ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ШПИНДЕЛЕЙ

3.1. Служебное назначение шпинделей и

технические требования к ним

Шпиндель металлорежущего станка — одна из наиболее ответственных деталей. Качество изготовляемых на станке деталей в значительной степени зависит от качества шпинделя и его опорных шеек, жесткости шпинделя и стабильности его положения в опорах.

Основное служебное назначение шпинделя станка — сообщать обрабатываемой заготовке или режущему инструменту вращательное движение с определенными угловой скоростью и крутящим моментом. В современных станках они очень высокие, поэтому к качеству изготовления, как самого шпинделя, так и шпиндельного узла с его опорами в целом предъявляют высокие требования.

В качестве опор шпинделей станков применяют подшипники качения и подшипники скольжения. Шпиндель, несущий на себе обрабатываемую заготовку или режущий инструмент, рядом своих размеров непосредственно участвует в размерных цепях системы станок — приспособление — инструмент — заготовка, непосредственно влияя на точность изготовляемой детали (рисунок 3.1.).

Прежде всего это относится к опорным шейкам, выполняющим роль основных баз, размеры которых вследствие вращения шпинделя включаются в размерную цепь и непосредственно влияют на точность изготовляемой детали. Поэтому, для обеспечения стабильности положения оси вращения шпинделя, необходимо в первую очередь обеспечить равенство радиусов в каждом из сечений его опорных шеек, правильность геометрической формы шеек, их относительного положения, соосность и требуемый параметр шероховатости поверхности. Для сохранения неизменности положения шпинделя в осевом направлении во время работы станка следует обеспечить с определенным допуском перпендикулярность основных опорных базирующих поверхностей по отношению к оси вращения шпинделя и соосность с последней резьбы установочных прижимных гаек.

Точность положения детали или режущего инструмента, установленного в шпинделе непосредственно или с помощью зажимных цанг, патронов, вспомогательного инструмента, относительно оси вращения шпинделя определяется точностью исполнительных поверхностей и их соосностью с осью вращения шпинделя. Такими исполнительными поверхностями являются конические или цилиндрические поверхности центрального отверстия шпинделя или центрирующие конусы, или цилиндрические пояски с опорным фланцем для установки зажимных патронов. В соответствии со служебным назначением шпинделя устанавливают и технические требования к нему. Важнейшее из них — точность геометрической формы и размеров посадочных поверхностей и прежде всего опорных шеек и исполнительных поверхностей, а также допуск соосности исполнительных поверхностей шпинделя с опорными шейками.

Рисунок 3.1. – Схема размерной цепи типовой конструкции шпиндельного узла металлорежущего станка

Как правило, требования ко всем параметрам точности шпинделя современных станков очень высокие. По точности изготовления шпиндели станков делятся на пять групп, как и станки (группы точности Н, П, В, А, С).

Для шпинделей металлорежущих станков нормальной и повышенной точности с опорами качения применяют обычно подшипники 4-го класса точности. Для станков более высокого класса точности (В и А) применяют подшипники 2-го класса точности, в соответствии с чем и устанавливаются требования к геометрической форме опорных шеек. Для особоточных станков (класс С и иногда А) или быстроходных шпинделей требования к геометрической форме опорных шеек шпинделя устанавливаются более высокими, чем требуются для подшипников 2-го класса точности. Более точные подшипники устанавливают в переднюю опору, менее точные — в заднюю, например, для станков группы Н — в переднюю опору устанавливают подшипник 4-го класса точности, а в заднюю опору — подшипник 5-го класса точности.

Допуски овальности и конусообразности для станков нормальной точности обычно не должны превышать 50 % допуска диаметральных размеров шеек, для станков повышенной точности — 25 % допуска, а для прецизионных — 5—10 % допуска

Диаметральных размеров шеек. Так, отклонение от круглости опорных шеек в зависимости от диаметра шпинделя для станков нормальной точности 4,0…1,2 мкм, а для современных прецизионных станков — 0,3...0,5 мкм. Допустимая конусообразность 1,25...1,5 мкм на длине 300 мм при допуске диаметра 1,5...3,0 мкм.

