Шпиндельный узел станка: конструкция, принцип работы, типы

Станина

      Станина — несущая неподвижная  конструкция (основа) станка, предназначена для крепления, а также перемещения по ней других узлов . Станину в основном льют из чугуна, реже сваривают. 

• Рисунок 1-Станина
• Чугуны используемые для литья :
• Серый чугун

1. Станины небольшого размера  льются из СЧ 21-40 и СЧ 35-56.
2. Станины для больших и точных станков, а также сложной конфигурацией льются из СЧ 15-32 и СЧ 21-40.
3. Некоторое применение для литья станины получил азотируемый чугун (содержит алюминий и хром) – повышенная износостойкость. 

Для сварных станин используют сталь 3 и сталь 4. Сварные являются более дешевыми и легкими, однако, менее жесткими. Их в основном используют при единичном производстве станков.

Направляющие

Направляющие, основное их назначение — обеспечение линейного перемещения по осям станка (главное движение  и движение подачи), крепиться к основанию-станине. В зависимости от траектории движения узлов подразделяются на: направляющие прямолинейного и кругового движения. По форме поперечного сечения : ласточкин хвост (трапециевидные), прямоугольные , круглые и др.

В основном используются двух видов:

А) Направляющие качения

Направляющие качения представляют собой опорный элемент при поступательном движении узлов станка. Бывают следующих видов: рельс-каретка, линейный подшипник-вал или рельс-рельс с плоским сепаратором.

Рисунок 2- Направляющие качения

Рассмотрим подробней комплект рельс-каретка, который чаще всего используются на станках.

Рельс. Все посадочные места рельсы шлифуются и проходят закалку, в том числе и дорожки качения, необходимые для перемещения тел качения. Каретка направляющей состоит из следующих частей:

• Корпус
• Тела качения
• Обойма, осуществляющая оптимальную рециркуляцию тел качения;
• Торцевые крышки

1. Рисунок 3-Каретка направляющей
2. Подразделятся в зависимости от тела качения:
3. 1)     Шариковые направляющие качения

Рисунок 4- Шариковые направляющие качения

2)     Роликовые направляющие качения. Используются в высоконагруженных  станках с ЧПУ

• Рисунок 5- Роликовые направляющие качения
• Ролики в отличие от шариков позволяют увеличивать  жесткость направляющей, ее долговечность и грузоподъемность.
• Также направляющие качения подразделяются в зависимости от конструктивной формы.
• Основные преимущества направляющих качения:

1. Очень низкий коэффициент трения.
2. Плавное перемещение.
3. Точность перемещения и позиционирования.
4. Высокая скорость.

Недостатки направляющих скольжения:

1. Подвержены влиянию загрязнений.
2. Плохо противодействуют скачкам.
3. Высокая цена.

Основные производители направляющих качения:

• BOSCH (Германия)
• HIWIN (Тайвань)
• THK (Япония)
• SKF (Швеция) 

1. Б) Направляющие скольжения
2. 
3. Рисунок 6-Направляющие скольжения 

Направляющие скольжения выполняют ту же функцию, что и направляющие качения. Однако, в данном случае отсутствуют тела качения, а перемещение происходит по трению скольжения. Направляющие данного типа могут  изготавливаться, как одно целое со станиной из серого чугуна (закаленного до твердости 43….

56 HRC) , также  возможно крепление на винты к станине (накладные направляющие), изготавливаются из стали 40Х (возможно также 15Х, 20Х) закаленной до твердости  57…63 HRC. Важно заметить, что направляющие скольжения из-за больших сил трения , менее точные и имеют менее плавный ход нежели направляющие качения, однако, они более просты и имеют меньшие габариты.

На работоспособность очень сильно влияет температура. 

По виду трения скольжения существуют следующие направляющие:

• Гидростатические – смазочный слой образуется подачей под высоким давлением масла в специальные карманы.

Рисунок 7- Гидростатические направляющие скольжения

•  Гидродинамические направляющие- хорошо работают только при высоких скоростях. В данной направляющей используется гидродинамический эффект- эффект  всплывания подвижного узла. В конструкции присутствуют специальные клиновые скосы и при движении в эти сужающиеся зазоры затягивается смазка.
•  Аэростатические направляющие- в данном случае вместо масла в карманы под давлением подается воздух. По конструкции похожи на гидростатические направляющие. Имеет недостаток- малая нагрузочная способность.

Масла для направляющих должны соответствовать  DIN 51 502, ISO 6743-13 и ISO 3498. Всегда идут с различными присадками, улучшающие стойкость к окислению и антикоррозионные свойства, а также противозадирные и противоизностные присадки, антискачковые присадки. Преимущество направляющих скольжения:

• Жесткость при кручении
• Минимальный люфт
• Большая нагрузочная способность
• Надежность и долговечность работы.

Производители направляющих скольжения:

• SCHNEEBERGER GmbH (Германия)
• ZITEC Industrietechnik GmbH (Германия)
• item Industrietechnik GmbH
• KAMMERER Gewindetechnik GmbH (Германия).

Шарико-винтовая передача (ШВП)

Следующий узел фрезерного станка —  шарико-винтовая передача (ШВП) .

Рисунок 8- Шарико-винтовая передача

Основное назначение -это преобразования вращательного движения приводов станка  в возвратно-поступательное  движение исполнительных узлов с использованием механизма циркулирующего шарика между винтом и гайкой. Принцип действия ШВП следующий- в гайке сделаны специальные винтовые канавки, по ним перемещаются тела качения, т.е. между витками винта и гайки.

Сами шарики (тела качения) движутся по замкнутой траектории при вращении винта и одновременно поступательно перемещают гайку. Число рабочих витков составляет  от 1 до 6. Большее число витков  используется при нагруженных передачах тяжелых станков.

ШВП изготавливают из высоколегированной стали, подвергаются поверхностной закалке (закалка поверхности с помощью ТВЧ- тока высокой частоты) после шлифуются.

