Шпиндельные Узлы Металлорежущих Станков

Шпиндельный узел металлорежущего станка - это шпиндель на опорах, установленных в собственном корпусе или непосредственно в корпусе шпиндельной бабки. В современных шпиндельных узлах применяются опоры качения, гидродинамические, гидростатические, аэростатические, а в последнее время и электромагнитные опоры.

Шпиндель, являющийся конечным звеном главного привода металлорежущих станков, оказывает существенное влияние на качество и производительность обработки.

Основные требования предъявляемые к шпиндельным узлам металлорежущих станков:

• точность вращения;
• жесткость;
• виброустойчивость;
• несущая способность;
• долговечность;
• быстроходность;
• малые тепловыделения и температурные деформации;
• быстрое и точное закрепление инструмента (детали) и его автоматизация;
• минимальные затраты на изготовление и эксплуатации.

Наиболее распространены в шпиндельных узлах станков (как наиболее экономичные и надежные) опоры качения. В обычных подшипниках качения, в которых не принято специальных мер для достижения высоких скоростей, параметр быстроходности не превышает dn≤0,4*10⁶ мм об/мин (где d-внутренний диаметр подшипника, n-частота вращения). Благодаря совершенствованию способов и видов смазки и охлаждения, динамической балансировке шпинделя в подшипниках качения значения dn могут быть увеличены до 2,5*10⁶ мм об/мин. Гидростатические подшипники работают обычно при dn≤1,5*10⁶ мм об/мин, аэростатические - при dn≤(2,5-3,0)*10⁶ мм об/мин.

Основные типы опор качения шпиндельных узлов:

• двухрядные роликовые с коническим отверстием типа 3182100;
• роликовые радиально-упорные конические типов 2007100, 7100 и их модификация типа 117000 с дистанционно управляемым предварительным натягом;
• шариковые упорно-радиальные типа 178000;
• шариковые радиально-упорные типов 36000, 46000;
• шариковые упорные типа 8000.

Основные схемы расположения подшипников в опорах шпиндельных узлов приведены на рис. 1.

Схема 1, по которой радиальные нагрузки в обеих опорах воспринимаются двухрядными роликовыми подшипниками типа 3182100, а осевые - шариковые упорно-радиальными типа 178000 (устанавливаемыми вблизи передней опоры), является для среднескоростных шпиндельных узлов (dn≤0,4*10⁶ мм об/мин) наиболее оптимальной и широко распространена в станках токарной, сверлильно фрезерно расточной и других групп.

Модификации схемы 1:

• в задней опоре вместо роликовых устанавливаются шариковые подшипники (снижается стоимость, но падает жесткость шпиндельного узла металлорежущих станков);
• упорно-радиальные подшипники заменяются упорными (при отсутствии жестких требований по быстроходности).

Схема 2 с роликовыми коническими подшипниками типа 117000 с управляемым натягом Р_н.у при сохранении достоинств схемы 1 позволяет увеличить быстроходность шпиндельного узла, в особенности для шпиндельных узлов тяжелых металлорежущих станков.

Рис. 1. Основные схемы расположения подшипников в опорах шпиндельных узлов

Модификации схемы 2:

• подшипники типа 117000 заменяются на опоры с пружинным натягом Р_н;
• исполнение только с монтажным предварительным натягом (опоры типа 2007100);
• установка в передней опоре двух подшипников.

Все эти модификации имеют пониженную по сравнению с базовой быстроходность.

Схема 3, по которой в передней и задней опорах устанавливаются комплекты шариковых радиально-упорных подшипников типов 36000, 46000, имеет преимущества перед схемами 1 и 2 по быстроходности и тепловыделению, но проигрывает по критерию жесткости. Она распространена для быстроходных шпиндельных узлов станков фрезерной, шлифовальной и др. групп.

Модификации схемы 3:

• количество подшипников в одной опоре изменяется от одного до трех (редко четырех);
• исполнение только с монтажным предварительным натягом.

Особенности конструкции шпиндельных узлов зависят от типа и размера металлорежущего станка, класса точности, параметров обработки. Как правило, это шпиндель на двух опорах качения, неподвижный относительно корпуса шпиндельной бабки в осевом направлении.

Анализ расчетных зависимостей на точность вращения позволяет сделать выводы:

• по критерию точности вращения следует увеличивать межопорное расстояние;
• биение передней опоры шпиндельного узла в большей степени, чем задней сказывается при проведении к инструменту;
• взаимной пригонкой при сборке шпиндельного узла можно уменьшать биение, приведенное к инструменту.

Осевое биение в основном определяется торцевым биением опор и сопрягаемых с ними деталей.

Радиальная жесткость шпиндельного узла в основном определяется податливостью собственно шпинделя и инструмента, податливостью опор, а также контактной податливости стыка конус-оправка.

