Шпиндельные узлы

Шпиндельные узлы предназначены для осуществления точного вращения инструмента или заготовки и в значительной степени определяют качество обработки.

Критериями работоспособности являются точность, быстроходность, нагрузочная способность, статическая жесткость, динамические характеристики, энергетические потери, нагрев опор, статические, динамические и температурные смещения переднего конца шпинделя, ресурс работы.

Точность характеризуется радиальным, осевым и торцовым биением шпинделя и для средних станков составляет 5...8 мкм. Подшипники выбираются примерно в 3 раза точнее, чем допустимое биение. Наиболее точные станки имеют биение 0,1...0,02 мкм.

Быстроходность. В настоящее время скорость резания заготовок из стали и чугуна достигает 1600...2500 м/мин, алюминия - 3000...4000 м/мин, а пластиков - 3000... 10 000 м/мин. Скорость шлифования выросла до 100 м/с и более. Быстроходность оценивается по параметру nd, где d - диаметр под шейку переднего подшипника, мм, а п — частота вращения (мин-1). Для различных экспериментальных опор этот показатель (при специальных мерах) имеет следующие значения, мм/мин:

  • 2.5.∙ 106 для шпинделей на подшипниках качения;
  • 1,8 ∙ 106 на гидростатических опорах (ограничена потерями мощности);
  • 3 - 106 на аэростатических подшипниках (ограничена потерей устойчивости из-за полу скоростного вихря);
  • 6 ∙ 106 на электромагнитных опорах (ограничена механической прочностью материала шпинделя, разрушающегося от центробежных сил).

Рабочие параметры обычно ниже приведенных здесь в 1,5-2 раза.

Нагрузочная способность определяет передаваемый крутящий момент или мощность привода Р. Для токарных и фрезерных станков P/d ≈ 0,2...0,35 кВт/мм, для электрошпинделей на опорах качения, гидростатических и аэростатических этот показатель составляет соответственно P/d = 0,75; 0,3...0,8; 0,4.

Статическая жесткость. Необходимо стремиться к максимально возможной жесткости исходя из особенностей конструкции. Баланс упругих перемещений конца шпинделя токарных станков на подшипниках качения составляет:

  • деформация передней и задней опор соответственно 40...50 % и 2...3 %;
  • деформация консольной части шпинделя 15...20 %;
  • деформация межопорного участка 30...40 %.

На долю упругих перемещений устройств, крепления инструмента или детали приходится 30...50 % общей деформации. Например, на токарном станке со шпинделем диаметром d — 110 мм деформация распределялась следующим образом: 16 % шпиндель; 28 % опора; 36 % кулачковый патрон. Деформация шпиндельного узла многоцелевого станка с диаметром шпинделя 80 мм распределялась: 37 % шпинделя с опорами; 11 % оправки; 52 % конического соединения шпинделя с оправкой.

Достигнутая статическая жесткость составляет (4...5)d Н/мкм (d в мм). Статическая жесткость сильно зависит от диаметра d шпинделя (в четвертой степени), длины консоли а конца шпинделя (в третьей степени) и мало зависит от расстояния b между опорами, причем увеличение b сверх оптимального значения лучше, чем его уменьшение. Назначение размеров шпинделя (диаметров, длины переднего конца) производится с учетом силовых и скоростных характеристик станка. Статистические данные позволяют практически однозначно связать размеры переднего конца с основным размером станка. Принятые соотношения диаметра шпинделя и основного размера станка приведены ниже:

Шпиндельные узлы

Динамические характеристики шпиндельного узла включают частоту собственных колебаний, АФЧХ, динамическую жесткость, форму колебаний на собственной частоте. Собственная частота шпинделя должна превышать максимальную частоту вращения не менее чем на 30 % (большинство шпинделей работают в дорезонансной зоне). Собственную частоту увеличивают, изменяя d, а и b. Колебания шпинделя на холостых ходах являются следствием действия центробежных сил, возмущений от подшипников (форма рабочих поверхностей колец и шариков), а также привода (кинематических погрешностей колес, изменения натяжения в ветвях ременной передачи из-за ошибок шкивов и ремней и др.). Меньший уровень вибрации наблюдается при использовании подшипников более тяжелых серий.

