Схема компоновки жесткого и быстроходного шпиндельного узла

Жесткие и быстроходные шпиндельные узлы (см. рис. 1) сохраняют требование жесткости, и появляется новое требование быстроходности. Из-за требования быстроходности приходится переходить на радиально-упорные шарикоподшипники.

Чтобы компенсировать потерю несущей способности и жесткости по сравнению с роликовыми подшипниками, в передней опоре устанавливают 3 —  4 радиально-упорных шарикоподшипника. Большое разнообразие радиально-упорных шарикоподшипников позволяет подобрать наиболее выгодное сочетание их характеристик. Они выпускаются в виде готового комплекта или потребитель их комплектует самостоятельно. В любом случае они могут иметь одну из трех степеней предварительного натяга. При больших осевых нагрузках выбирают подшипники с углом контакта α = 25°, при более высокой частоте вращения — подшипники с углом контакта α = 15°.

Схема компоновки жесткого и быстроходного шпиндельного узла
Схема компоновки жесткого и быстроходного шпиндельного узла

В задней опоре применяют цилиндро-роликовые подшипники серии NN30K, а при более высоких скоростях вращения — серии NN30К. В разгруженных шпиндельных узлах в задней опоре могут устанавливаться два радиально-упорных шарикоподшипника. В обоих случаях шпиндель от осевых смещений фиксируется в передней опоре, а смещение в сторону задней опоры (при нагревании) обеспечивается конструкцией роликоподшипника или осевым зазором, в свою очередь обеспечивающим свободное перемещение шарикоподшипников в корпусе (рис. 2 и 3).

Жесткий и быстроходный узел вертикального многоцелевого станка
Жесткий и быстроходный узел вертикального многоцелевого станка

Данная схема компоновки шпиндельного узла нашла применение в скоростных шпиндельных узлах токарных и многоцелевых станков. На рис. 2 показан быстроходный и жесткий шпиндельный узел вертикального многоцелевого станка, собранный по схеме 2а. В передней опоре установлены три подшипника серии 70ACD/P4 по схеме 2 ТО (два подшипника по схеме тандем — 2Т, а третий образует с ними О-образную схему — О). Первые два подшипника воспринимают силу F, третий — возможные силы в обратном направлении. Передняя опора фиксирует шпиндель 1 в осевом направлении. Наружные кольца подшипников зажаты в корпусе фланцем 2, внутренние — на валу ступенчатой втулкой 3.

В задней опоре установлен цилиндро-роликовый подшипник серии NN30K/SP (Р4, SP — класс точности подшипников). Он служит для восприятия радиальных сил резания и натяжения ремня. Установка двухрядного роликоподшипника оправдывается неразгруженной конструкцией шпиндельного узла: шкив 5 непосредственно сидит на шпинделе, из-за чего шпиндель дополнительно деформируется силой натяжения ремня. Возможное снижение точности узла следует оценивать расчетом.

Кольца подшипника в задней опоре жестко фиксируются в корпусе шпиндельной бабки фланцем 4 и на валу шкивом 5, который выполняет одновременно роль ступенчатой втулки. При тепловых деформациях шпиндель с внутренними кольцами и роликами смещается относительно наружного кольца. Это свойство цилиндророликовых подшипников используется во всех схемах компоновки шпиндельных узлов.

Шпиндель по рис. 2 работает с максимальной частотой вращения nшп = 12 000 мин-1 при пластичной смазке, а избыточная температура поднимается не выше 10 °С. Соответственно скоростная характеристика составляет dmn = 9×105 мм×мин-1 при пластичной смазке и dmn = 12×105 мм×мин-1 при масловоздушном смазывании.

Для повышения быстроходности шпиндельного узла в рамках схемы в задней опоре неразгруженной конструкции устанавливают однорядный роликоподшипник 2N10AK. В передней опоре фирма SKF рекомендует устанавливать четыре более быстроходных радиально-упорных шарикоподшипника 1 серии 719CD (рис. 3). По заявлению фирмы в этом случае создаются более благоприятные условия для распределения предварительного натяга между подшипниками комплекта, чем в комплекте из трех подшипников. При масловоздушном смазывании максимальная рабочая частота вращения по рис. 3 составляет nшп = 15 000 мин-1. Из-за уменьшения угла контакта а снижается осевая жесткость по сравнению со схемой 2а с четырех до трех единиц. В целом конструкции шпиндельных узлов многоцелевых станков по рис. 2 и 3 идентичны.

Шпиндельный узел повышенной быстроходности многоцелевого станка
Шпиндельный узел повышенной быстроходности многоцелевого станка

Одновременно на примере рис. 2 и 3 можно отметить одну принципиальную особенность технологий, связанных с использованием станков с ЧПУ. Если в конструкциях шпиндельных узлов элементы системы уплотнения выполнялись отдельными деталями, то теперь они образуются соответствующей формой деталей узла. На рис. 2 и 3 уплотнение между шкивом и фланцем образуется соответствующей конфигурацией этих деталей, усложнением их формы. В отличие от живого оператора, для системы ЧПУ нет разницы в управлении обработкой простой или сложной детали. Достаточно, чтобы конструкция станка обеспечивала необходимые технологические возможности.