Шпиндели за машини с ЦПУ

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8/2015 • 21.11.2015

Шпиндел на стругова машина с ЦПУ: б - подаване на прътова заготовка
Шпиндел на стругова машина с ЦПУ: а - присъединителни повърхнини
Преден край на шпиндел за обработващ център
Схема предна и задна търкалящи лагерни опори, монтирани върху шпиндела по Т- схема (Тандем)
Диаграмa на момента M (б) на шпиндела във функция от честотата на въртене n
Диаграмa на мощността N (а) на шпиндела във функция от честотата на въртене n
Обобщена схема на шпинделен възел
Задвижване на шпиндел с междинна предавателна кутия
Задвижвания на шпиндели: в - мотор-вретено (с интегриран главен двигател)
Задвижвания на шпиндели: б - с директно куплиран главен двигател
Задвижвания на шпиндели: а - с ремъчна предавка

Шпинделът е главният вал на металорежещата машина с ЦПУ, който чрез ротацията около надлъжната си ос, предава главното движение към режещия инструмент (при фрезовите и шрифовъчните машини, обработващите центри) или заготовката (при струговите машини). Шпинделите могат да бъдат класифицирани според: вида на металорежещата машина с ЦПУ, положението на оста им, носещата им способност, максималната честота на въртене, точността, мощността, размерите и т. н.

Шпинделът определя във висока степен техническите и експлоатационните характеристики на самата машина, поради което към него се поставят редица строги изисквания, основните от които са точност и износоустойчивост на присъединителните повърхнини за технологичната екипировка, точност и динамика на ротацията, високи съпротивителни свойства (статична и топлинна стабилност, виброустойчивост, износоустойчивост), широкообхватно безстепенно регулиране на честотата на въртене, двузоново регулиране, постоянство на гореуказаните параметри при различни условия и режими на експлоатация, подаване през шпиндела в зоната на рязане на различни по природа мажещо-охлаждащи средства, дълготрайност, безотказност, ремонтопригодност, техническа и санитарна безопасност и др.

Задвижване на шпиндела
С ремъчна предавка. Шпинделът 3 се задвижва от главния двигател 2 на машината чрез ремъчната предавка 1 (фиг. 1а), която намалява влиянието на топлиния поток и вибрациите на двигателя върху шпиндела. Рационалната област на приложение са честотите на въртене до 12 000...15 000 min-1.
С директно куплиран главен двигател. Шпинделът 3 и главният двигател 1 са разположени на една ос и са свързани чрез съединителя 2 (фиг. 1б). Задвижването се развива в осово направление и радиалните габарити се свеждат до минимум. Еластичният съединител изпълнява и ролята на филтър на генерираните в двигателя вибрации и топлинни потоци. Рационалната област на приложение е честота на въртене до 18 000 min-1. Мотор-шпиндел (с интегриран главен двигател). Представлява (фиг. 1в) конструктивно единство между шпиндела и главния двигател - роторът на двигателя изпълнява ролята на шпиндел, в който са развити всички необходими присъединителни повърхнини, механизми и системи за пълноценно функциониране. Подходящ е за високоскоростни шпиндели.

С междинна предавателна кутия. Когато честотният диапазон на главния двигател 1 е недостатъчен за покриване на оборотния обхват на шпиндела 3, се използва междинна предавателна кутия 2, състояща се от 2 или 3 (по-рядко 4) зъбни предавки (фиг. 2). Чрез тях честотният диапазон на двигателя се транслира в съответствие с броя на предавките. Това задвижване все по-малко се използва в съвременните машини, тъй като има големи габарити и тегло, повишени вибрации и хлабини в зъбните предавки. Значението на това задвижване намалява и с оглед нарасналите възможности на съвременните двигатели.

