Шпиндельный узел станка: конструкция, принцип работы, типы

 Деталь конструкции обрабатывающих станков, которая служит для крепления заготовок режущего инструмента, называется шпинельный узел. Он является одной из основных частей кинематической схемы и позволяет производить надёжное крепление детали (инструмента), проводить центровку и устанавливать размер обрабатываемой части заготовки. К ним предъявляются следующие требования:

• обеспечение заданной скорости вращения;
• надёжное крепление заготовок или инструмента;
• требуемую скорость перемещения к задней бабке станка;
• сохранение высоких динамических качеств;
• поддержание постоянного температурного режима и неподверженность тепловой деформации;
• минимальные энергетические потери;
• постоянство динамических характеристик.

От выполнения этих требований зависит качество обрабатываемой заготовки.

Конструкция

Выбор типа конструкции зависит от назначения обрабатывающего станка, его размеров, мощности привода, кинематической схемы, максимальной скорости с которой он должен вращаться.

Несмотря на обилие квалификационных признаков, узел состоит из следующих деталей:

• корпус;
• фиксирующие опоры (количество зависит от выбранной схемы);
• комплект подшипников;
• элементы крепления заготовки.

Корпус выполнен в форме вала. Он изготавливается цельным или полым в виде трубы. В нём расположены элементы крепления заготовок, режущего инструмента. Для различных станков его выполняют по индивидуальной конструкции.

Входное отверстие шпиндельных узлов может выполняться в форме цилиндра или конуса (например, конуса Морзе, как у сверлильных станков). Для создания конуса в цилиндрический шпиндель вставляют специальную скалку.

В некоторых узлах используют так называемую оправку. Она располагается в передней части шпинделя, который имеет фланец с направляющими пазами.

В эти пазы вставляются сухари. После размещения хвостовика режущего инструмента производится крепление при помощи болтов.

Если по техническим причинам невозможно выполнить шпиндель в форме трубы (то есть полым) крепление оправок имеющих конический хвостовик производится накидным колпаком. Стенка оправки в этом случае снабжена двойным буртиком. В нём вырезаны лыски. В самом корпусе колпака выточена прямоугольная направляющая. В процессе сборки производится вращение оправки, которое позволяет надёжно закрепить устанавливаемую деталь. Такая конструкция позволяет производить быструю смену инструмента. В отдельных конструкциях предусмотрен специальный механизм крепления. Он предусматривает не только вращательное, но и поступательное движение.

При необходимости концы шпинделей оснащаются коническим хвостовиком. На его конце закрепляется элемент обрабатывающего инструмента. Он крепится в шпинделе с помощью фланца. Применение различных механизмов и способов крепления позволяет производить надёжную установку инструмента, центровку и балансировку.

Все шпиндельные изготавливаются из конструкционной легированной стали. При выборе материала учитывают характеристики станка, требования к шпиндельной головке, условия эксплуатации. Например, износостойкости фланцев, салазок, сухарей, самого корпуса и так далее. Особое внимание уделяется выбору подшипников.

Для изготовления шпиндельных улов, применяются инструментальные легированные стали. Наиболее часто используемыми являются следующие марки: Ст45, Ст40Х, 20Х. Они могут заменяться аналогами, как отечественными, так и зарубежными.

Многие характеристики обрабатывающих агрегатов зависят от применяемой последовательности размещения крепежных опор шпиндельного узла на станине.

В современных станках используют три схемы расположения таких опор.

В первой предусмотрены две опоры. Одна является передней, вторая задней. С помощью передней опоры осуществляется осевая и радиальная установка узла. Она получается достаточно сложной в изготовлении и требует тщательной настройки. Задняя опора выполняется динамически плавающей. Это производит демпфирование возникающей линейной деформации всего узла. Особенно явно она проявляется в результате нагрева.

Такая конструкция шпиндельного узла широко применяется при креплении шпинделя в токарных станках средних размеров, сверлильных и фрезерных аппаратах. Горизонтально-расточной станок имеет данную схему. Для увеличения скорости вращения вместо упорных подшипников применяют радиально-упорные. Они позволяют стабилизировать вращение шпинделя и снижаю нагрев.

Во второй схеме опорные подшипники шпинделя располагают в задней опоре. Это позволяет упростить конструкцию и снизить нагрев всего узла. Однако приводит к росту температурных деформаций. Она применяется в шлифовальных станках.

Третья схема является наиболее универсальной. Такая шпиндельная система обладает более высокой надёжностью за счёт повышенной жесткости. При всех её достоинствах она обладает общим недостатком. Для неё требуется проводить регулировку натяжения подшипников раздельно. В результате снижается скорость перемещения узла. Для сверлильного станка чертёж выполняется по схеме с изменением длины подачи. Для увеличения быстроходности и снижения температурных деформаций современные разработчики уменьшают расстояние между опорами на сколько это возможно. Однако маленькое межопорное расстояние ограничивает номенклатуру обрабатываемых деталей. Эту схему применяют в станках средних размеров, которые предназначены для обработки деталей небольших размеров.

