Стругов шпиндел: експлоатационни характеристики

Шпинделът на металорежещата машина обикновено се представя като един от елементите на задвижващия механизъм, отговорен за закрепването и оформянето на детайла. Интерфейсът му със задвижващия блок, базовия блок и работното оборудване е толкова близък, които могат да цялата инфраструктура на дадена част е илюстрирана в следващите таблици. Във всеки случай шпинделът (SPU) е критичният базов елемент на машината, който предава въртящия момент и направлява силата на обработка.

Общ преглед на продукта

Известен още като моторен шпиндел, този механизъм е ключов компонент в съвременните дървообработващи и металообработващи машини. Неговите характеристики оказват влияние върху производителността и в още по-голяма степен върху точността на механичното въздействие върху детайла. Както вече беше споменато, в основата на шпинделните агрегати стои цяла гама от компоненти. Лагерите, смазочната система, уплътненията, предаването на въртящия момент и лагерните части са в основата на машината. Това са предимно компоненти, които осигуряват поддържащи и спомагателни функции за приспособлението под формата на режещи инструменти.

Общоприетото схващане е, че капацитетът на мощността на металорежещите машини зависи основно от двигателя. Това е вярно, но само отчасти. Например шпинделите на металорежещите машини имат собствен честотен диапазон на въртене, което води до ограничителни условия за скоростите на рязане. Но е важно да се разбере, че този диапазон има по-скоро регулираща функция, за да се зададе оптималната рампа за обработка, като се поддържа достатъчно висока степен на точност.

Друга ключова функция на шпиндела е да държи обработващия инструмент - а в някои случаи и самия детайл - директно на място. Използването на специални приспособления, като държачи за инструменти и патронници, е от съществено значение за този тип приспособления. Ето защо е важно да се вземат предвид характеристиките на шпиндела, когато се избират инструменти според размерите на шпиндела и се определят допустимите параметри на процеса на обработка.

Проектиране на CCU

По време на проектирането на моторния шпиндел работната група трябва да се съсредоточи върху намаляване, доколкото е възможно, на динамичните и вибрационните натоварвания на машината. Постигането на това качество се отразява пряко върху дълготрайността на машината и качеството на обработката. Поради тази причина днес шпинделът все повече се проектира като самостоятелен устройство в отделен корпус, което се нарича главина на шпиндела.

Като входни данни за алгоритъма за проектиране се вземат следните данни

• Захранване.
• Точност на струговане.
• Скорост.
• Максимално нагряване на лагера.
• Устойчивост на вибрации.
• Твърдост.

Въз основа на първоначалните параметри се избират дизайнът, оформлението и материалите за строителство. Видът на машината, която трябва да се конструира, оказва влияние върху избора на дизайн. Например шпинделите за високопрецизни машини са проектирани за хидродинамични лагери, които могат да постигнат механична точност в диапазона от 0,5 до 2 µm. Специални лагери на шпиндела, които изискват въздушно смазване, се използват за особено високоскоростни машини с вътрешни шлифовъчни глави. Принципите на конструкцията на основата на шпиндела, насочени към поддържане на високи скорости на обработка от 600 об/мин, обикновено се използват за диамантенопробивни машини и универсални металорежещи машини. Поддържащите компоненти за ниски скорости традиционно се изчисляват за фрезови, револверни и пробивни машини. Правилото е, че колкото по-прецизно е механичното действие, толкова по-голям трябва да бъде въртящият момент на шпиндела. Конфигурациите с нисък въртящ момент се използват за взискателни операции по грубо обработване и рязане.

Изчисляване на единицата на шпиндела

Основното изчисление се основава на твърдостта на шпиндела. Тя се изразява чрез еластичното преместване в зоната на обработка, подложено на общата ефективна сила от присъщата еластична деформация на шпиндела с неговите лагерни елементи. При тежкотоварни компоненти здравината също се използва за определяне на характеристиките на компонентите, докато минималната стойност на резонанса, т.е. високата устойчивост на вибрации, е ключов фактор за успешна обработка във високоскоростни шпинделни глави.

Почти всички шпиндели за металорежещи машини се изчисляват отделно за точността на рязане. За лагерите това се изчислява, като се използва коефициентът на биене на края на шпиндела. Допустимото биене зависи от проектирания клас на точност, чието определяне се основава на изискванията на процеса на обработка.

Индекс на радиално биене при биене на вътрешната повърхност Подравняването на лагерния пръстен зависи от ексцентрицитета и грешките в релсовите пътища с търкалящите елементи. Този параметър на точността се изразява в ефекта на така нареченото блуждаещо биене. Лагерите се проверяват, за да се установи дали отговарят на изискванията, и ако се открият отклонения, те могат да бъдат изпратени за преработка. Допълнителните мерки за подобряване на точността на лагерите на шпиндела по време на монтажа включват следното

• Ексцентрицитетите на вътрешните пръстени и лагерите са в противоположни посоки.
• Ексцентрицитетите на външните пръстени на лагера и на отвора на корпуса също са разположени в противоположни посоки.
• При определяне на ексцентрицитета на вътрешните пръстени на задния и предния лагер, тяхното подравняване трябва да бъде в една и съща равнина.

