Опоры валов в станках с ЧПУ: подшипники качения и скольжения

Обновлено: 21.05.2023

Тем, кто не знаком с методикой расчета опор валов и осей, придется столкнуться с массой трудностей при проектировании и эксплуатации механического оборудования. Кроме паспортных характеристик подшипника, вроде статической и динамической грузоподъемности, выделяют ещё одну, которая порой зависит от условий работы — долговечность.

Стандартная методика состоит из двух этапов: предварительного выбора и уточняющего расчета опор валов. Для второго этапа есть готовые формулы. Для подшипников качения, например, их можно найти в ISO 281 – международном стандарте. Но чтобы сделать правильный предварительный выбор, нужно разобраться в обширной классификации.

Опора вала с подшипником

Виды подшипников

Первый «признак», по которому разделяют подшипники — это вид трения. Качение и скольжение требуют разного конструктивного оформления, условий смазывания и охлаждения.

Подшипники качения

Подшипник качения состоит из наружного и внутреннего колец, или обойм. Между ними установлен ряд тел качения — шариков или роликов. Они расположены по окружности с равным шагом. Чтобы тела качения не сходились вместе во время вращения, в подшипниках большинства типов есть еще один элемент — сепаратор. Детали, передающие нагрузку, изготавливаются из специальных подшипниковых сталей (ШХ-6, ШХ-15). Для изделий, работающих в агрессивных средах, применяются коррозионностойкие сплавы (95Х18). Сепараторы делают из латуни, бронзы или малоуглеродистых сталей.

Подшипник качения

Шариковые и роликовые подшипники: основные различия

Главными видами подшипников качения являются шариковые и роликовые подшипники. Основными характеристиками подшипников качения считаются способность выдерживать нагрузки (статическая и динамическая грузоподъемность) и коэффициент трения. Они взаимосвязаны, и изменение одного параметра неизбежно приводит к изменению другого.

Шариковые подшипники характеризуются наиболее низким коэффициентом трения из-за того, что дорожки качения и шарики имеют точечный контакт. С этой геометрической особенностью связана их сравнительно низкая грузоподъемность.

В роликовых подшипниках контакт между рабочими поверхностями выглядит в виде линии, что приводит к более высокой загрузочной способности. При проектировании опор с роликовыми подшипниками важно учитывать, что тепловыделение у них также оказывается выше, чем у шариковых. В механизмах, которые работают на высоких частотах вращения, часто приходится делать принудительное отведение тепла, вместо густой смазки использовать жидкую (с постоянной циркуляцией), устанавливать датчики температуры для защиты оборудования.

Классификация подшипников качения по направлению воспринимаемых нагрузок

Один из основных критериев выбора подшипников качения — вид воспринимаемых нагрузок. Они делятся на радиальные, упорные и радиально-упорные.

Радиальные подшипники качения (шариковые и роликовые) применяют в опорных узлах валов, которые передают нагрузку перпендикулярно продольной оси. Часто конструкция радиальных подшипников позволяет наружному кольцу смещаться относительно внутреннего. При этом ряд тел качения всегда «привязан» к одному из них. Такие радиальные подшипники используются в валах с «плавающими» опорами, например, в передачах шевронных редукторов, где нет нагрузок вдоль оси.

Упорные подшипники воспринимают только осевые нагрузки. Они отличаются по конструкции от радиальных — их кольца формой напоминают шайбы. Кольца различаются между собой по внутреннему диаметру: одно кольцо садится на вал с натягом, а другое — с зазором. Упорные подшипники устанавливают в один узел с радиальными, если вовремя работы механизма нагрузки в радиальном и осевом направлениях приблизительно одинаковы.

Чаще всего осевые усилия в 5-10 раз меньше радиальных. В таких случаях устанавливают радиально-упорные подшипники качения, и весь опорный узел оказывается меньше по размерам и массе, чем в случае с парой радиального и упорного подшипников.

Распространенные конструкции радиально-упорных подшипников:

  • Роликовые конические однорядные — воспринимают осевую нагрузку только в одном направлении, устанавливаются на концы вала зеркально (в распор или в растяжку), требуют тщательной регулировки зазора между наружным и внутренним кольцами.
  • Роликовые конические двухрядные — состоят из одного наружного и двух внутренних колец, работают в двух осевых направлениях. Зазор отрегулирован производителем: между внутренними обоймами установлено дистанционное кольцо определенной ширины.
  • Шариковые и роликовые сферические двухрядные — воспринимают нагрузки в обоих осевых направлениях. Поверхность качения наружной обоймы имеет сферическую форму и проворачивается на роликах в любом направлении, поэтому такие подшипники называют самоустанавливающимися. Допускается монтаж в не соосно установленные подушки, прогиб вала вовремя работы оборудования.