Торцовое биение опорных фланцев относительно оси вращения шпинделя в зависимости от их диаметра для станков нормальной точности не превышает 0,006…0,008 мм, а для прецизионных станков — 0,002...0,003 мм и меньше.

Для шпинделей с резьбой, на которую навертывают установочные опорные кольца, следует устанавливать допустимые отклонения от соосности резьбы с опорными шейками подшипников. Для станков нормальной точности они не превышают 0,025 мм. Это необходимо для того, чтобы при монтаже шпиндельного узла избежать перекоса колец шариковых и роликовых подшипников, так как установочные гайки при большом биении будут нажимать на подшипники одной стороной. Для этого ограничивается и биение торца опорной гайки. При плотно навернутой гайке на шпиндель торцовое биение не должно превышать 0,025 мм на радиусе 50 мм.

Шероховатость поверхности и твердость опорных шеек, особенно для шпинделей, работающих в подшипниках скольжения, влияют на стабильность положения шпинделя при эксплуатации станка. По этим параметрам точности к шпинделям предъявляют также очень высокие требования. Так, например, в зависимости от класса точности станка параметры шероховатости колеблются: для поверхностей опорных шеек Ra = 0,32...0,04 мкм; для исполнительных поверхностей (поверхности конусного отверстия и посадочные поверхности под патрон) Ra = 0,63...0,04 мкм.

3.2. Материал и способы получения заготовок

Выбор материала для шпинделя определяется типом станка и условиями работы шпинделя. Шпиндели, работающие на опорах скольжения, должны обладать не только высокой прочностью и жесткостью, но и высокой износостойкостью.

Шпиндели изготовляются обычно: из углеродистой стали марки 45, хромистой 20Х, 40Х и хромоникелевой 40ХН, 12ХН2, 12ХН3 и реже из других.

Углеродистая сталь 45 применяется главным образом для шпин­делей токарных, револьверных, сверлильных, фрезерных станков, работающих со средними окружными скоростями.

Хромистая и хромоникелевая стали применяются для шпинделей автоматов и шлифовальных станков, работающих с большими, окруж­ными скоростями и несущих большую нагрузку.

Для изготовления пустотелых шпинделей некоторых тяжелых стан­ков используют серый чугун СЧ 21 — 40, СЧ 15 — 32 и модифицированный чугун и в редких случаях стальное литье.

Сталь 35ХЮА применяется для изготовления шпинделей тяжелых расточных и крупных круглошлифовальных станков (с азотированием опорных шеек).

В настоящее время для шпинделей токарных станков, работающих в обычных условиях, применяют высокопрочный (магниевый) чугун, по прочности не уступающий стали. Для изготовления пустотелых шпинделей некоторых тяжелых станков используют поковки из серого чугуна СЧ 15, СЧ 21 и модифицированного чугуна (значительно реже стальные отливки).

В зависимости от серийности в качестве заготовок для шпинделей применяют поковки, реже стальные отливки, прутковый материал и трубы. Заготовки чугунных полых шпинделей получают центробежным литьем в металлические формы.

Заготовки для единичного и мелкосерийного производства обычно изготовляют из проката или из поковок, полученных свободной ковкой. В этом случае получают заготовки при очень низком коэффициенте использования металла (0,2...0,4) с большими и неравномерно расположенными по отдельным поверхностям припусками, что затрудняет их обработку на настроенных станках. Таким методом получают обычно стальные шпиндели и пиноли задних бабок для тяжелых станков.

В производстве с более крупными сериями выпуска заготовки стальных шпинделей целесообразно изготовлять горячей высадкой на горизонтально-ковочных машинах или ковкой на ротационно-ковочных машинах. В первом случае расход металла по сравнению со свободной ковкой сокращается на 20 % и коэффициент использования металла для шпинделя токарного станка её составляет 0,5; во втором случае коэффициент использования повышается до 0,8 и значительно снижается трудоемкость обработки.