Основные достоинства шариковинтовой передачи:

• Высокий КПД, может быть больше 80% (т.к. проскальзывание шариков в ШВП минимальное)
• Малые потери на трение
• Высокая нагрузочная способность при небольших габаритах
• Высокая точность при перемещении
• Плавный ход

Недостатки ШВП:

1. Сложная в изготовлении конструкция.
2. Высокая стоимость
3. Ограничение по длине (из-за накапливаемой погрешности)

Существуют две разновидности ШВП:

1. Катанные ШВП, в данном случае резьбовой винт накатывается на специальном накатном оборудовании. Они проще в производстве, дешевле.
2. Шлифованные ШВП. Сначала идет нарезка резьбы далее её шлифуют. Являются более точными, что, в свою очередь, влияет на точность позиционирования и повторяемости станка.

Производители шарико-винтовых пар:

• HIWIN (Тайвань)
• THK (Япония)
• SKF (Швеция)
• SBC (Корея)
• Steinmeyer (Германия)
• MecVel (Италия).

Помимо ШВП существуют РВП – ролико-винтовые передачи. В РВП в качестве элемента качения используются ролики, за счет этого увеличивается максимальная грузоподъемность, увеличивается срок эксплуатации, надежность. Однако, стоимость РВП в несколько раз превышает ШВП.

Рисунок 9- Ролико-винтовая передача

Система ЧПУ- Числовое Программное Управление

Рисунок 8 — Система ЧПУ 

ЧПУ-  компьютеризированное управление обработкой заготовки по созданной заранее специальной программе , в которой всё представлено виде кодов.

Принцип работы системы ЧПУ следующий- микроконтроллер подает сигналы (электрические импульсы) на исполнительные узлы станка, а также контроля их перемещения для реализации движения режущего инструмента согласно заданной программе.

Исполнительными узлами  станка являются электродвигатель подач, электромотор шпинделя и другие системы.  Для мощных станков вместо электродвигателей используют серводвигатель (контроль перемещения осуществляется специальным датчиком положения).

Система ЧПУ состоит из следующих основных узлов:

• Микропроцессор- преобразования сигналов.
• Оперативная память- для хранения текущей информации
• Постоянная память- для хранения файлов управляющих программ.
• Устройство загрузки информации (программ)- USB и др.
• Устройство управление .

Системы ЧПУ делятся в соответствии со следующими признаками:

• По числу потоков информации (незамкнутые, замкнутые, самоприспосабливающиеся или адаптивные).
• В соответствии с приводом: ступенчатый, регулируемый, следящий, шаговый.
• По числу одновременно управляемых координат.

Основные производители ЧПУ:

• FANUC
• SIEMENS
• FIDIA
• Fagor
• HEIDENHAIN
• Ижпрэст

Привода

Привод – узел, служащий для приведения в действия исполнительного органа станка с требуемыми характеристиками скорости и точности.

Привода:

•  Электродвигатели постоянного тока
•  Электродвигатели переменного тока
•  Гидродвигатели
•  Пневмодвигатели

Для ступенчатого регулирования используют в основном асинхронные двигатели переменного тока, из-за их невысокой стоимости. Для бесступенчатого регулирования используют электродвигатели постоянного тока с тиристорным регулированием.

Крутящий момент передается от двигателей к рабочим органом с помощью различных передач:

1. С непосредственным контактом (зубчатые, червячные, храповые, кулачковые)
2. С гибкой связью (цепные).

• Рисунок 9- Передачи зацепления
• Привод подачи для станков с ЧПУ.
• В качестве привода используется синхронные или асинхронные электродвигатели, управляемые от цифровых преобразователей, передающие и принимающие сигналы от системы ЧПУ станка.
• В качестве привода главного движения для станков с ЧПУ используется двигатели переменного тока – для больших мощностей и постоянного тока — для малых мощностей.
• Рисунок 10- Сервоприводы

Автоматическое устройство смены инструмента (АУСИ,магазины,автооператоры,револьверные головки)

1. АУСИ — необходимо для смены инструмента в процессе обработки заготовки.
2. Состоит из двух основных частей:
3. 1)  Инструментальный магазин для формирования запаса инструмента.

   Инструментальные магазины бывают следующих видов:

• Дисковый- накопление небольшого количества инструмента до 30 штук.

Рисунок 11-Дисковый инструментальный магазин

• Цепного типа. Служит для накопления большого количества инструмента. Конфигурация цепи может быть изменена, за счет это можно увеличить количества инструмента- не значительно увеличивая общий объем магазина. Его можно располагать горизонтально, вертикально, наклонно.

Рисунок  12- Цепной инструментальный магазин

Анализ большого количества различных деталей средних размеров, показывает, что 18 % деталей требуют использования не более 10 инструментов, 50 % — до 20; 17 % — до 30, 10 % — 40 и 5 % — до 50 и более инструментов. В связи с этим в основном используют магазины с количеством инструмента равным 30 штук. Магазин может располагаться на шпиндельной бабке, на станине, колонне.  

2)  Устройство смены инструмента, передающий инструмент из магазина в шпиндель и обратно.

Существует два типа УСИ:

А) Без манипулятора  (карусельного типа, «зонтик»). Смена инструмента осуществляется без каких-либо  дополнительных приспособление.  Инструментальный магазин перемещается по оси Х к шпинделю, осуществляет смену инструмента и отходит в первоначальное положение. Приблизительно время смены 7-10 секунд.

Б) С манипулятором. Смена осуществляется с помощью двухплечевого манипулятора за 1,8 сек, сам инструментальный магазин и шпиндель остается при этом неподвижными.

• Рисунок 14- УСИ с манипулятором
• Вне зависимости от типа УСИ и инструментального магазина, все инструменты устанавливаются в гнездо магазина с помощью стандартизированной оправки (оправки с коническим хвостовиком 7:24).

Стружкотранспортер

Два типа:

• Винтовой стружкотранспортер используется в основном для отвода мелкой, стружки надлома, скалывания (образует при обработке чугуна, твердых сталей).

Рисунок 15-Винтовой стружкотранспортер

• Ленточный стружкоуборончый транспортер, предназначен для отвода сливной стружки (образуется при обработки вязких и мягких материалов).

