Технология изготовления шпинделей

Материал и методы получения заготовок

Выбор материала для шпинделя определяется типом станка и условиями работы шпинделя. Шпиндели, работающие на опорах скольжения, должны обладать не только высокими проч­ностью и жесткостью, но и высокой износостойкостью. В качестве материала для изготовления шпинделей применяют конструкционную сталь 45 с последующей закалкой и высоким отпуском. При повышенных требованиях применяют сталь 40Х, 40ХН, а также малоуглеродистую сталь типа 20Х с последующей цементацией, закалкой и отпуском, что позволяет получить высокую поверхностную твердость исполнительных поверхностей и опорных шейках HRC 56…62 [45].

Для нагруженных шпинделей применяют марганцовистые стали типа 50Г2 с последующей нормализацией, закалкой и высоким отпуском. Для шпинделей повышенной точности, работающих на высоких оборотах, применяют сталь 12ХН3 и сталь 35ХМЮА с последующим азотированием.

В ряде случаев для шпинделей токарных станков, работа­ющих в обычных условиях, применяют высокопрочный (магние­вый) чугун, который по прочности не уступает стали. Для изготовления пустотелых шпинделей некоторых тяжелых станков также используют отливки из серого чугуна типа СЧ 15, CЧ 21, а также отливки из модифицированного чугуна.

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.

В качестве заготовок в единичном и мелкосерийном производстве применяют прокат или поковки, получаемые свободной ковкой. В этом случае имеют место большие припуски и огранка на обрабатываемых поверхностях, что затрудняет выполнение обработки на настроенных станках. В результате получают низкий коэффициент использования материала (0,3... 0,5). Таким методом получают обычно заготовки для стальных шпинделей и для пинолей задних бабок тяжелых станков.

В производстве с более крупными сериями выпуска заготовки стальных шпинделей получают 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 составляет 0,5…0,7. Во втором случае коэффициент использования металла по­вышается до 0,8. При этом значительно снижается трудоемкость механообработки обра­ботки шпинделей.

Все заготовки шпинделей, полученные литьем, ковкой или штамповкой, перед механической обработкой подвергают термической об­работке (нормализации, улучшению), что обеспечивает выравнивание внутренних напряжений. До операции обработки центрального отверстия шпинделя обычно обрабатывают также как и ступенчатые валы. При этом в качестве технологических баз в заготовках поковках и в заготовках, получаемых из проката, используют создаваемые на первой операции центровые гнезда. В заготовках, получаемых из толстостенных труб, в качестве технологических баз используют два конических пояска, которые создают с обеих концов центрального отверстия. На этих базах осуществляется черновая токарная обработка наружных цилиндрических поверхностей шпинделя.

На последующей операции выполняют обработку центрального отверстия, при этом в качестве технологических баз используют предварительно обработанные опорные шейки шпинделя.

После чернового обтачивания и обработки отверстия, при которых происходит удаление основного припуска, шпиндель подвергают термической обработке — нормализации (стабилизирующему от­жигу) для снятия внутренних напряжений, улучшения меха­нических свойств и обрабатываемости материала. При обработке осевого отверстия происходит удаление центровых гнезд, что означает потерю первоначально-созданных технологических баз.

Основными базами шпинделя являются его опорные шейки. Однако использовать их в качестве технологических баз на большинстве операций при обработке поверхностей вращения представляется сложным. Поэтому чистовую и отделочную обработку наруж­ных поверхностей производят при базировании шпинделя на специальных пробках (рис.20.1), на оправках с центровыми гнездами или на центровых фасках, создаваемых на обеих концах шпинделя.

Рис. 20.1. Коническая пробка для обработки шпинделя в центрах.

Пробки вставляют в предварительно обработанные с обеих сторон цилиндрические или конические отверстия шпин­деля. Обработку таких базовых отверстий выполняют с высокой точностью по IT 7, IT 6. По конструкции пробки могут быть разжимные, цилиндрические и конические (конус Морзе).

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 большего числа пробок, однако точность обработки повышается. Более высокую точность обработки достигают при использовании цилиндрических и конических пробок. Технологический маршрут обработки шпинделя токарного станка в условиях серийного производства приведен в табл. 20.1.

Таблица 20.1. Технологический маршрут изготовления шпинделя токарного станка

№ опер.	Наименование и содержание операций	Технологические базы	Оборудование
	Фрезерно – центровальная. Фрезерование торцев, сверление центровых отверстий	Поверхности шеек и торец	Фрезерно-центровальный станок
	Токарная.Черновая токарная обработка наружных поверхностей	Поверхности центровых отверстий	Токарный станок
	Сверлильная. Сверление осевого отверстия	Поверхности опорных шеек	Станок для глубокого сверления
	Термическая.Стабилизирующийотжиг в вертикальном положении	―	―
	Токарная.Чистовая токарная обработка переднего и заднего конических отверстий	Поверхности опорных шеек	Токарный станок
	Токарная.Чистовая токарная обработка по контуру наружных поверхностей, нарезание резьбы	Поверхности центровых гнезд в пробках	Универсальный токарный станок
	Шпоночно–фрезерная. Фрезерование шпоночных пазов	Поверхности центровых гнезд в пробках	Шпоночно–фрезерный станок
	Шлицефрезерная. Фрезерование шлицев	Поверхности центровых гнезд в пробках	Шлицефрезерный станок
	Сверлильная.Сверление отверстий на фланце, зенкерование фасок, нарезание внутренних резьб	Поверхности опорных шеек и торец	Радиально-сверлильный станок
	Термическая.Закалка шеек, наружного и внутреннего конусов.	―	Установка ТВЧ
	Шлифовальная.Отделочная обработка опорных шеек, наружных поверхностей	Поверхности центровых гнезд в пробках	Круглошлифовальный станок
	Внутришлифовальная. Отделка исполнительных поверхностей - внутреннего конуса и торца	Поверхности опорных шеек	Внутришлифовальный станок
	Промывка и контроль	―	―

В зависимости от серийности производства черновую и чисто­вую обработку наружных поверхностей шеек шпинделя произво­дят на токарных, многорезцовых и гидрокопировальных стан­ках.

