ШПИНДЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ
SPINDLE ASSEMBLY

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к шпиндельным узлам. Наиболее близким к заявленному объекту является шпиндельный узел, включающий полый шпиндель, соосно расположенный внутри подшипниковых узлов и установленный в упорном шариковом подшипнике с устройством предварительного натяга для упорных подшипников и радиально-упорном роликовом подшипнике, внутреннее кольцо которого контактирует с поверхностью шпинделя по конической поверхности и поджимается соосно шпинделю втулкой посредством гаек (а.с. СССР №1287978, В23В 19/02, 1987 - прототип).
Недостатком известных объектов является то, что пары скольжения из-за больших потерь при скольжении имеют невысокий КПД.
Технически достижимый результат - повышение КПД, долговечности и надежности.
Это достигается тем, что в шпиндельном узле, включающем полый шпиндель, соосно расположенный внутри подшипниковых узлов, и установленный в упорном шариковом подшипнике с устройством предварительного натяга для упорных подшипников и радиально-упорном роликовом подшипнике, внутреннее кольцо которого контактирует с поверхностью шпинделя по конической поверхности и поджимается соосно шпинделю втулкой посредством гаек, радиально-упорный роликовый подшипник снабжен расположенной перпендикулярно оси шпинделя крышкой с лабиринтным уплотнением для поджима внутреннего кольца радиально-упорного роликового подшипника и размещенным в передней опоре шпинделя устройством предварительного натяга для компенсации износа его деталей.
На фиг.1 приведен шпиндельный узел, например токарного станка; на фиг.2 - схема создания предварительного натяга шарикоподшипников вследствие сошлифовывания торцов внутренних колец; на фиг.3 - схема установки распорных втулок между кольцами; на фиг.4 - схема применения пружин, обеспечивающих постоянство предварительного натяга; на фиг.5 - схема создания предварительного натяга вследствие деформации внутреннего кольца при установке его на конической шейке шпинделя в роликоподшипниках с цилиндрическими роликами; на фиг.6 показана конструкция гидростатической опоры.
Шпиндельный узел, например токарного станка, включает в себя соосно расположенный внутри подшипниковых узлов полый шпиндель 8, установленный в упорном шариковом подшипнике 4 с устройством 3 предварительного натяга для упорных подшипников и радиально-упорном роликовом подшипнике, внутреннее кольцо 6 которого контактирует с поверхностью шпинделя 8 по конической поверхности и поджимается с левой стороны, соосной шпинделю, втулкой 5 посредством гаек 1 и 2, а с правой - расположенной перпендикулярно оси шпинделя крышкой 7 с лабиринтным уплотнением.
В передней опоре шпинделя предусмотрено устройство 3 предварительного натяга, которое позволяет компенсировать износ деталей шпиндельного узла.
Предварительный натяг осуществляется различными способами, в радиально-упорных шарикоподшипниках и конических роликовых подшипниках при парной установке предварительный натяг получают регулировкой во время сборки, а в радиальных шарикоподшипниках - смещением внутренних колец относительно наружных. Способы создания предварительного натяга подшипников качения следующие: создание предварительного натяга шарикоподшипников вследствие сошлифовывания торцов внутренних колец (фиг.2); установки распорных втулок между кольцами (фиг.3); применения пружин, обеспечивающих постоянство предварительного натяга (фиг.4); создание предварительного натяга вследствие деформации внутреннего кольца при установке его на конической шейке шпинделя в роликоподшипниках с цилиндрическими роликами (фиг.5).
Подшипники скольжения, применяемые в качестве опор шпинделей, бывают нерегулируемые (применяют их редко), с радиальным, осевым регулированием зазора, гидростатические (в них предусматривают подвод масла под давлением в несколько карманов, из которых оно вытесняется через зазор между шейкой шпинделя и подшипником), гидродинамические и с газовой смазкой.
В прецизионных станках используют гидростатические подшипники, которые создают высокую точность вращения шпинделя. Их несущая способность, жесткость и точность зависят от величины зазоров, давления, схемы опоры.
На фиг.6 показана конструкция гидростатической опоры, которая может заменить радиально-упорный роликовый подшипник полого шпинделя 8.
Гидростатическая опора содержит корпус, выполненный в виде охватывающей шпиндель 8 цилиндрической втулки, в которой выполнены, по крайней мере, три гидравлических, радиально расположенных элемента, каждый из которых состоит из соосно расположенных подводящего отверстия 10 и кармана 9, взаимодействующего со шпинделем 8 посредством масляного клина. Масло под давлением подводится в карманы 9 через отверстие 10 и вытесняется из этих карманов через зазор между шейкой корпуса и внешней поверхностью шпинделя через радиально расположенные выходные отверстия 11, выполненные в корпусе по числу, равному количеству гидравлических, радиально расположенных элементов, после чего в резервуар (на чертеже не показано). Карманы 9 представляют собой углубления, например выполненные в виде отверстий круглой или некруглой формы, которые в свою очередь соединены через дроссель и фильтр с подающей магистралью с насосом, размещенным в масленой ванне (на чертеже не показано).
Шпиндельный узел работает следующим образом.
Масло под давлением подводится в карманы 9 через отверстия 10. При вращении шпинделя 8 масло вытесняется из этих карманов через зазор между шейкой и подшипником и из отверстия 11 в резервуар. При увеличении внешней силы, стремящейся уменьшить зазор, возрастает давление масла в резервуаре и зазор восстанавливается. Гидростатические подшипники стабилизируют режим трения со смазочным материалом при самых малых скоростях вращения.
Средненагруженные шпиндели изготавливают обычно из стали 45 с улучшением (закалка и высокий отпуск). При повышенных силовых нагрузках применяют сталь 45 с низким отпуском. Для шпинделей, требующих высокой поверхностной твердости и вязкой сердцевины, применяют сталь 45 с закалкой ТВЧ и низким отпуском. Конструктивная форма шпинделей зависит от способа установки на нем зажимных приспособлений, для крепления режущего инструмента. или обрабатываемой заготовки, посадок элементов привода и типов применяемых опор. Шпиндели, как правило, изготовляют со сквозным отверстием для прохода прутка. Передние концы шпинделей станков общего назначения стандартизированы.
В качестве опор шпинделей станков применяют подшипники качения и скольжения. Шпиндельные узлы должны обладать высоким качеством. Поэтому подшипники качения, используемые в опорах шпинделей, должны быть высокого класса точности. Выбор класса точности подшипника определяется допуском на биение исполнительных поверхностей шпинделя (коническое отверстие и базирующие поверхности для установки патронов, для крепления инструмента и заготовок), который зависит от требуемой точности обработки. Обычно в передней опоре используют более точные подшипники, чем в задней.