animateMainmenucolor
activeMenucolor
Главная / Фрезерный станок с ЧПУ / Подшипники Качения Шпинделя

Подшипники Качения Шпинделя

То, насколько хорошо работает шпиндель станка зависит от типа его опор. Шпиндельные узлы металлорежущих станков, их жесткость, виброустойчивость, а также точность вращения связаны с конструкцией опор. В качестве опоры шпинделя станка выступают подшипники качения и скольжения с жидкостным трением. В большинстве случаев условия работы шпинделя определяют и наиболее целесообразный тип подшипников.

К опорам шпинделей предъявляются следующие основные требования:

  • Высокая точность вращения шпинделя, поскольку биение его оси непосредственно отражается на точности обработки. Поэтому подшипники шпинделей должны удовлетворять более высоким требованиям по сравнению с подшипниками обычных валов. Биение шпинделя станков средних размеров находится пределах 0,01-0,03 мм, а шпинделя прецизионных станков - в пределах до нескольких микрон.
  • Долговечность опор. Нормальный срок службы подшипников качения принимается до 5000 ч.
  • Виброустойчивость опор. Это требование особенно важно для работы высокоскоростных шпинделей. Современные прецизионные подшипники качения отвечают требованиям виброустойчивости, подшипники скольжения обладают способностью гасить колебания благодаря масляному слою.
  • Надежность работы подшипников опор универсальных станков во всем диапазоне применяемых скоростей и нагрузок. В этом отношении преимущество имеют подшипники качения.
  • Высокие эксплуатационные свойства (легкость замены, меньший уход и т. п.). Наибольшее распространение получили подшипники качения. В станках с более постоянным режимом работы и редкими пусками, где требуется высокая виброустойчивость шпинделя, применяют подшипники скольжения (например, в шлифовальных станках).

На точность вращения шпинделей и их жесткость в опорах большое влияние оказывает точность шейки шпинделя. Из-за овальности шейки при вращении шпинделя в подшипниках скольжения происходит искажение формы обрабатываемой детали. При работе шпинделя в подшипниках качения малая скорость внутреннего кольца подшипника приводит к тому, что погрешность формы шейки шпинделя почти полностью переходит на дорожки качения. Поэтому допуски на форму и размер шейки шпинделя должны соответствовать допускам прилегаюшего элемента подшипника.

Анализ конструкций шпиндельных узлов показывает, что для шпинделей применяют все основные типы подшипников качения: шариковые радиальные и радиально-упорные, роликовые с коническими и цилиндрическими роликами, а также специальной конструкции. Для обеспечения высокой точности вращения шпинделей применяют подшипники повышенных классов точности. Выбор последних зависит от допуска на точность вращения (биение) шпинделя, которая, в свою очередь, определяется требуемой точностью обработки.

Для повышения жесткости шпиндельных опор и устранения зазоров между отдельными телами качения и кольцами применяют так называемый предварительный натяг подшипников качения осевое смещение внутренних колец относительно наружных. Существует несколько способов создания натяга. Он осуществляется на заводе-изготовителе подшипников. Внутреннее кольцо смещается относительно наружного силой Ап (рис. 1, а, б), и выступающая часть а кольца сошлифовывается. Когда будут смонтированы два подшипника (рис. 1, в), то внутренние кольца относительно наружных будут сдвинуты на величину а. Относительного смещения колец достигают также постановкой между подшипниками втулок неравной длины (рис. 1, г). Кольца могут быть смещены пружинами (рис. 1, д). Этот способ является наиболее совершенным. У подшипников с цилиндрическими роликами предварительный натяг создается деформацией внутреннего кольца подшипника.

