Конструкции шпиндельных узлов и опор шпинделей обрабатывающих центров с отдельным магазином для инструментов чаще всего аналогичны конструкциям станков общего назначения. Тем не менее из описания конструкций фрезерных центров видно, что обрабатывающие центры с ЧПУ в большинстве, в передней опоре имеют для восприятия радиальных составляющих силы резания роликовые подшипники типа 3182000 и для восприятия осевых составляющих упорно-радиальные, радиальноупорные и реже упорные подшипники. В задней опоре устанавливают подшипники типа 3182000 или радиально-упорные, если осевые составляющие сил резания воспринимаются задним подшипником. Применяют в обрабатывающих центрах и конические роликовые подшипники типа 47000.
Во внутренних отверстиях шпинделей обрабатывающих центров встраивают зажимные устройства, с помощью которых осуществляется автоматическое закрепление и освобождение инструментальных оправок. Это вызывает необходимость особой тщательности и точности изготовления указанных устройств, расположенных как в отверстии, так и на заднем конце шпинделя. При появлении зазоров, нецентричности расположения от изнашивания подвижных частей в шпинделе могут возникнуть вибрации.
Типы подшипников для шпиндельных узлов целесообразно выбирать основываясь на расчетах конструкции, в зависимости от величины:
dnmax,
где d - диаметр передней шейки шпинделя, мм; nmax - наибольшая частота вращения шпинделя, об/мин.
Некоторые конструкции имеют в приводе главного движения при больших частотах вращения передачу на шпиндель гибкой связью, применяют также конструкции с разгруженным шпинделем. Посадочные места в шпинделях обрабатывающих центров зависят от конструкции хвостовиков инструментов и оправок.
Концы инструментов и оправок, применяемых в обрабатывающих центрах, могут иметь наружный конус (чаще всего) 7:24, конус Морзе или цилиндрическую форму. При цилиндрической форме хвостовики в большинстве случаев закрепляют с помощью цанговых зажимов. Наибольшее распространение в обрабатывающих центрах получили конические хвостовики. Инструменты и оправки с подобными хвостовиками или непосредственно вставляют в конус шпинделя, или имеют переходные втулки, защищающие конус оправки от повреждений. Промежуточные втулки, надеваемые на хвостовики, чаще всего применяют на стадиях транспортирования инструмента из магазина в шпиндель и обратно, а также в случаях, когда посадочная поверхность хвостовика не соответствует аналогичной поверхности в шпинделе станка. Иногда промежуточные втулки имеют различные устройства для захвата их автооператорами или для удержания в магазине. Хвостовики с конусностью 7:24 подразделяют на две группы - с нормальным и укороченным конусом. Применение хвостовиков с укороченным конусом позволяет расширить рабочее пространство на 30-40 мм.
Передача крутящего момента от шпинделя к хвостовику оправки может осуществляться без углового ориентирования через зубчатый венец на шпинделе (рис. 1) и с угловым ориентированием с помощью торцовых шпонок, прикрепленных к торцу шпинделя. В большинстве обрабатывающих центров используют второй способ, так как он обеспечивает меньшее радиальное биение инструмента (инструмент устанавливают только в двух положениях).
Рис. 1. Зубчатый венец, закрепляемый на шпинделе обрабатывающего центра
Механизмы зажима инструментальной оправки должны по возможности отличаться простотой, минимальным числом деталей, обеспечивать невозможность самопроизвольного извлечения инструмента под действием силы резания, а также точность установки инструмента, чтобы ось инструмента имела минимальное отклонение от оси шпинделя. Для закрепления оправок в шпинделе на конце хвостовика делают кольцевую выточку. Закрепление может осуществляться захватом за выточку на наружной или на внутренней поверхностях хвостовика. Большинство обрабатывающих центров имеет оправки с захватом за наружную поверхность из-за технологических трудностей обработки внутренних поверхностей оправок.
Простейшим способом закрепления инструмента является резьбовое соединение (рис. 2, а). Применение этого способа ограничено в связи с быстрым износом резьбы, длительным временем зажима, а также необходимостью создания механизмов, ограничивающих силу зажима. Совершенствованием резьбовых зажимов являются конструкции с байонетным зажимом (рис. 2, б). В этом случае время зажима сокращается, но усложняется обработка элементов крепления. В обрабатывающих центрах наибольшее распространение получили цанговые зажимы (рис. 2, в) и зажимы с радиально-движущимися элементами (рис.2, г).
Рис. 2. Механизмы закрепления инструментальных оправок в шпинделе: а - резьбовой; б - байонетный; в - цанговый; г - с радиально движущимися элементами (шариками и сухарями).
При цанговых зажимах захват элементами цанги 2 (см. рис. 2, в) стержня 3 на хвостовике оправки осуществляется тогда, когда цанга при перемещении или при надвигании на нее втулки захватывает уширенную часть стержня и, наоборот, освобождение его происходит тогда, когда цанга перемещается радиально в полость 1. Аналогично в механизмах с радиально-движущимися элементами шарики 1 (см. рис. 2, г) захватывают выступы стержня 2 на хвостовике инструмента, когда они перемещаются радиально под действием надвигающейся на них втулки, и расходятся для освобождения стержня, когда против них устанавливается полость 3 втулки.
Механизмы с применением шариков являются наиболее технологичными и наиболее часто применяемыми, но наличие малых опорных поверхностей при этом креплении создает высокие контактные деформации в элементах зажима. Сила зажима инструментов чаще всего создается с помощью тарельчатых пружин, а отжим осуществляется с помощью гидро- или пневмопривода.