Двигатели
Шпинделите се задвижват от регулируеми двигатели, които осигуряват точно постигане, поддържане и безстепенно изменение на честотата на въртене в двете посоки на ротация, точно позициониране, високи стойности на ускорението-забавянето, бързо спиране и реверс. Съвременният шпиндел по същество е сервозадвижване с високи показатели на точността и бързодействието, при необходимост може да работи и като кръгова подавателна ос. Използват се асинхронни и синхронни безколекторни двигатели. Асинхронният двигател се състои от статорна намотка и свързан накъсо ротор. При синхронния двигател роторът съдържа в себе си постоянни магнити, които създават собствено независимо магнитно поле. Предимствата му пред асинхронния са по-големият въртящ момент, по-добрата динамика и др.

Общо устройство и основни технически характеристики
Шпинделът 1 (фиг. 3) е разположен в тялото 6 върху предната 5 и задната 8 лагерни опори. В предния край на шпиндела са присъединителните повърхнини, които са стандартизирани за всеки вид машина; в случая са показани вътрешният конус 2, цилиндричната 4 и челната повърхнина 3. Централният отвор 7 служи за разполагане в него на различни спомагателни устройства в съответствие с вида на машината. В задния край е връзката 9 със задвижването. Охлаждането на шпиндела 10 поддържа температурата на лагерите в определени граници; обикновено е течно, по-рядко въздушно.

Основни технически характеристики
• кинематични и динамични характеристики: мощност на двигателя N, въртящ момент M, максимална nMAX и номинална n0 честота на въртене на шпиндела, вид на двигателя и неговия регулатор, качество на балансирането, осов инерционен момент на ротиращата система. Мощността и въртящият момент се посочват с техните максимални стойности при два режима - на постоянно (S1) и повторно-кратковременно (S6) натоварване. Важни за практиката са диаграмите на мощността N и момента M на шпиндела във функция от честотата на въртене n (фиг. 4). На тях се вижда също така номиналната честота n0, която е граница на двузоновото регулиране. В първата зона (с максимален въртящ момент) се извършват грубите обработки, а във втората (с максимална мощност) - чистите.
• точностни характеристики: радиално биене на разстояние 100 mm и 300 mm от челото, осово биене, блуждаещо биене при високи честоти на ротация, точност на присъединителните повърхнини за технологичната екипировка.
• основни размери, тегло: габаритни и монтажни размери като дължината на конзолната част LK, разстоянието между опорите L, диаметрите DФ и DБ и др. (фиг. 3) и др.
• лагери: вид, брой и схема на монтирането им, диаметър D на вътрешния отвор на лагерите от предната опора (фиг. 3), видът на мазането и защитата на лагерите. Важна характеристика е скоростният показател dn, който е произведение на D (в милиметри) и nМАХ (в обороти за минута).

С течение на годините се утвърди тенденцията шпинделът да представлява самостоятелно изделие, включващо в себе си всички механизми, системи, сензори и енкодери, необходими за правилното му функциониране. Изготвя се от специализирани фирми и се предлага в завършен вид с необходимите монтажни повърхнини (фланци, цилиндрични повърхнини) и посочени в техническия паспорт характеристики. За осигуряване на безвибрационна ротация високообротните шпиндели се подлагат на прецизно фабрично балансиране. Производителят на металорежещата машина с ЦПУ монтира готовия шпиндел върху предварително подготвени повърхнини в тялото на шпинделната кутия и го свързва към главния двигател, а чрез стандартни интерфейси (куплунги, нипели, щуцери и др.) - към системата за ЦПУ, електрозахранването, хидроагрегата, цеховата магистрала за въздух под налягане, охлаждащия агрегат.

Лагери
Лагерите са едни от най-важните елементи, тъй като определят качеството на шпиндела като цяло. Трябва да отговарят на високи изисквания към точността на ротация, горната граница и широчината на обхвата на честотите на въртене, носещата способност, статичната стабилност, виброустойчивостта, топлоотделянето, способността за работа при високи ускорения-забавяния и бърз реверс, плавността на движението, коефициента на триене, демпфирането на трептенията и др.

