Особенности конструкции шпиндельных узлов

Переход к скоростной обработке на станках, которые обеспечивают скорость резания до десятков тысяч метров в минуту с традиционными опорами качения и скольжения, уже не удовлетворяет требованиям точности.

Воздушные, гидростатические и магнитные опоры по точности и быстроходности превосходят опоры качения и гидродинамические опоры скольжения. Так, отклонение от круглости обработанного изделия, установленного в шпинделе на гидростатических опорах, составляет 0,2 мкм, в то время как при установке изделия в шпинделе на опорах качения этот параметр равен 1 мкм. ШУ с магнитными опорами обеспечивают шероховатость обработанной поверхности 0,025 мкм (с опорами качения 0,32 мкм, а с гидродинамическими опорами скольжения 0,16 мкм). Значения скоростного параметра (dn)max, где d — диаметр шейки; п — частота вращения шпинделя, для шпинделей с различными опорами.

Радиальное и осевое биения шпинделя на гидростатических опорах составляют порядка 0,05 мкм (на опорах качения — 1 мкм, на гидродинамических опорах скольжения — 0,5 мкм). Особенностью прецизионных ШУ является использование инерционного привода: после разгона шпиндель с маховиком отключают от привода и обработку проводят при его свободном выбеге.

Поскольку к точности прецизионных станков предъявляются исключительно высокие требования, то шпиндели этих станков имеют весьма разнообразные конструктивные решения. В станках классов точности В, А и С значительная часть погрешности обусловлена тепловыми деформациями.

При чистовом точении их доля составляет 15... 20 %, а при растачивании — 30...65 %. Уменьшение тепловых деформаций в прецизионных станках путем снижения режимов резания невозможно, поскольку мощность резания невелика и нагрев определяется потерями мощности на режиме холостого хода станка. Уменьшить тепловые деформации позволяет охлаждение опор шпинделя и использование для изготовления шпинделя нетрадиционных материалов (керамики, углепластиков).

Другое конструктивное решение, повышающее точность вращения шпинделя, — его разгрузка от действия радиальных сил со стороны приводного шкива. В токарных полуавтоматах с ЧПУ шкив, вращающийся в опорах качения, опирается на стакан, жестко закрепленный на шпиндельной бабке, на шпиндель передается только крутящий момент.

Для устранения дополнительных тепловых деформаций, вызванных различными условиями отвода тепла от шпинделя при различных частотах вращения, применяют ШУ с автоматическим регулированием усилия натяга в опорах качения. Это характерно для многоцелевых станков, которые отличаются большим разнообразием режимов резания. Иногда применяют центробежные регуляторы натяга, что позволяет, например, в 2 раза повысить быстроходность ШУ координатно-расточных станков без снижения их точности.