Основные узлы и механизмы станков. Кинематическая структура станков, страница 15

Учитывая указанное, а также то, что подшипники качения имеют меньшую стоимость при централизованном изготовлении и просты в эксплуатации, подавляющее число станков изготавливают со шпиндельными узлами на подшипниках качения. Следует иметь в виду, что установка каждого дополнительного подшипника значительно снижает быстроходность. Автоматическое регулирование натяга в подшипниках, использование совершенной системы смазывания позволяет повысить быстроходность шпиндельных узлов.

жёсткость (статическая жёсткость) шпиндельного узла, радиальная и осевая, определяется по деформации шпинделя под нагрузкой:

где  Р – сила, приложенная на переднем конце шпинделя, Н;

       у – прогиб переднего конца шпинделя в совокупности с деформацией опор, мкм.

Допустимую величину прогиба и жёсткость часто увязывают с требованиями к точности обработки:

Деформация шпиндельных узлов в общем балансе упругих перемещений станков доходит до 50 %, а в некоторых типах до 85 %.

Жёсткость шпинделя на участке между опорами, исходя из нормальной работы подшипников, не должна быть менее 250-500 Н/мкм (бóльшие значения – для прецизионных станков). Для этого диаметр шпинделя должен быть не меньше, чем  где l – расстояние между опорами шпинделя.

Иногда в станках нормального класса точности приведённой величиной ограничивают жёсткость переднего конца шпинделя.

Долговечность шпиндельного узла зависит в основном от долговечности опор шпинделя, которая, в свою очередь, зависит от эффективности системы смазки и качества уплотнений, частоты вращения, величины предварительного натяга в подшипниках качения и т.д. Если диаметр шейки шпинделя под подшипник выбран по критерию жёсткости, то размер подшипника может считаться оптимальным и его долговечность при нормальных условиях эксплуатации допустимо предполагать до 12000-20000 ч. При применении бесконтактных опор (гидростатических, гидродинамических, аэростатических) долговечность теоретически считают неограниченной.

В металлорежущих станках часто возникают вибрации, которые отрицательно сказываются на точности и чистоте обработки, стойкости инструмента и производительности станка. Виброустойчивость станка на 40-50 % зависит от динамических качеств (виброустойчивости) шпиндельного узла. Виброустойчивость узла определяется амплитудой колебаний переднего конца шпинделя и частотой собственных колебаний. Причинами вынужденных колебаний, способных привести к возникновению вибраций и резонансных явлений, могут быть дисбаланс находящихся на шпинделе деталей; работа зубчатой передачи, если посредством таковой передаётся вращение шпинделю; прерывистый характер резания и пр. Чем выше собственная частота шпинделя (не менее 500-600 Гц) и меньше резонансная амплитуда, тем лучшими потенциальными возможностями обладает шпиндельный узел.

Тепловыделения и температурные деформации шпиндельного узла влияют и на точность обработки, и на работоспособность опор. Тепловыделения регламентируются допустимым нагревом подшипников. Норма нагревания установлена только для станков класса Н (допустимый нагрев наружного кольца подшипника составляет 70 °С), для станков других классов имеются лишь некоторые рекомендации (например, нагрев наружного кольца подшипника в станках класса С не должен превышать 28-30 °С).

Конструкция шпиндельного узла зависит, с одной стороны, от типа и размеров станка, класса его точности, максимальной частоты вращения шпинделя, мощности привода, а с другой – от взглядов разработчика (конструктора). В частности, конфигурация шпинделя является оригинальной и определяется конструктором. Однако для крепления инструмента или заготовки применяют стандартные приспособления, в связи с чем передние концы шпинделей для большинства типов станков стандартизованы.