Шпиндельные Опоры Качения

В шпинделях станков для обеспечения высокой грузоподъемности, точности вращения, повышенной жесткости и минимальных выделений теплоты, как правило, применяют подшипники качения специальных конструкций. Для восприятия радиальных нагрузок широко применяют двухрядные подшипники 3182100 с цилиндрическими роликами. Два ряда точных роликов, расположенных в шахматном порядке, обеспечивают грузоподъемность и жесткость подшипника при высокой точности вращения. Аналогичные подшипники качения шпинделя типа 3182100К имеют в наружном кольце четыре отверстия (под углом 90°) и кольцевую канавку, через которые смазка подается непосредственно на дорожки качения, что увеличивает быстроходность опор и повышает надежность их работы.

Для восприятия осевых сил применяют радиально-упорные подшипники в обычном исполнении (типы 36000, 46000), но чаще всего используют радиально-упорные шарикоподшипники типа 178600 с углом контакта 60°, имеющие быстроходность в 2-2,5 раза выше, чем у упорных шарикоподшипников. В станках применяют роликоподшипники конические однорядные (тип 67000) и двухрядные (тип 697000) с упорным буртом на наружном кольце, предназначенные для восприятия радиальной и осевой нагрузки, а также однорядные со встроенными в широкое наружное кольцо пружинами (тип 17000), служащие для восприятия радиальных нагрузок в задних опорах.

При повышенных требованиях к быстроходности в опорах шпинделей применяют особо быстроходные радиально-упорные шарикоподшипники (тип 36000K) с измененными конструктивными и геометрическими параметрами по сравнению с обычными. Эти подшипники собирают в комплекты по два, три или четыре.

Для создания шпиндельных узлов в виде отдельных агрегатных модулей и уменьшения трудоемкости конструирования, изготовления и эксплуатации шпиндельных узлов в практике станкостроения целесообразно применять типовые конструктивные схемы (рис. 1). Их отличительной особенностью является то, что осевая нагрузка воспринимается передней опорой, а задняя опора при этом плавающая, т.е. не закреплена в осевом направлении. В результате шпиндельные узлы металлорежущих станков повышают радиальную жесткость и уменьшают тепловые деформации переднего конца шпинделя.

Рис. 1. Типовые конструктивные схемы шпиндельных узлов на подшипниках качения и области их применения

Точность подшипников, которая регламентируется радиальным и осевым биением вращающегося кольца, во многом определяет точность вращения шпинделя. По величинам биений выбирают подшипники соответствующего класса точности. Рекомендуемые классы подшипников шпинделей станков различной точности приведены на рис. 2. Если при сборке шпиндельного узла подшипники устанавливают таким образом, что их биения направлены в одну сторону, это резко снижает биение переднего конца шпинделя.

Рис. 2. Рекомендуемые классы точности подшипников качения для шпинделей станков

Жесткость подшипников определяется упругими сближениями тел качения с кольцами и контактными деформациями колец с сопряженными деталями. Жесткость зависит главным образом от типа подшипников и их диаметра. Радиальная и осевая жесткость шпиндельных опор различных типов приведена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость жесткости подшипника от его диаметра: 1 - двухрядные роликоподшипники; 2 - конические роликоподшипники; 3 - шарикоподшипники; 4 - гидростатические опоры (при Рн = 2 МПа); 5 - упорные шарикоподшипники; 6 - упорно-радиальные шарикоподшипники; 7 - радиально-упорные шарикоподшипники

Для повышения жесткости подшипников, а также устранения зазоров (что повышает точность вращения), в них применяют предварительный натяг, т.е. прикладывают постоянную предварительную нагрузку. В радиальных шарикоподшипниках для создания предварительных натягов смещают наружные кольца относительно внутренних в осевом направлении. Для этого либо сошлифовывают торцы колец, либо применяют втулки различной длины между наружными и внутренними кольцами, либо устанавливают распорные пружины.

В роликовом подшипнике (тип 3182800) предварительный натяг создают осевым смещением внутреннего кольца подшипника на конической шейке шпинделя, что вызывает радиальные деформации кольца. В шариковых радиально-упорных и конических роликовых подшипниках (тип 697000) натяг создается при сборке за счет осевого взаимного сближения рядов тел качения, что обеспечивается размерами сопряженных деталей. В конических роликовых подшипниках (тип 17000) натяг создается постоянным осевым смещением наружного кольца относительно внутреннего с помощью встроенных в него пружин.

От тщательности и точности регулирования предварительного натяга во многом зависит работоспособность шпиндельного узла. На рис. 4 представлена зависимость жесткости и долговечности подшипника типа 3182100 от предварительного натяга. При увеличении предварительного натяга резко возрастает тепловыделение в подшипниках. Натяг или зазор шпиндельных подшипников обычно регулируют в специальном приспособлении на собранном узле вне станка или на станке. Для упрощения этой операции применяют дистанционные кольца. Их размеры устанавливают заранее и при сборке точно ограничивают силу предварительного натяга.

Рис. 4. Зависимость жесткости и долговечности от величины зазора-натяга ∆r: а - жесткости iп∆, отнесенной к жесткости подшипника при нулевом зазоре натяге iп∆=0; б - долговечности по усталости L∆, отнесенной к долговечности при нулевом зазоре-натяге L∆=0; 1 - нагрузка на опору 5000 Н; 2 - нагрузка на опору 11000 Н

Посадки подшипников качения оказывают большое влияние на точность вращения шпинделя и другие критерии работоспособности, так как они сказываются на величине и постоянстве предварительного натяга в подшипниках. Вращающиеся (внутренние) кольца подшипников нужно устанавливать с небольшим натягом (-2 ÷ -4 мкм); невращающиеся (наружные) кольца - с натягом в низкоскоростных шпиндельных узлах и с небольшим зазором в высокоскоростных. Отклонения размеров и формы сопряженных с подшипником поверхностей деталей шпиндельного узла не должны превышать допустимых отклонений для тех элементов подшипников, с которыми контактирует данная деталь.

Потери на трение в подшипниках качения оцениваются по моменту трения либо тепловым потоком, Вт, выделяемым в них. Теплота, выделяемая в подшипнике, ведет к нагреву стенок корпуса и самого шпинделя и, как следствие, к температурным деформациям. Неравномерность нагрева наружного и внутреннего кольца подшипника существенно изменяет первоначально установленную величину натяга (рис. 5, а). Поэтому окончательное регулирование шпиндельных подшипников целесообразно проводить при достижении в узле установившегося значения температуры. При переменном характере режима работы и высоких требованиях к точности обработки целесообразно применять искусственное охлаждение опор шпинделей.

Рис. 5. Изменение температуры и натяга в передней опоре шпинделя токарного станка с числовым управлением: 1 - температура в подшипнике; 2 - температура в стенке корпуса; 3 - натяг в опоре

Применяют специальные конструкции шпиндельных подшипников с регулированием натяга или поддержанием его на заданном уровне. На рис. 6 изображен подшипник, в котором предусмотрено промежуточное кольцо 2, образующее вместе с наружным кольцом 1 подшипника небольшой гидроцилиндр. Поршень-кольцо 3, смещаясь под давлением масла, создает осевую силу предварительного натяга, воздействуя на торцы роликов 4. Давление масла автоматически изменяется при изменении температуры или нагрузки в узле, что обеспечивает независимость натяга подшипника от внешних воздействий.

Рис. 6. Роликоподшипник с регулируемой, величиной натяга