Следует сказать, что деление на области применения шпиндельных узлов различных типов условно, поскольку на быстроходность и несущую способность шпиндельных узлов помимо быстроходности и грузоподъемности их подшипников существенно влияет комплекс других конструктивных и технологических параметров.
Для повышения жесткости шпиндельных опор и устранения зазоров между отдельными телами качения и кольцами применяют предварительный натяг подшипников качения, т. е. постоянную дополнительную нагрузку. Хотя долговечность подшипника при этом несколько снижается, так как на него действует суммарная нагрузка, равная рабочей и предварительному натягу, но получаемая более высокая точность шпиндельного узла является большим преимуществом данного метода.
Существуют различные способы создания предварительного натяга. Они зависят от типа подшипников и конструкции опор. Например, в радиальных шарикоподшипниках осевое смещение наружных или внутренних колец относительно друг друга создает предварительную деформацию в подшипниках. Это достигается установкой распорных втулок или колец неодинаковой длины или с помощью специальных пружин, которые обеспечивают сохранение предварительного натяга и при износе подшипников. При применении подшипников с цилиндрическими роликами предварительный натяг создают деформацией внутреннего кольца подшипника
Особо быстроходный радиально-упорный шарикоподшипник в универсальном исполнении предназначен для восприятия радиальной и осевой нагрузок. Подшипники собирают в комплекты (два, три или четыре подшипника).
Для обеспечения высокой точности вращения, шпиндели устанавливают в подшипниках повышенных классов точности: высокий (5 кл.), прецизионный (4 кл.), сверхпрецизионный (2 кл.) (ГОСТ 520—71). Типовые схемы шпиндельных узлов. В схемы шпиндельных узлов, в которых использованы специальные подшипники. Шпиндельные узлы предназначены для средних и тяжелых токарных, фрезерных, фрезерно-расточных и шлифовальных станков; их используют при работе на высоких скоростях с умеренной и большой нагрузкой.
Узлы применяют для выпускаемых крупными сериями и тяжелых токарных станков; их используют при работе на умеренных скоростях с большой нагрузкой. Шпиндельные опоры, предназначены для выпускаемых крупными сериями легких и средних токарных, фрезерных и шлифовальных станков, а опоры для легких и средних токарных, фрезерных, шлифовальных и фрезерно-расточных станков; их используют при работе на высоких скоростях. Шпиндельные узлы предназначены для легких шлифовальных, отделочно-расточных и агрегатных станков, а узлы для средних и тяжелых шлифовальных станков. Характеристики быстроходности этих узлов при эффективных системах смазки (инжекционной, масляным туманом) находится в пределах.
По данным А. М. Фигатнера, в качестве характеристики работоспособности шпиндельных опор качения можно принять следующие показатели, где мощность привода; птах наибольшая частота вращения шпинделя; максимальный диаметр обрабатываемой детали; диаметр шпинделя в передней опоре. Здесь показатели характеризуют среднюю нагруженность шпиндельных узлов станка и их быстроходность.
Развитие конструкций шпиндельных узлов характеризуется возрастанием указанных показателей. Это связано с применением специальных типов подшипников качения, основные из которых показаны.
Шарикоподшипник упорно-радиальный двухрядный с углом контакта 60°предназначен для восприятия осевой нагрузки. Его устанавливают рядом с двухрядным роликоподшипником с короткими цилиндрическими роликами. Специальные подшипники качения для шпинделей. Параметр быстроходности больше, чем у обычных упорных шарикоподшипников; где наружный диаметр подшипника; диаметр отверстия подшипника.
Роликоподшипники конические однорядные и двухрядные с буртом на наружном кольце предназначены для восприятия радиальной и осевой нагрузок. Их устанавливают, как правило, в передней опоре шпинделя. Роликоподшипник конический однородный с широким наружным кольцом устанавливают в заднюю опору шпинделя. Параметр быстроходности имеет то же значение, что у подшипников, показанных.
Для универсальных станков необходимо, чтобы подшипники работали одинаково надежно во всем диапазоне применяемых скоростей и нагрузок. В этом отношении неоспоримое преимущество имеют подшипники качения.
Эксплуатационными преимуществами (легкость замены, меньший уход) также обладают подшипники качения, в результате чего они и получили наибольшее распространение. Для тех станков, где имеет место более постоянный режим работы, где редки периоды пуска станка и требуется высокая виброустойчивость шпинделя, с успехом применяются подшипники скольжения. К таким станкам в первую очередь относятся шлифовальные станки, занимающие все большее место в общем парке станков.
Для шпинделей станков практически применяют все основные типы подшипников качения: шариковые радиальные и радиально-упорные, роликовые с коническими и цилиндрическими роликами, а также специальные конструкции. Последние отличаются от обычных не только повышенной точностью, грузоподъемностью и быстроходностью, но и конструктивными особенностями. К таким подшипникам относятся двухрядный подшипник с цилиндрическими роликами. Двойной ряд точных роликов и их шахматное расположение повышает грузоподъемность подшипника. Точность вращения шпинделей в таких подшипниках может быть обеспечена в пределах нескольких микрометров.
Поэтому схему чаще применяют в точных станках, а схему в станках для черновой обработки. Расчет шпинделей на виброустойчивость рассмотрен. В качестве опор шпинделей применяют прецизионные подшипники качения и подшипники скольжения с жидкостным трением. К опорам шпинделей предъявляют следующие основные требования.
Необходима высокая точность вращения. Биение шпинделя станков нормальной точности находится в пределах 0,01—0,03 мм, а для прецизионных станков достигает нескольких микрометров. Эту точность могут обеспечить подшипники качения и скольжения. Однако в последнем случае при изменении нагрузки скорости ось вращения шпинделя будет смещаться, так как изменяется толщина масляной пленки.
Опоры шпинделей должны быть долговечны. Подшипники качения имеют ограниченный срок службы, зависящий от частоты вращения шпинделя и от нагрузки. Подшипники скольжения изнашиваются только в период пуска, останова или реверса станка, и поэтому при редких включениях станка могут работать длительное время без ремонта.
Виброустойчивость опор — важное условие для работы высокооборотных шпинделей. Современные прецизионные подшипники качения отвечают требованию виброустойчивости. Подшипники скольжения обладают способностью гасить колебания за счет демпфирующего действия масляного слоя.