Энергетические потери характеризуются моментом трения и мощностью холостого хода и учитываются при выборе опор, при назначении мощности привода. Следует иметь в виду, что высокоскоростные шпиндели имеют весьма большие потери мощности на трение при большой частоте вращения. При трогании с места потери на трение в 1,5-2 раза выше, чем при вращении. Двухрядный роликоподшипник имеет примерно в 2 раза больше потерь, чем радиальноупорный шариковый. Потери на трение гидростатических и гидродинамических опор при высоких скоростях (15...20 м/с) превышают потери опор качения.

Нагрев опор приводит к изменению натяга в подшипниках, к тепловому смещению конца шпинделя. Средняя температура опор не должна превышать 50...60 °С. В зависимости от класса точности станка допускается следующая температура опор.

Шпиндельные узлы

Нагрев опор сильно зависит от смазочного устройства.

Допустимое смещение конца шпинделя, вызванное статическими, динамическими деформациями или тепловыми явлениями, определяется особенностями работы станка.

Срок службы шпиндельного узла не регламентируется, ограничивается, как правило, износом опор качения и составляет 10 000...30 000 ч.

Классификация шпиндельных узлов (ШУ) по различным признакам (табл. 3.3). По виду опор различают шпиндельные узлы на подшипниках качения (более 90 %), гидростатических, гидродинамических, аэростатических и электромагнитных опорах. Наиболее универсальными являются подшипники качения, однако точность их ограничена, как правило, 2 мкм, в то время как бесконтактные опоры по этому показателю существенно лучше.

В табл. 3.4 приведено сравнение различных шпиндельных опор.

По совокупности признаков наилучшими являются опоры качения, которые применяют в большинстве случаев. Только при особых требованиях (точности, демпфировании, быстроходности) переходят к опорам других типов.

В зависимости от расположения опор используют двухопорные (схема б, табл. 3.3) или трехопорные (схема 7) шпиндельные узлы, а также узлы с передним (схема 8, а также см. рис. 3.15), задним (схема 9, а также см. рис. 3.23, а) расположением осевых подшипников. В отдельных случаях, например, при упругой установке опор, а также при коротких шпинделях применяют шпиндельные узлы с установкой осевых подшипников в передней и задней стенке (схема 10, а также см. рис. 3 17,3.18).

Наиболее распространены двухопорные шпиндельные узлы как наиболее простые и точные, трехопорные используют редко для повышения жесткости и виброустойчивости. С позиции тепловых деформаций предпочтительным является переднее расположение осевых опор (схема 8), однако для упрощения конструкции, обслуживания, сборки применяют и заднее расположение опор.

По связи с приводом различают следующие шпиндельные узлы: с автономной коробкой передач КС (схема 11, а также см. рис. 3.15, 3.16);

  • с коробкой, встроенной в шпиндельный узел (схема 12, а также см. рис. 3.18);
  • мотор-шпиндели, в которых привод 1 встроен непосредственно в шпиндель (схема 13 и рис. 3.13);
  • многошпиндельные узлы (схема 14), в которых движение от одного ведущего вала передается на ряд параллельных шпинделей;
  • шпиндельные узлы с двойным приводом (схема 15) от коробок скоростей и подач. Во время работы одного из них второй автоматически отключается. Такое решение используют при круговой подаче, например, при фрезеровании и обточке заготовок на станках токарной группы (см. рис. 3.35).

Шпиндельные узлы

Шпиндельные узлы

В зависимости от конструктивного исполнения шпиндельного узла ШУ можно выделить гильзовое исполнение (схема 16, а также см. рис. 3.21 и 3.24), при котором шпиндельный узел выполнен в виде гильзы, что позволяет проводить унификацию и организовать централизованное производство.