3.3. Технологический процесс обработки шпинделей

В зависимости от назначения различают шпиндели: 1) полые, имеющие сквозное осевое отверстие, которое на одном или на обоих концах переходит в точное цилиндрическое или конусное; 2) имеющие несквозное точное цилиндрическое или коническое отверстие; 3) сплошные без осевого отверстия.

Рисунок 3.2. – Шпиндель токарно-винторезного станка

Более распространена первая группа шпинделей для наибольшего числа типоразмеров станков; они же отличаются наибольшей сложностью изготовления.

Все заготовки шпинделей, полученные ковкой или штамповкой, перед механической обработкой подвергают термической обработке (нормализации, улучшению), так как после снятия с поверхности шпинделя слоя металла может произойти значительное перераспределение внутренних напряжений, а это повлечет за собой значительные, деформации шпинделя не только после последующей обработки опорных шеек, но и в процессе его эксплуатации. Избежать этого можно правильным выбором материала и термической обработкой заготовки, а также созданием наиболее технологичной конструкции шпинделя и выбором правильного технологического процесса с разделением обработки на черновую и отделочную.

Основными базами шпинделя (рисунок 3.2) являются его опорные шейки, но так как использовать их в качестве технологических баз на большинстве операций невозможно, при обработке наружных поверхностей технологическими базами служат поверхности центровых отверстий. При обработке же центрального отверстия в шпинделях первых двух групп в качестве технологической базы используют его основные базы — опорные шейки.

Чистовую и отделочную обработки опорных шеек и соосных с ними наружных поверхностей шпинделей с осевым отверстием производят на специальных пробках или оправках с зацентрованными отверстиями. Пробки вставляют в расточенные с обеих сторон цилиндрические или конические отверстия шпинделя, которые служат технологическими базами. Пробки, входящие дополнительным звеном в технологическую размерную цепь при смене их на различных операциях, могут дать существенные погрешности установки, которые повлияют на положение исполнительной поверхности центрального отверстия относительно поверхности опорных шеек. Чтобы уменьшить это влияние погрешности на конечную точность шпинделя, чистовые и отделочные операции обработки наружных поверхностей следует выполнять на одних и тех же пробках, вставленных в шпиндель, без их смены. Это потребует большого числа пробок, но зато повышается точность обработки.

В таблице 3.1 приведен технологический маршрут обработки шпинделя токарно-винторезного станка I6K20 в условиях серийного производства.

Таблица 3.1. – Технологический маршрут обработки шпинделя токарно-винторезного станка

№ операции	Наименование операции и содержание операции	Технологические базы	Оборудование
	Фрезерно-центровальная операция: фрезеровать торцы в размер 940-1,5, выдержав размер 14+1,0 и центровать с двух сторон А6	Наружные поверхности наи­более удаленных шеек и торец фланца	Фрезерно-центровальный станок MP-37
	Токарная операция: обточить все наружные поверх­ности до фланца предварительно с припу­ском 3 мм на диаметр и подрезать торец флан­ца с припуском 1 мм	Поверхности зацентрованных отверстий	Гидрокопировальный станок 1Б732, резцы токарные с пластинами из Т15К10 и Т14К8
	Токарная операция: обточить поверхность диаметром 75-0,03 до диаметра 82, а остальные шейки до фланца с припуском; проточить канавки, фа­ски и подрезать торец	То же	То же
	Токарная операция: обточить фланец до диаметра 172, конус 7° 07' 30" с припуском 0,5 мм на диа­метр, торец Г фланца в размер 26±0,1, то­рец шпинделя в размер 14-0,45, канавку и фаски	То же	Токарно-винторезный станок 16К20, гид­равлический суппорт ГСЗ-45, резцы токарные с пластинами из Т14К8, Т15К6
	Сверлильная операция: сверлить отверстие диаметром насквозь с перестановкой заготовки: на длину 470 мм со стороны фланца и насквозь с другой стороны	Поверхности наиболее уда­ленных шеек	Станок для глубокого сверле­ния РТ-54, борштанга, сверло

Продолжение таблицы 3.1.

