Обычно делают четыре кармана, длина подшипника равна его диаметру, что обеспечивает высокую жесткость и устойчивость движения при окружных скоростях до 15 м/с.
Расчет шпиндельного узла на жесткость с использованием ЭВМ. При расчетах шпиндельного узла на жесткость необходимо учитывать сложность формы шпинделя, податливость его опор, различный характер внешних нагрузок, возможность применения третьей опоры. Поскольку такой расчет содержит большое число вычислений, целесообразно применение ЭВМ. Рассмотрим методику расчета в общем виде.
Расчетную схему узла можно представить балкой (длиной) на податливых или жестких опорах. Начало координат выбирают на левой крайней опоре шпинделя. В общем случае шпиндель нагружен сосредоточенными силами и моментами с координатами и распределенными нагрузками на участке. Обозначим податливость опоры, координаты опор, реакцию опор.
Ступень шпинделя с моментом инерции, расположена на участке. Число нагрузок, опор и ступеней не ограничивается. В сечении с координатой балка имеет прогиб, угол поворота и внутреннюю силу, изгибающий момент. В начале координат параметры характеризуются начальными значениями. Задача заключается в построении упругой линии шпинделя (в определении прогиба его конца).
В противном случае повышение температуры приведет к падению вязкости масла, нарушению жидкостного трения и выходу из строя шпиндельного узла. Количество выделяемого в масляном слое тепла может быть подсчитано по формуле, где нагрузка, скорость шейки вала, коэффициент жидкостного трения.
Количество отводимого тепла зависит от конструкции опор и корпуса, свойств масла, параметров подшипника, метода охлаждения опоры и может быть определено экспериментально или подсчитано по приближенным формулам. При работе подшипника должно соблюдаться условие. При расчете гидростатических подшипников обычно определяют их нагрузочную способность, которая зависит от давления масла, создаваемого насосом, и эффективной площади подшипника (без площади карманов).
Коэффициент является функцией относительного смещения (эксцентриситета) вала в подшипнике, где абсолютный эксцентриситет; диаметральный зазор. Обычно для предварительных расчетов можно принять.
Жесткость гидростатического подшипника, т. е. сопротивление сжатию масляного слоя. Основные пути повышения жесткости гидростатической опоры.
Гидростатические подшипники рекомендуется применять как для шпинделей особо точных станков, так и для тяжелонагруженных станков с низкими частотами вращения шпинделя, где затруднено образование масляного слоя за счет гидродинамического эффекта.
Диапазон работы подшипника определяется значениями, когда вал лежит в подшипнике, когда вал занимает центральное положение в подшипнике, где диаметральный зазор между шпинделем и подшипником. Гидродинамическая теория позволяет найти значение функции и других параметров. Чтобы не возникал металлический контакт между шейкой шпинделя и подшипником, необходимо выполнение условия, где наибольшее значение микронеровностей поверхности подшипника и шпинделя; наибольший прогиб шейки шпинделя в подшипнике.
Если зависимость не соблюдается и, следовательно, имеется опасность нарушения жидкостного трения, необходимо уменьшить зазор или увеличить вязкость масла; улучшить качество обрабатываемых поверхностей, увеличить жесткость шпинделя; увеличить размеры подшипника с тем, чтобы уменьшилось давление.
Чем больше частота вращения шпинделя, тем меньше опасность нарушения жидкостного трения, и поэтому высокооборотные шпиндели надежно работают в условиях гидродинамической смазки. Однако при росте частоты вращения шпинделя увеличивается коэффициент жидкостного трения и соответственно растет тепловыделение. В этом случае необходим тепловой расчет подшипника, который заключается в сравнении величин тепловыделения и теплоотвода путем решения уравнения теплового баланса.
Количество отводимого тепла при нормальной температуре смазки должно быть больше выделяемого.
Шпиндельный узел на аэростатических опорах, предназначенный для шлифования наружных колец приборных шарикоподшипников. Два прецизионных подшипника и два подпятника выполнены из бронзы и приклеены к корпусу эпоксидным клеем.
По каналам к подшипникам и подпятникам под давлением подается сжатый воздух, который подводится через четыре отверстия диаметром, 0,33 мм к подпятникам, а к подшипникам через питающие радиальные щели шириной 22 мм и глубиной 15— 20 мкм. Для образования щелей подшипники выполнены составными из трех колец. Диаметральный зазор между шейкой шпинделя и подшипником составляет 50—55 мкм.
Подшипники скольжения шпинделей с масляной смазкой рассчитывают на жидкостное трение так, чтобы между шейкой вала и подшипником не было непосредственного касания поверхностей и их разделял слой смазки. Предварительный выбор размеров гидродинамического подшипника, его длины и диаметра производят обычно по характеристике, где условное диаметральное давление на подшипник, окружная скорость. Для шпинделей станков со средними частотами вращения принимают уточненный расчет.
Уточненный расчет основывается на гидродинамической теории жидкостного трения. Согласно этой теории, положение вала в подшипнике и минимальная толщина масляного слоя зависят от безразмерной характеристики режима, где угловая скорость вала, динамическая вязкость масла, удельное давление.
Особенность конструкции гидростатических подшипников заключается в применении специальных карманов, масло к которым дросселируется через тонкие капиллярные трубки.
Шпиндельный узел токарно-винторезного станка особо высокой точности мод. 16Б20А показан. Станок предназначен для окончательной обработки различных деталей для нарезания высокоточных резьб. Диапазон частот вращения шпинделя учитывается. Шпиндель токарно-винторезного станка мод. 16Б20А, регулирование частот вращения бесступенчатое, отклонение от округлости обработанных деталей. Масло подводят в карманы каждого из подшипников, причем на торцах передней втулки выполнены гидростатические подпятники с кольцевыми канавками. Диаметральный зазор между шейкой шпинделя и подшипником равен 60 мкм.
Большой интерес представляет применение подшипников с газовой смазкой (аэродинамических и аэростатических подшипников). Малая вязкость воздуха обеспечивает небольшой момент трения и соответственно малое тепловыделение, поэтому не требуется специальных устройств для отвода тепла, кроме вентиляции. Температура и давление воздуха практически не влияют на его вязкость, что обеспечивает стабильность работы подшипника.
Шпиндели на аэродинамических опорах применяются для частоты вращения до 300 000 об/мин. Они должны быть выполнены с высокой точностью и обеспечивать в первый период работы поддув для создания аэростатической подушки.
