Схемы компоновки шпиндельных узлов

Схема компоновки шпиндельного узла показывает тип, расположение и число подшипников в опорах шпинделя. С нее начинается проектирование шпиндельного узла и его привода. Выбор схемы компоновки должен обеспечить заданное главное функциональное качество станка — его точность и производительность, зависимое от жесткости, быстроходности и точности шпиндельных опор.

К настоящему времени существует большое число классификаций схем компоновки, которые составлены по существующим конструкциям шпиндельных узлов и включают десятки разных схем. При этом отсутствует строгая количественная оценка схем компоновки, что снижает их практическую ценность.

В нашей классификации схем компоновки мы исходим из функциональных требований к шпиндельному узлу — высокой жесткости и быстроходности, знания характеристик шпиндельных подшипников качения и владения методом расчета силовых смещений и жесткости шпиндельных узлов. Если, например, проектируемый станок будет работать в условиях больших сил резания и нет жестких требований к точности обработки, шпиндельный узел должен иметь высокую жесткость. В схеме компоновки главный акцент делается на жесткости. Рост производительности может достигаться силовой составляющей режимов резания — увеличением глубины t и подачи s.

Если проектируемый станок будет работать в условиях малых сил резания, высокой точности обработки, то рост производительности может достигаться увеличением скоростной составляющей режимов резания. Главный акцент делается на быстроходности шпинделя, его частоте вращения.

Знание характеристик подшипников качения позволяет переходить к обоснованию схем компоновки шпиндельных узлов для разнообразных условий работы станков. Знание методов расчета силовых смещений и жесткости позволяет определять наиболее выгодные, оптимальные размеры конструкции шпиндельного узла.

В приведенных примерах, когда мы говорим об акцентировании внимания на жесткости, быстроходности или других критериях, следует иметь в виду, что «высшая жесткость шпиндельных узлов особо необходима для прецизионных станков». Это следует понимать так, что в рамках приоритетных требований каждой схемы компоновки все же следует изыскивать возможности для повышения жесткости шпиндельного узла. Скажем, в многоцелевых станках приходится выполнять предварительную и окончательную обработку. Необходимо обеспечить и высокую жесткость, и быстроходность. Требования противоречивые. Приходится идти на компромисс.

Зная характеристики опор качения, по расчетным зависимостям (гл. 3) можно установить схемы компоновки с предельно высокой и предельно низкой жесткостью при заданных размерах шпинделя и подшипников. Самая высокая жесткость шпиндельного узла будет при установке в обоих опорах двухрядных цилиндро-роликовых подшипников (см. рис. 1, график 1), при установке в обоих опорах радиально-упорных шарикоподшипников — самая низкая жесткость (см. рис. 1, график 2).

Предельные силовые смещения (жесткость) шпиндельного узла
Предельные силовые смещения (жесткость) шпиндельного узла: а — расчетная схема шпиндельного узла; б — смещение переднего конца шпинделя на роликоподшипниках 1, шарикоподшипниках 2, отношение реактивных сил в опорах R1/R2.

Если учесть, что жесткость опоры с двухрядным роликоподшипником, в зависимости от диаметра, в 5 — 10 раз выше жесткости опоры с шарикоподшипником, то картина не изменится при установке в передней опоре более одного шарикоподшипника. Все остальные возможные комбинации размещения подшипников в опорах при неизменных размерах шпинделя приведут к силовым смещениям между графиками 1 и 2 (см. рис. 1).

На рис. 1 для обоих типов подшипников отмечены оптимальные расстояния между опорами ао1 и ао2 и соответствующие им минимальные отжатия переднего конца шпинделя уоп1 и уоп2. Снизить отжатия можно только созданием предварительного натяга или увеличением числа подшипников в опорах. С ростом жесткости опор оптимальное расстояние между опорами уменьшается.

Функциональные схемы компоновки шпиндельных узлов
Функциональные схемы компоновки шпиндельных узлов

С учетом выполненных исследований, опыта проектирования и информации иностранных фирм (SKF, FAG) составлены функциональные схемы компоновки шпиндельных узлов (рис. 2). Выделены четыре схемы компоновки с основными акцентами на жесткости и быстроходности. Штриховкой выделены подшипники, которые фиксируют шпиндель в осевом направлении. На рис. 2 указан тип подшипников, установленных в передней и задней опорах, их быстроходность dmn при пластичной (пл.) и масловоздушной (мв.) смазках, частота вращения шпинделей nшп, применяемых в станках для заданной схемы компоновки, радиальная кr и осевая ка жесткость на переднем конце шпинделя. Достигаемая частота вращения nшп указана для минимальных сил резания и натяга.