Токарний шпиндельний вузол: експлуатаційні властивості

Шпиндель верстатного обладнання зазвичай представляється як один з елементів приводного механізму, що відповідає за фіксацію і формоутворення заготовки. При цьому його сполучення з силовою установкою, несучою частиною і робочої оснащенням агрегату настільки щільне, що можна говорити про цілу інфраструктуру цієї частини. Так чи інакше, шпиндельний вузол (ШУ) слід розглядати як відповідальний базовий механізм верстата, що забезпечує функцію передачі крутного моменту і напрямок обробного зусилля.

Загальні відомості про виріб

Даний механізм також називається мотор-шпинделем і утворює собою одну з ключових складальних одиниць сучасних дерево - і металообробних верстатів. Від його характеристик залежить продуктивність і ще більшою мірою точність механічного впливу на заготовку. Як уже зазначалося, мова йде про цілому комплексі елементів, що формують основу шпиндельних вузлів. Опори, система змащення, ущільнювачі, засоби для передачі крутного моменту і підшипникові деталі формують базу даного механізму. Переважно це компоненти, які виконують підтримуючі і допоміжні функції для забезпечення роботи насадки у вигляді ріжучого інструменту.

Прийнято вважати, що силовий потенціал верстатного обладнання в першу чергу залежить від двигуна. Це справедливо, але лише частково. Наприклад, шпиндельні вузли металорізальних верстатів мають свій частотний діапазон обертання, обумовлюючи обмежувальні умови для швидкостей різання. Але важливо розуміти, що цей діапазон носить в більшій мірі функцію регулюючої настройки оптимального темпу обробки з підтримкою досить високої точності.

Ще одна з ключових функцій шпинделя-це безпосереднє утримання обробного інструменту, а в деяких випадках і самої заготовки. Для такого роду кріплень використовуються спеціальні затискачі і фіксатори на зразок інструментальної оправлення і патронів. Тому у виборі оснащення за розмірами хвостовика і визначенні допустимих параметрів обробного процесу важливо враховувати характеристики шпинделя.

Проектування ШУ

В ході розробки проектного рішення для мотор-шпинделя виконавці завдання повинні орієнтуватися на максимальне скорочення динамічних і вібраційних навантажень на механізм. Досягнення цієї якості робочої групи прямо впливає на довговічність верстата і якість обробки. З цієї причини шпиндельний вузол сьогодні все частіше проектують як самостійне пристрій в окремому корпусі, яке називається шпиндельної бабкою.

В якості вихідних даних для проектувального алгоритму беруть наступні:

• Потужність.
• Точність обертання.
• Швидкохідність.
• Максимальний нагрів для опор.
• Вібростійкість.
• Жорсткість.

На основі вихідних параметрів вибирається конструкційна схема, компонувальні деталі і матеріали виготовлення. Вплив на підбір тих чи інших конструкційних рішень надає і тип майбутнього верстата. Наприклад, проектування шпиндельних вузлів для високоточного обробного обладнання виконується з розрахунком на компоновку гідродинамічних підшипників, здатних забезпечити точність механічного впливу в діапазоні від 0,5 до 2 мкм. Для особливо високошвидкісних агрегатів з наявністю внутрішньошліфувальних головок застосовуються спеціальні опори ковзання, які передбачають виконання повітряної мастила. Зазвичай принципи побудови шпиндельної бази з акцентом на підтримку високих швидкостей обробки від 600 об / хв застосовуються для алмазно-розточувальних і універсальних металорізальних верстатів. Параметри комплектуючих для підтримки низьких швидкостей традиційно розраховуються для фрезерних, револьверних і свердлильних верстатів. Тут діє правило, чим делікатніше точність механічного впливу, тим вище крутний момент повинен бути у шпинделя. Для складної грубої обробки і різання використовують конфігурації з малими оборотами.

Розрахунок шпиндельного вузла

В якості основної розрахункової характеристики розглядається жорсткість. Вона виражається показником пружних переміщень в зоні обробки під сумарним діючим зусиллям від власної пружної деформації шпинделя з його опорними елементами. Для визначення характеристик важконавантажених вузлів також використовується показник міцності, а для шпиндельних бабок з високими оборотами ключовим фактором успішної обробки стане мінімальний показник резонансу, тобто висока вібростійкість.