Работни характеристики на шпиндела

Твърдостта и точността не са единствените важни технически и физически характеристики на шпиндела. Други важни свойства на този механизъм включват

• Устойчивост на вибрации. Способността на предавката да осигурява стабилно въртене без колебания. Не е възможно да се елиминира напълно въздействието на вибрациите, но то може да се сведе до минимум чрез внимателно обмисляне на конструкцията, като се намали въздействието на напречните и усукващите вибрации, като например пулсиращите сили в зоната на обработка и въртящия момент в задвижването на машината.
• Бързина. Характеристика на скоростта на шпиндела, показваща броя на допустимите обороти в минута за оптимално работно състояние. С други думи, допустимата гранична скорост, която се определя от конструкцията и технологичните качества на продукта.
• Топлина на лагера. Интензивното генериране на топлина е естествена последица от обработката при високи скорости. Тъй като нагряването може да доведе до деформация на основата на елемента, този фактор трябва да се изчисли по време на проектирането. Най-чувствителният на топлина компонент на сглобката е лагерът, чиято промяна може да повлияе на работата на шпиндела. За да се сведе до минимум топлинното натоварване, производителите трябва да гарантират, че външната температура на лагерните пръстени е в безопасни граници.
• Носещ капацитет. Специфициран по отношение на експлоатационния живот на лагерите на шпиндела при изключително високи статични натоварвания.
• Дълголетие. Времеви индекс, показващ броя часове, през които продуктът може да работи, преди да бъде ремонтиран. Ако аксиалната и радиалната коравина на шпиндела е балансирана, експлоатационният живот може да достигне 20 000 часа. Минималните стойности на MTBF са съответно два и пет хиляди часа за шлифовъчни машини и машини за вътрешно шлифоване.

Материали за производство на шпиндела

Избор материали за Базата на компонента на шпиндела също е фактор за определяне на кривата на производителността на машината. При устройствата за притискане, нарязване на резби и пробиване акцентът е поставен върху защитата срещу въздействието на усукващия момент, а шпинделът на фрезова машина например е проектиран да издържа на действието на огъващите моменти. Във всеки случай материалът трябва да има достатъчна устойчивост на износване на изпълнителната повърхност, както и на лагерните шайби. Стабилност форми и размери - основно изискване за правилното функциониране на продукта, което до голяма степен зависи от характеристиките на използвания клас материал.

Машините от класове на точност H и P са оборудвани с шпиндели, изработени от 40X, 45, 50. В някои случаи се изисква специална обработка на метала чрез индукционно закаляване. Закаляването обикновено се извършва върху задвижващите повърхности и челата на лагерите, тъй като те са най-критичните части на компонента.

За компоненти със сложна форма с конични отвори, прорези, фланци и стъпаловидни преходи се използва обемно закалена стомана. Този процес е допустим само за части, от които предните краища на машинните шпиндели трябва да бъдат закалени. В този случай се използват стомани 40XGR и 50X.

Машините от класове на точност А и В са оборудвани със шпиндели, изработени от стомани 18CrNi и 40CrNi. Необходим е процес на обработка с азот, за да се повиши твърдостта на компонента и да се запазят първоначалната му форма и размери. Изграждането на здравина и структурна стабилност е предпоставка и за шпинделите, използвани в системите за флуидно триене.

Изискванията към материалите не са толкова високи при опростената конструкция на CCU. Детайли с проста форма могат да бъдат изработени от стомани 20X, 12XNZA и 18XHT, но и в този случай детайлите се закаляват, закаляват и закаляват.

Конструктивни модели

Голяма част от шпинделите, използвани в съвременните металорежещи машини, са от типа с два лагера. Тези конфигурации са оптимизирани по отношение на оптимизацията на оборудването и техническата организация на производствения процес. В по-големите предприятия обаче се използват и модели с допълнителна опора от трета опора.

Конфигурациите на лагерите могат да бъдат постигнати и по различни начини. Тенденцията в днешно време е важните функции за управление да се преместят в предната част на главата, като по този начин се намалява влиянието на топлинните въздействия. Моделите на простите шпинделни модули използват ролкови лагери, които също така минимизират риска от натоварване поради генериране на топлина и увеличават ефективността на регулирането. Но освен по-високата твърдост и повишената прецизност, тези машини имат и недостатъка на по-ниските скорости на бързо преместване. Затова тази конфигурация е идеална за нискоскоростни стругове.

Шлайфащите агрегати с ниски скорости са оборудвани с ролкови лагери в предната част и с дуплекс от ъглови лагери в задната част. Това важи особено за шпинделите в машините за цилиндрично и вътрешно шлифоване. Конусните ролкови лагери също опростяват функционалността на машината. При фрезовите машини такова решение премахва необходимостта от аксиален лагер. Резултатът е оптимален запас от твърдост, но при това не се елиминират проблемите с разсейването на топлината и ограничения въртящ момент.