Продолжение таблицы 3.1.

№ операции	Наименование операции и содержание операции	Технологические базы	Оборудование
	Шлицефрезерная операция: фрезеровать шлицы D12х85х90D с припуском 0,25 мм на сто­рону по ширине шлица		Станок шлицефрезерный 5350А, поводок, люнет
	Слесарная операция: зачистить заусенцы, промыть
	Термическая операция: закалить шейки диаметром 80-0,005 и на длине 40 мм; диаметром 85 b12 на длине 15 мм, шлицы диаметром 98, 425 и 108 h7, наружный и внутренний конус, торец Г		ТВЧ h l,2...2,2 HRC 45... 55
	Шлифовальная операция: шлифовать конус 7°07'30" на пробках предварительно с припуском 0,1 мм на диаметр, торец Г — с припуском 0,1 мм; биение торца и конуса относительно оси 0,01 мм	Поверхности центровых отверстий пробок, вставленных в конусные отверстия шпин­деля	Кругло-шлифовальный станок ЗТ161Н29, пробки
	Токарная операция: обточить окончательно поверх­ности диаметров 80f9, 170b12, 8b12, 95f9; остальные шейки до фланца — с припуском 0,3...0,02; подрезать торец диаметром 5, канавки, фаски; нарезать прямоугольную резьбу		Станок токарный модели МК6722 с ЧПУ, пробки, вращающийся центр

Продолжение таблицы 3.1.

№ операции	Наименование операции и содержание операции	Технологические базы	Оборудование
	Внутришлифовальная операция: шлифовать технологи­ческий конус Морзе 6 окончательно	Поверхности опорных шеек	Станок СШ-148, люнет гидро­статический, поводок
	Внутришлифовальная операция: шлифовать конус Мор­зе 6 с головной части предварительно по ка­либру, не доходя до риски 6 мм и торец шпин­деля в размер 14-0,2	То же	То же
	Токарная операция: обточить фаску 1,5х45° на кону­се 7°07'30"; править канавки, зачистить острые кромки по ниткам резьб, зачистить верх резьбы	Поверхности центровых от­верстий пробок, вставленных в конусные отверстия шпин­деля	Станок 16К20, пробки
	Кругло-шлифовальная операция: шлифовать наружные поверхности диаметров 90D, 75-0,03, , 80-0,05, 98,425 с припуском под окончатель­ную шлифовку, а поверхности диаметром 85b12, 108h7, 170b12 — окончательно	То же	Станок ХШ1-32, пробки
	Шлифовальная операция: шлифовать шлицы D12х85x90D двумя кругами одновременно	Поверхности центровых от­верстий пробок, вставленных в конусные отверстия шпин­деля	Станок 3451Б, пробки

Продолжение таблицы 3.1.

№ операции	Наименование операции и содержание операции	Технологические базы	Оборудование
	Кругло-шлифовальная операция: шлифовать оконча­тельно поверхности диаметров ; 80-0,005;	То же	Станок ЗМ152М, пробки
	Кругло-шлифовальная операция: шлифовать конус 7°07'30" и торец Г окончательно в размере 25+1,0 и 14-0,2	То же	Станок ХШ4-11-ПН12, пробки
	Кругло-шлифовальная операция: шлифовать торец Р, торец Д с биением не более 0,03, торец П, вну­тренний торец фланца диаметром 170b12	То же	Станок ХШ4-11 ПН 15, пробки
	Кругло-шлифовальная операция: шлифовать поверх­ность диаметром 90D окончательно (биение не более 0,005 мм)	То же	Станок ЗМ152В, пробки
	Внутришлифовальная операция: шлифовать конус Морзе 6 предварительно и окончательно; конусообразность проверить по краске, слой не более 0,0015 мм; длина нестертых участков закрашенной поверхности не более 10 мм	Опорные шейки шпинделя	Станок СШ-37, люнет гидро­статический
	Слесарная операция: калибровать, проверить резьбы, протереть
	Контрольная операция

По мере необходимости иногда в технологический маршрут включают операции правки шпинделя после термической обработки, особенно для шпинделей, изготовляемых из цементуемых сталей, так как они подвергаются длительному нагреву. Однако правка нежелательна.