Шпиндельные узлы

Шпиндельные узлы

Для расширения технологических возможностей станков применяют различные съемные узлы, например, прямую 1 или угловую 2 (схема II и рис. 3.14) расточно-фрезерную головки. В этом случае шпиндель выполняется в каждой из сменных головок, а в корпусе 3, на котором они устанавливаются, предусматривают только привод. В конструкции по рис. 3.14 угловая головка 2 закрепляется в ползуне 3 хомутом 1. Наиболее часто шпиндель располагается в корпусе шпиндельной бабки (схема 18, а также см. рис. 3.15, 3.18, 3.19).

В горизонтально-расточных станках применяют шпиндельные узлы, в которых предусмотрено два шпинделя: полый 1 (схема 19 и см. рис. 3.8) и второй 2 меньшего диаметра, осуществляющий наряду с вращением также осевое перемещение (относительно полого шпинделя). В особо тяжелых горизонтальнорасточных станках предусмотрено два соосных шпинделя с автономными приводами (схема 20), один из которых используется для вращения малого шпинделя. а на другой (большего диаметра) насаживается планшайба.

По способу закрепления детали и инструмента различают шпиндельные узлы: с ручным зажимом, например шлифовального круга (схема 21); с механизированным зажимом, например заготовки на токарном станке (схема 22) или инструмента на станках фрезерного типа (схема 23).

В шпиндельном узле с высокой частотой вращения предусматривают механизмы зажима с исключением влияния центробежных сил на усилие (схема 24, также см. рис. 2.28, б). Применяют также схему закрепления инструмента на специальной оправке (например, червячной фрезы), которая зажимается в шпинделе станка (схема 25).

Разновидность шпиндельных узлов по другим признакам приведена в схемах 26 - 30. При автоматической смене инструмента необходима угловая ориентация шпинделя, которая может производиться механическими способами (схема 26) или с использованием датчиков углового положения шпинделя. В отдельных случаях применяют узлы с автоматически регулируемым натягом в подшипниках (схема 27), с контролем вибродатчиками и автоматической балансировкой шпинделя (схема 28), с периодическим контролем положения оси шпинделя с помощью датчика 1 (схема 29), с компенсацией тепловых смещений (схема 30). В этом случае в корпус встроены электрические сопротивления 1 и 2, величина которых изменяется в зависимости от температуры. Эти данные поступают в микропроцессорное устройство 3, а затем в систему ЧПУ станка.

В ряде случаев в шпиндельный узел встраивают устройства для контроля силы резания и температуры. Это позволяет регламентировать износ инструмента и обнаруживать его поломку, определять оптимальное время правки шлифовального круга и т.п. При применении подшипников качения контроль силы производится тензодатчиками, встроенными в кольцевые проточки колец подшипника.

Разновидности шпиндельных узлов (табл. 3.5). По подшипникам. Наиболее широкое применение нашли шпиндельные узлы на опорах качения. Конические роликоподшипники (схема 1) обладают максимальной жесткостью С*, но ограничены низкими частотами вращения. Они весьма чувствительны к установке зазора - натяга.

Хорошие показатели по точности, жесткости и виброустойчивости имеют радиальные двухрядные роликоподшипники (схема 2), которые монтируют с небольшим натягом, увеличивающимся при нагревании. Их применение ограничено станками со средней быстроходностью.

С ростом быстроходности более широко стали применяться радиальноупорные шарикоподшипники (схема 3). Их жесткость значительно (до 5 раз) уступает роликовым подшипникам, и ее повышают установкой нескольких подшипников и созданием соответствующего предварительного натяга. Жесткость пропорциональна величине натяга в степени 0,5, а силе натяга - в степени 1/3. С ростом натяга жесткость возрастает сначало быстро, а затем медленно, поэтому больших натягов нужно избегать. Главный критерий выбора натяга - предотвращение раскрытия стыков подшипника при низких частотах вращения и чрезмерного проскальзывания при высоких (для избежани я износа и нагрева).