Рисунок 16-Ленточный стружкотранспортер

Источник: http://www.dominik-chel.ru/statja-4-opisanie-osnovnyh-uzlov-frezernogo-stanka-s-chpu

Шпиндели станка

Под шпинделем принято подразумевать двигатель, на котором крепится специальный патрон или цанга определенного диаметра, фиксирующая режущие приспособления (граверы, фрезы, ножики, сверла) для обработки различных материалов. Различают две основных подгруппы таких устройств: любительские шпиндели и приборы, используемые в промышленности.

Устройства, которые используются на заводах, фабриках и других крупных государственных или частных предприятиях, всегда рассчитаны на очень большую нагрузку. Для работы таких приборов требуется специальная водяная система охлаждения. Любительский шпиндель представляет собой обыкновенный бытовой фрезер или дрель.

Промышленные шпиндели не нуждаются в очистке или в смазке в течении периода их эксплуатации.

Устройство

Конструкция каждого шпинделя устроена по одинаковому принципу. Роторный вал удерживается в корпусе подшипниками качения. Вращательные движения обеспечиваются благодаря встроенному асинхронному электрическому двигателю. На валу устанавливаются цанговые зажимы, позволяющие фиксировать инструменты с определенным диаметром хвостовиков.

Большей частью на 3ех координатные фрезерные станки с ЧПУ устанавливаются шпиндели с гайкой цанги ER11, ER16, подходящие для режущих инструментов с хвостовиками 3,175, 4, 5, 6мм (ER11) и 3,175, 4, 5, 6, 8, 10 мм (ER16).

Название инструмента	Хвостовик (мм)	Подходящая Цанга
Торцевая фреза М2.0/2/3.175	3.175	ER11, ER16
Гравер C4501_D4	4	ER11, ER16
Гравер YJ 0.5 carat	10	ER16
Гравер D-point 90	3,175	ER11, ER16
3D фреза Al.3D 4.76/3/4.76	4,76	ER11, ER16
Конусная фреза TB6.0/6/2.0	6	ER11, ER16

Система жидкостноого охлождения шпинделя

Системы охлаждения, необходимые для работы каждого шпинделя, делятся на воздушные и жидкостные.

Для теплообмена с жидкостью в конструкции каждого прибора присутствует специальная система круговой циркуляции или рубашка охлаждения.

Необходимость дополнительного оснащения конструкции, а также станка можно относить к негативным сторонам такого способа охлаждения. К позитивным качествам, естественно, относится его эффективность.

Технологические особенности систем воздушного охлаждения заключаются в нагнетании воздушной массы в полости, специально предусмотренные для этого. В корпус таких шпинделей монтируются специальные воздухозаборники. Простота и компактность таких устройств является их позитивным свойством, а к негативным можно отнести загрязнение фильтров отходами обработки материалов.

Принцип работы

Основой работы каждого станка является использование режущих инструментов. Благодаря устройству шпинделя, фрезу можно зафиксировать и обеспечить ее вращение. Шпиндель, в зависимости от технологических особенностей обработки, может функционировать в скоростном или силовом режиме.

Все зависит от толщины среза материала при единичном контакте с режущим инструментом. Такой способ обработки чаще всего не требует особой точности. При работе в данном режиме от шпинделей требуется высокий показатель крутящего момента и достаточная мощность.

Такие приборы отличаются повышенной жесткостью и прочностью.

Питание шпинделя может быть организовано специальным электрическим мотором установленным рядом с ним. Частота вращения передается таким устройствам посредством зубчатой или ременной передачи. Подобные схемы характерны для приборов силового принципа действия.

Некоторые шпиндели по сути представляют собой вал электродвигателя, а все промежуточные передачи отсутствуют. Требования по балансировке комплектующих подобных устройств зачастую очень высокие. Почти всегда подобные шпиндели производятся в виде независимых приборов. Такая особенность конструкции позволяет устанавливать его любым удобным способом.

Скоростные и силовые шпиндели также различаются по типу крепления режущих инструментов. Для высокомощных устройств предусмотрены специальные переходные втулки конической формы. Сначала хвостовик фрезы фиксируется в этой втулке, а потом монтируется в отверстие шпинделя. В скоростных приборах режущий инструмент почти всегда устанавливается в цангу, которая, зажимается гайкой.

Виды, типы, категории шпинделей

Устройства с жидкостным охлаждением часто применяются в высококачественных промышленных агрегатах на предприятиях нашей страны. Мотор эффективно охлаждается водой или тосолом. Такие шпиндели укомплектованы высокоскоростными железными подшипниками, не требующими дополнительного обслуживания. Управление этими устройствами осуществляется через частотные преобразователи. Фрезы крепятся в цанги и закрепляются гайкой. На современном рынке доступны устройства как европейских, так и китайских производителей.

Ременноприводной шпиндель

Ременноприводные шпиндели взаимодействуют с сервоприводами переменного напряжения или с асинхронными двигателями. Эта особенность дает возможность точно регулировать частоту вращения инструмента.

Воздушные шпиндели – дешевые и надежные устройства для станков с программным управлением. Большей частью это приборы китайского производства с установленными керамическими подшипниками, выдерживающими высокие обороты.

В некоторых шпинделях предусмотрена возможность автоматической смены режущих инструментов.

Технические характеристики и область применения

На современном рынке доступно большое количество шпинделей.

Системы охлаждения, технология приведения в движение ротора, способ фиксации режущего инструмента и регулирования питания мотора тоже может отличаться.

Поэтому лучше всего классифицировать все шпиндели, доступные в продаже, по типу обрабатываемых материалов. Возможности каждого устройства обусловлены их техническими характеристиками.

Область применения шпинделя — портальные станки с ЧПУ

Шпиндели мощностью 0,8 кВт используются при обработке ювелирных изделий, для создания гравировок, порезки пластиковых деталей до 5 мм толщиной, тонкой фанеры, а также для резки и сверления печатных плат.

в такие устройства обычно устанавливаются очень тонкие граверы и миниатюрные фрезы.
Высокоскоростные шпиндели мощностью от 1,2 кВт могут использоваться с качественными твердоплавкими фрезами для обработки металлических изделий.

