2.3 Шпиндели и их опоры

Шпиндель — вал металлорежущего станка, передаю­щий вращение закрепленному в нем инструменту или обрабатываемой заготовке. Весьма важным является выбор материала шпинделя. Средненагруженные шпиндели изготовляют обычно из стали 45 с улучшением (закалка и высокий отпуск). При по­вышенных силовых нагрузках 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 стали 40Х, 38ХМЮА (шпиндели быстроходных станков), 20Х с цементацией, закалкой и отпуском, 12ХНЗ (быстроходные и тяжелонагруженпые шпиндели) и другие низколегированные стали. Сталь 65Г применяют для крупных шпинделей.

Конструктивная форма шпинделей зависит от способа крепле­ния на нем зажимных приспособлений или инструмента, посадок элементов привода и типов применяемых опор. Шпиндели, как правило, изготовляют пустотелыми для прохода прутка, а также для уменьшения массы. Передние концы шпинделей станков общего назначения стандартизированы.

Опоры. В качестве опор шпинделей станков применяют подшипники качения и скольжения. Так как от шпинделей требуется высокая точность, то подшипники качения, используемые в опорах шпинделей, должны быть высоких классов точности. Выбор класса точности подшипника определяется допуском на биение переднего конца шпинделя, который зависит от требуемой точности обработки. Обычно в передней опоре применяют более точные подшипники, чем в задней.

Конструктивное оформление шпиндельных узлов весьма разнообразно. На рис. 2.10 показан шпиндельный узел токарно-винторезного станка с двухрядным роликовым подшипником с ко­ническим отверстием внутреннего кольца в качестве передней опоры. При осевом перемещении внутреннего кольца подшипника коническая шейка шпинделя деформирует кольцо, и его диаметр увеличивается. При этом устраняются радиальные зазоры между роликами и кольцами и создается предварительный натяг.

Рис. 2.10. Шпиндель токарно-винторезного станка с опорами

Предварительный натяг осуществляют различными способами. В радиально-упорных шарикоподшипниках и конических ролико­вых подшипниках при парной установке предварительный натяг получают регулировкой во время сборки, а в радиальных шарико­подшипниках — смещением внутренних колец относительно наружных. На рис. 2.11 представлены конструктивные способы создания предварительного натяга шарикоподшипников вслед­ствие сошлифовывания торцов внутренних колея (рис. 2.11, а), установки распорных втулок между кольцами (рис. 2.11, б), применения пружин, обеспечивающих постоянство предваритель­ного натяга (рис. 2.11, в). На рис. 2.11, г показан способ создания предварительного натяга вследствие деформации внутреннего кольца при установке его на конической шейке шпинделя в ро­ликоподшипниках с цилиндрическими роликами.

Подшипники скольжения, применяемые в качестве опор шпин­делей, бывают нерегулируемые (применяют их редко, при прак­тически полном отсутствии изнашивания в течение длительного срока эксплуатации), с радиальным, осевым регулированием зазора, гидростатические (в них предусматривают подвод масла под давлением в несколько карманов, из которых оно вытесняется через зазор между шейкой шпинделя и подшипником), гидродинамические и с газовой смазкой.

Рис. 2.11. Способы создания предварительного натяга подшипников качения

В прецизионных станках используют гидростатические под­шипники, которые создают высокую точность вращения шпинделя. Их несущая способность, жесткость и точность зависят от вели­чины зазоров, давления, схемы опоры. На рис. 2.12 схематически показана конструкция гидростатической опоры.

Рис. 2.12 Схема гидростатической опоры

Рис. 2.13 Самоустанавливающийся

гидродинамический подшипник скольжения

Масло под давле­нием подводится в карманы 1 через отверстия 2. При вращении масло вытесняется из этих карманов через зазор между шейкой и подшипником и из отверстия 3 в резервуар. При увеличении внешней силы, стремящейся уменьшить зазор, возрастает давление масла в резервуаре, и зазор восстанавливается. Гидростатические подшипники стабилизируют режим трения со смазочным материалом при самых малых скоростях вращения.

Самоустанавливающийся гидродинамический подшипник скольжения, применяемый в шлифовальных станках, показан на рис. 2.13. В обойме 4 расположено пять самоустанавлива­ющихся вкладышей 5. Каждый вкладыш имеет одну сферическую опору в виде штыря 3. Штыри закрепляют в обойме винтами 2 и 8 с шайбами 1, проходящими через крышку 7. Между крышкой и обоймой предусмотрены уплотнительные кольца 6.

Вкладыши самоустанавливаются сферическими опорами в на­правлении вращения шпинделя и в направлении его оси. Это создает надежные условия трения со смазочным материалом в опоре и устойчивые масляные клинья, а также позволяет избежать кромочных давлений, вызываемых несоосностью рабочих поверхностей, упругими или тепловыми деформациями шпинделя. Конструкция подшипников обеспечивает высокую точность вращения шпинделя вследствие центрирования его гидродинамическими давлениями, которые возникают в нескольких зонах по окружности.

Шпиндельные подшипники должны быть надежно защищены от загрязнения и вытекания смазочного материала. Манжетные уплотнения (рис. 2.14, а) из кожи, пластмассы или маслостойкой резины помещают в металлический кожух и прижимают к валу браслетной пружиной. В шпинделях станков более целесообразно применять лабиринтные уплотнения (рис. 2.14, б), которые не имеют трущихся поверхностей и могут работать при высокой частоте вращения. Они обеспечивают защиту подшипников в результате сопротивления протеканию жидкости через узкие щели. На рис, 2.14, в показаны уплотнения для вертикальных валов, уплотнения с кольцами типа поршневых и комбинированное фетровое уплотнение с отражательным кольцом, отбрасывающим масло.

Рис. 2.14. Уплотнения подшипников шпиндельных узлов