ОТПРАВИТЬ ЗАЯВКУ          
 

Шпиндельный узел станка: конструкция, требования, опоры и смазка

 

Шпиндельный узел — один из основных узлов металлообрабатывающего станка. От его конструкции и технического состояния зависят точность обработки, качество поверхности детали, производительность оборудования и срок службы режущего инструмента.

К шпинделю предъявляются повышенные требования по точности вращения, жёсткости, виброустойчивости, быстроходности, теплостойкости и надёжности.

Основные требования к шпиндельному узлу

При проектировании, изготовлении и ремонте шпинделя учитываются:

• точность вращения;
• статическая и динамическая жёсткость;
• виброустойчивость;
• допустимая частота вращения;
• несущая способность опор;
• долговечность подшипников;
• тепловая стабильность;
• скорость и точность закрепления инструмента или заготовки;
• возможность автоматической смены инструмента;
• удобство сборки, регулировки и обслуживания.

Необходимые характеристики обеспечиваются правильным выбором материала, термической обработки, конструкции опор, посадок, допусков, способа смазки и технологии сборки.

Точность вращения шпинделя

Требования к точности вращения устанавливаются соответствующими стандартами и зависят от назначения и класса точности станка.

Контролируются следующие параметры:

• радиальное биение центрирующей шейки;
• биение конического отверстия;
• осевое биение шпинделя;
• торцевое биение опорного буртика;
• соосность опорных и посадочных поверхностей.

Даже небольшие отклонения могут привести к снижению точности обработки, появлению вибрации и ускоренному износу инструмента и подшипников.

Жёсткость шпинделя

Жёсткость шпиндельного узла рассматривается как часть общей технологической системы СПИД: станок — приспособление — инструмент — деталь.

На жёсткость влияют:

• диаметр шпинделя;
• расстояние между опорами;
• расположение переднего подшипника;
• тип и количество подшипников;
• величина предварительного натяга;
• материал вала;
• конструкция корпуса.

Увеличение диаметра повышает жёсткость шпинделя, но одновременно увеличивает массу вращающихся частей и может ограничивать допустимую частоту вращения. Межопорное расстояние влияет на прогиб вала: чем оно больше, тем выше деформация под нагрузкой.

Ориентировочный расчётный прогиб между опорами не должен превышать примерно 0,0002 межопорного расстояния. Окончательное допустимое значение определяется конструкцией и классом точности оборудования.

Виброустойчивость

Виброустойчивость определяется динамическими характеристиками шпиндельного узла: собственной частотой колебаний и амплитудой вибрации переднего конца шпинделя.

Параметры шпиндельного узла могут определять до 40–50% общей виброустойчивости станка. Чем выше собственная частота и ниже резонансная амплитуда, тем стабильнее работа оборудования.

Повышенная вибрация может быть вызвана:

• дисбалансом ротора;
• износом подшипников;
• неправильным предварительным натягом;
• нарушением посадок;
• несоосностью;
• перегревом;
• недостаточной жёсткостью корпуса;
• ошибками сборки.

Конструкция шпинделя зависит от типа, размера, класса точности и других характеристик станка. 

3 разновидности шпиндельных узлов: 

а) шпиндели со сквозным отверстием и наружным или внутренним посадочным отверстием под ТО; 

б) шпиндели с не сквозным отверстием и внутренним посадочным отверстием под ТО (сверлильно-расточная группа); 

в) Шпиндели не имеющие сквозного отверстия ( шлифовальные). 

Технические требования к шпинделю: 

1) точность размеров 

2) точность формы поверхности 

3) точность расположения поверхностей 

4) качество поверхностей 

5) для высокоскоростных шпинделей – допустимый дисбаланс 

Точность размеров: 

Точными должны быть диаметральные размеры опорных поверхностей и посадочных поверхностей под технологическую оснастку (ТО). Обычно 6 кв., в прецизионных – 5кв. 

Посадочные поверхности под зубчатые колеса 7 кв. реже 6, остальные по 9-12 квалитету. Резьб. Поверх.отверстия 6 степени точности, остальные наружные 8, внутренние – 7. 