Для работы с тонкими прочными фрезами всегда используются шпиндели со скоростью вращения 30 000 об/мин.

Шпиндели мощностью 1,5 кВт применяются для обработки сувениров, создания неглубоких фрезеровок на латунных и алюминиевых предметах. Они также являются начальными приборами для обработки твердой древесины или акрилов толщиной до 15 мм. Мощность от 2,2 кВт позволяет обрабатывать твердое дерево и акрилы до 30 мм толщиной.

Устройства от 3 кВт можно использовать для прочных материалов. Например, они часто используются в 3D устройствах по обработке твердого дерева или фигурной резке. Шпиндели на 4 кВт применяются при резке твердых материалов.

Устройства мощностью от 4,5 кВт и выше позволяют максимально эффективно работать с большими фрезами для толстых заготовок из дерева или металла.

Мощность (кВт)	Частота вращения (об/мин.)	Обрабатываемые материалы	Для водного охлаждения (л./час)	Насос
0,8	8000-24000	Тонкий пластик, фанера, гравировка металлических изделий	780-1500	Помпа DB-25A-220V
1,5	8000-24000	Латунь, алюминий	1500-3000	Помпа DB-50A-380V
2,2	8000-24000	Твердые породы дерева	1500-3000	Помпа ZWP75
3	8000-24000	Высокопрочные металлические заготовки	2000-3000	Помпа ZWP150
4,5 и выше	8000-24000	Твердые деревянные и металлические заготовки	2000-5000	Помпа DB-100-380V

Для примера рассмотрим характеристики изделий самых популярных производителей:

• На отечественном рынке доступны высокоскоростные китайские шпиндели с воздушным и жидкостным охлаждением GTM, HNZ, HQ, TDK с диапазоном мощности 0,8-6 кВт с частотой вращения 8000-18000/24000 об/мин. с цангами ER11, ER16, ER20, ER
• Ременноприводные шпиндели BT30 для обработки заготовок из черного/цветного металла с частотой вращения 6000 об/мин. Некоторые изделия оснащены автоматической системой замены режущего инструмента;
• Минишпиндели с системами воздушного охлаждения мощностью 300-1050 Вт и частотой вращения до 32000 об/мин. В числе таких изделий представлена продукция компании Kress.

Установка

Кроме систем жидкостного охлаждения, для установки большинства шпинделей на станок также используются специальные преобразователи частот, посредством которых регулируется подаваемая мощность на двигатель. Диапазон мощности каждого преобразователя должен соответствовать потребляемой энергии шпинделя для того, чтобы не снизить продуктивность работы устройства. Некоторые специалисты рекомендуют рассчитывать мощность преобразователя с запасом, чтобы возможности подачи энергии на двигатель превышали максимальную мощность шпинделя. Для подключения достаточно присоединить контакты на шпинделе к соответствующим разъемам на преобразователе.

Преимущества и недостатки моделей

Шпиндели европейских производителей отличаются стабильностью выработки гарантийного периода при нормальном режиме эксплуатации. Устройства просто собираются и разбираются при наличии необходимых инструментов.

Конструкция шпинделей передовых европейских производителей всегда очень продумана и почти не имеет изъянов. Во многих корпусах задний подшипниковый узел надежно сконструирован. Для обмотки статоров в таких устройствах используются только качественные материалы.

Почти все производители уделяют внимание шумности своих изделий.

К недостаткам таких изделий можно отнести то, что пластиковые части корпуса являются их слабыми местами. В некоторых устройствах подшипники могут перегружаться и работать на пределе. Это обстоятельство повышает вероятность повреждения корпуса шпинделя.

Роторный вал многих приборов выполняется из мягкой стали, а резьба на них зачастую очень редкая. Это обуславливает снижение продолжительности срока эксплуатации. В шпинделях воздушного охлаждения может не хватать мощности встроенных вентиляторов недостаточно, поэтому приходится покупать дополнительные устройства.

Некоторые производителя забывают набивать подшипники шпинделей смазкой.

Источник: http://zewerok.ru/shpindeli-stanka/

Шпиндельные узлы станков. Конструкция и материалы

• Шпиндель – конечное звено привода главного движения , служит для крепления инструмента или заготовки и сообщает ему движение.
• Конструкция шпиндельного узла зависит от типа и размеров станка, класса точности, предельных параметров обработки. Конфигурация передней части стандартизирована:
• 

1. -Зубчатые передачи:
2. Достоинства: простота, компактность ,больше крутящие моменты.
3. Недостатки: неплавность.
4. n≤2000…3000 до 5000 мин-1
5. -Ременная передача:
6. Достоинства: плавность, снижение динамических нагрузок с прерывистым характером резания.
7. Недостатки: податливость ремня, увеличение размеров, уложение конструкции.
8. n≤6000 об/мин, vрез≤100 м/c.
9. -Ротор-шпиндель
10. -Инерционный привод
11. Rz≤0.05 мкм

Тип опор определяет форму посадочных мест шпинделя. Виды: качения, гидродинамические, гидростатические, аэростатические.

Для шпинделей станков нормальной точности применяют конструкционные стали 45, 50, 40Х с поверхностной закалкой(обычно закалка с нагревом NDX) до твердости HRC 48-56. Шпиндели сложной формы изготавливают из сталей 50Х, 40ХГР и применяют объемную закалку до HRC 56-60.

Для прецизионных станков в условиях жидкостной смазки применяют низкоуглеродистые стали 20Х, 18ХГТ, 12ХН3А с цементацией и закалкой до твердости HRC 56-60. Для слабонагруженных шпинделей высокоточных станков для уменьшения внутренних деформаций применяют азотируемые стали 38Х2МЮА, 38ХВФЮА с закалкой до твердости HRC 63-68.

Шпиндельные узлы станков. Смазывание и уплотнение.

Методы смазывания во многом определят надежность работы шпиндельного узла. Для подшипников качения применяют жидкий либо твердый смазочный материал. Примерные границы применяемости различных методов смазывания по параметру (dn)max указаны ниже.

