Изисквания към шпинделите за металорежещи машини
Начало > Машини > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 7, 2014
Tочността и производителността на металорежещите машини зависят от различни фактори, сред които конструкцията и качеството на изработване на крайното звено от главния превод, познато като шпиндел или вретено. При анализа на качеството на шпиндела е необходимо да се обърне внимание на няколко характеристики, като например видът на машинната обработка и избраният тип лагеруване в шпиндела.
Ако се обработват малки детайли от цветни метали или техни сплави, се налага обработка на по-високи обороти, което означава, че подбраните лагери в шпиндела следва да са с висока износоустойчивост и да издържат на радиални натоварвания.
В случай че се обработват големи детайли от различен тип стомани, се изисква избор на конструктивно решение за шпиндела, което издържа както на радиални, така и на аксиални натоварвания. Причината е, че в случая се работи с голяма прибавка и аксиалните сили на рязане са значителни, докато необходимостта от високи обороти отпада.
Друга характеристика на шпиндела е неговата точност на изработка. Тя определя както биенето на шпиндела, така и точността на присъединителните размери, към които се монтира затягащото устройство. Материалът за изработка на шпинделите се избира в зависимост от предназначението на металорежещата машина и типа на лагерните опори.
Като правило шпинделите се изработват от стомана. За изработката на шпиндели за някои много тежки металорежещи машини, работещи с относително ниски скорости на въртене, понякога се използува и чугун. За заготовки най-често се използват стоманени изковки, по-рядко - стоманени отливки или прътов материал. Последният намира по-широко приложение при шпиндели с по-малки габаритни размери.
В зависимост от типа на лагерните опори шпинделите биват с търкалящи лагери и с плъзгащи лагери. Основните изисквания към шпинделите с търкалящи лагери са за якост и коравина. При шпинделите с плъзгащи лагери към посочените изисквания трябва да се добави и висока износоустойчивост.
Според предназначението на металорежещата машина, шпинделите могат да се разделят на три групи: шпиндели с осев отвор по цялата дължина; шпиндели с осев отвор само в единия си край и шпиндели без осев отвор. Най-голяма трудност представлява обработката на шпинделите от първата група, тъй като освен другите изисквания е необходимо и постигането на висока съосност между централния отвор и лагерните шийки.
Отнемането на материал от повърхността на вретеното и от централния отвор предизвиква преразпределение на вътрешните напрежения, особено когато детайлът не е правилно термообработен. Това води до появата на деформации в процеса на обработка или по-късно при експлоатацията на вретенния възел. Начините за решаване на този проблем са правилен избор на материал и последващите му термообработки и разделяне на механичните обработки на груби, чисти и финишни.
Особено внимание заслужава въпросът за премахване на деформациите вследствие закаляването на детайла и нагряването му при механичната обработка. Затова се предвиждат такива операции като изправочна и изваряване, а финишните обработки са с много леки режими на рязане.
Шпиндели за шлифовъчни машини
Към шпинделите на шлифовъчните машини, предназначени за осигуряване на точно въртене на шлифовъчния диск, се предявяват няколко основни изисквания. На първо място, точност на въртене, измервана чрез биенето на предния край на шпиндела в радиално и в осево направление. Отклоненията в точността на въртене са една от основните причини за нарушената работна точност на машините.
Друго основно изискване е стабилността на възела, определяна от еластичните деформации на предния край на шпиндела. Стабилността на целия възел зависи най-вече от собствената коравина на вретеното като детайл и на лагерите като машинни елементи. Радиалната и аксиалната стабилност на вретенния възел също са сред основните фактори за точността при шлифоване.
Виброустойчивостта на шпиндела също влияе съществено върху общата устойчивост на носещата система на машината. Демпфериращите свойства на лагерните опори и амплитудо-честотната характеристика на вретенния възел влияят най-вече на грапавостта на шлифованата повърхнина и на пределно допустимите режими на работа. За особено бързоходните вътрешно шлифовъчни шпиндели опасност представляват и резонансните явления.
Немаловажно изискване към шпинделите е и тяхната дълготрайност, свързана с дълготрайността на лагерите, и целяща съхраняване на първоначалната точност на въртене. Шпинделите трябва да се отличават и с ограничено топлоотдаване и температурни деформации, тъй като те оказват съществено влияние върху точността на работа.
При относително високите скорости на въртене на вретеното лагерните опори се явяват източник на топлина в непосредствена близост до зоната на механична обработка. Не на последно място, шпинделът трябва да осигурява бързо и надеждно закрепване на шлифовъчния инструмент, което да позволява точно центроване и възможност за автоматизирана смяна на инструментите.
Лагеруване на шлифовъчните шпиндели
Изпълнението на изискванията към вретенните възли на шлифовъчните машини се осъществява най-вече чрез правилен избор на конструкцията и монтажа на лагерните опори. В универсалните шлифовъчни машини се използват няколко вида лагери: хидростатични плъзгащи; хидродинамични плъзгащи; търкалящи.
Те трябва да отговарят на изискванията за малки хлабини (за точно въртене) и малки загуби от триене (за ниска температура при въртене). За да се удовлетворят тези изисквания, обикновено се използват многоклинови хидродинамични лагери. Те се изпълняват или във вид на втулка, или във вид на отделни черупки.
Черупките най-често са биметални - изработват се, като върху стоманена основа чрез центробежен способ и електродъгово нагряване се нанася слой бронз. При многоклиновите лагери – втулки, носещите клинове се образуват чрез еластично деформиране на втулката или чрез изработване на специални клинообразуващи скосявания върху нейните вътрешни работни повърхнини.