Анализ приведенного технологического маршрута показал, что сохранить единство баз ввиду сложности профиля шпинделя не удается, поэтому при обработке на различных операциях происходит смена баз. Даже при чистовой обработке наружных поверхностей практически не удается на всех операциях вести обработку от основных опорных шеек. Это объясняется тем, что опорные шейки расположены на значительном расстоянии от концов шпинделя, это затрудняет использование их в качестве технологических баз, так как происходит усложнение зажимных устройств станков и появляется вероятность возникновения вибраций. Установка на наружные поверхности шеек, соосных с опорными шейками шпинделя и обработанных совместно на одной операции, не вызывает погрешностей, выходящих за пределы технических требований.

Для максимального же сокращения отклонения от соосности исполнительной поверхности осевого отверстия относительно оси вращения шпинделя при обработке в качестве технологических баз используют окончательно обработанные поверхности опорных шеек.

В зависимости от серийности производства черновую и чистовую обработку наружных поверхностей шеек шпинделя производят на токарных, многорезцовых и гидрокопировальных станках. Сравнительно сложная конфигурация шпинделя с большим числом ступеней, незначительно различающихся по диаметру, часто не позволяет получить заготовку наиболее прогрессивными методами с минимальными припусками по всему профилю из-за экономической нецелесообразности для данного вида производства.

Поэтому далеко не всегда удается снять все припуски, состав- ляющие на отдельных участках более 15 мм, за одну операцию и, как видно из приведенного маршрута обработки, эту операцию разделяют на черновую и чистовую под шлифование.

Практика показала, что даже при небольших размерах партий экономически целесообразно вести обработку не только на токарных станках с ЧПУ, но и на многорезцовых и гидрокопировальных станках. Многорезцовые станки позволяют применять несколько резцов и сокращать длину рабочих ходов. Гидрокопировальные станки (несмотря на то, что продольное обтачивание производится одним резцом по копиру) вследствие их быстроходности и большой жесткости позволяют вести обработку на высоких режимах резания, что значительно сокращает машинное и вспомогательное время. Обтачивание ведется при скорости резания 150...160 м/мин, глубине резания 5...15 мм с подачей 0,32 мм/об твердосплавными резцами с пластинами из Т14К8 и Т15К6.

Заготовку устанавливают в центрах, поджимая левый торец к опорному кольцу, от которого ведется настройка линейных размеров. Крутящий момент передается поводковым патроном с самозахватывающими кулачками, которые захватывают заготовку за наружную поверхность и тем самым не позволяют производить обработку напроход по всей длине без перестановки заготовки. Применить же специальные торцовые поводковые патроны для черновой обработки, требующие большой осевой силы центра задней бабки, не всегда возможно, так как это может вызвать продольный изгиб обрабатываемой заготовки.

Так как большие силы резания, воспринимаемые центрами станка, вызывают смятие и изнашивание поверхностей зацентрированных отверстий, могут появляться зазоры и, следовательно, нарушается базирование в процессе снятия стружки резцом, в итоге понижаются точность и качество обрабатываемой поверхности. Периодический или постоянный поджим заготовки к передней опоре пневматическим или гидравлическим задним центром устраняет подобные усложнения. При тонких валах или шпинделях значительные силы, создаваемые вдоль оси гидравлическим или пневматическим цилиндром задней бабки, могут вызвать продольный изгиб деталей, превышающий допустимые биения обрабатываемых шеек под шлифование (не более 0,2...0,1 мм), что заставляет вводить дополнительные операции правки или увеличивать припуск на шлифование (или снижать режимы черновой токарной обработки).

Иногда после чернового обтачивания шпинделя его подвергают термической обработке — нормализации (стабилизирующему отжигу) для ослабления внутренних напряжений, улучшения механических свойств и обрабатываемости материала.