Точность формы поверхности: 

Регламентируется для опорных и посадочных отверстий. Допуск формы ответственных поверхностей шпинделя для станков нормальной точности не более 50% допуска соответствующего диаметрального размера, повышенной – 25%, для станков Б и В - 5-10%. 

Отклонение от круглости поперечного сечения и профиля продольного сечения диаметра 100..120 мм подшипники качения: 3…0,8 мкм, отклонение продольного сечения 2,5…0,6 мкм, для подшипников скольжения отклонение от круглости 1,5…0,3 мкм 

Посадочные отверстия под ТО отклонения от круглости 15…3 мкм 

Точность расположения поверхностей: 

Наиболее важным для точности вращения шпинделя торцевых опорных поверхностей. Под подшипники относительно подшипниковых шеек допуск торцевого биения 4…1 мкм. Отклонение от соосности опорных и посадочных поверхностей 10…3 мкм. 

Качество поверхностей: 

Шероховатость поверхностей: опорные под подшипник качения 0,4…0,01 мкм, скольжения – 0,2…0,01 мкм. Наружные посадочные под ТО 0,4…0,1 мкм, под внутренние – 0,4…0,01 мкм. Под ЗК 0,8…0,2 мкм. На остальные поверхности 6,3…1,6 Ra. 

Требования по твердости зависят от материала и т/о. 

Подшипники качения: норм. 40-45HRC, повыш. 48-52HRC, выше.до 65 HRC 

Подшипники скольжения: норм. 50-56HRC, повыш. 56-62HRC, выше.до 68 HRC. 

Шпиндели сложной формы ст. 50Х, 40ХГТ объемная закалка тв. до 60 HRC. Для прецизионных станков низкоуглеродистые стали 20Х, 18ХГТ + цементация + закалка. Для слабонагруженных высокоточных станков для уменьшения внутренних напряжений применяют азотируемые стали 38ХМЮА + закалка до 68 HRC. Шпиндели большого диаметра с отверстиями иногда выполняются из чугуна СЧ20. 


 

Быстроходность шпинделя

Допустимая частота вращения зависит от конструкции шпинделя, диаметра и типа подшипников, способа смазки, предварительного натяга и эффективности охлаждения.

Быстроходность подшипникового узла часто оценивают с помощью скоростного параметра DN — произведения частоты вращения на характерный диаметр подшипника.

Установка дополнительных подшипников увеличивает трение и тепловыделение, поэтому может ограничивать максимальную скорость. Применение гибридных подшипников с керамическими телами качения позволяет повысить допустимую частоту вращения, однако конкретный результат зависит от конструкции узла и режима эксплуатации.

Несущая способность и долговечность

Подшипниковые опоры должны воспринимать радиальные и осевые нагрузки без потери точности и жёсткости.

Несущая способность зависит от:

• типа и размера подшипников;
• схемы расположения опор;
• направления нагрузки;
• величины предварительного натяга;
• частоты вращения;
• качества смазки;
• температуры;
• точности посадочных поверхностей.

Универсальный срок службы шпиндельных опор стандартами не устанавливается. Расчётный ресурс указывается производителем и зависит от режима эксплуатации. Особенно высокие требования предъявляются к шпинделям расточных и шлифовальных станков.

 

Теплостойкость шпинделя

Во время работы подшипники, привод и уплотнения выделяют тепло. Допустимая температура зависит от класса точности станка, конструкции шпинделя и применяемой смазки.

Перегрев приводит к следующим последствиям:

• изменению предварительного натяга;
• снижению несущей способности подшипников;
• уменьшению жёсткости;
• тепловому удлинению вала;
• ухудшению точности обработки;
• разрушению смазочного материала;
• ускоренному износу подшипников.

Предельные значения температуры следует определять по паспорту станка и технической документации производителя шпинделя.

Основные типы шпинделей

По конструкции различают три основные разновидности шпиндельных узлов:

1. Шпиндели со сквозным отверстием и наружной или внутренней посадочной поверхностью под технологическую оснастку.
2. Шпиндели с несквозным отверстием и внутренней посадочной поверхностью — характерны для сверлильных и расточных станков.
3. Шпиндели без сквозного отверстия — часто применяются в шлифовальном оборудовании.

Конструкция определяется типом, размером, назначением и классом точности станка.

