Сегменты опираются на сферические головки регулируемых штырей и поэтому могут самоустанавливаться в тангенциальном направлении для образования масляного клина и в осевом направлении по образующей шейки шпинделя. Такая конструкция хорошо себя зарекомендовала с точки зрения стабильности положения оси шпинделя в подшипнике и надежного обеспечения жидкостного трения.
Вкладыши подшипников находятся в масляной ванне. Тщательно отфильтрованное масло подают в каждый подшипник под давлением. Для точной фиксации шпинделя в осевом направлении его переднего конца имеется бурт, который прижимается к самоустанавливающемуся бронзовому кольцу. Прижим осуществляется пружинами, действующими на наружное кольцо радиально-упорного шарикоподшипника, посаженного на заднем конце шпинделя.
Все большее применение в станках находят гидростатические подшипники скольжения, когда давление в масляном слое создается специальным насосом высокого давления. В этом случае при реверсе и останове шпинделя, а также при любых низких частотах вращения обеспечивается жидкостное трение. Срок службы может быть неограниченно большим. Недостатками гидростатических подшипников являются большой расход масла и необходимость иметь специальную систему для подачи масла под давлением.
Для надежной работы шпиндельного подшипника скольжения необходимо, чтобы несущий масляный слой, разделяющий шейку шпинделя и подшипника, имел необходимые толщину и жесткость во всем диапазоне скоростей и нагрузок.
При износе и при сильном изменении режима работы станка должна быть предусмотрена возможность регулирования зазора между шейкой шпинделя и подшипником. Желательно, чтобы при регулировании не было искажения формы подшипника, так как это может повлиять на условия жидкостного прения и точность вращения шпинделя. Кроме того, подшипник должен самоустанавливаться при деформации шпинделя, чтобы не было кромочных давлений, а положение оси шпинделя не становилось эксцентричным по отношению к оси подшипника. Этим условиям не удовлетворяют, как правило, обычные конструкции подшипников скольжения, и поэтому для шпиндельных узлов широко применяют специальные подшипники жидкостного трения.
В этих подшипниках создают несколько клиновых зазоров, чтобы заставить гидродинамические силы действовать на шпиндель в различных направлениях и тем самым фиксировать его в центральном положении. Шпиндель плоскошлифовального станка мод. ЗБ721. Для возможности самоустановки применяют подшипники, состоящие из отдельных сегментов. Шпиндель плоскошлифовального станка особо высокой точности мод. ЗБ721, вращающийся на трехсегментных подшипниках с частотой вращения.
Значение предварительного натяга определяется, чтобы после приложения к шпинделю полезной нагрузки в подшипнике не образовался зазор. Из этого условия, где внешняя радиальная загрузка, внешняя осевая нагрузка (плюс ставят, если она ослабляет натяг, и минус, если увеличивает его), угол контакта тел качения с кольцом.
Долговечность подшипника, рассчитанная по каталожным значениям, соответствует 90%-ной вероятности его безотказной работы. Однако для шпиндельных подшипников необходимо обеспечить более надежную работу, чтобы зазор шпиндельного узла не произошел в период между плановыми ремонтами станка. При расчете нового значения динамической грузоподъемности можно использовать коэффициент.
Например, если надо, чтобы шарикоподшипник, безотказно работал с вероятностью 99% (т. е. а = 1%), то по графику получаем и срок службы подшипника должен быть уменьшен. Следует также учитывать, что до потери подшипником работоспособности по выносливости его износ или деформация могут привести к уменьшению точности вращения. Величина биения шпинделя обычно линейно возрастает со временем (хотя изменение, как правило, незначительно), и эта зависимость может быть получена экспериментально. График изменения для расчета долговечности подшипников качения из условия их повышенной надежности.
В шпинделях станков более целесообразно применять лабиринтные уплотнения, которые не имеют трущихся поверхностей и могут работать при высоких скоростях вращения.
Подшипники качения теряют свою работоспособность в основном в результате усталости поверхностных слоев дорожек и тел качения, хотя могут происходить поломки сепараторов, износ и смятие дорожек качения. Подшипники качения рассчитывают на долговечность, оценивая число оборотов, которое выдержит подшипник за расчетный срок службы, где эквивалентная (расчетная) нагрузка; динамическая грузоподъемность данного типоразмера подшипника, взятая из каталога; показатель степени для шарикоподшипников, для роликоподшипников.
При определении расчетных нагрузок, действующих на опору, следует учитывать переменность работы шпинделя станка, поскольку работа происходит при различных частотах вращения и нагрузках. Кроме того, следует учитывать, что шпиндель, несущий инструмент или заготовку, подвергается дополнительным динамическим нагрузкам, возникающим в процессе резания. Это учитывается коэффициентом динамичности для токарных, сверлильных и шлифовальных станков и для фрезерных станков
Сила предварительного натяга подшипников увеличивает осевую нагрузку, которая становится равной. Минимальное значение предварительного натяга должно определяться из условия
Деформация внутреннего кольца подшипника имеет конусную расточку и с помощью гайки устанавливают на коническую шейку шпинделя.
Натяг или зазор шпиндельных подшипников качения регулируют обычно специальными приспособлениями на собранном узле шпинделя вне или на станке. От тщательности и точности регулирования во многом зависит работоспособность шпиндельного узла.
Однако следует иметь в виду, что зазоры или натяги, полученные на шпиндельном узле (холодном), изменяются по мере его работы (нагрева) за счет тепловых деформаций системы. Поэтому окончательное регулирование шпиндельных подшипников производят после периода работ (обкатки) шпиндельного узла при достижении заданного уровня температуры в зоне подшипников.
При работе шпиндельного узла передняя опора шпинделя воспринимает основные нагрузки и находится ближе к месту обработки. Поэтому в передней опоре помещают более точные подшипники, часто сдвоенные (для увеличения жесткости). Точность передних подшипников обычно на класс выше, чем задних. В том случае, если осевые нагрузки воспринимаются передней опорой, задняя опора выполняется плавающей, т. е. не закрепленной в осевом направлении. При проектировании подшипниковых узлов необходимо обращать внимание на уплотнения подшипников, защищающие их от загрязнения и предотвращающие вытекание смазки.
