Изготовление шпинделей

Шпиндель металлорежущего станка конструктивно представляет собой многоступенчатый вал, в большинстве случаев полый. Наружная поверхность шпинделя состоит из цилиндрических, конических, резьбовых и шлицевых участков, фланцев, буртов, шпоночных пазов, канавок, отверстий и тому подобных элементов.

Цилиндрические и конические поверхности выполняют роль опорных шеек под подшипники, в которых вращается шпиндель. На цилиндрических, конических и шлицевых участках монтируют шкивы, зубчатые колеса, муфты и другие детали и сборочные единицы. Фланцы используют для размещения технологической оснастки (например, патронов). Бурты, резьбы, крепежные отверстия, канавки разных видов и назначения используют для ориентирования и закрепления деталей и сборочных единиц, монтируемых на наружной поверхности шпинделя в строго определенном положении.

Внутренняя полость полого шпинделя состоит из конического или цилиндрического участка с опорными фланцами для установки патронов или оправок или другой технологической оснастки; цилиндрических, резьбовых участков, канавок, уступов, используемых для установки и закрепления деталей привода зажима и управления патронами, оправками и т. п.

Шпиндель вместе с монтируемыми на нем деталями (шпиндельный узел) во многом определяет точность обрабатываемых на станке изделий. Технологические требования к точности шпиндельного узла устанавливают, исходя из условий его работы и назначения. Особенно высокие требования предъявляют к стабильности положения оси вращения шпинделя, а следовательно, к правильности геометрической формы шеек (опор) и их относительного положения (соосности), а также к перпендикулярности базирующих торцов к оси вращения шпинделя; к правильности геометрической формы конического отверстия или цилиндрического пояска, центрирующего патроны, оправки и их соосности с опорными (базовыми) шейками шпинделя.

По точности изготовления шпиндели, как и станки, делят на пять групп: Н, П, В, А, С. Допуски формы опорных шеек шпинделей (овальности и конусности) не должны превышать:

• для шпинделей нормальной точности (Н) — 50 % допуска диаметральных размеров шеек;
• для шпинделей повышенной (П) точности — 25 % допуска;
• для шпинделей прецизионных (В, А, С) — 5—10 % допуска.

Отклонения от круглости опорных шеек в зависимости от их размеров и группы точности станка составляют от 0,3 до 4,0 мкм. Допускаемая конусообразность 1,25—1,5 мкм на длине 300 мм. Торцовое биение опорных фланцев относительно оси вращения 0,002—0,008 мм. Допуск соосности резьбы и опорных шеек под подшипники должен быть в пределах 0,025 мм.

Шероховатость поверхности опорных шеек под подшипники Ra = 0,32 ... 0,04 мкм, для посадочных поверхностей под патроны, оправки Rа = 0,63 ... 0,04 мкм.

В качестве заготовок для шпинделей в зависимости от назначения и объема выпуска используют поковки, стальное литье, прутки, трубы, резаный прокат, чугунное литье. Для изготовления шпинделей применяют следующие материалы: азотируемые, цементируемые и закаливаемые стали, серый высокопрочный и модифицированный чугун.

Обеспечение высоких требований к точности наружных и внутренних поверхностей и их взаимного расположения достигается за счет правильного построения технологического процесса и использования высокоточного финишного оборудования.

Типовой технологический процесс изготовления шпинделей предусматривает следующие этапы:

• производство заготовок;
• предварительная токарная обработка наружных поверхностей с базированием по центровым отверстиям;
• предварительная обработка центрального отверстия, мелких и крепежных отверстий во фланцах;
• чистовая токарная обработка наружных поверхностей окончательно и под шлифование с базированием по центровым отверстиям пробок, а при длинных шпинделях — по одной из центральных шеек (в люнете);
• обработка шлицевых и шпоночных поверхностей, точение наименее точной наружной резьбы;
• термическая обработка;
• шлифование наружных поверхностей — цилиндрических, резьбовых, торцовых с базированием по центровым отверстиям пробок и, если необходимо, по шейке:
• шлифование внутренних поверхностей с базированием по подшипниковым шейкам.

Для особо точных шпинделей чередующиеся этапы шлифовальной и токарной обработок наружных и внутренних поверхностей повторяют дважды. Несколько раз могут повторяться операции стабилизирующего отпуска, правки или шлифования центровых отверстий пробок. В целях обеспечения точности рекомендуется все заключительные операции финишной обработки наружных поверхностей выполнять без демонтажа технологических пробок, а операции обработки внутренних поверхностей — при базировании на опорные шейки подшипников, определяющих положение оси шпинделя в корпусе.