Рис. 1. Схемы подшипников с натягом

В станкостроении применяют также специальные типы шпиндельных подшипников качения, которые отличаются от обычных не только повышенной точностью, но и конструктивными особенностями. Так, двухрядный подшипник с цилиндрическими роликами выпущен специально для шпиндельных опор станков (рис. 2). Двойной ряд роликов и их шахматное расположение повышают грузоподъемность подшипника. Обработка внутреннего кольца на конус позволяет создавать предварительный натяг в подшипнике. Подшипники данного типа все шире применяют для шпиндельных узлов различных станков, обеспечивая этим высокую точность, жесткость и долговечность опор.

Рис. 2. Передняя опора шпинделя расточного станка

При работе шпиндельного узла главную роль играет передняя опора шпинделя. Она воспринимает основные нагрузки и находится ближе к месту обработки. Поэтому компоновка шпиндельного узла осуществляется обычно таким образом, чтобы передняя опора имела более точные подшипники, часто - сдвоенные для увеличения жесткости. Точность передних подшипников обычно выбирают на класс выше, чем задних. Если осевые нагрузки воспринимаются передней опорой, задняя опора выполняется плавающей, т.е. незакрепленной в осевом направлении.

Установка упорного подшипника в задней опоре шпинделя уменьшает точность обработки в осевом направлении из-за тепловых деформаций шпинделя. В случае применения цилиндрических подшипников осевые нагрузки могут восприниматься упорными или радиально-упорными подшипниками, установленными в передней опоре (см. рис. 2). На выбор типа опор влияют величина и направление действующих сил, частоты вращения шпинделя, требования точности, условия монтажа и другие факторы. Поэтому можно указать лишь общие положения по выбору типа опор.

Шарикоподшипники применяют чаще для быстроходных (n≥20 об/с) малонагруженных опор (шпиндели внутришлифовальных станков, небольших токарных станков и автоматов, сверлильных станков). При повышенных нагрузках и прецизионности целесообразно применять подшипники с цилиндрическими роликами (шпиндели токарных и револьверных станков и автоматов, быстроходных фрезерных станков средних размеров, тяжелых шлифовальных и резьбошлифовальных станков, планшайбы быстроходных карусельных станков). При повышенных нагрузках на шпиндель (P>3 кН) и средних частотах вращения (n≤20 об/с) широко применяют конические роликовые подшипники (шпиндели многорезцовых, фрезерных и других станков). Во многих случаях шпиндель одного и того же типа может устанавливаться на разных подшипниках, причем в зависимости от конструктивного решения при тех же размерах станка обеспечиваются его различные эксплуатационные характеристики. В некоторых конструкциях длинных шпинделей для увеличения жесткости применяется третья опора.

При определении нагрузок подшипников качения шпинделя, во-первых, следует учитывать условия работы шпинделя станка, поскольку работа происходит при различных частотах вращения и нагрузках. Во-вторых, следует учитывать, что шпиндель, несущий инструмент или заготовку, подвергается дополнительным динамическим нагрузкам, возникающим в процессе резания, особенно при обработке многолезвийным инструментом (фрезерование, зубофрезерование, протягивание). Это учитывается коэффициентом динамичности kд, который в первом приближении для токарных, сверлильных и шлифовальных станков может быть принят 1,5 и для фрезерных станков - 2.

Сила предварительного натяга подшипников Aп увеличивает осевую нагрузку A, которая становится равной A+Aп. Как показали исследования, при малых значениях предварительного натяга жесткость шпиндельных опор в большой степени зависит от величины натяга. Однако, начиная с некоторого значения Aп, его влияние на жесткость перестает сказываться, и дальнейшее увеличение предварительного натяга приводит лишь к дополнительной нагрузке на подшипники и соответствующему снижению их долговечности. Минимальное значение предварительного натяга должно определяться из условия, чтобы после приложения к шпинделю полезной нагрузки в подшипнике не образовывался зазор. Исходя из этого условия (Н)

Ag > 1,58R tg β ± 0,5 A,

где R - внешняя радиальная нагрузка, Н; A - внешняя осевая нагрузка, Н (знак плюс берется, если она ослабляет натяг, знак минус - если она его увеличивает); β - угол контакта тел качения с кольцом.