Для изготовления шпинделей применяются стали, которые можно разбить на две основные группы:
1) углеродистые стали,
2) специальные стали, главным образом, хромоникелевые.
Углеродистая сталь 45 применяется, главным образом, для шпинделей токарных, револьверных, сверлильных и фрезерные станков, работающих со средними окружными скоростями и не допускающих большого износа шеек. Специальная сталь — хромоникелевая и хромистая — применяется для шпинделей автоматов и шлифовальных станков, работающих с большими окружными скоростями и несущих большую нагрузку.
Заготовка для шпинделей выбирается в зависимости от размера программы и, главным образом, от конфигурации шпинделя. Если шпиндель имеет фланец, диаметр которого значительно больше шеек, то необходимо брать поковку или штамповку; при фланце, диаметр которого мало отличается от шеек, или при отсутствии его, заготовку следует брать из сортового материала.
В основном технологический процесс механической обработки шпинделей сводится к следующим операциям:
1-я операция — отрезка сортового материала на дисковой пиле. Если заготовка является штамповкой или поковкой, то один или оба конца отрезаются на пиле или фрезеруются на горизонтально-фрезерном станке.
2-я операция — зацентровка одного или двух концов на центровочном или сверлильном станке (вертикальном или радиальном).
3-я операция — обдирка верха одного конца.
4-я операция — обдирка верха второго конца.
3-я и 4-я операции обычно выполняются па многорезцовых станках (фиг. 109).
Фиг.109. Черновая обточка шпинделя на многорезцовом станке.
5-я операция — проточка шеек под люнеты. Иногда эта операция опускается, что не рекомендуется.
6-я операция — глубокое сверление в шпинделе (фиг. 110).
Фиг. 110. Глубокое сверление в шпинделе.
7-я операция. На ряде заводов после глубокого сверления и обдирки вводят термообработку — нормализацию для устранения внутренних напряжений, вызывающих в дальнейшем деформацию шпинделя или местную закалку, главным образом, шеек, вращающихся в подшипниках скольжения. Шейки шпинделей, вращающихся в подшипниках качения, как правило, не закаливаются. Не подвергаются закалке поверхности под резьбу, которая нарезается после
термической обработки. Встречаются шпиндели, у которых поверхности под резьбу закаливаются, но на пониженную твёрдость (по Роквеллу =30—36) допускающую нарезание резьбы после термической обработки и обеспечивающую достаточную прочность резьбы.
Шейки закаливаются на твёрдость 60—62 по Роквеллу или в печах с изоляцией специальными кожухами мест, не требующих закалки, или по методу поверхностной электрозакалки.
Кроме того, при этом методе закаливается изделие только на глубину 1,5—2 мм, что нисколько не снижает сопротивления сердцевины шпинделя изгибу и кручению; при этом длина закалённой поверхности получается с точностью до 1 мм, что чрезвычайно важно для не закаливаемых частей поверхности под резьбу.
Большая часть шпинделей изготовляется из закаливающихся сталей (стали 40, 40Х и 40ХН), меньшая часть — из цементирующихся сталей 20Х, 12ХНЗ и других, подвергающихся нормализации, цементации и закалке.
Для предохранения от закалки шеек шпинделя, которые должны оставаться незакалёнными, наиболее часто применяются следующие два способа:
1) после цементации шейки, не требующие закалки, подвергаются обточке с тем, чтобы снять цементированный слой — 2—4 мм; тогда при закалке эти поверхности останутся сырыми,
2) шпиндель после обдирки подвергается гальваническому покрытию медью, предохраняющей от цементации шейки, не требующие закалки. G шеек, которые должны закаливаться, слой меди снимается обточкой или шлифованием.
Нитрирование шеек, применяемое на некоторых заводах, даёт высокую твёрдость (по Бринелю до 1000 единиц, большую износоупорность поверхности шеек и не вызывает деформации, так как нитрирование производится при t = 420—500°.
8-я операция. Предварительная расточка переднего конуса после цементации и калки требует ввиду значительной деформации предварительной обточки мест под люцеты; после электрической закалки этого не требуется, так как деформация бывает небольшой; расточка конуса под коническую пробку производится, главным образом, резцами на токарном станке с последующей (на некоторых заводах) развёрткой или шабровкой отверстия. Одновременно подрезается торец; после этого вставляется конусная пробка с центровым отверстием.
9 – я операция. Расточка конуса заднего конца производится аналогично предыдущей операции с подрезкой торца. С этого конца также, вставляется конусная пробка с центровым отверстием.
10- я и 11-я операции—чистовая обточка на центрах одной и другой половин шпинделя, причём оставляется 0,6—1,5 мм на диаметр под шлифование, и проточки канавок. Обточка производится, главным образом,на многорезцовых станках (фиг. 111).
Фиг. 111. Чистовая обточка шпинделя на многорезцовом станке.
12-я операция-фрезерование шпоночных канавок.
13-я и 14 -я операции — нарезание мелкой резьбы под гайки— производится на токарных станках и резьбофрезерных. Нарезание крупной резьбы под патрон производится или па токарном станке — предварительная и окончательная нарезка, или лее предварительная — на резьбофрезерном, а окончательная — на токарном.
15-я и 16-я операции—предварительное и окончательное шлифование — производятся на кругло шлифовальных станках ( фиг.112);
при этом на окончательное шлифование оставляется 0,2— 0,3 мм на диаметр; шлифование конусных шеек обычно выделяется в отдельную операцию, чтобы пе переналаживать станок для каждого шпинделя.
Фиг. 112. Чистовая обточка шпинделя на многорезцовом станке.
17-я операция. Полировка шпинделя в зависимости от требований чистоты и качества поверхности производится либо вручную при шлифовании, либо выделяется в отдельную операцию па специальном станке; чаще производится на токарном станке, приспособленном для полировки одновременно нескольких шеек.
Шпиндели быстроходных станков с числом оборотов, доходящим до 20 000—30 000 в 1 мин., в целях устранения внутренних напряжений после закалки и предварительного шлифования подвергаются искусственному старению, заключающемуся в нагреве в масле при температуре 180—230°.
18-я операция. Окончательная расточка переднего конуса и расшлифовка его (предварительно удаляются конусные пробки);
расточка производится резцом, иногда развёрткой. Шпиндель устанавливается в патрон и люнет (фиг. 113) с выверкой по индикатору. Правильность расточки контролируется оправкой длиной 300 мм при биении конца её максимум 0,01 мм.
Расшлифовка конуса обязательно применяется, если конус закаливается, ода производится или на специальном внутришлифовальном станке, или на токарном станке, причём вместо задней бабки применяется специальный моторчик с ремённой передачей на шлифовальный круг.
В шпинделях с фланцем необходимо сверлить 6—8 отверстий обычно по кондуктору (фиг. 114) . Некоторые конструкции шпинделей имеют шлицы, которые фрезеруются на горизонтально-фрезерных станках (фиг. 115), по чаще на специальных шлицефрезерных станках.
Контроль шпинделей производится пооперационно и окончательно после последней операции. Диаметры шеек проверяются предельными скобами, резьба — предельными резьбовыми кольцами, биение шеек — по индикатору с допуском 0,01 мм, биение буртика по торцу с допуском 0,01—0,02 мм. Твёрдость шеек по склероскопу Шора 65—100.
Фиг. 113. Окончательная расточка переднего конуса шпинделя.
Фиг. 114. Сверление отверстия во фланце шпинделя.
Фиг. 115. Фрезерование шлицев шпинделя на горизонтально-фрезерном станке.