Изборът на типа на лагерите зависи главно от експлоатационното предназначение на шпиндела.
Търкалящи лагери - осигуряват висока точност на ротацията, ниско радиално и аксиално биене, нисък коефициент на триене, практически с равни стойности при движение и покой, сравнително плавен и спокоен ход, висока носеща способност, статична стабилност и надеждност, голям експлоатационен ресурс, простота на обслужването, сравнително ниска цена. Недостатъци: слабо демпфиране, чувствителност към ударни натоварвания и др.

Хидростатични лагери - работят без механичен контакт - между лагерната шийка на шпиндела и корпуса на лагера се подава масло под налягане. Образувалият се маслен филм разделя двете контактни повърхнини. Предимства: висока носеща способност, нисък коефициент на триене, определян от нивото на вътрешното (вискозното) триене в маслото, висока плавност и точност на ротацията, високи показатели на статичната стабилност и демпфиращата способност, практически неограничен експлоатационен ресурс. Недостатъци: сравнително ниска горна граница на честотата на ротация, сравнително високи разходи за консумативи като масло, филтри и др., по-сложна експлоатационна поддръжка, риск за околната среда при аварийни ситуации.

Аеростатични лагери - работят на същия принцип, както и хидростатичните, но вместо масло се подава въздух под налягане. Така се създава носещ въздушен филм. В сравнение с хидростатичните, аеростатичните лагери имат по-ниска носеща способност, коефициент на триене и статична стабилност, значително по-лошо демпфиране, но практическото отсъствие на топлоотделяне позволява работа с особено високи честоти на въртене.
Магнитнодинамични лагери - в отделни случаи се използват магнитнодинамични лагери, принципно подобни на аеростатичните. Носещо е магнитното поле, образувано от няколко двойки намотки, разположени диаметрално противоположно една срещу друга в статора на лагера.

Шпиндели на търкалящи лагери
Най-широко разпространение в шпинделите имат търкалящите лагери. Използват се специални шпинделни сачмени едноредни радиално-аксиални лагери. При монтажа се постига предварителна стегнатост, необходима за отстраняване на фабричната хлабина и повишаване на точността на въртене, стабилността и виброустойчивостта на шпиндела чрез прецизно взаимно осово преместване между вътрешния и външния пръстен. В опорите лагерите се комплектуват по два или три (по-рядко повече) в съответствие с няколко схеми - Х-схема (лагерите се монтират „лице към лице”), О-схема (лагерите се монтират „гръб към гръб”), Т-схема (Тандем) (лагерите се монтират „лице към гръб”), които се избират в зависимост от предназначението на шпиндела.

На фиг. 5 е показана примерна схема на предна и задна търкалящи лагерни опори, монтирани по Т-схемата. Двойката лагери в задната опора е ориентирана противоположно на предната. Така предната и задната опора заедно оформят сдвоена О-схема. Топлинното удължаване се развива в посока към задната опора. Постоянството на стегнатостта в лагерите на задната опора се постига с комплект пружини. Схемата осигурява висока честота на въртене на шпиндела.

Във високоскоростните шпиндели се предпочита използването на хибридни лагери - външният и вътрешният пръстен са от стомана, както при обичайното изпълнение, но търкалящите тела (сачмите) не са стоманени, а керамични. Това дава следните съществени предимства: възможност за ротация с по-висока честота, намалено време за ускоряване, спиране и реверс, по-малка сила на триене, по-ниска работна температура, по-ниско ниво на вибрациите, по-висока статична стабилност, отсъствие на „студено заваряване”.

В зависимост от вида на лагерите, скоростния показател, носещата способност, стабилността и ценовите ограничения могат да се прилагат различни видове мазане- с грес, с голямо количество циркулиращо масло, с масло и въздух, с маслена мъгла, с впръскване на масло под налягане, с мазане под пътечката на вътрешния пръстен.

Най-честата причина за дефектирането на търкалящите лагери е замърсяването им с продукти, проникнали в тях от околната среда или чрез маслото. За защита се използват контактни уплътнения, които работят добре при нискоскоростните шпиндели. Във високоскоростните се използват различни видове безконтактни лабиринтни уплътнения.