Практично всі шпиндельні вузли для металорізальних верстатів в окремому порядку розраховуються по точності різання. Такий розрахунок виконується стосовно до підшипників на основі коефіцієнта радіального биття шпиндельного закінчення. Допустимий показник биття залежить від проектованого класу точності, у визначенні якого конструктори виходять з вимог до обробного процесу.

Показник радіального биття на внутрішньої поверхні кільця підшипника залежить від його ексцентриситету і похибок доріжок з тілами кочення. Цей параметр точності виражається через ефект так званого блукаючого биття. В процесі контролю підшипників визначається їх відповідність встановленим нормативам, після чого при виявленні відхилень вироби можуть бути спрямовані на доопрацювання. Серед заходів, що дозволяють додатково підвищити точність роботи підшипників для шпиндельного вузла при складанні, можна виділити наступні:

• Ексцентриситети внутрішніх кілець і шийок підшипників розташовуються в протилежних напрямках.
• Ексцентриситети зовнішніх кілець підшипників і корпусних отворів розміщуються також в протилежних напрямках.
• При установці ексцентриситетів внутрішніх кілець підшипників задньої і передньої частин слід витримувати їх розташування на одній площині.

Експлуатаційні властивості ШУ

Жорсткістю і точністю набір важливих техніко-фізичних показників шпинделя не обмежується. Серед інших значущих властивостей даного механізму варто виділити:

• Вібростійкість. Здатність ШУ до забезпечення стабільного обертання без коливань. Повністю виключити вібраційний ефект представляється неможливим, проте завдяки ретельним конструкційним розрахунками його вдається мінімізувати, знижуючи дію джерел поперечних і крутильних коливань на зразок пульсуючих сил в зоні обробки і крутного моменту в приводі верстата.
• Швидкохідність. Характеристика швидкості шпиндельного вузла, що відображає кількість допустимих для оптимального робочого стану оборотів в хвилину. Іншими словами, гранично допустима частота обертання, яка визначається конструкційними і технологічними якостями вироби.
• Нагрівання підшипників. Інтенсивне тепловиділення є природним похідним фактором при механічній обробці на високих швидкостях. Оскільки нагрівання може призвести до деформації елементної бази, цей показник повинен розраховуватися в ході проектування. Найбільш чутливим до теплового впливу компонентом вузла є підшипник, зміна форми якого може порушити функцію шпинделя. З метою зниження теплових деформуючих процесів виробники повинні дотримуватися норм допустимого нагріву зовнішніх підшипникових кілець.
• Тримкість. Визначається через коефіцієнт працездатності шпиндельних підшипників в умовах гранично допустимих статичних навантажень.
• Довговічність. Часовий показник, який вказує на кількість годин напрацювання виробу до капітального ремонту. За умови забезпечення збалансованих показників осьової і радіальної жорсткості шпиндельного вузла довговічність може досягати 20 тисяч годин. Мінімальні показники часу напрацювання до першої відмови складають дві і п`ять тисяч годин, що характерно відповідно для шліфувальних і внутрішньошліфувальних верстатів.

Матеріали для виготовлення ШУ

Підбір матеріалів для елементної бази шпинделя також є фактором забезпечення певних техніко-експлуатаційних властивостей обладнання. У притиральних, різьбонарізних і свердлильних агрегатах робиться акцент на захист від впливів крутного моменту, а шпиндельний вузол фрезерного верстата, наприклад, компонується в розрахунку на дії згинальних моментів. У кожному випадку матеріал повинен володіти достатньою стійкістю до зносу виконавчої поверхні, а також підшипникової шийки. Стабільність форми і розмірів - основна умова належної роботи виробу, в значній мірі залежне від характеристик застосованої марки матеріалу.