Подшипники качения по направлению нагрузок

Особенности установки подшипников качения в станках с ЧПУ

Подшипники качения устанавливаются в опоры высоконагруженных металлообрабатывающих станков с ЧПУ: токарных, фрезерных, сверлильных, координатно-расточных. Наиболее высокие требования предъявляются к подшипникам в шпиндельной группе. Они должны иметь высокий класс точности (II-IV, ГОСТ 520-71). Это важно для минимизации радиального и торцевого биений, которое не должно превышать нескольких микрон. Для снижения люфтов радиально-упорные и упорные подшипники устанавливаются с преднатягом – зажимаются гайкой в осевом направлении.

В качестве опор для ходовых винтов некоторых станков применяются так называемые подшипниковые узлы. Они состоят из однорядного подшипника и корпуса, в котором есть сферический элемент, компенсирующий несоосность установки.

Подшипники скольжения

Эти подшипники представляют собой пару скольжения, состоящую из наружно и внутренней втулок. Применение подшипников скольжения в технике чаще всего обосновывается невозможностью установить аналогичные по нагрузочной способности подшипники качения из-за их сравнительно больших габаритов. В России действует ряд ГОСТы, описывающих конструкции узлов и требования к их геометрии. Однако во многих станках зарубежного производства установлены втулки, не попадающие под российские стандарты.

Выпускаются три типа подшипников скольжения:

  • линейные (радиальные);
  • упорные (подпятники);
  • сферические радиально-упорные.

Часто роль внутреннего кольца подшипника скольжения выполняет шейка вала. Ее подвергают цементации и закалке для повышения износостойкости и полируют для снижения шероховатости, а вместе с ним и коэффициента трения.

Диапазон используемых материалов для наружной втулки достаточно широк:

  • медьсодержащие сплавы (бронзы);
  • мягкие сплавы (баббиты);
  • полимеры (политетрафторэтилен);
  • композиты (текстолиты);
  • спекаемые керамические материалы.

Некоторые производители используют материалы собственной разработки, конструкция и состав которых защищены патентами.

Подшипники скольжения

Конструкции и смазка подшипников скольжения

Подшипники скольжения различаются конструктивным исполнением наружного кольца. Оно может быть изготовлено в виде цельной или свернутой втулки, двух вкладышей, трех и более сегментов.

Эффективность работы подшипника скольжения зависит от комбинации антифрикционного материала и условий смазывания. В некоторые конструкции смазка подается постоянно, другие периодически прокачиваются. Существуют спекаемые пористые втулки, в которых смазка содержится в порах материала – самосмазываемые подшипники.

Наиболее распространенные типы подшипников по виду смазывания:

  • Полусухого и полужидкостного трения. Один из примеров – стальной вал и бронзовая втулка с периодически прокачиваемой густой смазкой. Конструкция отличается большим коэффициентом трения и тепловыделением, но проста в исполнении и эксплуатации.
  • Жидкостного трения. Баббитовые вкладыши с постоянной подачей масла под давлением (гидростатические подшипники) или с нулевым избыточным давлением (гидродинамические). Во время работы механизма вал и втулка не контактируют между собой, а трение происходит в разделяющем их слое масла. По тепловыделению, КПД и нагрузочной способности такие подшипники превосходят аналоги с трением качения. Но они плохо переносят реверсивную работу, изменение скорости и ускорения. Один из примеров применения — опора шпинделя круглошлифовального станка.
  • Воздушного трения. Аэростатические и аэродинамические подшипники при правильной эксплуатации имеют неограниченный срок службы, для них не существует ограничений по скоростям вращения. Опоры работают без вибрации и отличаются высокой точностью. Их применяют в узлах, где необходимо добиться точного позиционирования, например, в поворотных столах и консолях контрольно-измерительных машин.

Строение подшипника скольжения

Подшипники в станках MULTICUT

В шпинделях для станков MULTICUT используются гибридные радиально-упорные шарикоподшипники. Их наружные и внутренние кольца изготовлены из подшипниковых сталей, а тела качения — из нитрида кремния. Подшипники способны работать на больших скоростях в условиях вибраций и знакопеременных нагрузок. Кроме того, шарики являются отличной электрической изоляцией между валом и корпусом двигателя.

Дополнительные консультации по выбору комплектации станков вы можете получить у сотрудников компании MULTICUT онлайн или по телефону.

Читайте также
Обновлено: 25.03.2024
Обновлено: 24.03.2024
Обновлено: 28.03.2024
Обновлено: 28.03.2024
Обновлено: 25.03.2024