Опоры Шпинделя Станка

К опорам шпинделей станков предъявляются следующие специфические для металлорежущих станков требования:

• Точность направления (радиального и осевого) шпинделя; в связи с этим в опорах шпинделей допускаются незначительные зазоры при большой жесткости опор.
• Приспособляемость к переменным условиям работы; во многих станках опоры шпинделей должны воспринимать различные нагрузки в широком диапазоне скоростей и при частых пусках и остановках.

Кроме того, к опорам шпинделей предъявляются также требования общие для опор валов, - достаточная долговечность, малые габариты, простота изготовления (подшипников скольжения), простота и удобство сборки, регулирования и разборки и т. д.

Шпиндельные узлы металлорежущих станков в качестве опор шпинделей содержат подшипники качения и подшипники скольжения.

Высокие требования в отношении точности вращения шпинделей большинства станков обусловливают частое применение в их опорах подшипников качения повышенных классов точности (П, В, А, С, а также промежуточных по ГОСТу 520-55). Кроме того, для уменьшения вредного влияния зазоров и повышения жесткости опор обычно применяют предварительный натяг, увеличение числа тел качения в подшипнике и др.

При выборе класса точности подшипников следует учитывать значительное увеличение их цены с уменьшением допусков на радиальное и осевое биения. Если принять цену подшипника нормального (H) класса точности за единицу, то для повышенных классов точности цена подшипника будет соответственно: Н-1; П-1,3; ВП-1,7; В-2; АВ-3; А-4; СА-7; С-10.

Поэтому при назначении класса точности подшипников целесообразно исходить из биения переднего конца шпинделя.

Одним из основных средств повышения точности подшипников качения в опорах шпинделей станков является предварительный их натяг. При этом устраняются зазоры между кольцами и телами качения и, кроме того, создаются упругие деформации, повышающие общую жесткость шпиндельного узла.

Рис. 1. Шпиндель агрегатного станка

В радиально-упорных шарикоподшипниках и конических роликоподшипниках при парной их установке предварительный натяг создается регулировкой во время сборки и не требует специальных конструктивных мероприятий (рис. 1 и 2).

Рис. 2. Узел шпинделя токарного полуавтомата: а - до модернизации; б - после модернизации

В радиальных шарикоподшипниках предварительный натяг можно создать осевым смещением внутренних колец относительно наружных. Практически это осуществляется за счет сошлифовывания торцов внутреннего кольца (рис. 3, а) или проставкой втулок между кольцами подшипников (рис. 3, б). Относительное смещение колец может быть также достигнуто применением пружин (рис. 3, в). Последний способ является более совершенным, так как обеспечивает постоянство силы предварительного натяга и позволяет точнее отрегулировать его.

В роликоподшипниках с цилиндрическими роликами предварительный натяг создается за счет деформации внутреннего кольца при затяжке его на коническую шейку шпинделя (рис. 3, г).

Рис. 3. Способы создания предварительного натяга подшипника

В опорах быстроходных шпинделей нашли применение специальные конструкции подшипников качения с предварительным натягом, который создается при сборке самого подшипника. Так, в подшипнике, показанном на рис. 4, а, предусмотрено разъемное наружное кольцо. При сближении половинок кольца устраняются зазоры и создается предварительный натяг, после чего полукольца фиксируются (например, анкерными кольцами) в стянутом состоянии. Сходную конструкцию имеет двухрядный шариковый подшипник на рис. 4, б, однако здесь для создания предварительного натяга применяют специальные средства при изготовлении подшипника и его сборке.

Рис. 4. Шарикоподшипники с предварительным натягом при сборке подшипника

Для повышения жесткости подшипников качения в опорах шпинделей стремятся увеличить число тел качения. С этой целью стандартизированы шпиндельные шарикоподшипники с увеличенным против нормального числом шариков. В последнее время в опорах шпинделей широко применяют двухрядные роликоподшипники с шахматным расположением роликов. Число точек контакта по окружности при этом удваивается.

Очень высокая точность вращения может быть достигнута при использовании компенсаторов в размерной цепи шпиндель - опоры - корпус. Например, кольца роликоподшипника по рис. 5 обрабатывают совместно со шпинделем и гильзой. При этом выдерживают жесткие допуски на геометрическую форму беговых дорожек (овальность, конусность) в случае возможности изменять диаметр в довольно широких пределах. После обработки диаметры колец точно измеряют и ролики подбирают с точностью до 1 мкм (полуразность диаметров).