Осигуряване на качеството

След сглобяването на шпиндела се проверява затегнатостта на лагерите. Тази процедура се извършва с помощта на комбинация от измервателни глави, сензори, микроскопи и др е необходимо за Оценка на готовността на машината за работа при пълно натоварване. Това се проверява чрез натоварване на устройството с повдигач и динамометър. Измерванията се извършват директно с помощта на измервателни инструменти, като измервателни глави, сонди, микроскенери и др. д. Измервателното устройство се монтира в челната стойка възможно най-близо до предния лагер. Чрез измерване на стъпаловидната промяна на натоварването се построява диаграма на преместването на края на шпиндела.

Твърдостта на лагерния възел на въртящия се шпиндел се проверява чрез метода на двуточковото изпитване. Първо, в линейната част на диаграмата на натоварването се задават две тестови точки. Впоследствие данните за деформацията се записват за всяка линия и се прави сравнение. Като ръководство могат да се използват както проектни стойности, така и данни от общата спецификация на машината. Сравнителните суми, получени от изпитването, трябва да бъдат дадени като средни аритметични стойности. Аксиалните и радиалните натоварвания се измерват по същия начин и се записват получените хлабини на лагерите.

Ако се открият отклонения от стандартните стойности, хлабината се регулира отново. При обслужването на шпинделите на струга се използва техниката за нагряване на опората. При термометри и термодвойки в определен диапазон гайките се затягат и регулират отново.

Уплътнения за децентрализиран шпинделен механизъм

Главата на шпиндела включва и специални уплътнения, които увеличават изолационните и уплътнителните възможности на механизма. Защо е необходимо това?? Тъй като процесът на обработка включва отделяне на големи количества фини частици в условията на смазване, запушването на функционалните части е често срещано явление. Поради това комплектът на шпиндела трябва да бъде оборудван с устройства, които предпазват работните части от прах, мръсотия и влага. За това е предназначено масленото уплътнение. Обикновено това е консуматив под формата на пръстен, който се монтира на шпиндела с помощта на центриращ пръстен. Тя трябва да се сменя периодично или да се премества по време на работа. В случай на повишено замърсяване може да се използва и уплътнение на устните. Ако машината работи със средни или ниски скорости, уплътнението на устните също трябва да се фиксира.

Поддръжка на шпиндела

Основната задача на оператора е да поддържа главината на шпиндела смазана. Обикновено това се постига чрез поръсване на повърхностите на въртящите се зъбни колела, работните колела и компонентите на дисковете. Оптималният състав за този вид грес трябва да има вискозитетен индекс 20 при нагряване до 50 °C. Шпинделите за фрезоване са проектирани така, че маслото да може да се подава към лагера чрез колектор или директно към работната група. Част от маслото трябва да остане след приключване на работната сесия. Старата, замърсена течност се заменя с нова. За да се опрости процесът на пълнене, в съвременните машини маслото циркулира едновременно в скоростната кутия и шпиндела, а отработеното масло се източва автоматично.

В допълнение към подновяването на маслото е необходимо да се поддържа техническото състояние на механизма. Инженерни и конструктивни проблеми могат да възникнат поради препълване на шпиндела с масло-Структурните проблеми могат да се дължат на прегряване, прекомерна деформация, високи нива на вибрации или блокиране между намотките. Типичният ремонт на шпиндели в производствения процес може да включва подмяна на повредени части, консумативи или възстановяване на седалки. Например при деформиране или инсталиране на нови елементи понякога се налага допълнително коригиране на седалките или на самите части чрез операции по шлифоване, притриване или ескалиране.

Производство на шпинделни задвижвания в Русия

Местните производители произвеждат някои от компонентите на шпинделите, необходими за комплектуването на техните машини, в собствените си заводи за металорежещи машини, като разчитат на разработките и опита на съветската промишленост. На практика не е проблем да се произвеждат конвенционални задвижващи блокове за шпиндели за фрезови или стругови машини, които не са насочени към високопрецизна обработка. Въпреки това съвременните високотехнологични електрически вретена се произвеждат само частично в Русия и се основават на вносни компоненти. Тези ограничения се дължат не само на липсата на най-съвременни технологии в областта, но и на липсата на квалифицирана работна ръка, която да отговори на инженерните и производствените предизвикателства.

Заключение

Шпинделът е един от основните функционални компоненти на всички видове металорежещи машини. Точността на обработката, ергономичността и прецизността на шпиндела зависят от качеството на шпиндела на основните функции точността на обработката, ергономичното управление на машината и ефективното регулиране на изходния потенциал на задвижването зависят от качеството на шпиндела. Ето защо е толкова важно да се обърне внимание на характеристиките на шпиндела на струга, когато се избира такъв. Това се отнася не само за индустриалния сегмент, където се извършват операции по поточна обработка. Основните познания за шпиндела трябва да са достъпни и за средния домашен майстор, който извършва прости операции в гаража или в домашната работилница. Знаейки как да боравите с механизма на шпиндела, ще направите работата по-надеждна и поддръжка металорежещи машини - икономични.