Заготовительные операции обработки шпинделей выполняют так же, как и операции обработки валов других типов. Заготовки стальных шпинделей как правило подвергают термической обработке (улучшению, нормализации). Предварительную токарную обработку наружных поверхностей ее выполняют на токарных станках с ЧПУ, гидрокопировальных или многорезцовых станках.

Предварительно центральное отверстие обрабатывают на специальных станках для глубокого сверления. Применяют следующие высокопроизводительные методы глубокого сверления:

• а) сверление специальными перовыми сверлами с механическим креплением режущей части и внутренним подводом смазочно-охлаждающей жидкости (рис. 3.19);
• б) сверление однокромочным сверлом с внутренним подводом СОЖ и удалением стружки по прямому каналу сверла;
• в) сверление по методу фирмы БТА осуществляется головкой с твердосплавными режущими элементами; подачей СОЖ между хвостовиком инструмента и отверстием заготовки; удаляется СОЖ и стружка через отверстие в инструменте?;
• г) эжекторное сверление осуществляется твердосплавным инструментом; СОЖ на режущую кромку подается по каналам между внешней и внутренней поверхностями инструмента, удаляется стружка и СОЖ через внутреннее отверстие инструмента.

Перовыми сверлами обрабатывают отверстия диаметром 25— 120 мм, однокромочными — диаметром 2—30 мм, длиной до 100D$ методом БТА при сверлении в сплошном материале — диаметром 10—300 мм, эжекторным методом при сверлении в сплошном материале — диаметром 25—65 мм глубиной до 900 мм.

При применении спиральных и перовых сверл глубокие центральные отверстия в шпинделе сверлят как правило с двух сторон о переустановкой заготовки. В качестве технологических баз используют предварительно обточенные шейки шпинделя. Одну из шеек закрепляют в патроне станка, а другую устанавливают в неподвижный люнет.

Центральное отверстие как с передней, так и с задней стороны шпинделя растачивают на токарных станках с ЧПУ или на  токарных станках с применением гидрокопировального суппорта. Расточенные конические отверстия служат для установки технологических пробок с центровыми отверстиями.

Чистовая токарная обработка наружных поверхностей, включая нарезание резьбы, начинается от центровых отверстий пробок. Шлицы и шлицевые канавки обрабатывают так же, как и на валах.

Вид и режимы термической обработки зависят от материала шпинделя, его назначения и технологических требований. Термическая обработка, как правило, должна обеспечивать твердость рабочих поверхностей HRCϑ= 47 ... 59, а поверхностей для установки инструмента до HRCϑ — 63 ... 66 и отсутствие деформаций шпинделя в течение длительной эксплуатации. Наиболее распространенным видом термической обработки шпинделей являются поверхностная закалка с нагревом ТВЧ и азотирование. Перед азотированием обязательно производят предварительное шлифование всех термически упрочняемых поверхностей.

Наружные поверхности шлифуют на круглошлифовальных станках с ЧПУ или круглошлифовальных и резьбо-шлифовальных станках с ручным управлением. Длинные детали шлифуют, используя люнеты (рис. 3.20). Базами служат центровые отверстия пробок. Эти центровые отверстия при изготовлении шпинделей прецизионных станков целесообразно шлифовать на центровально-шлифовальных станках с планетарными и осциллирующими движениями круга. Для шпинделей станков меньшей точности допускается замена шлифования фасок центров их притиркой специальными притирами.

Внутренние поверхности шпинделя шлифуются на внутри-шлифовальных станках при установке шпинделя на опорные шейки в люнеты. Опорные шейки с требованием к шероховатости Ra < 0,15 мкм подвергают суперфинишированию.

Высокоскоростные шпиндели проходят операцию статического или динамического балансирования. При динамическом балансировании неуравновешенность удаляют высверливанием металла в заранее заданных местах детали. Балансирование производят обычно в сборе шпинделя со всеми вращающимися деталями. Допускаемый дисбаланс шпинделя станка 16К20 составляет 25 г•см при частоте вращения 33,3 с-1.

Шпиндели контролируют следующим образом: сначала контролируют погрешности формы опорных шеек, затем размеры и положение всех остальных поверхностей. Измерительными базами являются опорные шейки. Специальный стенд для контроля шпинделя показан на рис. 3.21.

Вы можете сделать заказ на изготовление шпинделей или получить информацию по интересующим вопросам, связавшись с менеджерами нашей компании по телефонам +7 967 780 43 30, +7 917 856 82 24, по электронной почте info@inmet16.ru или отправив сообщение через форму обратной связи.

Рис. 3.21. Специальный стенд для контроля отклонении от соосности, радиального и торцового биения шпинделя: 1, 3, 5, 6, 9, 10, 11 — контроль радиального биения; 4, 7 — контроль соосности; 2, 8 — контроль торцового биения; 12, 15 — упоры; 13, 14 — ножевидные призмы