Конструкция шпинделя и корпуса шпиндельной бабки

Хорошая конструкция — компромисс между ее достоинствами и недостатками, и решения принимаются в силу наших широты и глубины знаний, собственного опыта исследований и созидания, что и называется талантом конструктора.

Шпиндельный узел, как наиболее ответственный из всех узлов, должен обеспечивать главное функциональное качество станка — высокую точность и производительность.

Точность вращения и жесткость шпиндельного узла определяются не только высокой точностью подшипников качения, но и в значительной степени точностью обработки, качеством поверхности посадочных мест вала, корпуса и сопряженных с подшипником деталей. Точность всех этих элементов должна быть соизмерима с точностью подшипников. В целом точность шпиндельного узла, как и несущей системы станка, определяется тремя характеристиками точности.

Типовая схема отклонений формы и расположения
Типовая схема отклонений формы и расположения: а — шпинделя; б — корпуса шпиндельной бабки

Кольца шпиндельных подшипников относительно тонкостенны и при посадке приобретают форму более жестких сопряженных поверхностей вала и корпуса. Например, сжатие внутреннего кольца подшипника диаметром 120—140 мм силой руки вызывает овальность до 10 мкм. Требуется выдерживать жесткие допуски на перпендикулярность (биение) упорных поверхностей валов, корпусов, деталей, фиксирующих подшипники в осевом направлении (гайки, втулки). На рис. 1 и в табл. 1 приводятся рекомендации по отклонению формы, расположения и шероховатости посадочных поверхностей шпинделя (вала) и корпуса при установке подшипников классов точности SP и UP и их аналогов.

Рекомендуемые допуски на форму, расположение и шероховатость вала и корпуса

Деталь Корпус Вал
Класс точности SP UP SP UP
Круглость t IT2/2 IT1/2 IT2/2 IT1/2
Цилиндричность t1 IT2/2 IT1/2 IT2/2 IT1/2
Конусность t2 IT3/2 IT3/2
Биение t3 IT1 IT0 IT1 IT0
Соосность t4 IT4 IT3 IT4 IT3
Диапазон d, D, мм Шероховатость Ra, мкм
d,D< 80 0,4 0,2 0,2 0,1
80 ≤ d,D ≤ 250 0,8 0,4 0,4 0,2
d,D> 250 1,6 0,8 0,8 0,4

Численные значения допусков на параметры круглости t, цилиндричности t1, конусности t2, биения t3, соосности t4 задаются в функции квалитетов точности ISO (IT0—IT5) — табл. 2.

Численные значения допусков на номинальный диаметр для разных квалитетов ISO

Номинальный диаметр, мм Квалитет ISO, мкм
IT0 IT1 IT2 IT3 IT4 IT5
50-80 1,2 2,0 3,0 5,0 8,0 13,0
80-120 1,5 2,5 4,0 6,0 10,0 15,0
120-180 2,0 3,5 5,0 8,0 12,0 18,0

Обращает внимание высокая точность посадочных поверхностей под подшипники: круглость и цилиндричность t = t1 = 1,5 мкм, биение t3 = 2 мкм и др. для диаметров 50—80 мм и класса точности SP.

При несовпадении углов конуса шейки шпинделя и внутреннего кольца двухрядного цилиндро-роликового подшипника беговые дорожки деформируются. На рис. 2 показана деформация внутреннего кольца подшипника при уменьшении конуса шейки шпинделя на 3′. До посадки (рис. 2, а) между кольцом и шейкой шпинделя есть зазор. После посадки (рис. 2, б) кольцо деформировалось. Дорожка 1 увеличилась в диаметре на Δd1 мкм, а дорожка 2 уменьшилась на Δd2 мкм (рис. 2, в). Посадка подшипника осуществлялась осевым смещением кольца на δ0 мм вдоль оси конической шейки шпинделя.

Деформация внутреннего кольца подшипника серии 3182100
Деформация внутреннего кольца подшипника серии 3182100: а — до посадки; б — после посадки; в — график деформаций.

Конструкция шпинделя

Конструкция шпинделя достаточно проста и определяется числом и типом подшипников, их фиксацией, регулировкой зазора- натяга, расположением звена привода, устройством уплотнения и других элементов. Каких-либо специальных требований к конфигурации не предъявляется. При проектировании шпинделя необходимо обосновывать минимально возможные размеры при сохранении его главного функционального качества.

Расчет позволяет строго обосновать оптимальное расстояние между опорами двух- и многоопорных шпиндельных узлов и их жесткость и является главным инструментом по обоснованию конструкции шпиндельных узлов для заданных условий работы. Он позволяет на стадии проектирования учесть влияние каждого элемента шпиндельного узла: вылета шпинделя, пролетной части шпинделя, диаметральных размеров каждого подшипника передней и задней опоры шпинделя, расстояние между подшипниками на общее смещение (отжатие) шпинделя и удельное влияние каждого из них. Вылет шпинделя всегда должен быть минимальным по условиям эксплуатации станка.