Рис. 5. Узел шпинделя координатно-расточного станка

Подшипники качения получили также почти исключительное применение в качестве упорных подшипников для шпинделей. При этом оба упорных подшипника располагают возможно ближе друг к другу у одной опоры (рис. 6) во избежание слишком больших температурных деформаций при разогреве узла.

Рис. 6. Расположение подпятников шпинделя

При выборе материала подшипников скольжения для шпиндельных опор следует учитывать износостойкость, теплопроводность, коэффициент трения, коэффициент линейного расширения, иногда и некоторые другие свойства антифрикционных сплавов.

Ориентировочный выбор материала производится с учетом окружной скорости v и удельного давления р (рис. 7).

Рис. 7. Выбор материала для подшипников в опорах шпинделя

Чугуны обладают плохой прирабатываемостью, в связи с чем требуется тщательная отделка поверхностей вкладыша и закаленной шейки шпинделя. Для предупреждения кромочных давлений необходима достаточная жесткость шпинделя.

При малых окружных скоростях (десятые и сотые доли м/сек) чугунные подшипники способны выдерживать давления до 20-30 н/мм2.

Бронзы - ввиду сравнительно высокой цены применяются для подшипников в виде биметаллических втулок. При этом стальной или чугунный вкладыш заливают тонким (после обработки ~ 1 мм) слоем бронзы (рис. 8). Благодаря замене цельных вкладышей из бронзы биметаллическими втулками расход цветных металлов уменьшается нередко в 4-5, а иногда и в 9-10 раз, цена подшипника - в 2,5-3,5 раза, а долговечность его возрастает, особенно при заливке тонким слоем. В практике станкостроительных заводов заливка производится обычно центробежным способом.

Оловянные бронзы следует применять только в случаях, обоснованных расчетом или опытными данными.

Баббиты - применяются для вкладышей крупных подшипников в виде биметаллических втулок; обладают хорошей прирабатываемостью, в связи с чем могут работать в паре с незакаленной шейкой.

Рис. 8. Узел шпинделя плоскошлифовального станка

Нерегулируемые подшипники применяются в качестве опор шпинделей сравнительно редко в тех случаях, когда условия работы позволяют рассчитывать на практически полное отсутствие износа в течение длительного срока эксплуатации (тихоходные и слабо нагруженные шпиндели отделочных станков и т. п.). Размеры цельных нерегулируемых втулок, изготовляемых из чугуна или бронзы, стандартизованы.

Более широкое распространение в качестве опор шпинделей получили подшипники скольжения, в конструкции которых предусмотрена возможность периодического (ручного) или непрерывного (автоматического) регулирования зазора (производится обычно пружинами или гидравлическим поджимом).

В случае использования подшипников с радиальным регулированием зазора - вкладыш состоит из двух, трех, иногда большего числа частей; некоторые из них неподвижны, остальные передвигаются в радиальном направлении, за счет чего и регулируется зазор между шейкой шпинделя и подшипником (рис. 9). Основное преимущество конструкций этого типа - удобство сборки и разборки шпиндельного узла, в связи с чем они получили наибольшее распространение в качестве опор шпинделей тяжелых станков.

Рис. 9. Передняя опора шпинделя круглошлифовального станка

Подшипники с осевым регулированием зазора. Вкладыш снабжается сквозной прорезью по всей длине (рис. 10, a) или выполняется цельным (рис. 10, б). Зазор в подшипнике регулируется осевым перемещением вкладыша. При регулировании по первому способу (рис. 10, а) цилиндрическая форма вкладыша несколько искажается. Неизбежным недостатком второго способа является нарушение регулирования зазора в подшипнике при осевых смещениях шпинделя.

Рис. 10. Подшипники скольжения с осевым регулированием зазора

Подшипники с несколькими клиньями (многоклиновые подшипники) обеспечивают высокую точность вращения за счет центрирования шпинделя гидродинамическими давлениями, создаваемыми в нескольких зонах по окружности. Клиновые пространства создаются в подшипниках этого типа либо неравномерным деформированием вкладыша (рис. 11, а, б), либо применением вкладыша из нескольких самоустанавливающихся частей (рис. 12), равномерно расположенных по окружности.

