Изготовление шпинделей.

Служебное назначение, технические требования и заготовки шпинделей.

Шпиндель вместе с опорами является одним из основных узлов металлорежущего станка. Основное назначение шпинделя – передача вращательного движения обрабатываемой заготовке или режущему инструменту с определенными угловыми скоростями и крутящими моментами. Шпиндель своими размерами включается в размерные цепи технологической системы, определяющей точность обработки.

По конструкции различают шпиндели пустотелые (токарные, револьверные, фрезерные станки), с несквозным отверстием (сверлильные станки) и сплошные (шлифовальные станки). Полые шпиндели могут быть с фланцем в головной части или без него.

Различают 5 классов точности шпинделей: Н, П, В, А, С. Технические требования на изготовление шпинделей характеризуют геометрическую форму и точность размера посадочных шеек и исполнительных поверхностей шпинделя (цилиндрическое или конусное отверстие), несоосность опорных шеек и исполнительных поверхностей.

Так, например, для станков нормальной точности отклонение от круглости опорных шеек в зависимости от диаметра находится в пределах 0,2 – 4 мкм; конусность опорных шеек 1,25 – 1,5 мкм на длине 300 мм; несоосность опорных шеек и исполнительных поверхностей 0,01 – 0,015 мм; шероховатость опорных поверхностей Ra = 0,32 – 0,04 мкм; шероховатость исполнительных поверхностей Ra = 0,63 – 0,04 мкм и другие технические требования. Точность опорных шеек шпинделя должна быть примерно в 2 раза выше, по сравнению с точностью, которую необходимо получить при обработке.

Точность изготовления шпиндельного узла примерно на 80% зависит от точности изготовления его составных частей и на 20% зависит от точности сборки.

В качестве материала заготовок шпинделей принимают следующие стали: 45, 50Г2, 20Х, 40Х, 18ХГТ и др. с соответствующей термической обработкой. Могут применяться серые и высокопрочные чугуны. Шпиндели токарных автоматов и полуавтоматов могут изготавливаться из инструментальной стали У8А с термической обработкой.

В зависимости от типа производства заготовки получают из проката или свободной ковкой в единичном и мелкосерийном производстве, в серийном и крупносерийном – высадкой на горизонтально-ковочных и ротационно-ковочных машинах. Пустотелые шпиндели получают выдавливанием на вертикальных гидравлических прессах с фланцем или без фланца. При данном методе сокращаются затраты на механическую обработку на 25 – 40%. Тонкостенные шпиндели без фланца могут изготавливаться из труб.

Технологический маршрут изготовления шпинделей.

За технологические базы при изготовлении шпинделей принимаются поверхности центровых отверстий. Пустотелые шпиндели обрабатывают на центровых пробках.

Типовой маршрут обработки шпинделей нормальной точности станков типа 16К20 включает в себя следующие операции:

1. Фрезерование торцов и их зацентровка.

2. Черновое обтачивание наружных поверхностей.

3. Сверление осевого отверстия насквозь за 2 установа.

4. Термическая обработка (стабилизирующий отпуск).

5. Растачивание конусных отверстий с обоих концов.

6. Сверление и нарезание резьбы во фланце.

7. Чистовое обтачивание шеек.

8. Шлифование конусных поверхностей шпинделя.

9. Предварительное шлифование наружных поверхностей шпинделя.

10. Нарезание резьбы на наружной поверхности шпинделя.

11. Фрезерование шлицев.

12. Термическая обработка, включающая закалку шеек, шлицев, конусных отверстий.

13. Чистовое шлифование наружных поверхностей шпинделя.

14. Отделочное шлифование наружных и внутренних поверхностей шпинделя.

В зависимости от объема выпуска и требований к точности обработка наружных поверхностей шпинделя производится на токарных, токарно-револьверных, токарно-копировальных, токарных с ЧПУ и на многооперационных станках.

В серийном производстве чаще всего обработка производится на токарно-копировальных и токарных станках с ЧПУ. Точность обработки находится в пределах 0,02 – 0,03 мм, шероховатость Ra меньше 5 мкм. Осевые отверстия сверлят на специальных станках для глубокого сверления типа РТ-54 за 2 установа. Сначала сверлят отверстие с одного конца на определенную глубину, а затем с другой стороны напроход. Обработка отверстий в заготовке может производиться растачиванием с помощью расточных головок.

Сверление отверстий и нарезание резьбы во фланцах производится на вертикально-сверлильных станках с использованием многошпиндельных головок или на агрегатно-сверлильных станках.

Термическое упрочнение шпинделей может производиться закалкой с нагревом ТВЧ, азотированием, нитроцементацией с последующей закалкой. Наибольшее применение имеет закалка с нагревом ТВЧ, при которой возникают незначительные деформации шпинделя. При азотировании деформации шпинделя также будут небольшими. Все операции термообработки должны проводиться при вертикальном расположении шпинделя.

Нарезание резьбы на шпинделе может производиться окончательно резцами на токарном станке или за 2 операции предварительно путем резьбофрезерования и окончательно - нарезанием резцом. Шпоночные пазы фрезеруют на специальных или универсальных фрезерных станках дисковыми или пальцевыми фрезами в зависимости от конструкции паза.

Шлицы обычно нарезают окончательно на шлицефрезерных станках.

Чистовая обработка поверхностей шпинделя производится на высокоточных круглошлифовальных станках с обеспечением точности 0,25 мкм и шероховатостью Ra менее 0,63 мкм.

Отделочная обработка шеек шпинделя производится тонким шлифованием, суперфинишем, полированием в термоконстантных цехах. Шероховатость при тонком шлифовании находится в пределах Ra = 0,16 – 0,04 мкм.

Применение кругов из эьбора позволяет стабильно обеспечивать заданную точность и шероховатость обрабатываемых поверхностей.

Балансировка шпинделей.

1 – опора.

2 – шпиндель.

3 – муфта.

4 – балансировочный станок.