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.