В многоклиновите лагери се създават няколко клинови хлабини, където въртящият се вал увлича маслото и резултантната сила противодейства на външната сила, натоварваща вретеното, т. е. при този тип плъзгащи лагери масленият клин между подвижната и неподвижната част се създава благодарение на ротационното движение и зависи от ъгловата скорост на въртене.
За предотвратяване на задиране на вретеното в лагерните черупки (или втулки) обикновено се използва датчик, който контролира наличието на масло в лагерите и при спиране на подаването му прекратява въртенето на вала.
Търкалящи лагери
При по-ранните етапи от производството на шлифовъчни машини този тип лагери се използват традиционно при лагеруване на шпинделите за вътрешно шлифоване, на кръглите маси при плоскошлифовъчните машини, на шпинделите на предните седла при кръглошлифовъчните машини и др.
Във връзка с усвояването на специални прецизни лагери за шпиндели на металорежещи машини се разшири и използването на търкалящите лагери при лагеруване на шпинделите за главното движение.
Наред с обичайните изисквания, предявявани към търкалящите лагери, към вретенните лагери се поставят допълнителни изисквания. Тук се отнасят висока точност на въртене, повишена радиална и аксиална стабилност, незначително топлоотдаване и малки температурни деформации. Високата точност на въртене на вретенния възел се достига най-вече чрез висока точност на самите лагери.
Правилният избор на сглобки за лагерите също оказва голямо значение за точността на работа на вретеното. Обикновено за всеки лагер в каталозите се дава препоръчителна сглобка по вътрешната и по външната сглобка. Поставят се и специални изисквания към стабилността на вретенните лагери .Обикновено вретенните лагери са с гарантиран предварителен натяг или се прави сортировка от вретенни лагери нормално изпълнение.
Хидростатични лагери
При този тип лагери налягането на работната течност, разделяща вретеното от лагера, се създава от външен източник и не зависи от ъгловата скорост. Това осигурява течно триене в целия диапазон от честотите на въртене за разлика от хидродинамичните лагери, при които съществува смесено триене в момента на завъртане и спиране на вретеното.
Принципът на действие на хидростатичен лагер с четири симетрично разположени камери е следният: когато под действие на външна сила (сила на тежестта на абразивния диск или сила на рязане) вретеното се приближи до съответната част от вътрешната повърхнина на лагера, на това място хлабината се намалява, а съпротивлението при изтичане на течността се увеличава.
Налягането в прилежащата камера се повишава, а в противоположната - се намалява. Това поражда сили, които се стремят да върнат вретеното в изходно положение.
Предимствата на хидростатичните лагери са: термична стабилност на вретенния възел, ниски разходи по поддържане и голяма дълготрайност при нормална експлоатация.
Основен недостатък, който задържа развитието и използването на хидростатичното лагеруване, е ниската им стабилност. Ето защо те намират приложение предимно при малки шлифовъчни машини и при високооборотните шпиндели за вътрешно шлифоване.
Хидродинамични лагери
Стремежът на конструкторите на този тип плъзгащи лагери е да обезпечат режим на течно триене в лагера, което предполага плъзгащите се повърхнини да бъдат напълно разделени една от друга чрез слой от флуид. Това гарантира малък коефициент на триене между работните повърхнини на лагера и малко топлоотделяне.
Специалистите препоръчват, хидродинамични лагери да се използват само при машини, към които не се предявяват изисквания към висока точност на въртене на оста на вала при променлива честота на въртене. Предимството на този тип лагери е, че в установен режим на работа осигуряват течно триене в лагера, имат висока товароносимост и демпферираща способност.
Като недостатък може да се отбележи топлоотделянето в лагера, породено от загубата на мощност от течно триене в лагера, и изместването на оста на шийката на вала при промяна на честотата на въртене.
Задвижване на шпинделите
Освен внимателен подбор на системата на лагеруване, която трябва да осигурява висока скорост на въртене, да пренася висок въртящ момент и мощност и да ги предава на инструмента без вибрации, при проектирането и избирането на шпинделите се предявяват и други изисквания за оптимална работа. Важни са и типът на задвижването, както и типът на мотора.
Обикновено изборът на вида задвижване се определя в зависимост от изискванията към машината като желана максимална скорост, мощност и др. Съществуват три основни типа задвижване на шпинделите: ремъчно задвижване, задвижване чрез редуктор и директно задвижване двигател-шпиндел. При използването на ремъчна предавка се дава възможност за промяна на характеристиките мощност, момент и скорост.
Те са зависими от двигателя, но могат да бъдат променяни чрез промяна на преводното отношение. Възможно е и постигането на висока мощност и въртящ момент. Като недостатъци на този вид задвижване се посочват ограничеността на максималната скорост и високите натоварвания на съединенията, вследствие от използването на ремъци.
При обработката на цветни метали е възможно да се използва задвижване с ремък, но при останалите случаи, особено когато има нужда от голям въртящ момент, и при рязането натоварванията са големи, трябва да се изберат вариантите с редуктор или двигател-шпиндел.
Интегрирането на мотора във вретенния възел позволява постигането на по-високи скорости на въртене на вретеното. От друга страна, в този случай електрическият двигател е част от вала на ротора, което налага известни ограничения по отношение на размера и обема на двигателя, които зависят от наличното пространство. Сред най-често използваните двигатели са АС индукционните двигатели.
Интегрираните мотори обикновено са трифазни, поради което е необходима специална електроника за управление на захранването. Тази електроника осигурява променливо напрежение и честота към мотора. В опита си да постигнат по-голяма енергийна ефективност някои производители разработиха задвижвания за шпиндели с регенеративно връщане на енергията.
Вижте още от Машини
Ключови думи: шпиндел, вретено, металорежещи машини, лагери
Новият брой 5/2024
