Шпиндельные узлы станков и, в частности, сам шпиндель станка являются конечным звеном привода главного движения. Критериями работоспособности шпиндельного узла (ШУ) являются: нагрузочная способность, точность вращения, быстроходность, упругие смещения от сил резания, нагрев опор и температурные деформации, статическая жесткость и др.
Нагрузочная способность ШУ определяется допустимым крутящим моментом и мощностью на шпинделе и зависит от нагрузочной способности опор шпинделя и силовых возможностей привода.
Шпиндельные узлы станков по металлу должны обеспечивать:
- восприятие сил резания и сил от веса заготовки при малых статических, динамических и термических смещениях;
- возможность изменения в широких пределах частот вращения шпинделя;
- зажим-разжим заготовки (на токарных станках) или оправки с инструментом (на фрезерных и многоцелевых станках).
Точность шпиндельных узлов станков оценивается радиальным, осевым и торцовым биением шпинделя.
Быстроходность оценивается по произведению nшп ⋅ d (мм/мин), где nшп — частота вращения шпинделя (мин−1), а d — диаметр под шейку переднего подшипника (мм).
Жесткость шпиндельного узла станка
Статическая жесткость шпиндельного узла определяется по радиальному и осевому смещениям конца шпинделя под действием прилагаемых к шпинделю сил. При этом суммарное смещение складывается из собственной деформации шпинделя и деформации его опор.
Жесткость и нагрузочную способность шпиндельных узлов станков с ЧПУ увеличивают, не только создавая более рациональные конструкции, но и применяя в качестве опор шпинделей новые подшипники качения. Например, для восприятия радиальных нагрузок шпинделями в современных станках применяют двухрядные роликовые подшипники с регулированием величины радиального зазора. Для восприятия осевых нагрузок, действующих на шпиндель, применяют прецизионные двухрядные упорно-радиальные шарикоподшипники с углом контакта 60° (сер. 178800). Их устанавливают рядом с двухрядным роликовым подшипником с цилиндрическими роликами в передней опоре шпинделя. Параметр быстроходности у них в 2–2,5 раза больше, чем у обычных упорных шарикоподшипников.
Наиболее характерными показателями динамического качества шпиндельных узлов станков являются частота собственных колебаний, амплитудно-частотные характеристики, форма колебаний на собственной частоте. Часто виброустойчивость станков на 40–50% определяется шпиндельным узлом.
Причинами вибраций могут быть дисбаланс вращающихся деталей (зубчатые колеса, шкивы, втулки и др.), прерывистый характер резания, переменная жесткость опор шпинделя и др.
Нагрев опор шпинделя приводит к изменению предварительного натяга в подшипниках, что в свою очередь влияет на снижение работоспособность шпиндельного узла, а также к смещению конца шпинделя с заготовкой или с инструментом из-за температурных деформаций.
Энергетические потери в шпиндельном узле характеризуются моментом трения и мощностью холостого хода и учитываются при выборе опор шпинделя и назначении мощности приводного электродвигателя (особенно для скоростных шпинделей).
Как видно из указанного выше, многие характеристики шпиндельных узлов станков по металлу определяют тип опор шпинделя и их конструктивное исполнение.
На рис. 1 схематично показаны основные виды опор шпинделей. Наибольшее применение в ШУ станков с ЧПУ получили опоры с подшипниками качения.
В отдельных станках при специфических требованиях к точности, быстроходности, демпфированию, снижению потерь на трение применяются также опоры с подшипниками скольжения с жидкой смазкой (гидростатические и гидродинамические), с подшипниками с газовой смазкой (рис. 1, г), а в последнее время и с активными магнитными подшипниками шпиндельного узла (рис. 1, д).
Рис. 1. Основные виды опор шпинделей: α — подшипник качения; б и в — соответственно гидродинамический и гидростатический подшипники скольжения; г — подшипник с газовой смазкой; д — активный магнитный подшипник