Технические требования к шпинделю

При изготовлении шпинделя контролируются:

1. точность размеров;
2. точность формы поверхностей;
3. взаимное расположение поверхностей;
4. шероховатость и твёрдость;
5. остаточный дисбаланс высокоскоростного ротора.

Конкретные допуски устанавливаются конструкторской документацией и зависят от класса точности оборудования.

Точность размеров

Наиболее точными должны быть опорные шейки и поверхности для установки технологической оснастки.

Обычно применяются следующие квалитеты:

• опорные и инструментальные посадочные поверхности — 5–6-й;
• поверхности под зубчатые колёса — 6–7-й;
• прочие поверхности — 9–12-й.

Требования к резьбовым и вспомогательным поверхностям назначаются отдельно в зависимости от их назначения.

 

Точность формы

Допуски круглости, цилиндричности и профиля особенно важны для подшипниковых шеек и инструментальных посадок.

Ориентировочно допуск формы ответственных поверхностей составляет:

• до 50% допуска диаметрального размера для станков нормальной точности;
• около 25% для станков повышенной точности;
• примерно 5–10% для высокоточного и особо точного оборудования.

Для шеек диаметром 100–120 мм ориентировочные отклонения составляют:

• круглость под подшипники качения — 0,8–3 мкм;
• профиль продольного сечения — 0,6–2,5 мкм;
• круглость под подшипники скольжения — 0,3–1,5 мкм;
• круглость посадочных отверстий под оснастку — 3–15 мкм.

Точность расположения поверхностей

Особое значение имеют соосность подшипниковых шеек и точность торцевых опорных поверхностей.

Ориентировочные значения:

• торцевое биение поверхностей под подшипники — 1–4 мкм;
• отклонение от соосности опорных и посадочных поверхностей — 3–10 мкм.

Качество поверхностей

Шероховатость зависит от назначения поверхности:

• шейки под подшипники качения — Ra 0,01–0,4 мкм;
• шейки под подшипники скольжения — Ra 0,01–0,2 мкм;
• наружные посадочные поверхности под оснастку — Ra 0,1–0,4 мкм;
• внутренние посадочные поверхности — Ra 0,01–0,4 мкм;
• поверхности под зубчатые колёса — Ra 0,2–0,8 мкм;
• прочие поверхности — Ra 1,6–6,3 мкм.

Указанные значения являются ориентировочными. Точные параметры должны соответствовать чертежу и техническим требованиям производителя.

 

Материалы и термическая обработка

Материал шпинделя выбирается с учётом нагрузки, точности, сложности формы и условий эксплуатации.

Наиболее распространённые варианты:

• стали 50Х и 40ХГТ с объёмной закалкой — для шпинделей сложной формы;
• стали 20Х и 18ХГТ с цементацией и закалкой — для прецизионного оборудования;
• азотируемая сталь 38ХМЮА — для высокоточных слабонагруженных шпинделей;
• чугун СЧ20 — для отдельных крупногабаритных полых шпинделей.

Твёрдость посадочных и рабочих поверхностей может составлять от 40 до 68 HRC в зависимости от материала, типа опор и класса точности станка.

Балансировка высокоскоростного шпинделя

Допустимый остаточный дисбаланс устанавливается для высокоскоростных шпиндельных узлов. Балансировке подвергаются вал, ротор, шкив, зажимной механизм и другие вращающиеся компоненты, а затем весь шпиндель в сборе.

Для прецизионных станков требования к остаточному дисбалансу значительно строже, чем для оборудования нормальной точности. Допустимое значение определяется массой ротора, рабочей скоростью и требуемым классом балансировки.

Неправильная балансировка вызывает вибрацию, перегрев и преждевременный износ подшипников.

Зубчатый и ременный привод шпинделя

Выбор передачи зависит от частоты вращения и передаваемого крутящего момента.

Зубчатая передача

Преимущества:

• компактность;
• способность передавать высокий крутящий момент;
• сравнительно простая конструкция.

Недостатки:

• погрешности шага зубьев;
• увеличение динамических нагрузок;
• снижение плавности вращения;
• возможное ухудшение качества обработки на прецизионных станках.