Упорно-радиальные подшипники (схема 4) применяют для восприятия осевых нагрузок при средней быстроходности. Упорные подшипники (схема 5) имеют меньшую быстроходность, но большую жесткость. Особенностью высокоскоростных шарикоподшипников является действие на тела качения центробежных сил и гироскопических моментов. Центробежные силы прижимают шарики к дорожкам наружных колец, вследствие чего происходит изменение углов контакта шариков и перераспределение контактных нагрузок, что снижает жесткость и ресурс. Кроме того, натяг должен исключить проскальзывание шариков от гироскопических моментов. Тип подшипника выбирают исходя из максимальной жесткости с учетом допустимых частот вращения.

Шпиндельные узлы

По виду смазки различают опоры с проточной смазкой (схема б), со смазкой впрыскиванием (схема 7), с дозированной подачей смазочного материала в зону контакта, смазку «масляным туманом» (схема 8) и с пластичной смазкой (схема 9). В большинстве случаев смазочный материал выбирают исходя из быстроходности с учетом допустимого нагрева, а также из конструктивных соображений. Смазывание имеет большое значение. Недостаток смазочного материала приводит к появлению скольжения и износу тел качения, избыток - к нагреву из-за интенсивного перемешивания и потери смазочной способности. (При d = 80 мм nd = 1,4 ∙ 105 мм/мин, при увеличении расхода смазочного материала от 0,7 до 3 л/мин потери возрастают от 2 до 3,6 кВт.) Для достижения максимальной быстроходности нужно использовать либо минимальные, либо большие расходы (для интенсивного охлаждения).

При правильно спроектированной циркуляционной смазке (при расходе масла 5...8 л/мин) маслом отводится 50...70 % количества теплоты. Наилучшие результаты по быстроходности показало смазывание впрыскиванием масла в строго дозированном объеме (0,02...0,13 см ч). Однако при этом требуются сложные системы подвода, отвода и контроля порций подаваемого масла. Быстроходность достигает nd = (8... 10) ∙ 105 мм/мин. Смазывание масляным туманом дает удовлетворительные результаты по потерям, но экологически не в полной мере отвечает современным требованиям, гак как капли масла (80... 100 капель в 1 мин) распыляются воздухом и подаются в шпиндельный узел. Эта масляновоздушная смесь может быть и в зоне нахождения оператора.

Самым неприхотливым и надежным является пластичный (густой) смазочный материал, который наносится на длительный срок: 3-5 лет и более (при хорошей герметизации). Объем опоры заполняется на 30...40 % и требуется предусмотреть пространство около подшипника для размещения выталкиваемой из опоры смазки. Потери на трение при использовании пластичной смазки небольшие.

По типу уплотнений различают шпиндельные узлы с контактными и бесконтактными уплотнениями. Контактные уплотнения (схема 18) применяют при малой скорости (менее 10 м/с) вследствие большого нагрева. В отдельных конструкциях устанавливают пружинные кольца. Наиболее часто используют бесконтактные уплотнения. Действие лабиринтных уплотнений (схема 19) основано на торможении (завихрении) воздуха в узкой кольцевой щели (0,05...0,1 мм) с последующим расширением в смежной камере большого объема. В кольцевой щели давление преобразуется в скоростной напор; потери напора обеспечивает уплотнение.

Часто в лабиринтных уплотнениях используется эффект центробежных сил (схема 20), которые различны на разных диаметрах лабиринтного уплотнения. На большем диаметре эти силы больше и изменяется давление воздуха р1 > р2, благодаря чему осуществляется уплотнение. Большую надежность обеспечивает воздушное уплотнение (схема 21). Особые трудности возникают при уплотнении вертикальных шпинделей, в которых используют различные сочетания лабиринтных уплотнений (схема 22).