Осевые отверстия сверлят на специальных станках для глубокого сверления. Станок для глубокого сверления РТ-54 имеет два шпинделя для одновременной обработки двух заготовок. Отверстия диаметром до 80 мм сверлят специальными перовыми сверлами. Охлаждающая жидкость, служащая одновременно для удаления стружки, подается через канал державки сверла в зону резания. Для сверления отверстий большого диаметра, прошитых в заготовке, применяют многорезцовые расточные головки.

Глубокое отверстие в шпинделе сверлят обычно с двух установов: сначала на определенную глубину с одного конца, а затем — напроход с другого конца. В качестве технологических баз используют наружные поверхности предварительно обточенных шеек шпинделя. Одной шейкой заготовка устанавливается в патрон станка, а другой опирается на люнет.

Отверстие шпинделя токарного станка 16К20 диаметром 55 мм обрабатывают сверлом из быстрорежущей стали со скоростью резания v = 26,6 м/мин и подачей S = 0,2 мм/об. Применение сверл из твердого сплава позволяет повысить скорость резания до 60...70 м/мин. Допуск концентричности отверстия после сверления — не более 0,5 мм.

Затем в головной части шпинделя зенкеруют отверстие на больший диаметр для последующей обработки конуса. Окончательное растачивание технологического конуса в хвостовой части и предварительное в головной и подрезку торцов можно производить на токарном станке и с двух установов, применяя гидрокопировальный суппорт. Эти конусные отверстия служат затем технологическими базами, в которые вставляют калиброванные пробки с зацентрованными отверстиями для дальнейшей обработки наружных поверхностей шпинделя.

Последняя операция механической обработки перед термической обработкой — сверление, развертывание отверстий во фланце и нарезание резьбы. В зависимости от серийности выпуска сверление может осуществляться на вертикально-сверлильном, радиально-сверлильном, а также на агрегатно-сверлильных станках. Сверление на вертикально-сверлильном станке можно производить с использованием многошпиндельной головки. В этом случае нарезание резьбы выполняют как отдельную операцию обычно на радиально-сверлильном станке.

3.4. Термическая обработка шпинделей

Вид термической обработки и ее режим зависят от: выбранной марки стали и требований, предъявляемых к шпинделю. Цель термической обработки — повышение износостойкости поверхности опорных шеек (основных баз) и исполнительных поверхностей и некоторых других поверхностей шпинделя с сохранением «сырой» сердцевины, что обеспечивает высокую первоначальную точность шпинделя и сохраняет ее в течение длительного времени. Самый эффективный метод термической обработки — поверхностная закалка. Термическая обработка не должна вызывать заметных деформаций и искривления шпинделя. Указанные выше поверхности подлежат закалке и последующему отпуску для достижения твердости НRС₃ 46,5...57. Шпиндели, работающие в опорах скольжения, закаливают и до более высокой твердости. После термической обработки необходимо промыть и очистить от возможной окалины поверхности технологических баз.

Поверхностную закалку можно производить несколькими способами.

Поверхностная закалка с нагревом ТВЧ в последнее время получила наибольшее распространение. Преимущество ее заключается в кратковременности нагрева (0,5...20 с) поверхностного слоя металла, который подвергается закалке, в то время как остальная часть металла остается ненагретой, а это почти предотвращает деформирование заготовки. На закаливаемой поверхности почти отсутствует окалина. Поэтому на отделочные операции можно оставлять незначительные припуски. Глубина закаливаемого слоя 1...5 мм, а его твердость выше, чем после закалки другими способами. Нагрев и охлаждение закаливаемой поверхности осуществляются с помощью специальных индукторов. Время, потребное на закалку шпинделя, при напряжении 11 В, силе тока на сетке 0,3 А и силе тока на аноде 9 А, составляет 50 с.

Отпуск поверхности шпинделя можно производить также на установке ТВЧ или в шахтных печах. В последнем случае шпиндель нагревают в течение 2,5 ч при 180 °С.