Рис. 11. Многоклиновой подшипник с некруглым отверстием

Рис. 12. Многоклиновой подшипник с самоустанавливающимися вкладышами

Гидростатические подшипники предусматривают подвод масла под значительным давлением в несколько карманов (рис. 13), из которых оно вытесняется через зазор между шейкой шпинделя и подшипником. Гидростатические подшипники способны создавать режим жидкостного трения при сколь угодно малых скоростях вращения.

Подшипники с воздушной смазкой могут использовать аэродинамические давления при больших скоростях вращения, либо они выполняются как аэростатические опоры с большим избыточным давлением подводимого к ним воздуха. Особенностью воздушных подшипников являются меньшая по сравнению с гидравлическими подшипниками жесткость и меньшие потери на трение. И то, и другое обусловлено тем, что вязкость воздуха примерно в 2000 раз менее вязкости масла индустриального 20.

Рис. 13. Схема гидростатического подшипника

Тип применяемых опор для шпинделя связан с требованиями обработки и быстроходности, которая определяется скоростным параметром - произведением d•n, мм•мин^-1, где d - диаметр отверстия под подшипник, мм; n - частота вращения шпинделя, мин^-1. Эти требования для различных типов опор приведены на рис. 14.

Рис. 14. Реализуемые параметры точности и быстроходности при различных опорах шпинделя

При централизованном производстве подшипников качения шпиндельные узлы большинства станков с ЧПУ монтируются в подшипниках качения: шариковых, роликовых с цилиндрическими и коническими телами качения. Сами подшипниковые узлы имеют, как правило, сложную многорядную конструкцию, требуют высокой точности изготовления, весьма тонкой наладки.

Чаще всего шпиндельные узлы станков с ЧПУ выполняют в виде отдельных агрегатированных модулей, а для уменьшения трудоемкости их проектирования, изготовления и эксплуатации в практике станкостроения применяют типовые конструктивные схемы (рис. 15).

Рис. 15. Типовые конструктивные схемы шпиндельных узлов

Примерное конструктивное исполнение типовых шпиндельных узлов станков с ЧПУ при различных значениях параметра быстроходности d•n_max приведены на рис. 16.

Рис. 16.  Конструктивное исполнение типовых шпиндельных узлов при различной быстроходности

К недостаткам шпиндельных узлов на традиционных подшипниках качения относятся изменение рабочего натяга процессе эксплуатации, наличие износа, пониженное демпфирование. Кроме того, технологические возможности их, особенно на тяжелых станках, ограничиваются или недостаточной быстроходностью при обеспечении натяга, необходимого для черновых операций, или недостаточной нагрузочной способностью при регулировании натяга, потребного для наиболее скоростных режимов обработки. Поэтому чаще применяются компоновки шпиндельных узлов на конических роликовых подшипниках с дистанционным гидравлическим регулированием натяга от ЧПУ станка в зависимости от режима обработки (рис. 17).

В конструкцию такого подшипника введено промежуточное кольцо 1, которое совместно с наружным кольцом 2 подшипника образует небольшой цилиндр. В зависимости от величины давления в цилиндре (подаваемого по стрелке) подвижное кольцо 3 создает осевую силу на торцах роликов, чем определяется величина натяга, причем сразу в обоих подшипниках независимо от внешних условий.

Постоянный рост требований к характеристикам шпиндельных узлов станков с ЧПУ и прежде всего их подшипников потребовал качественного скачка в совершенствовании подшипниковых узлов. И хотя более 90% станков имеют шпиндели на опорах качения, возможности их во многом исчерпаны. Периодически у станков можно встретить гидростатические и аэродинамические опоры. Все чаще в конструкциях шпиндельных узлов можно встретить гидростатические подшипники (ГСП), которые не только значительно превосходят подшипники качения по точности, см. рис. 14, но и обладают более высокой демпфирующей способностью, имеют практически неограниченную долговечность, высокую нагрузочную способность при любой частоте вращения и могут, кроме того, использоваться в качестве датчиков силы (момента) в системах диагностики и адаптивного управления.
 

Рис. 17. Дистанционная регулировка натяга подшипников