У верстатах з класами точності Н І П застосовуються шпинделі, виготовлені із сталевих сплавів марок 40Х, 45, 50. У деяких випадках проектні рішення можуть вимагати і спеціального доопрацювання металу шляхом загартування з індукційним термічним впливом. Зазвичай підвищення твердості виробів шляхом загартування застосовується до виконавчих поверхонь і підшипникових шийок як найбільш відповідальних частин деталі.

Для елементів складної форми з конусними отворами, пазами, фланцями і ступінчастими переходами застосовується сталь, що пройшла об`ємну загартування. Така технологія обробки допустима тільки щодо заготовок, з яких планується виконувати передні частини шпиндельних вузлів верстата з подальшою цементацією. В цьому випадку застосовуються стали 40хгр і 50х.

Обладнання з класами точності А і в забезпечується шпинделями, виконаними зі сталей марок 18ХГТ і 40ХФА, що пройшли азотування. Процес азотної обробки необхідний для підвищення твердості деталі, а також для підтримки первинної форми та розмірів. Нарощування показників міцності і структурної стабільності є необхідною умовою і для шпинделів, що застосовуються в системах з рідинним тертям.

У спрощеній же схемі компонування ШУ вимоги до матеріалів не настільки високі. Елементи з простими формами можуть виконуватися зі сталей марок 20х, 12ХНЗА і 18ХГТ, але і в цьому випадку заготовки попередньо піддаються операціям гарту, цементації і відпустки.

Конструкційні моделі ШУ

Основна частка застосовуваних в сучасних верстатах шпиндельних механізмів має двухопорное пристрій. Така конфігурація оптимальна з точки зору оптимізації обладнання та зручності технічної організації виробничого процесу. Однак на великих підприємствах використовують і моделі з додатковою підтримкою від третьої опори.

Конфігурації розміщення підшипників теж неоднозначні за способами реалізації. Сьогодні спостерігаються тенденції до перенесення відповідальних регулюючих функцій в область передньої бабки, що знижує вплив теплових впливів. У простих моделях шпиндельного вузла використовують роликові підшипники, що також мінімізує ризики деформацій від тепловиділення і підвищує ефективність регулювання. У той же час поряд зі збільшенням жорсткості і підвищенням точності обертання у таких механізмів відзначається недолік у вигляді зниження швидкохідності. Тому дана конфігурація оптимально підходить для токарних верстатів з низькими оборотами.

Шліфувальні Тихохідні агрегати також комплектуються роликовими підшипниками в передній опорній частині, а задня сторона забезпечується дуплексом радіально-наполегливих елементів. Зокрема, так реалізуються шпиндельні вузли в конструкціях кругло - і внутрішньошліфувальних верстатів. Спростити функціональну систему агрегату дозволяють і конічні роликові підшипники. Таке рішення стосовно до фрезерних агрегатів позбавляє від необхідності включення осьової підшипникової групи. В результаті зберігається оптимальний запас жорсткості, але разом з ним нікуди не йдуть і проблеми тепловиділення з обмеженим крутним моментом.

Контроль якості виробу

Після складання шпиндельної бабки перевіряється величина зазору-натяг підшипникової групи. Ця операція необхідна для оцінки готовності механізму до повноцінних робочих навантажень. Перевірка здійснюється шляхом навантаження пристрою за допомогою домкрата і динамометра. Безпосередньо виміри виконуються індикаторними приладами, серед яких вимірювальні головки, датчики, мікрокатори і т. д. Вимірювальне пристосування встановлюється на передній бабці по можливості максимально близько до переднього підшипника. При фіксації ступеневої зміни навантаження вибудовується графік зсувів закінчення шпинделя.

Жорсткість токарного шпиндельного вузла з опорними елементами контролюється методом двоточкового виміру. Спочатку встановлюються дві контрольні точки на лінійній ділянці графіка навантаження. Далі по кожній лінії фіксуються дані деформації, після чого виконується порівняння. В якості нормативних показників можуть використовуватися як Проектні величини, так і цифри із загальних технічних вимог до верстата. Причому комплексні дані для порівняння, отримані в результаті випробувань, повинні бути представлені у вигляді середніх арифметичних значень. Таким же чином виконуються вимірювання осьових і радіальних навантажень з фіксацією утворилися зазорів між підшипниками.