Выбор диаметра шпинделя (условно — диаметр шейки шпинделя передней опоры) до настоящего времени строго не обоснован. На наш взгляд, строго математически диаметр шпинделя можно определить формально из условия равножесткости, когда смещения шпинделя из-за деформаций опор и вала равны. Равножесткость, как и равнопрочность, позволяет в равной степени использовать потенциальный ресурс всех элементов конструкции, влияющих на жесткость шпиндельного узла: вала и подшипников. Это формальное условие выгодно использовать всегда. Но равножесткость учитывает только деформационный ресурс, но не учитывает изменение условий работы подшипников под нагрузкой.

Строго физически диаметр шпинделя можно определить из условия минимального допустимого угла перекоса колец подшипников в опорах шпинделя, обеспечивающего сохранение благоприятных условий их работы.

Однако при этом не приводятся расчетные или экспериментальные подтверждения. Тем не менее это направление, учитывающее жесткость шпинделя (диаметр в пролете) с условиями работы подшипников, верно. Необходимо учесть все факторы, вызывающие перекос колец, в том числе соосность отверстий под подшипники и жесткость опор.

На практике давно увеличивают диаметр шпинделя в пролете, если возможен монтаж подшипников с переднего и заднего концов шпинделя.

Конфигурация наружной поверхности шпинделя зависит от выбранной схемы компоновки, способов фиксации подшипников и схемы привода шпинделя.

Конфигурация и требования к внутренней поверхности шпинделя зависят от размещаемых механизмов зажима заготовки или инструмента (многоцелевые станки, одно- и многошпиндельные токарные автоматы). Максимально допустимый внутренний диаметр шпинделя dB следует назначать с учетом деформаций шпинделя в поперечном сечении от действующих на него сил. Отклонение формы сечения шпинделя под нагрузкой должно быть существенно ниже допустимого отклонения от круглости внутреннего кольца подшипника. Эта тема требует специальных исследований. Из опыта проектирования рекомендуется отношение внутреннего диаметра шпинделя dB к диаметру шейки шпинделя под передней опорой d: dB/d = (0,35—0,6). В токарных станках завода ОАО «КП» чаще всего принимается dB/d = (0,5—0,6), предельное отношение dB/d = (0,4—0,7).

При выборе диаметра отверстия в шпинделе следует учитывать изменение прогиба переднего конца шпинделя. Для шпинделя диаметром d = 100 мм и оптимальным расстоянием между опорами с увеличением dB/d от 0,5 до 0,6 прогиб увеличивается, а жесткость уменьшается с 1,3 до 4,3% при радиально-упорных шарикоподшипниках в опорах (k = 0,12 × 106 Н/мм). С увеличением жесткости опор влияние отверстия более существенно изменяет жесткость шпиндельного узла: при тех же условиях и жесткости опор k = 2,6 × 106 Н/мм жесткость узла снижается с 5,8 до 13,9%.

Из приведенного примера ясно, что при одном подшипнике в опорах для шпиндельного узла на шарикоподшипниках рекомендуется dB/d < 0,5, а на роликоподшипниках — dB/d < 0,5. При этом, как отмечалось выше, необходимо оценить отклонение формы сечения шпинделя от сосредоточенной силы.

Оформление переднего конца шпинделя чаще всего выбирают стандартным, в зависимости от способа крепления инструмента или заготовки.

При проектировании шпиндельных узлов следует уделить серьезное внимание силовым смещениям шпиндельной бабки, которые определяются собственной деформацией корпуса бабки и тангенциальными смешениями в плоскости стыка станина — шпиндельная бабка. В общем балансе силовые смещения шпиндельной бабки могут быть значительными: на долю шпиндельной бабки приходится около 30% осевых смещений (станок мод. 16К20Ф1). На рис. 3 график 1 показывает осевые смещения шпинделя, график 2 — смещения шпиндельной бабки на высоте оси шпинделя, график 3 — смещения шпиндельной бабки в плоскости стыка со станиной. Исследования большой партии станков мод. 16К20Ф1 в производственных условиях показали значительное рассеивание упругих смещений корпуса шпиндельной бабки: размах выборки составлял 21 мкм.

Силовые смещения вдоль оси шпинделя станка мод 16К20Ф1
Силовые смещения вдоль оси шпинделя станка мод 16К20Ф1: 1 — шпинделя; 2 — шпиндельной бабки на высоте оси шпинделя; 3 — шпиндельной бабки в плоскости стыка

Деформация корпуса шпиндельной бабки под действием внешних сил не только увеличивает силовые смещения шпинделя и снижает жесткость узла, но и существенно влияет на деформацию посадочных поверхностей. Специально выполненный расчет силовых смещений базовых точек посадочной поверхности шпиндельной бабки станка мод. 16К20 показал следующие результаты: локальные смещения вдоль оси z шпинделя Δz = -(2,1— 5,3) мкм, радиальное смешение по оси а- в горизонтальной плоскости Δx = (0,5-3,8) мкм, радиальное смещение по оси у в вертикальной плоскости Δy = ((-0,2)-5,0) мкм.

Смешения определяли в четырех точках по окружности передней опоры методом конечных элементов с учетом закрепления шпиндельной бабки на станине при нагружении силой 4800 Н. Локальные смещения посадочной поверхности шпиндельной бабки приводят к смещению переднего конца шпинделя до 7—8 мкм.

