Конструкции Шпиндельных Узлов

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

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 (рис. 1). В зависимости от требований к процессу смены инструмента или приспособлений центрование осуществляется конусом Морзе, конусами конусностью 7/24 или 1/3.

Рис. 1. Основные типы концов шпинделей

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.

Для привода скоростных шпинделей, например, шлифовальных станков, часто применяют высокочастотные асинхронные электрошпиндели с короткозамкнутым ротором, несущие шлифовальный круг. В станках с исключительно высокими требованиями к шероховатости (Rz < 0,05 мкм) для полного исключения передачи возмущений на шпиндель применяют инерционный привод, когда после разгона шпиндель с маховиком отключают от привода и обработку проводят при его свободном выбеге.

Опоры шпинделя, определяющие форму посадочных мест, выбирают на основании требований по точности обработки и быстроходности, которая определяется скоростным параметром - произведением dn, где d - диаметр отверстия под подшипник, мм; n - частота вращения шпинделя. Эти значения для разных типов опор приведены на рис. 2.

Учитывая эти параметры, а также то, что подшипники качения имеют меньшую стоимость при централизованном изготовлении и просты в эксплуатации, в настоящее время более 95% станков изготовляют со шпиндельными узлами на подшипниках качения.

Рис. 2. Точность и быстроходность шпиндельных узлов на разных опорах

Методы смазывания во многом определяют надежность работы шпиндельного узла. Для подшипников качения применяют жидкий либо твердый смазочный материал. Смазывание погружением для шпиндельных узлов практически не применяют. При смазывании, масло подается в подшипники либо непосредственно, либо через специальный сборник. 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 час), 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. 3.

Рис. 3. 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; h=0,4÷0.6 мм - лабиринтный зазор; 1 - вращающийся стакан; 2 - кольца; 3 - диски; 4 - невращающийся стакан; 5 - резиновое кольцо; 6 - фиксирующий винт

Для шпинделей станков нормальной точности применяют конструкционные стали 45, 50, 40Х с поверхностной закалкой (обычно закалка с нагревом ТВЧ) до твердости HRCэ 48-56. Шпиндели сложной формы изготавливают из сталей 50Х, 40ХГР и применяют объемную закалку до HRCэ 56-60. Для прецизионных станков в условиях жидкостной смазки применяют низкоуглеродные стали 20Х, 18ХГТ, 12ХН3А с цементацией и закалкой до твердости HRCэ 56-60. Для слабонагруженных шпинделей высокоточных станков для уменьшения внутренних деформаций применяют азотируемые стали 38Х2МЮА, 38ХВФЮА с закалкой до твердости HRCэ 63-68.

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