Податливость опор в зависимости от требуемой точности расчета, определяется:

• с учетом только упругих деформаций тел качения и колец подшипников;
• дополнительно с учетом контактных деформаций на посадочных поверхностях колец подшипников;
• с учетом влияния зазора-натяга и точности изготовления опор.

Уточненный расчет радиальной жесткости шпиндельного узла производят с помощью электронных вычислений. При этом возможны учет влияния защемляющего момента в осевой опоре, уточнение геометрических параметров шпинделя и т. д.

Осевая жесткость шпиндельного узла определяется в основном параметрами осевых опор и сопрягаемых деталей.

Расчет на жесткость сводится к определению деформаций изгиба и в отдельных случаях - деформаций кручений.

При составлении расчетной схемы шпиндель обычно заменяют балкой на шарнирных опорах. Такое допущение справедливо при наличии в опорах по одному подшипнику качения. Несколько подшипников в одной опоре при уточненных расчетах следует рассматривать как упругую опору, а шпиндель на подшипниках скольжения - как балку на упругих основаниях. Последний случай может быть также условно сведен к балке, лежащей на шарнирных опорах с добавлением реактивного момента M в опоре (рис. 2), величина которого колеблется по опытным данным в пределах от нуля (при незначительных нагрузках - отделочные станки) до 0,3-0,35 от внешнего момента, действующего в среднем сечении шпинделя на опоре.

При приближенных расчетах прогибы и углы поворота сечений шпинделя могут быть определены аналитически.

Допускаемый прогиб на конце шпинделя принимают с учетом требований, предъявляемых к точности обработки на станке. При этом прогиб на конце шпинделя ограничивают некоторой долей (обычно ⅓) допуска на биение конца шпинделя. Прогибы и углы поворота в других сечениях шпинделя ограничиваются требованиями удовлетворительной работы передач и подшипников.

Рис. 2. Схема к расчету прогибов шпинделя: 1 - теоретическая линия изгиба оси шпинделя на ножевых опорах; 2 - действительная упругая линия изгиба оси шпинделя; 3 - теоретическая линия изгиба оси шпинделя при жесткой заделке в передней опоре

Расчет на виброустойчивость, который предусматривает определение собственной частоты шпинделя с целью избежания резонансных колебаний, рекомендуется производить для быстроходных шпинделей. Собственную частоту колебаний можно определять любым из методов, рассматриваемых в курсах теоретической механики. При отсутствии значительных масс, расположенных на консоли, целесообразно применять графический способ (рис. 3 - для шпинделя токарно-револьверного станка).

Рис. 3. Схема к расчету шпинделя на виброустойчивость

Динамические характеристики необходимы для оценки динамического поведения шпиндельного узла металлорежущего станка при вращении на холостом ходу и расчетов виброустойчивости при резании. При динамических расчетах в основном определяются:

• низшие частоты собственных колебаний и амплитудно фазовые частотные характеристики;
• амплитуды колебаний инструмента (заготовки) на холостом ходу.

Шпиндельный узел станка являются сложными динамическими системами с распределенными и сосредоточенными параметрами. Расчет характеристик колебаний при вращении на холостом ходу производят, как правило, для высокоскоростных шпиндельных узлов при жестких требованиях по точности. В свое время ЭНИМС разработал для этой цели программное обеспечение позволяющее на стадии проектирования получать количественные оценки влияния на уровень вибраций узлов, их конструктивно-технологических параметров, а также качества изготовления и сборки.

Расчет температурных характеристик шпиндельных узлов металлорежущих станков в связи с постоянным ростом скоростей и нагрузки становится все более актуальным. Основными задачами расчета являются:

• определение величин температурных деформаций переднего конца шпинделя и их изменения во времени;
• анализ влияния на температурные характеристики конструктивных параметров и условий работы шпиндельного узла (конструктивной схемы, типоразмера опор, способа и создания величины предварительного натяга, типа смазки и т.д.).

Достоверный расчет температурных характеристик может быть произведен только с помощью электронных вычислений. В ЭНИМС была разработана подсистема “Температурные поля и температурные деформации” позволяющая по данным чертежа шпиндельного узла и режимам работы определить изотермы температурных полей и линии деформированного состояния узла в аналитическом и графическом виде, при этом возможен анализ вариантов конструкций с учетом влияния величины:

• зазора-натяга;
• вязкости масла;
• частоты вращения и т.д.

Влияние конструктивных и эксплуатационных параметров шпиндельного узла металлорежущих станков на рабочие характеристики в ряде случаев противоречиво. При выборе каждого из них следует проводить сравнительные расчетные оценки возможных вариантов по разным критериям. Основными параметрами шпиндельных узлов являются:

• типы подшипников и схемы их расположения;
• главные конструктивные размеры (диаметры шеек под подшипник, длины и диаметры участков шпинделя и т.д.);
• способ и величина предварительного натяга;
• вид и способ смазки и охлаждения.

