5 Шпиндельные узлы станков

5.1 Шпиндели станков. Шпиндель – одна из наиболее ответственных деталей станка. От него во многом зависит точность обработки. Шпиндель является последним звеном коробки скоростей, несущим заготовку и инструмент. Поэтому расчет и конструктивное оформление шпинделей имеет свою специфику по сравнению с другими валами.

Конструкцию шпинделя определяют следующие факторы:

а) размер шпинделя, расстояние между опорами, наличие отверстия для пропуска материалов;

б) приводные детали (шестерни, шкивы) и их расположение на шпинделе;

в) тип подшипников, которые определяют посадочные места под них;

г) метод крепления патрона для детали или инструмента, что определяет конструкцию переднего конца шпинделя.

Передние концы шпинделей стандартизованы. Например, для токарных станков применяются резьбовой или фланцевый конец шпинделя.

На резьбовом конце можно быстрее закрепить патрон, однако резьба сравнительно быстро выходит из строя и тогда требуется ремонт всего шпинделя. Кроме того имеется опасность самоотвинчивания патрона.

Фланцевый конец не имеет резьбы, а патрон крепится винтами на конусный буртик. Шпиндель имеет более сложную форму.

Весьма важным является выбор типа передачи на шпиндель.

Выбор типа привода на шпиндель (зубчатая или ременная передача) зависит в первую очередь от его числа оборотов и от величины передаваемого усилия. Зубчатая передача более проста и компактна и передает значительные крутящие моменты. Однако из-за наличия бокового зазора она не может обеспечить высокую чистоту обработки на шлифовальных, координатно-расточных и других станках. В станках с переменными усилиями резания, например, на фрезерных, при зубчатых передачах уменьшается плавность вращения шпинделя и возрастают динамические нагрузки в деталях коробки скоростей. Поэтому передача вращения шпинделю зубчатыми колесами применяется для числа оборотов в минуту не выше 1500-2000.

В случае применения ременной передачи получается, как правило, не только увеличение габаритов, но и усложнение конструкции. Ведомый шкив следует устанавливать на самостоятельные опоры, чтобы разгрузить шпиндель; надо производить натяжение ремня и т.д.

Но эти усложнения компенсируются теми преимуществами, которые обеспечивает ременная передача для быстроходных шпинделей.

Плавность вращения шпинделей в случае ременного привода обеспечивает высокую чистоту обработки.

Для фрезерных и других станков с прерывистым резанием применение ременной передачи снижает максимальные значения крутящих моментов. Это происходит вследствие податливости ременной передачи и мгновенного ее проскальзывания под воздействием удара, возникающего при врезании фрезы в металл.

Неравномерность вращения шпинделя при динамических нагрузках будет тем большая, чем меньше жесткость ременной передачи. Поэтому желательно, чтобы жесткость ременной передачи и проскальзывание имели возможно более высокие значения.

Для привода шпинделя применяются как плоскоременные, так и клиноременные передачи. Ременный привод может обеспечить число оборотов шпинделя до 6000 в минуту и выше, когда окружные скорости ремня доходят до 60-100 м/мин. Однако для более высокоскоростных шпинделей, например, внутришлифовальных станков, ременная передача уже не может обеспечить передачу требуемых нагрузок, так как возможна неустойчивая работа ремня. В этом случае привод шпинделя может осуществляться пневматической турбиной до 100000 об/мин или электрошпинделем, который применяется при числах оборотов до 150000 оборотов и выше.

5.2 Требования, предъявляемые к опорам шпинделей. Работа шпинделя зависит от типа его опор. Установлено, что жесткость шпиндельного узла, его виброустойчивость, а также точность вращения связаны с конструкцией опор. В качестве опор шпинделей применяются подшипники качения и подшипники скольжения с жидкостным трением. Иногда оба типа подшипников могут быть применены с одинаковым успехом.

К опорам шпинделей предъявляются следующие основные требования:

1 Высокая точность вращения, поскольку отклонение оси вращения шпинделя непосредственно отразится на точности обработки. Поэтому как к подшипникам качения, так и к подшипникам скольжения шпинделей предъявляются особые, более высокие требования, по сравнению с подшипниками обычных валов.

Биение шпинделя обычных станков средних размеров находится в пределах 0,01-0,03 мм, а для прецизионных станков доходит до нескольких микрометров.

Эту точность могут обеспечить подшипники качения и скольжения. Однако в последнем случае при изменении нагрузки или скорости будет происходить изменение положения оси вращения шпинделя, так как будет изменяться толщина масляной пленки.

2 Опоры шпинделей должны быть долговечны. Подшипники качения имеют ограниченный срок службы, и чем выше число оборотов шпинделя, тем ниже долговечность подшипников, поэтому для скоростных шпинделей повышение сроков службы подшипников является важной задачей. Нормальный срок службы подшипников качения составляет до 5000 часов. Подшипники скольжения изнашиваются только в период пуска, останова и реверса шпинделя, и поэтому при редких включениях станка они долговечны и могут работать длительное время без ремонта.

3 Виброустойчивость опор – важное условие для работы высокооборотных шпинделей. Современные прецизионные подшипники качения отвечают требованиям виброустойчивости. Подшипники скольжения обладают способностью гасить колебания, т.е. оказывать демпфирующее действие за счет масляного слоя.

4 Для универсальных станков необходимо, чтобы подшипники работали одинаково надежно во всем диапазоне применяемых скоростей и нагрузок. В этом отношении неоспоримое преимущество подшипников качения, чем и объясняется их большее распространение в станках.

5 Эксплуатационные преимущества (легкость замены, меньший уход и т.д.) обладают подшипники качения, в результате чего они и получили наибольшее распространение. Для тех станков, где имеет место более постоянный режим работы, где редки периоды пуска станка и требуется высокая виброустойчивость шпинделя, с успехом применяются подшипники скольжения. К таким станкам в первую очередь относятся шлифовальные станки, которые занимают все больший удельный вес в общем парке станков.