Поверхностная термическая обработка азотированием. Этим способом закаливают шпиндели, изготовленные из сталей 38Х2Ю, 38Х2МЮА и других, содержащих алюминий. Азотированию подвергают обычно шпиндели, работающие в опорах скольжения, когда стремятся добиться минимальной деформации при закалке.

Так как эта обработка протекает при сравнительно низкой температуре (550...500 °С), не вызывающей фазовых превращений металла, то заметных деформаций не наблюдается. Твердость же закаленной поверхности достигает HRC₃ 67...69.

Вследствие незначительной деформации шпинделя, с одной стороны, и трудности обработки азотированного слоя металла, с другой, поверхности, подлежащие азотированию, предварительно шлифуют, оставляя очень небольшой припуск (0,05...0,06 мм) на последующую отделочную операцию (полирование или шлифование мелкозернистым абразивным материалом). Процесс несложный, но продолжительный (несколько часов).

3.5. Обработка поверхностей шпинделя после термической обработки

Все наиболее ответственные операции, в том числе и отделочные, обеспечивающие конечную точность шпинделя, выполняют после термической обработки. Большинство из них производится при базировании шпинделя на центровых пробках, вставленных после термической обработки в конусные отверстия, либо на центровых фасках.

До окончательной отделки наружных поверхностей шеек и исполнительных поверхностей шпинделя обтачивают наружные поверхности шеек, нарезают резьбу и шлицы и фрезеруют (если необходимо) шпоночные пазы.

Функции резьб, нарезанных на шейках шпинделя, различны. К точности резьб, служащие для фиксации зажимных патронов, предъявляют повышенные требования. Поэтому либо их нарезают полностью на токарном станке, либо обработку разбивают на две операции: предварительное фрезерование на резьбо-фрезерных станках и окончательное калибрование резцами на токарном станке. В зависимости от серийности производства последний вариант может оказаться более экономичным.

Резьбы для крепления монтируемых на шпинделе деталей кольцами-гайками должны быть нормальной точности (не ниже 6g), но их выполняют мелкими. Такие резьбы в зависимости от требований к точности и вида производства (единичного или серийного) также нарезают на токарном станке резцами или на резьбо-фрезерных станках дисковыми либо гребенчатыми фрезами.

Учитывая жесткие требования к торцовому биению смонтированной на шпиндель гайки, во избежание недопустимых перекосов (не более 0,02 мм на R = 50 мм) иногда протачивают торцы- гайки в сборе со шпинделем, который в таком комплекте и следует отправлять на узловую сборку. Шпиндель токарного станка 16К20 имеет прямоугольную резьбу, нарезаемую на токарном станке после термической обработки шпинделя с точностью, позволяющей избежать подрезания торца-гайки, навернутой на шпиндель.

Шпоночные пазы на поверхности некоторых шпинделей фрезеруют на обычных фрезерных или специальных станках дисковыми или пальцевыми фрезами в зависимости от формы пазов.

Шлицы нарезают на шлицефрезерных станках 5350А методом обкатки. Если их поверхность не подвергается термической обработке, то для получения шлицев требуемой точности эта операция может быть окончательной. В связи с этим предъявляют повышенные требования к биению шеек (отклонение не более 0,1 мм).

Требуемые глубина и параллельность образующих поверхностей шпоночных канавок и шлицев относительно оси шпинделя наилучшим образом обеспечиваются при установке шпинделя в центрах. Поэтому обработку пазов и шлицев целесообразно производить после термической обработки на тех же пробках, без их перестановки. Если в качестве технологических баз при базировании шпинделя в центрах используют поверхности фасок осевого отверстия шпинделя, обработку пазов можно производить и до закалки шпинделя.

3.6. Отделочные операции наружных и внутренних поверхностей шпинделя

Наиболее ответственными операциями, влияющими на конечную точность шпинделя, являются операции отделочной обработки опорных шеек шпинделя, центрирующего конуса для фиксирования зажимного патрона и исполнительной поверхности осевого отверстия. Точность указанных поверхностей у шпинделя для непрецизионных станков, а также у шпинделей, работающих на опорах качения, достигается шлифованием; для более высокой точности и правильности формы обычно шлифование делят на предварительное и окончательное.