• Смазывание: (dn)max∙10-5,мм∙мин-1 Примечание:
• Погружением 5,5-8 практически не применяется
• Разбрызгиванием 2,2-3,2 “-“загрязненное масло, неэкономичен, 1111111111111111111111111111111111 требуется высокая частота вращения 11111111111111111111111111111111111111111шпинделя
• Циркуляционное 4,2-6 расход масла по теплоотводу
• 1111111111111111111111111111111111111111 (неэкономичен)t

Источник: https://infopedia.su/1x26db.html

инженер поможет — Шпиндельные узлы станков с ЧПУ

Шпиндельный узел является одним из основных элементов несущей системы станка, во многом определяющим его жесткость, точность и виброустойчивостъ.

В технической литературе достаточно хорошо изложены методики расчета динамических и статических характеристик шпиндельных узлов, широко растиражировано программное обеспечение для их расчета, что позволяет конструктор) при проектировании оптимизировать необходимые параметры и выбирать лучший вариант шпиндельного узла.

Однако в литературе совершенно недостаточно уделено внимание вопросам конструирования отдельных элементов шпиндельного узда. При проработке конструктивных особенностей шпиндельного узла и, в первую очередь, его опор возникает ряд трудностей, которые определяются отсутствием доступной информации в нужном объеме

Цель работы: изучить шпиндельные узлы станков с ЧПУ

Шпиндельные узлы

В качестве приводного двигателя в станках с ЧПУ обычно применяются регулируемые двигатели постоянного и переменного тока.

Последние проще по конструкции и обладают большей надежностью в виду отсутствия щеточных узлов (особенно в области высоких частот вращения, которые требуются для главного движения). Диапазон регулирования двигателя с постоянной мощностью ограничен величиной 3…

5 (в последних моделях двигателей 6…8), что требует, как правило, применения в приводе главного движения механических устройств (коробок скоростей) и диапазоном регулирования числом ступеней скорости 2,3 или 4.

На шпиндель действуют нагрузки, вызываемые силами резания, силами в приводе (ременном, зубчатом), а также центробежными силами, возникающими от неуравновешенности вращающихся деталей самого шпиндельного узла, приспособления и заготовки. Проектирование узла включает: выбор типа приводного элемента, опор, устройств для их смазывания и защиты от загрязнений; определение диаметра шпинделя, расстояния между опорами и разработку конструкции всех элементов.

Современные виды шпинделей

На современном рынке доступно большое количество шпинделей.

Системы охлаждения, технология приведения в движение ротора, способ фиксации режущего инструмента и регулирования питания мотора тоже может отличаться.

Поэтому лучше всего классифицировать все шпиндели, доступные в продаже, по типу обрабатываемых материалов. Возможности каждого устройства обусловлены их техническими характеристиками.

Шпиндели мощностью 0,8 кВт применяются для обработки ювелирных изделий, для создания гравировок, порезки пластиковых деталей до 5 мм толщиной,

Высокоскоростные шпиндели мощностью от 1,2 кВт могут используют с качественными твердосплавными фрезами для обработки металлических изделий. Для работы с тонкими прочными фрезами всегда используются шпиндели со скоростью вращения 30 000 об/мин.

• Шпиндели мощностью 1,5 кВт используются для обработки сувениров, создания неглубоких фрезеровок на латунных и алюминиевых предметах
• Шпиндели на 4 кВт применяются при резке твердых материалов.
• Классификация шпинделей приведена в таблице 1.
• Таблица 1
•  Классификация шпинделей
•  

На долю упругих перемещений устройств, крепления инструмента или детали приходится 30…50 % общей деформации.

Например, на токарном станке со шпинделем диаметром d — 110 мм деформация распределялась следующим образом: 16 % шпиндель; 28 % опора; 36 % кулачковый патрон.

Деформация шпиндельного узла многоцелевого станка с диаметром шпинделя 80 мм распределялась: 37 % шпинделя с опорами; 11 % оправки; 52 % конического соединения шпинделя с оправкой.

Достигнутая статическая жесткость составляет (4…5)d Н/мкм (d в мм). Статическая жесткость сильно зависит от диаметра d шпинделя (в четвертой степени), длины консоли а конца шпинделя (в третьей степени) и мало зависит от расстояния b между опорами, причем увеличение b сверх оптимального значения лучше, чем его уменьшение.

Назначение размеров шпинделя (диаметров, длины переднего конца) производится с учетом силовых и скоростных характеристик станка. Статистические данные позволяют практически однозначно связать размеры переднего конца с основным размером станка.

Принятые соотношения диаметра шпинделя и основного размера станка приведены ниже:

 

 Шпиндельные узлы металлорежущих станков

Виды опор шпинделей. В шпиндельных узлах металлорежущих станков в качестве опор шпинделей применяют следующие виды подшипников (рис..1): а) подшипники качения; б, в) подшипники скольжения с жидкой смазкой б) — гидродинамические, в — гидростатические); г) подшипники с газовой смазкой; д) активные магнитные подшипники.

 

а) б) в) д)

Рис. 1. Основные виды опор шпинделей:

а- подшипник качения; б- гидродинамический подшипник скольжения; в -гидростатический подшипник скольжения; г -подшипник с газовой смазкой; д — активный магнитный подшипник

Подшипники с жидкой и газовой смазкой занимают прочное место в тех станках, к которым предъявляются экстремальные требования по точности, быстроходности или несущей способности.

Активные магнитные подшипники (наиболее быстроходные) находятся на начальной стадии промышленного развития.

Преобладающим видом опор шпинделей являются подшипники качения (ПК): по различным оценкам 90 — 95 % шпиндельных узлов станков выпускают с ПК.

