшипники, минуя фильтры (защита от продуктов износа шестерен) |
Широко распространена в станках с шестеренным приводом в коробках скоростей (станки с ручным управлением) |
Продолжение табл. 4.10. Системы смазывания шпиндельных узлов на подшипниках качения
|
Смазывание на дорожках качения |
Смазыва-ние |
Наивысший параметр быстроходности П = d nmax l0-5, мм • мин-1 |
Интенсивность теплоотвода смазкой |
Использ-уемая аппаратура |
Затраты на систему смазывания |
Особенности конструкции шпиндельных узлов, обусловленные системой смазывания |
Область применения в станках |
|
Обильное |
Впрыскиванием (с охлаждением масла)
|
18,0 |
Большая |
Специальные нагнетающие и отсасывающие насосы |
Большие |
Система подвода масла к подшипникам и, в особенности, слива масла должна быть строго согласована с расходом масла (соответствующий выбор диаметров трубопроводов, диаметров отверстий в дюзах и числа дюз) |
Станки сверхскоростного резания; тяжелые и прецизионные станки, требующие максимального полного отвода тепла от опор шпинделя |
Таблица 4.11. Системы создания предварительного натяга в подшипниках качения в шпиндельных узлах
|
Система создания предварительного натяга в ПК |
Устанавливаемые подшипники |
Отличительные особенности системы |
Область применения |
|
Требуемый предварительный натяг обеспечивается при изготовлении и (или) комплектации подшипников до сборки ШУ |
Радиально- упорные шарикоподшипники. Упорно- радиальные шарикоподшипники типа 178000. Конические роликоподшипники типа 697000. |
При монтаже ШУ с помощью гаек или гидравлических ступенчатых втулок обеспечивается смыкание торцов колец подшипников; при этом возникает заданный натяг |
Подавляющее большинство ШУ с подшипниками указанного типа |
|
Требуемый предварительный натяг регулируется непосредственно в процессе сборки |
Радиальные роликоподшипники с коническим отверстием во внутреннем кольце типа 3182100 и 302000. Однорядные конические роликоподшипники. Одинарные ради- ально-упорные шарикоподшипники. |
Регулирование натяга осуществляется в процессе сборки посредством осевого смещения внутренних или наружных колец ПК |
Все ШУ с подшипниками типа 3182100; 4162900 и 302000; шпиндельные головки (по преимуществу инструментальные) |
|
Стабилизация натяга (на заданном уровне) осуществляется пружинами |
Радиально- упорные шарикоподшипники. Конические роликоподшипники типа 17000. |
Постоянство натяга ПК в ШУ поддерживается с помощью тарированных пружин |
Внутри шлифовальн- ые шпиндели. Некоторые виды токарных и фрезерных станков с коническими роликоподшипниками |
|
Управление натягом осуществляется в процессе работы станка |
Конические роликоподшипники типа 117000. Радиально- упорные шарикоподшипники с управляемым' натягом. |
Управление натягом осуществляется с помощью гидравлической или пневматической системы |
Станки и шпиндели для работы в экстремальных (по частоте вращения и нагрузкам) условиям |
Рис. 4.11. Токарный станок
Рис. 4.12. Направляющие
Рис. 4.13. Шариковая винтовая пара Рис. 4.14. Шариковая и роликовая
направляющие
Рис. 4.15. Шпиндельный узел Рис. 4.16.
Рис. 4. 17. Шпиндельная бабка
Рис. 4.18. Инструментальная головка
Рис. 4.19. Устройство удаленея стружки