Осевые отверстия сверлят на станках для глу­бокого сверления или на модернизированных токарных станках. Применяют также специальные двухшпиндельные станки, на которых глубокое сверление одновременно выполняют у двух шпинделей, устанавливаемых в двухместное приспособление. Отверстия диаметром до 80 мм сверлят специальными перовыми сверлами. Охлаждающая жидкость, служащая одно­временно для удаления стружки, подается под давлением в зону резания через канал в державке сверла. Применяют также кольцевые резцовые головки, позволяющие при сверлении получить вторичную заготовка в виде стержня меньшего диаметра, что существенно сокращает расход материала. Для обработки полученных в заготовке отверстий применяют многорезцовые расточ­ные головки, которые позволяют получить отверстия большего диа­метра.

Глубокое сверление отверстия на токарных станках выполняют за два уста­нова. Отверстие шпинделя токарного станка 16K20 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. Отклонение от концентричности отверстия после сверления не превышает 0,5 мм. Коническое отверстие в передней и задней части шпинделя зенкеруют и растачивают на больший диаметр. Полученные конусные отверстия служат затем технологическими базами, в которые вставляют калиброванные пробки с центровыми гнездами для дальнейшей чистовой обработки наружных поверхностей.

Резьбы, нарезаемые на шпинделе, имеют различные функции, Повышенные требовании предъявляют к точности резьбы, служащей для фиксации зажимных патронов, Эту резьбу либо полностью наре­зают на токарном станке, либо обработку разбивают на две операции. Предварительное фрезерование выполняют на резьбо-фрезер­ном станке, а окончательное калибрование резцами выполняют на токарном станке. Если предусматривается закалка рассматриваемой резьбовой поверхности, то после термообработки выполняют шлифование резьбы на резьбошлифовальном станке.

Шпоночные пазы на поверхности шпинделей фре­зеруют на обычных универсально-фрезерных или на шпоночно - фрезерных станках диско­выми или пальцевыми фрезами. Шлицы нарезают на шлице-фрезерных станках червячными фрезами по методу обкатки или на универсально-фрезерных станках фасонными фрезами методом копирования. Требуемые глубина и параллельность образующих поверхно­стей шлицев и шпоночных канавок относительно оси шпинделя наилучшим образом обеспечиваются при установке шпинделя в центрах. Поэтому обработку шлицев и шпоночных пазов обычно выполняют при базировании в центрах на тех же пробках, Фрезерование шпоночных пазов можно выполнять также при базировании в призмах по опорным или другим ступеням шпинделя.

На последней операции, выполняемой перед термиче­ской обработкой, производят сверление, развертывание отверстий во фланце и нарезание внутренней резьбы метчиком. В зависимости от серийности выпуска сверле­ние может осуществляться на горизонтально-расточных, на вертикальных или радиально-сверлильных станках, а также на сверлильно-расточных агрегатных станках.

Отделка наружных цилиндрических и шлицевых поверхностей шпинделя после закалки осуществляется предварительным и чистовым шлифованием, которое выполняют соответственно на круглошлифовальных и шлицешлифовальных станках при базировании шпинделя по установленным пробкам или на центровых фасках.

Наиболее ответственными операциями, которые непосредственно влияют на конечную точность шпинделя, являются операции отделочной обработки опорных шеек шпинделя, центрирующего конуса для фиксирования зажимного патрона и конической поверхности осевого отверстия.

Отделку исполнительных поверхностей – конического отверстия и переднего торца выполняют на специальном внутришлифовальном станке. При этом для максимального сокращения отклонений от соосности исполнительных поверхностей относительно оси опорных шеек базирование шпинделя осуществляют по окончательно обработанным двум опорным шейкам.. Вращение шпинделю передается с помощью гибкой связи, а шлифовальный круг разворачивают относительно оси шпинделя на требуемый угол конического отверстия.

При необходимости достижения на поверхностях опорных шеек высоких требований шероховатости поверхности, например R_z = 0,1…0,3 мкм, после чистового шлифования вводят дополнительную операцию - суперфиниширование поверхности. Сущность этого метода отделки поверхностей заключается в том, что с помощью брусков, полученных из микропорошковых абразивных материалов, с поверхности заготовки уда­ляют гребешки, оставшиеся после предыдущей операции, и поверхность доводят до зеркального вида [33].

Рабочими движениями при суперфинишировании наружных цилиндрических ступеней являются вращение шпинделя и короткие возвратно-поступательные (осциллирующие) продольные и поперечные движения подпружиненных брусков, установленных в специальной головке. Амплитуда колебания брусков составляет от 1,5 до 5 мм, при частоте 400… 1200 колебаний в минуту. Обработка осуществляется на низкой скорости резания (5…7м/мин, при малом постоянном давлении брусков (0.5…3)10⁵ Н /м² в присутствии смазки малой вязкости, составляемой на основе машинного масла. Припуск, оставляемый под суперфиниширование, обычно не превышает 5…7 мкм.

В результате происходит удаление микро-гребешков и образование очень гладкой поверхности с характерным сетчатым рельефом. Суперфиниширование практически не уменьшает такие погрешности геометрической формы как волнистость, овальность, конусность,

Дата добавления: 2014-01-11