Выбор параметров шпиндельного узла производится с учетом всего комплекса требований и условий работы станка.

Существенную помощь конструктору при выборе и оптимизации параметров шпиндельного узла на этапах эскизного и технического проектов оказывает разработанная ЭHИМС автоматизированная подсистема “Шпиндельный узел”. Она обеспечивает синтез эскиза шпиндельного узла на основе автоматизированного проектировочного расчета, а также определение рабочих характеристик спроектированного с помощью электронных программ или традиционным способом шпиндельный узел и его элементов.

Исходными данными для синтеза эскиза шпиндельного узла служат технические характеристики, сведения о предпочтительных типах опор и приводных элементах. Для проверочных расчетов исходными данными являются эскиз узла, параметры опор и нагрузок.

В результате на этапе синтеза программа выдает эскиз разработанного шпиндельного узла с основными размерами и распечаткой дополнительных величин и комментариев. В результате проверочного расчета получают жесткость, амплитудно фазовые частотные характеристики, долговечность подшипников, установившуюся температуру и другие параметры шпиндельного узла. Работа происходит в режиме диалога. Окончательный вариант шпиндельного узла на основе полученной информации выбирает конструктор.

Точность фрезерной обработки детали на многих станках определяется в значительной мере точностью вращения шпинделя, передающего движение закрепленному в нем инструменту или обрабатываемой детали. В связи с этим к шпиндельным узлам станков предъявляются следующие основные требования:

Точность вращения - характеризуется обычно биением переднего конца шпинделя. Для большинства станков общего назначения допускаемые величины биения переднего конца шпинделя - радиального и осевого - стандартизованы; для специальных станков они назначаются с учетом требуемой точности обрабатываемой на станке детали.

Жесткость - определяется правильностью положения шпинделя под действием рабочих сил. Слишком большие деформации шпинделя неблагоприятно отражаются на точности обработки и на работоспособности опор шпинделя и его привода.

Виброустойчивость - это требование предъявляется к шпинделям скоростных станков, особенно - предназначенных для выполнения отделочных операций.

Износостойкость трущихся опорных поверхностей, если они предусмотрены на шпинделе, при наличии опор скольжения или при относительном продольном перемещении элементов привода и шпинделя (на сверлильных, расточных и других станках).

Указанные требования обеспечиваются правильным выбором материалов и конструкции шпинделя и его опор.

Для большинства шпинделей основным требованием является достаточная жесткость, зависящая, в частности, от модуля упругости материала шпинделя. В связи с тем, что модуль упругости различных сталей практически одинаков, нет оснований применять для шпинделей легированные стали, если применение их не диктуется иными требованиями; поэтому в качестве основного материала для изготовления шпинделя используют среднеуглеродистую конструкционную сталь 45 с последующим улучшением (закалка с высоким отпуском до твердости HRC 22-28).

При повышенных требованиях к шпинделю и необходимости обеспечения высокой твердости его поверхности (или отдельных участков ее) применяют иногда сталь 40Х с закалкой и отпуском до HRC 40-50. Лучшие результаты дает в этих случаях закалка т. в. ч., которая обеспечивает поверхностную твердость шеек шпинделя (при применении подшипников скольжения) до HRC 48-60 и значительно меньшие деформации при термической обработке. При особо высоких требованиях к поверхностной твердости шеек шпинделя применяют также малоуглеродистые стали типа 20X с последующей цементацией, закалкой и отпуском до HRC 56-62.

Для слабонагруженных шпинделей особо точных станков применяют сталь 35ХМЮА, подвергая ее азотированию с последующей закалкой и отпуском до твердости HV 850-1000, что обеспечивает особо высокую поверхностную твердость при очень малых деформациях.

Для шпинделей тяжелых станков применяют марганцовистые стали типа 50Г2 с последующей нормализацией (слабо нагруженные шпиндели) или закалкой и высоким отпуском до HRC 28-35.

В отдельных случаях для изготовления полых шпинделей большого диаметра в расточных и некоторых других станках целесообразно применять серый чугун СЧ 15-32 или СЧ 21-40, или высокопрочный чугун с шаровидным графитом в литой структуре. Конструктивная форма шпинделя определяется характером закрепления в нем инструмента или обрабатываемой заготовки, посадками элементов привода и типом применяемых опор (см., например, рис. 4).

Рис. 4. Схема шпинделя: а - узел; б - рабочий чертеж

Концы шпинделей станков общего назначения стандартизованы (рис. 5), чем и предопределяется в значительной степени конструкция шпинделя в целом.

Рис. 5. Основные типы концов шпинделей станков