5. Шпиндельные узлы станков

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

• передачу на заготовку или инструмент расчетных режимов для заданных технологических операций;

• точность вращения, оцениваемую радиальным и осевым биениями переднего конца шпинделя; для станков общего назначения в зависимости от класса точность станка должна соответствовать стандартным значениям; для специальных станков точность вращения зависит от требуемой точности обработки:

,

где Δ – биение шпинделя; Δ_д – допуск на лимитирующий размер готового изделия.

Жесткость (радиальная и осевая) определяется по деформации шпинделя под нагрузкой, при этом жесткость на переднем конце шпинделя

Н/мкм,

где F – сила, приложенная на переднем конце шпинделя, Н; y – прогиб переднего конца шпинделя, мкм.

Деформация шпиндельных узлов в общем балансе упругих перемещений станков доходит до 50%, а в некоторых типах – до 85%. Единых норм для назначения жесткости шпиндельных узлов не существует. Исходя из нормальной работы подшипников, жесткость на участке между опорами ограничивают величиной 250-500 Н/мкм (большие значения – для станков повышенной точности), что лимитирует диаметр шпинделя:

,

где l – расстояние между опорами шпинделя.

Возможно также определение жесткости шпинделя, исходя из требований к точности обработки. При этом определяют прогиб от сил резания и момента привода при соответствующих режимах обработки; он ограничивается допуском на лимитирующий размер детали:

;

• высокие динамические качества (виброустойчивость), которые определяются амплитудой колебаний переднего конца шпинделя и частотой собственных колебаний. Вибрации, возникающие в шпиндельном узле, отрицательно сказываются на точности и величине шероховатости обработанной поверхности, стойкости инструмента и производительности станка. Желательно, чтобы собственная частота колебаний шпинделя была не ниже 500-600 Гц;

• минимальные тепловыделения и температурные деформации шпиндельного узла, так как они влияют как на точность обработки, так и на работоспособность опор. Тепловыделения регламентируются допустимым нагревом подшипников;

• 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. Долговечность шпиндельных узлов не регламентирована, ее определяют по усталости, износу деталей подшипника или потере смазочных свойств масла. Диаметр шейки шпинделя выбирают по критерию жесткости, что обычно обеспечивает долговечность подшипников до L_h = (1220) · 10³ ч. При применении гидростатических, гидродинамических и аэростатических опор долговечность теоретически считают неограниченной;

• быстроходность, характеризуемую скоростным параметром , мм · мин^-1, где d – диаметр отверстия внутреннего кольца подшипника, мм; n – частота вращения шпинделя, мин^-1;

• быстрое и точное закрепление инструмента или обрабатываемой детали в шпинделе станка; в современных станках требуется автоматизация этой операции;

• минимальные затраты на изготовление, сборку и эксплуатацию шпиндельного узла при удовлетворении всех остальных требований [7].