Ременная передача

Преимущества:

• плавность вращения;
• снижение ударных нагрузок;
• хорошее качество обработки;
• уменьшение максимальных значений крутящего момента при прерывистом резании.

Недостатки:

• увеличение габаритов;
• усложнение конструкции;
• необходимость установки шкива на самостоятельные опоры для разгрузки шпинделя.

Опоры шпиндельных узлов

По типу опор шпиндели делятся на две основные группы:

1. шпиндели на подшипниках качения;
2. шпиндели на опорах скольжения — гидростатических, гидродинамических или аэростатических.

В шпиндельных узлах наибольшее распространение получили:

• прецизионные конические роликоподшипники;
• цилиндрические роликоподшипники;
• радиально-упорные шарикоподшипники;
• упорно-радиальные подшипники.

Тип опор определяет конструкцию посадочных мест и выбирается с учётом требуемой точности, жёсткости, быстроходности и нагрузки.

Смазка шпиндельных подшипников

Способ смазки выбирается в зависимости от частоты вращения, нагрузки, положения шпинделя и необходимости отвода тепла.

Смазка погружением

В шпиндельных узлах применяется редко из-за повышенных потерь на трение и риска загрязнения масла.

Смазка разбрызгиванием

Может использоваться в конструкциях, объединённых с коробкой скоростей. Требует контроля чистоты и уровня масла.

Циркуляционная смазка

Обеспечивает подачу масла и одновременный отвод тепла от подшипников. Система может быть общей для шпиндельного узла и коробки скоростей.

Капельная смазка

Масло дозированно подаётся отдельно к каждой опоре. Расход устанавливается с учётом размера подшипника, нагрузки и скорости вращения.

Масляный туман и масловоздушная смазка

Применяются в высокоскоростных шпинделях. Масло подаётся в виде мелкодисперсной смеси, уменьшая трение и обеспечивая стабильное смазывание подшипников.

Смазка под давлением

Используется для опор, работающих при повышенных скоростях и нагрузках. Масло через дозаторы подаётся непосредственно в зону контакта подшипника, преодолевая воздушный барьер, возникающий при высокой частоте вращения.

Пластичная смазка

Применяется в герметичных и необслуживаемых узлах, а также в шпинделях, расположенных вертикально или под углом. Тип смазки и допустимая скорость определяются характеристиками подшипника.

Избыточное количество смазочного материала увеличивает трение, вызывает повышение температуры и может привести к вытеканию смазки.

Уплотнения шпиндельных узлов

Уплотнения защищают подшипники от пыли, грязи, металлической стружки и охлаждающей жидкости, а также предотвращают утечку смазочного материала.

В высокоскоростных шпинделях часто применяются бесконтактные лабиринтные уплотнения. Они не создают дополнительного трения и практически не изнашиваются.

Для подобных конструкций характерны радиальные зазоры около 0,2–0,3 мм, однако точное значение зависит от скорости и геометрии узла.

При эксплуатации в сильно загрязнённой среде могут применяться:

• заполнение лабиринта пластичной смазкой;
• воздушная продувка изнутри;
• дополнительные защитные каналы;
• полости для отвода смазки и охлаждающей жидкости.

Крепление подшипников и конструкция пиноли

Для фиксации внутренних колец подшипников в станках нормальной и повышенной точности применяются корончатые гайки с лепестковыми шайбами или парные гайки.

В прецизионных шпинделях используются специальные балансируемые гайки с самоустанавливающимися элементами. Они обеспечивают равномерное осевое усилие и уменьшают влияние крепёжных деталей на балансировку ротора.

Для осевого перемещения инструмента шпиндельный узел может устанавливаться в специальной гильзе — пиноли. Перемещение пиноли выполняется вручную или с помощью механического привода.

Обслуживание и ремонт шпиндельных узлов

Надёжность шпинделя зависит не только от его конструкции, но и от правильной эксплуатации. Нарушение предварительного натяга, загрязнение, недостаточная или избыточная смазка, перегрев и дисбаланс могут привести к быстрому разрушению подшипников.

Компания «ТОЧНОЕ ВРАЩЕНИЕ» выполняет диагностику, балансировку, техническое обслуживание и ремонт шпиндельных узлов. Для оценки состояния оборудования сообщите модель станка, параметры шпинделя и признаки неисправности.