Фиксацию деталей на шпинделе осуществляют следующими способами: с помощью двух гаек (схема 23); гайкой и шайбой (схема 24); подпружиненным фиксатором 1 (схема 25); с помощью винта 1 и медного сухаря 2 (схема 26); за счет деформации тела гайки (схема 27). Общими требованиями к механизмам фиксации являются тонкая регулировка, высокая надежность и равномерность передачи сил при зажиме. На рис. 3.15 и 3.16 показаны шпиндельные узлы многоцелевых станков токарной группы. В конструкции, показанной на рис. 3.15, привод вращения осуществляется от двигателя через два шкива 7 и 2, что позволяет обойтись без коробки скоростей. Для шпиндельных опор применена схема 14 (табл. 3.5). Конструкция, показанная на рис. 3.16, характеризуется механизированным зажимом заготовки от пневмоцилиндра 1 и фиксацией шпинделя в требуемом угловом положении с помощью фрикционного механизма зажима 2. В обоих случаях для снижения колебаний вращение на шпиндель передается через ременные передачи.

Шпиндельные узлы

 

Шпиндельные узлы

 

Шпиндельные узлы

По типу опор шпиндельные узлы отличаются большим разнообразием. Наиболее распространенные схемы, расположенные в порядке возрастания быстроходности, показаны на схемах 10-17.

Подшипниковые опоры. В шпиндельном узле многоцелевого сверлильно-фрезерно-расточного станка опорами шпинделя служат радиально-упорные подшипники (рис. 3.17). Передача момента осуществляется муфтой 1.

Особенностью шпиндельного узла со встроенной двухступенчатой коробкой скоростей является охлаждение подшипников маслом, подаваемым в винтовые проточки 1 (рис. 3.18). Здесь важно выбрать размеры сечения t бобышки и расход масла. Следует иметь в виду, что «рубашечное» охлаждение подшипников приводит к неравномерному нагреву колец подшипника (на 7... 10 °С), что вызывает увеличение натяга в 2 - 2,5 раза. Толщина стенки t в случае «рубашечного» охлаждения выбирается 23...55 мм. Чрезмерный расход охлаждающей жидкости малоэффективен. Например, при увеличении расхода со 10 до 60 л/мин температура снижается всего на 20 %.

Другой особенностью этого шпиндельного узла является принудительный обдув конуса воздухом, подводимым в отверстие 2 гидроцилиндра, а также оригинальная конструкция механизма переключения скоростей за счет осевого перемещения оси 3.

На рис. 3.19 приведена конструкция шпиндельного узла вертикальнофрезерного станка с встроенной в корпус двухступенчатой планетарной коробкой скоростей 7, благодаря чему обеспечивается компакгность. Недостатком конструкции является трудность регулирования силы пружин 2 механизма зажима инструмента и подвод масла при разжиме инструмента через вращающийся шпиндель. Между кольцом 3, через которое подводится масло, и шпинделем необходимо предусмотреть минимальный зазор для уменьшения утечек при подводе масла под давлением и в то же время достаточный для исключения контакта шпинделя и втулки 3 при деформации шпинделя.

Шпиндельные узлы

Шпиндельные узлы

На рис. 3.20 и 3.21 показаны шпиндельные узлы на подшипниках качения с различной максимальной частотой вращения за счет конструктивных усовершенствований и рационального смазывания. В конструкции с переднейопорой из радиально-упорных подшипников (рис. 3.20, а), а задней - из двухрядной роликовой опоры обеспечивается частота вращения до 5000 мин-1 (nd = 5 ∙ 105 мм/мин при диаметре шпинделя под переднюю шейку примерно 100 мм), которая используется в токарных и реже - во фрезерных станках. Повышение быстроходности до nd = 6,3∙ 105 мм/мин достигается за счет установки в задней опоре двух радиально-упорных подшипников (рис. 3.20, б). Расстояние L между передними и задними подшипниками выбирают таким, чтобы теоретически исключить влияние тепловых деформаций на натяг (радиальная деформация компенсируется осевой). В шпиндельном узле, показанном на рис. 3.20, в, расположение подшипников аналогично рассмотренному, но дополнительно встроена система охлаждения (СОЖ) или масло подается в винтовую канавку втулки 1. В этом случае при той же быстроходности температура шпиндельного узла снижается примерно в 2 раза. Дальнейшее повышение быстроходности возможно при строгой дозировке смазочного материала и его охлаждении.