Подшипники качения для шпиндельных узлов станков. В большинстве современных ШУ устанавливают ПК, специально предназначенные для этих узлов (рис. 2)

1. а — радиалъно-упорные шарикоподшипники с текстолитовыми сепараторами;
2. б — радиальные двухрядные роликоподшипники с короткими цилиндрическими роликами;
3. в — радиальные однорядные роликоподшипники с короткими цилиндрическими роликами;
4. г- упорно-радиальные шарикоподшипники;
5. д — конические роликоподшипники с буртом на наружном кольце;
6. е — конические роликоподшипники с встроенными пружинами;
7. ж — конические роликоподшипники с управляемым натягом;
8. з — перекрестно-роликовые подшипники;
9. и — комбинированные (упорно-радиальные шарикоподшипники).

Критерии работоспособности ШУ. Основными показателями работоспособности шпиндельных узлов являются: быстроходность (характеризуемая «параметром быстроходности» П = dnmax-10 -5 мм • мин-1, где d, мм — диаметр шейки шпинделя в передней опоре; птах, мин -1 — наибольшая частота вращения шпинделя); жесткость; точность; ресурс.

Погрешность ∆ вращения шпинделя — это векторная сумма всех частотных составляющих процесса смещения оси шпинделя, частота которых отлична от частоты вращения.

Она непосредственно влияет на отклонение от круглости обрабатываемых деталей и опосредственно на параметры шероховатости обрабатываемой поверхности и другие отклонения формы и взаимного расположения обрабатываемых поверхностей .

Погрешность ∆ возникает в процессе упругого взаимодействия дорожек и тел качения при вращении ПК шпинделя. Необходимо рассматривать последовательные положения оси шпинделя при его повороте с учетом погрешностей формы рабочих поверхностей деталей ПК и внешней нагрузки, т.е. квазистатический процесс.

Заключение

Шпиндель станка служит для передачи вращения обрабатываемой детали или инструменту.

Шпиндели сверлильных, расточных и некоторых других станков кроме вращательного движения осуществляют одновременно поступательное движение, а шпиндели хонинговальных станков одновременно осуществляют возвратно-поступательное движение. Шпиндель является весьма ответственной деталью станка. От точности вращения шпинделя зависит точность обработки деталей.

Источник: http://engcrafts.com/item/1592-shpindel

Обзор основных узлов металлорежущего станка

В конструкции металлообрабатывающих станков различных типов есть много общего, ведь в основу их работы положен принцип резания. Знание устройства облегчит эксплуатацию оборудования, поэтому остановимся подробнее на основных деталях и компонентах.

Общая информация о металлорежущих станках

основные типы металлорежущих станков: 1 — токарно-винторезный; 2 — зубо-долбежный; 3 — горизонтально-расточный; 4 — вертикально-фрезерный; 5 — точильно-шлифовальный; 6 — продольно-строгальный двухстоечный; 7 — вертикально-сверлильный; 8 — круглошлифовальный

Металлорежущие станки предназначены для обработки болванок в размер методом послойного снятия стружки. Обработка осуществляется инструментами абразивного или лезвийного типа.

Чтобы с помощью резака придать необходимую форму заготовке, требуется создать их взаимное движение по заданным правилам. Сочетание узлов и механизмов должно обеспечивать два основных типа движения: подачи и резания. Работает оборудование от электрической тяги. Узлы передачи преобразуют движение и подают от мотора на исполнительный инструмент.

Рабочими или исполнительными органами называются инструменты, непосредственно производящие процесс резки, к ним крепятся резцы. Запуск электродвигателя, остановка и изменение скоростей движения производится органами управления. Большинство узлов и механизмов металлорежущего оборудования осуществляют идентичные функции, хотя устройство их может быть различным.

Основные узлы и компоненты

токарно-винторезный станок: 1 — станина; 2 — передняя бабка с шпинделем; 3 — задняя бабка; 4 — коробка подач; 5 — фартук; 6 — суппорт; 7 — ходовой винт; 8 — ходовой вал; 9 — патрон; 10 — резцедержатель

Главный привод — подает болванке или резцу движение соответствующих параметров для выполнения резания. Как правило, движение вращения поступает через главный привод на шпиндель, где зафиксирована болванка или резец. Чтобы контролировать скорость движения главного привода используют:

• коробки передач;
• коробки скоростей;
• вариаторы;
• бесступенчатые системы регулировки.

Привод подачи — он используется для передвижения резца вдоль или вокруг болванки, придавая ей необходимую форму.

Привод позиционирования — его задача передвижение механизма из одной точки в другую. Он задействуется, например, при выработке ряда параллельных выемок, отверстий или поверхностей, находящихся на одной детали. В токарных и фрезерных станках с ЧПУ главный привод сочетает в себе эту функцию.

Несущая система — это набор определенных, скрепленных между собой деталей. Стыки между ними могут быть фиксированными и подвижными. Этот узел отвечает за взаиморасположение обрабатываемой детали и инструмента во время работы.

Узел измерительных и контрольных приспособлений — создан для контроля над выполнением основных задач. Эти устройства следят за состоянием основных механизмов, размерами болванки и готовой детали. В наиболее автоматизированных станках данные контроля передаются в узел управления, который подает сигналы для корректировки.

Детализация основных узлов

Станина предназначена для правильного и устойчивого расположения основных узлов (бабок) во время любых нагрузок при эксплуатации. В металлорежущих станках станина может иметь вертикальное или горизонтальное положение. Основные требования к станине любой конструкции:

• устойчивость к вибрации;
• жесткость;
• термостойкость.

В большинстве случаев станины и бабки изготавливают из серого чугуна, который может обеспечить все необходимые характеристики. Также используют углеродистую сталь и бетон (устойчив к скачкам температуры).

Многие типы станков оснащаются траверсой или поперечной балкой, передвигающейся по вертикальным рельсам. На траверсе есть горизонтальные рельсы, по которым передвигаются мобильные узлы.

Таким механизмом оснащаются продольно-фрезерные, токарно-карусельные, строгальные, радиально-сверлильные станки. Двухстоечные токарно-карусельные станки дополнительно оборудованы порталом — перекладиной между верхними точками стоек.

Портал придает конструкции дополнительную жесткость.

Направляющие — имеют большое значение для точности выполнения деталей, по ним передвигаются мобильные узлы.

Существует несколько разновидностей направляющих:

• качения;
• скольжения;
• комбинированные.