Шпиндели за ОЦ
Основен параметър е видът и типоразмера на базовия конус, предназначен за закрепване на инструментодържача. Най-широкоразпространени са конусите за инструментодържачи с дълъг плътен конус от типа ISO, SK, BT, CAT. На фиг. 6 е показан пример с такъв инструментодържач; при него базирането е само по конусната повърхнина, докато между неговия фланец и челото на шпиндела има гарантирана малка хлабина. Конусите са номерирани съгласно стандарта; най-често се използват номерата 30 (за машини малък типоразмер), 40 (за среден) и 50 (за голям). Затягането се извършва от устройство, развито в централния отвор на шпиндела. Осовата сила се създава от комплект дискови пружини, а освобождаването - от пневматичен или хидравличен цилиндър. Опашката на инструментодържача се захваща с цангово (фиг. 6) или друго устройство.

В практиката на високоскоростната обработка се утвърждава стандартът HSK, главната особеност на който е късият кух конус и възможността за базиране не само по конусната повърхнина, но и по челото, което повишава точността и стабилността на закрепването. Съществено предимство на HSK е нарастването на силата на затягане пропорционално на честотата на въртене; при другите конуси се наблюдава обратната зависимост, което ги прави опасни при високи скорости.

Шпинделът притежава функцията за точно ъглово ориентирано спиране; тази позиция се фиксира с достатъчна стабилност и се използва при автоматичната смяна на инструментите. Отделно от това, шпинделът може да бъде позициониран в произволно, програмно зададено ъглово положение.
В шпиндела са монтирани измервателни устройства, чрез които се реализира обратната връзка със системата за управление. Сензорите дават актуална информация за температурата и вибрациите на лагерите, наличието на инструмент и др. Ротационният енкодер измерва ъгъла на завъртане на шпиндела; тази информация се използва при нарязването на резба с метчик за точно съгласуване с осовото подавателно движение, а също така при ъгловото позициониране.

Мотор-шпинделът днес е основното задвижване, използвано при машините за високоскоростна обработка и в наклоняващите и въртящите шпинделни глави (при 5-осните машини).

През централния отвор може да се подават различни видове мажещо-охлаждащи средства (течност, въздух, маслена мъгла), въздух за обдухване на конуса.

Максималната честота на въртене на шпинделите за обработващи центри достига до сравнително високи стойности- за машините среден типоразмер тя е примерно до 45 000 оборота в минута.

Шпиндели за стругови машини с ЦПУ
Стандартизираните присъединителни повърхнини в предния край са къс конус и чело (фиг. 7). Върху тях се базира най-често универсален тричелюстен самоцентриращ патронник, в който, от своя страна, се установява заготовката (фиг. 7а). Придвижването на челюстите на патронника (за затягане и освобождаване) става механизирано чрез тягова тръба, монтирана в централния отвор на шпиндела, задвижвана от специален въртящ хидроцилиндър. През шпиндела може да се подава прътова заготовка (фиг. 7б). За целта в централния отвор са разположени и други устройства - редуцираща тръба (за пръти с малък диаметър), ограничители (за дълбочината на зареждане на заготовката през предния край).
При струговите центри шпинделът изпълнява и ролята на кръгова подавателна ос С. В този случай главното движение се извършва от фрезово-пробивните шпиндели в револверната глава, които са значително по-маломощни от струговия.
Струговият шпиндел работи с ротационен енкодер, чиято информация се използва при нарязването на резба с нож и метчик, при струговането на многостени. Собствени енкодери имат и фрезово-пробивните шпиндели.
Поради присъщия на ротиращата заготовка дебаланс, максималната честота на въртене на струговия шпиндел се ограничава примерно до 10 000 оборота в минута. Някои машини измерват текущия дебаланс и извеждат информация за максимално допустимата честота на въртене.

доц. д-р инж. Пламен Угринов

ЕКСКЛУЗИВНО

Top