animateMainmenucolor
activeMenucolor
Главная / ЧПУ станок / Шпиндельные Узлы Металлорежущих Станков

Шпиндельные Узлы Металлорежущих Станков

Шпиндельный узел металлорежущего станка

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.

Основные типы шпиндельных узлов и их конструкции

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 Рн.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 Рн;
  • 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.

Жесткость шпиндельного узла металлорежущего станка

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.

Динамические характеристики шпиндельных узлов

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.

Температурные характеристики шпиндельных узлов станков

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.

Выбор и оптимизация параметров шпиндельных узлов при проектировании

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.