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:
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:
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:
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.
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