Направляющие быстро изнашиваются, поэтому к подбору материала и изготовлению этих узлов повышенное внимание. Используются серый чугун, сталь, бронза, пластики, композиты.

Шпиндельный узел

шпиндельный узел обрабатывающего центра

Этот механизм является одним из самых важных в токарном станке, он обеспечивает основное движение — резание. Шпиндельный узел располагается в передней бабке и может иметь различную конструкцию.

Главные параметры шпиндельного узла передней бабки:

• точность — определяется степенью биения, которая должна быть в определенных пределах. Величины биения устанавливаются с учетом класса точности;
• виброустойчивость — это основной динамический узел, вызывающий колебания бабки и всего станка. Виброустойчивость определяется частотой колебаний конца шпинделя и должна быть у особо точных моделей более 600 Герц, у обычных — более 250 Герц;
• жесткость — будучи компонентом несущей системы, шпиндель влияет на суммарную жесткость;
• сопротивление нагреву — опоры шпинделя, расположенные в передней бабке — это основной источник выделения тепла в станке. От опор тепло постепенно расходится по стенкам бабки, провоцируя ее перекос относительно основания;
• долговечность — она зависит в основном от вида опор и определяет срок использования шпинделя без потери точности.

Видеоролик о точных размерах узлов и деталей токарного станка:

Источник: http://StanokGid.ru/metall/osnovnye-uzly-tokarnogo-stanka-i-metallorezhushhego.html

Шпиндель фото – Шпиндель станка: типы, принцип работы, устройство – Новости компьютерного мира

Производственное оборудование получило весьма широкое распространение, так как за счет механизации процесса существенно повышается качество получаемого результата, снижается его стоимость, а также ускоряется процедура. Довольно большое распространение получило понятие шпинделя.

Шпиндель станка устанавливается для фиксации инструментов, а также заготовок. Бытовой вариант исполнения напоминает фрезерный станок или дрель. Подробное описание того, что такое шпиндель во многом позволяет определить его предназначение и многие другие свойства.

Рассмотрим особенности конструкции подробнее.

Устройство и характеристики

Практически все конструкции шпинделя схожи, однако технические характеристики могут существенно отличаться. Особенностями можно назвать нижеприведенные моменты:

1. Роторный вал фиксируется в корпусе за счет подшипника качения. При этом могут применяться самые различные варианты исполнения подшипника качения, некоторые характеризуются повышенной устойчивостью к вибрации, другие обходятся намного дешевле. Большая часть оборудования предусматривает подачу смазывающего вещества в зону скольжения. За счет этого существенно повышается ресурс работы, а также снижается степень нагрева всего механизма.
2. Главное вращательное движение передается от асинхронного двигателя, который также монтируется в корпусе. Подобный механизм питается от электричества, может работать от напряжения 220 В или 380 В. На протяжении длительного периода проводилась установка исключительно трехфазного варианта исполнения, так как он характеризовался большей мощностью и устойчивостью к возникающей нагрузке. Однако через некоторое время появились более современные конструкции моделей на 220 В, которые позволили ставить оборудование в бытовых условиях.
3. Не стоит забывать о том, что шпинделю передается вращательное движение. При этом оно может передаваться напрямую или через различный привод, каждый характеризуется своими определенным особенностями. Примером можно назвать клиноременную передачу, представленную сочетанием шкивов различного диаметра и ремня с определенным профилем. За счет натяжения ремень может передавать существенное усилие, в случае превышения допустимого показателя ремень начинает проскальзывать и исключается вероятность повреждения основных элементов. для передачи особых свойств проводится установка зубчатых колес, в некоторых случаях есть возможность провести их замену.
4. На валу находятся зажимы цангового типа. За счет подобной конструкции обеспечивается крепление инструмента с определенным диаметром хвостовика. Стоит учитывать, что не всем инструменты могут быть зафиксированы в подобном устройстве. В случае, когда фиксация проводится по внешней цилиндрической поверхности обеспечить высокую степень надежности практически невозможно. Именно поэтому инструменты изготавливают со специальными хвостовиками, которые исключают вероятность осевого смещения.
5. Довольно большое количество вариантов исполнения имеет систему охлаждения. Она может быть воздушного или жидкого типа. Стоит учитывать, что только при обеспечении надлежащего охлаждения можно эксплуатировать устройство на протяжении длительного периода.
6. Сложное устройство шпинделя станков с ЧПУ. Это связано с тем, что подобные фрезерные станки характеризуется повышенной точностью в работе, а также большой сложностью по причине применения блока числового программного управления. Устройство с ЧПУ может быть подвижным и работать в автоматическом режиме, то есть выполнять сжатие детали без участия оператора. Часто встречается гидравлический привод, который характеризуется относительно невысокой стоимостью и возможностью передачи большого усилия. Электрические более точные и характеризуются большой скоростью срабатывания.
7. Рассматривая характеристики шпинделя следует уделить внимание максимальной и минимальной скорости вращения. Она наиболее актуальна для устройства, которое предназначено для фиксации заготовки.

Стоит учитывать, что стандартный ряд частот вращения во многом зависит не от устройства и где находится шпиндель, а от особенностей механизма привода.

Производители фрезерных станков указывают стандартные значения частоты вращения шпинделя или диапазон. Некоторые устройства позволяют проводить плавную регулировку параметров.

Также есть шпиндельный привод, который классифицируется по достаточно большому количеству признаков.

Принцип работы

Работа практически всех станков основана на использовании режущих инструментов. Классическая конструкция шпинделя позволяет проводить надежное крепление инструмента в скоростном или силовом режиме.

Рассматривая особенности шпинделя станка скоростного типа следует уделить внимание тому, что его предназначение заключается в срезании небольшого слоя металла с поверхности заготовки.