Принцип работы

Шпиндельные узлы осуществляют два вида движения: вращательное и поступательное. Для определённой категории агрегатов предусмотрено одновременное применение обоих видов. Например, сверлильные, токарные, расточные, фрезерные в процессе обработки одновременно производят вращение детали (режущего инструмента) и осуществляют подачу к месту обработки.

Шпиндельные узлы станков выполняют одинаковую функцию. Все шпиндельные узлы металлорежущих станков имеют схожую конструкцию.

Принцип действия этого узла основан на получении вращательного движения от двигателя и обеспечении вращения режущего инструмента или заготовки. Способы передачи крутящего момента, крепления детали или инструмента зависят от принятой кинематической схемы.

Типы шпиндельных узлов

Эти узлы классифицируются следующим образом:

• типу привода;
• виду и количеству опор;
• связи с приводом;
• типу отверстия;
• конструктивному исполнению ШУ;
• способу закрепления заготовки, обрабатывающего инструмента, дополнительной оснастки;
• марки используемой стали;
• размерам всего агрегата;
• количеством одновременно закреплённого инструмента;
• способам смазки.

Шпиндели и шпиндельные узлы приводятся в движение с помощью ременной или зубчатой передачи. Выбор способа привода, а следовательно конструкция шпиндельного узла, определяется необходимой скоростью вращения, передаваемой мощности, кинематической схемой станка.

Ременные передачи обеспечивают плавный ход, снижают динамические нагрузки, обеспечивают передачу вращения на большие расстояния между двигателем и шпинделем, не требуют постоянной смазки.

Зубчатая передача достаточно компактна, способна обеспечить постоянное передаточное отношение, больший крутящий момент.

Шпиндельный узел токарного станка установлен на две опоры. У агрегатов, предназначенных для изготовления крупногабаритных и массивных деталей, дополнительно устанавливают третью опору. Жесткость конструкций зависит от системы крепления и расстояния между ними. Применение третьей опоры вызвано необходимостью обеспечить дополнительную жёсткость крепления заготовки и демпфирования возможной нестабильности колебаний.

В станках, предназначенных для выполнения большого числа операций, концы шпинделей выполнены в форме цилиндра. В каждом из них размещается скалка, которая свободно перемещается вдоль продольной оси. Она заканчивается отверстием, выполненным на конус.

Фрезерные станки снабжены оправкой, которая крепится специальной тягой. Вращение передается приспособлениями, которые называются сухарями. При установке режущего инструмента их наконечник помещается в специальные пазы.

Все обрабатывающие агрегаты, предназначенные для проведения прутковых работ, оснащаются шпинделем, внутри которого располагается механизм. С его помощью производится надёжная фиксация и подача заготовки к месту обработки.

У шлифовальных станков наконечник шпиндельного узла снабжён хвостовиком. Его выполняют в форме конуса. К нему закреплена планшайба. На неё при помощи фланца крепится шлифовальный круг. Фланец имеет специальный паз, в который монтируются подвижные сухари. С их помощью производят балансировку круга.

В шпиндельных устройствах применяются два типа подшипников:

• шариковые (устанавливаются в быстроходных малонагруженных агрегатах);
• роликовые (в средних и тяжелых станках, где необходимо обеспечить повышенную жесткость).

В некоторых типах станков (например, агрегаты шлифовальные, расточные, для присадочного станка) используются гидродинамические подшипники. Они обеспечивают успешную работу узла при небольших изменениях скорости вращения в условиях небольших нагрузок.

Для обеспечения хорошей подвижности и легкости работы применяют способы подачи смазки трёх типов:

• проточная под давлением (циркуляция обеспечивается специальным насосом);
• система смазывания созданием так на «масляного» тумана;
• применение густой консистенции.

Все системы обеспечивают хорошую смазку и сохранение температурного режима.

Первый способ обеспечивает надежность поступления масла в зону смазки. Это происходит благодаря насосу. Под давлением происходит качественный отвод тепла. Второй позволяет более равномерно распределять масляную жидкость, но может обеспечить только незначительный отвод тепла от вращающихся деталей. Кроме этого при нарушении герметизации в сальниках манжетах может произойти выброс воздушно масляной смеси.

По количеству одновременного закреплённого инструмента станки подразделяются на аппараты с одним узлом крепления и несколькими. Например, токарный станок марки ИТ 42 имеет револьверную головку с восемью элементами крепления.