Шпиндельные узлы

Шпиндельные узлы

 

На рис. 3.21, а показан шпиндельный узел, смазываемый охлажденным маслом. При этом быстроходность nd = 1,2 ∙ 106 мм/мин. Следует отметить, что чрезмерное увеличение расхода малоэффективно: расход 2...3 л/мин вполне достаточен, так как при этом температура снижается на 30. .35 %. На рис 3.21, б приведена схема шпиндельного узла с автоматическим установлением преднатяга подшипников за счет подачи масла в гидроцилиндр 1. Наружная поверхность гидроцилиндра образует гидростатический радиальный подшипник, что повышает демпфирование. При смазывании и охлаждении проточным охлажденным маслом (объемом около 3 л/мин) быстроходность nd достигает 1,5 ∙ 106 мм/мин

Гидростатические опоры (рис. 3.22, а). Применяют цилиндрические (I), конические (II), сферические (III) и комбинированные (IV) (цилиндрические и плоские) опоры. Наиболее распространенные схемы шпиндельных узлов на гидростатических опорах показаны на рис. 3.22, б. Наилучшими показателями по быстроходности обладает узел с узким осевым подшипником (схема II), а наиболее компактной является схема IV.

Шпиндельные узлы

В шпиндельном узле шлифовального станка средних размеров упорный подшипник образован узким буртом 1 шпинделя и торцами втулок 2 и 3 (рис. 3.23, а). Недостатком схемы является заднее расположение осевой опоры, вызывающее увеличенный тепловой увод шпинделя.

В шпиндельном узле поворотного стола с большим диаметром шпинделя (1230 мм) упорный подшипник образован полукольцами I и 2, передающими силы на корпус 3 шпиндельной бабки (рис. 3.23, б).

В шпинделе с гидростатическими опорами гильзового исполнения дроссели выполнены в виде щелевых проточек 1 глубиной 0,25 и 0,3 мм для радиальных и осевых опор соответственно (рис. 3.24). При повороте дросселя 4 за пазы 2 (через окно 3) сопротивление истечению изменяется одновременно во всех карманах на одинаковое значение, что позволяет обеспечить оптимальную настройку.

В гидродинамических опорах шлифовального шпинделя с многоклиновыми самоустанавливающимися (на сферических опорах) вкладышами 1 (рис. 3.25) конические поверхности скольжения дают возможность воспринимать как радиальные, так и осевые нагрузки. Удлинение шпинделя при нагревании не сказывается на работе, так как вкладыши поджимаются к коническим поверхностям вала пружиной 2, что обеспечивает толщину масляной пленки в несколько микрометров. При пуске и остановке шпинделя предварительный натяг снимается подачей масла под давлением в полость 3, благодаря чему уменьшается износ во время пуска.

Шпиндельные узлы

В аэростатических опорах особо точного алмазно-фрезерного станка воздух подается через два ряда сопел 1 (рис. 3.26, б), установленных в непосредственной близости к опорам. Осевой зазор составляет около 0,01 мм, радиальный - около 0,02 мм, радиальное биение - около 0,1 мкм, а осевое - не превышает 0,05 мкм. Вращение шпинделя производится встроенным электродвигателем 2, тепловое воздействие которого снижается за счет охлаждения маслом при его подаче в винтовую канавку 3. Балансировка шпинделя производится грузиком 4.

Шпиндельные узлы

Шпиндельные узлы

Шпиндельные узлы

 

Смотрите также