При виявленні відхилень від нормативних значень виконується настройка зазору-натягу. При обслуговуванні шпиндельних вузлів токарного верстата для таких завдань використовують техніку нагріву опор. В умовах теплового впливу термометрів і термопар в певному діапазоні проводиться підтяжка і регулювання гайок.

Ущільнення для механізму ШУ

До складу шпиндельної бабки входять і спеціальні ущільнювачі, які підвищують Ізоляційні та герметизуючі властивості механізму. Для чого це потрібно? Оскільки робочий процес токарного верстата пов`язаний з викидом великих обсягів дрібних відходів в умовах змащення, засмічення функціональних частин є звичайним явищем. Відповідно, при складанні шпиндельного вузла повинні передбачатися пристосування, що захищають робочі елементи від пилу, бруду і вологи. Саме для цього і застосовується ущільнювач. Як правило, це витратний матеріал у вигляді кільця, який монтується на шпинделі за допомогою центруючого пояса. В процесі експлуатації механізму потрібно його періодична заміна або коригування положення. В умовах підвищеного зовнішнього забруднення може додатково застосовуватися захисне накладне кільце. Якщо верстат працює на середніх або малих обертах, то обов`язково фіксують і манжетное ущільнення.

Технічне обслуговування ШУ

Головне завдання обслуговуючого персоналу в процесі експлуатації шпиндельної бабки-стежити за мастилом її деталей. Зазвичай для цього застосовується метод розбризкування по поверхнях обертових шестерень, крильчаток і дискових компонентів. Оптимальний склад для змащення такого типу повинен мати показник в`язкості з індексом 20 при нагріванні до 50 ° з. У конструкціях фрезерного шпиндельного вузла передбачається можливість направлення масла в підшипник через збірник або безпосередньо до робочої групи. Причому частина масла повинна залишатися і після завершення робочого сеансу. Стара забруднена рідина замінюється новою. Для спрощення процесу заливки в сучасних верстатах організовується циркуляційна подача масла одночасно до коробки швидкостей і шпинделя в автоматичному режимі в міру зливу відпрацьованої маси.

Крім оновлення масла, необхідна підтримка технічного стану механізму. Проблеми техніко-конструкційного властивості можуть виникати через перегрів, надмірної деформації, високих вібрацій або межвиткового замикання. Типовий ремонт шпиндельних вузлів в рамках виробничого процесу може полягати в заміні пошкоджених деталей, витратних матеріалів або відновленні посадочних місць. Наприклад, при деформації або установці нових елементів іноді потрібна додаткова корекція гнізд або самих деталей за допомогою операцій заточування, шліфування, притирання або нарощування.

Виробництво ШУ в Росії

Частина шпиндельних компонентів, необхідних для комплектації верстатів, вітчизняні виробники випускають на власних верстатобудівних потужностях, спираючись при цьому на розробки і досвід ще радянської промисловості. Практично не виникає проблем з виготовленням звичайних приводних шпиндельних вузлів для фрезерного верстата або токарних агрегатів, які не орієнтуються на високоточну обробку. Однак сучасні високотехнологічні електрошпінделі виробляються в Росії лише частинами і на основі імпортних комплектуючих. Пов`язані дані обмеження не тільки з відсутністю передових технологій в цій області, але і з дефіцитом кваліфікованих кадрів, які повинні вирішувати інженерно-технічні та виробничі завдання.

Укладення

Шпиндель є одним з центральних функціональних компонентів обробних верстатів різного типу. Від якості його основних функцій залежить точність виконання робочих операцій, ергономіка управління обладнанням і ефективність регуляції потужностного потенціалу приводного механізму. Тому так важливо звертати увагу на характеристики шпиндельного вузла в токарному верстаті при його виборі. Причому це стосується не тільки промислового сегмента, де виконуються потокові операції механічної обробки. Базові знання про шпиндельної бабці повинен мати і рядовий Домашній майстер, який виконує нескладні операції в умовах гаража або дачного господарства. Навички поводження з механізмом шпинделя зроблять експлуатаційний процес більш надійним, а технічне обслуговування станка-економним.