Ключевыми особенностями подобного процесса можно назвать следующее:

1. Есть возможность существенно повысить показатель производительности, для чего выбирается большая скорость резания. Стоит учитывать, что практически во всех случаях проводится составление технологической карты, в которой и указываются основные параметры: подача, скорость резания и некоторые другие.
2. Подобный вариант исполнения шпинделя получил широкое распространение в случае финишного точения или фрезерования на станке. Именно поэтому требуется устройство повышенной мощности.
3. В большинстве случаев для передачи вращения устанавливается асинхронный двигатель повышенной мощности. Изменить частоту вращения можно за счет зубчатой или ременной передачи.
4. Некоторые конструкции напрямую соединены с валом устанавливаемого электрического двигателя, все промежуточные элементы отсутствуют. В подобном случае слишком большое усилие может стать причиной перегрузки мотора. Однако, отсутствие промежуточного элемента позволяет существенно уменьшить размер инструмента. Поэтому в электрических инструментах установленный двигатель напрямую связан со шпинделем.

Рассматривая принцип работы следует уделить внимание тому, что силовые и скоростные конструкции также имеют различный принцип работы. Силовые установки характеризуются следующими особенностями:

1. Устанавливаются специальные переходные втулки конической формы, которые выступают в качестве переходника. Они изготавливаются самыми различными производителями, существенно повышают степень крепления устройства. Втулки подбираются в зависимости от особенностей хвостовика инструмента.
2. При установке инструмента хвостовик фиксируется непосредственно во втулке, после чего в отверстии шпинделя. За счет этого обеспечивается равномерное распределение возникающей нагрузки.

Сегодня вал шпинделя токарного станка не соединяется напрямую с мотором. Это связано с тем, что возникающая переменная нагрузка может привести к повреждению электрического двигателя. Чаще всего устанавливается клиноременная передача или комплект шестерен. За счет этого обеспечиваются наиболее безопасные условия эксплуатации.

Применение шпинделя

Используется подобное устройство при создании самого различного оборудования и инструментов. Как ранее было отмечено, назначение заключается в фиксации инструментов и деталей. Область применения может быть существенно расширена за счет применения различной оснастки. Среди особенностей отметим следующее:

1. Все электрооборудование производится при применении шпинделя. Оно используется для непосредственной фиксации различных насадок.
2. Фрезерные станки получили весьма широкое распространение. Это связано с тем, что при применении фрезерного станка можно получить корпусные детали различного типа.
3. Шпиндель можно встретить и как отдельный узел других станков, к примеру, токарной группы. Предназначение в этом случае заключается в фиксации проката для его обработки.

Ключевыми особенностями механизма можно назвать то, что оно обеспечивает надежное крепление инструмента и деталей даже при высокой осевой скорости и вращении.

Классификация шпинделей

Выделяют несколько различных типов рассматриваемого устройства, все виды шпинделей станков фрезерной группы характеризуются своим определенными особенностями. Основными видами можно назвать:

1. Коллекторные получили весьма широкое распространение при изготовлении фрезерных станков, которые предназначены для гравировки и ювелирной обработки. Чаще всего в эту группу относится устройство с цангой высокоскоростного типа. Резка мягких сплавов может проходить при применении версии цанги ER11 на станке различных групп.
2. Высокоскоростные варианты исполнения чаще встречаются в конструкции фрезерных станков. Именно высокоскоростной шпиндель позволяет существенно расширить возможности фрезерных станков с числовым программы управлением.
3. В отдельную групп также относится конструкция, способная подавать охлаждающую жидкость в зону обработки. За счет этого существенно снижается температура в зоне резания, поэтому можно существенно повысить показатель производительности.
4. Крепление фрезы станков осуществляется за счет цанги, которая также дополняется гайками. При изготовлении цанги применяется металл с повышенной твердостью.
5. В продаже встречается продукция европейских и китайских происхождения. Дешевле всего обходится именно продукция китайских производителей. Они применяют подшипники из керамики, которые могут выдерживать существенную нагрузку.

На современном рынке доступно довольно большое количество различных шпинделей, которые могут устанавливаться на фрезерных станках.

При этом классификация проводится по типу применяемой системы охлаждения, способу фиксации режущего инструмента и заготовки. Вариант исполнения с мощностью около 0,8 кВт может применяться для обработки небольших изделий, а также выполнения гравировки.

Анкерный вариант исполнения распространен в меньшей степени, но все может применяться при в определенных случаях.

Как выбрать шпиндель?

Есть довольно много рекомендаций, касающихся непосредственного выбора шпинделя для фрезерного станка. Стоит учитывать тот момент, что шпиндель токарного станка существенно отличается, так как его предназначение заключается в креплении заготовки. Основными рекомендациями назовем нижеприведенные моменты:

1. Для начала рассматривается то, какая нагрузка будет оказываться на хвостовую часть. При этом не стоит забывать о том, что выделяют два различных типа нагрузки: осевая и центробежная. В случае, когда за один проход будет сниматься большой слой металла следует выбирать механизм с большей устойчивостью к нагрузке.
2. Еще одним критерием выбора можно назвать количество оборотов, при котором будет работать оборудование. Этот показатель указывается в инструкции по эксплуатации всех фрезерных станков и электрического инструмента.
3. Габаритные размеры также имеют важное значение. От этого зависит минимальный и максимальный диаметр устанавливаемого инструмента.
4. Важным моментом является то, какая фирма занимается выпуском устройства для станка. От этого зависит качество сборки, длительность эксплуатации, основные эксплуатационные характеристики.
5. Некоторые производители фрезерных станков также указывают то, какой шпиндель подходит в большей степени. Рекомендуется следовать рекомендациям по выбору, так как указываемый механизм подходит в большей степени.

Как правило, рассматриваемые устройства выполнены в универсальном виде. За счет этого есть возможность подобрать самый подходящий вариант исполнения для самых различных фрезерных станков.

В заключение отметим, что шпиндель является сложной конструкцией, которая предназначена для фиксации различных элементом на момент работы.

Именно поэтому его выбору следует уделять довольно много внимания, так как некачественная и ненадежная конструкция не сможет прослужить в течение длительного периода. Следует уделять внимание и правильности установки, так как допущенные ошибки могут стать причиной появления самых различных дефектов.

Источник: https://delvik.ru/raznoe-2/shpindel-foto-shpindel-stanka-tipy-princip-raboty-ustrojstvo.html