У шпинделей с осевым отверстием наружные поверхности шлифуют на базе поверхностей осевых отверстий на пробках либо на поверхностях фасок, либо на цилиндрических разжимных оправках. В первых двух случаях качество поверхности и их точность получаются выше.

Шпиндели без осевого отверстия шлифуют в центрах на круг- лошлифовальных станках типа 3Е153 кругами зернистостью СМ1 — СМ2. Отделку центрирующего конуса можно вести также в центрах, установив шпиндель на тех же пробках, на которых производилась окончательная обработка опорных шеек. Однако, так как пробки являются дополнительным звеном в технологической размерной цепи, они могут внести дополнительную погрешность, которая может оказаться больше, чем это допустимо требованиями соосности обрабатываемой поверхности с осью вращения шпинделя. Поэтому для предотвращения этих погрешностей правильнее шлифование исполнительных поверхностей (внутреннего и наружного конусов или центрирующего пояска) выполнять на базе опорных шеек.

В этом случае шпиндель базируется поверхностями опорных шеек в двух опорах гидростатического люнета, установленного на столе круглошлифовального станка, и приводится во вращение от шпинделя гибкой связью (поводком). Вкладыши специальных люнетов тщательно обрабатывают и при установке приспособления на столе станка выверяют.

В последнее время для отделочных операций наружных поверхностей валов и шпинделей стали применять шлифовальные станки с ЧПУ.

Если валы имеют несколько поверхностей с параметрами ше-роховатости Ra = 1,25...0,32 мкм и с размерами точностью 7 — 8-го квалитетов и выше (ГОСТ 25346 — 82), то окончательную обработку их целесообразно проводить на круглошлифовальных станках с ЧПУ.

Известно, что при обработке заготовки на обычных станках практически невозможно повысить производительность путем сокращения времени собственно шлифования (машинного времени).

Однако имеются значительные резервы для сокращения времени вспомогательных ходов, наладок, измерений обрабатываемых поверхностей, особенно при обработке длинных заготовок, у которых шлифуются несколько шеек различного диаметра.

Сокращение общего времени обработки может быть достигнуто благодаря сокращению числа установок заготовки при шлифовании.

Проведенные эксперименты показали, что при шлифовании многоступенчатых валов (например, шпиндель токарного станка) общая продолжительность вспомогательного времени при использовании станка с ЧПУ может быть снижена в 3 раза, а при обработке менее сложных деталей — не менее чем в 2 раза. Если вспомогательное время будет сокращено хотя бы на 50 %, применение станка с ЧПУ можно считать уже экономически целесообразным.

3.7. Особенности обработки шпинделей прецизионных станков

Технологический процесс изготовления шпинделей прецизионных станков более сложный, так как к таким шпинделям предъявляются более высокие требования. Например, у шпинделя координатно-расточного станка 2А430 отклонения от конусности и овальности опорных шеек не должны превышать 0,002...0,001 мм, биение должно быть не более 0,003 мм, параметр шероховатости Ra = 0,04 мкм, биение конусного отверстия относительна оси вращения шпинделя должно быть не более 0,0015 мм у конца шпинделя.

Для устранения влияния остаточных напряжений, которые могут вызвать деформирование шпинделя не только в процессе его обработки, но и в период эксплуатации, шпиндели прецизионных станков неоднократно подвергают термической обработке.

Так как необходимы высокая точность, правильность формы и малая шероховатость поверхности опорных шеек и исполнительных поверхностей, обычно производят неоднократное шлифование и доводочные операции. При шлифовании особое внимание уделяется устранению динамической неуравновешенности абразивного круга, которая может возникнуть в процессе обработки и значительно ухудшает качество изделия. Доводочными операциями могут быть притирка, хонингование и суперфиниширование.

Для получения поверхности опорных шеек Ra < 0,15 мкм их подвергают суперфинишированию. Сущность этого метода заключается в том, что при определенных условиях мелкозернистыми абраз