Общий вид деформированной шпиндельной бабки после нагрузки показан на рис. 4. Обращает внимание деформация передней стенки 1 и посадочной поверхности 2 передней опоры.

Общий вид деформированной шпиндельной бабки
Общий вид деформированной шпиндельной бабки станка 16К20 при нагружении силой 4800 Н

Локальные смещения посадочной поверхности под действием сил резания соизмеримы с допуском отклонения формы (см. табл. 2). Напрашивается вывод о необходимости снижения деформаций шпиндельных бабок как с целью снижения силовых смещений шпинделя относительно станины, так и с целью повышения годности вращения шпинделя в условиях силовой нагрузки. Можно также рекомендовать контроль (проверку) силовых смещений посадочных поверхностей шпиндельных бабок для каждой новой модели станка.

Следует подчеркнуть, что создание жестких корпусов шпиндельных бабок более экономично достигается оптимизацией их формы, а не простым увеличением толщины стенок. В работе приводится пример расчета корпуса шпиндельной бабки станка мод. 1К62, когда только за счет перераспределения одной и той же массы по объему конструкции влияние деформаций бабки на точность шпиндельного узла удалось снизить примерно на 35%.

В пролете шпинделя или, чаще всего, на его заднем конце размещается ведомое звено шпинделя — шкив или зубчатое колесо. Их размещение, способ крепления и передача крутящего момента на шпиндель влияют на конструкцию шпинделя. Современное жесткое крепление шкива на шпинделе существенно упрощает конструкцию узла по сравнению с разгруженным шпинделем.

Три первых радиально-упорных подшипника в передней опоре рекомендуется устанавливать вплотную, что обеспечивает максимальную жесткость шпиндельного узла. Наличие проставочного кольца может быть обосновано с позиции смазки и нагревания подшипников. Однако строгих доказательств на этот счет не приводится. На практике применяются проставочные кольца разной высоты и установка подшипников вплотную.

Традиционные конструкции шпиндельной бабки, в которых совмещаются шпиндельный узел и коробка скоростей, все чаше заменяются отдельным корпусом шпиндельного узла, чему способствует бесступенчатое регулирование скорости. Компактная конструкция корпуса легко позволяет увеличить его жесткость, но не изменяет остающейся проблемы тепловыделения в опорах и тепловых деформаций подшипников и шпинделя.

Тепловые деформации в процессе работы станков поставили проблему фиксации корпуса шпиндельной бабки от поперечных смещений. По результатам исследований и опыту эксплуатации станков рекомендуется шпиндельную бабку выполнять симметричной относительно плоскости, проходящей через ось шпинделя перпендикулярно опорной поверхности бабки. Поверхность фиксации должна располагаться в плоскости симметрии.

На рис. 5, а шпиндельная бабка 1 от боковых смещений фиксируется уступом 2, к которому она прижимается винтами (станок мод. МК6801ФЗ). Шпиндельная бабка выполнена симметричной, но поверхность фиксации, уступ 2, смещен относительно плоскости симметрии. На станке мод. МК7130 (рис. 5, б) поверхность фиксации 2 расположена практически в плоскости симметрии и шпиндельная бабка 1 симметрична и прижимается к поверхности 2 клином 3. Роль фиксатора может выполнять конический подпружиненный шип 2, ось которого лежит в плоскости симметрии 1 (рис. 5, в).

Защита шпиндельных бабок от боковых тепловых смещений в станках
Защита шпиндельных бабок от боковых тепловых смещений в станках

В станках с несимметричной шпиндельной бабкой и смещенной от плоскости симметрии фиксирующей поверхности (осью фиксирующего шипа) поперечные тепловые смещения бабки (определялись по смещению шпинделя) больше и достигают 7,5—35 мкм у отечественных и импортных станков после работы на холостом ходу в течение 2,5—3,0 ч при частоте вращения шпинделя n = 2400 мин-1.

С целью снижения силовых и тепловых деформаций корпуса шпиндельных бабок стали часто делать в виде унифицированной конструкции цилиндрической формы, которая существенно облегчает монтаж, балансировку, регулировку зазора-натяга подшипников и испытания на нагрев. Цилиндрический корпус позволяет готовый шпиндельный узел быстро монтировать в каком-либо корпусе станка. Ранее такие конструкции применялись только для быстроходных сменных шпиндельных узлов (n = (15 000—30 000) мин-1) в целях сокращения времени монтажа и демонтажа. Сменные шпиндельные узлы хранились в инструментальной кладовой наряду с обычным инструментом.

Винты для крепления крышек, фиксирующих подшипники от осевого смещения в передней и задней опорах, могут стать причиной снижения точности вращения шпинделя. Если имеется некая толщина стенки между расточкой в корпусе под подшипник и отверстием под винты (участок пониженной жесткости), то дорожка качения наружного кольца может деформироваться из-за вспучивания посадочной поверхности. Причем вспучивание может проявляться только после затяжки винтов, т.е. после сборки узла. Предпочтительнее использовать большее число винтов, но меньшего размера, во избежание слишком сильного затягивания и вспучивания.