Подшипники шпинделя ЧПУ: как подобрать дуплекс P4, заменить и обкатать

Шпиндель фрезерного станка ЧПУ держит инструмент на двух опорах из радиально-упорных шарикоподшипников. От них зависят биение фрезы, шум, нагрев корпуса и срок службы всего шпинделя. Когда шпиндель начинает свистеть или греться спереди, первым проверяют подшипники, и их можно заменить самостоятельно, если подобрать точно такие же и собрать узел без ошибок. Ниже разобрано, какие подшипники стоят в шпинделе, как читать их маркировку, что означают дуплекс, схемы DB, DF, DT и класс P4, как снять и поставить подшипники, чем смазывать и как обкатать шпиндель после ремонта.

Товар из статьи

Дуплекс H7002CTA-2RZ P4 DT, пара подшипников 15 x 32 x 9 мм для шпинделя

Какие подшипники стоят в шпинделе ЧПУ

В шпинделях с цангой ER11, ER16 и ER20 применяют радиально-упорные шарикоподшипники серии 70 (особо лёгкая серия). В отличие от радиального подшипника, у радиально-упорного линия контакта шарика с дорожками наклонена к оси под углом контакта. Поэтому подшипник держит одновременно радиальную силу от фрезы и осевую силу, которая возникает при врезании и при работе фрезы с наклонной спиралью. Осевую силу один такой подшипник принимает только в одну сторону, поэтому их ставят парами, развёрнутыми нужным образом.

В шпинделях 2.2 кВт с корпусом 80 мм с водяным охлаждением в передней опоре стоит пара 7005 P4 (вал 25 мм), в задней пара 7002 P4 (вал 15 мм). Передняя опора ближе к цанге и принимает основную силу резания, поэтому изнашивается первой. У шпинделей 0.8 и 1.5 кВт набор зависит от модели и производителя, и опубликованные спецификации расходятся.

Под одной маркой GDZ80-1.5 продаются шпиндели с разными наборами подшипников, а воздушный 2.2 кВт HQ в паспорте указан с 7004C и 7000C, а не с 7005 и 7002. Поэтому подшипники на замену заказывают только после разборки, по маркировке и размерам снятых подшипников, а не по мощности и диаметру корпуса.

Как читать маркировку H7002C-2RZ P4 DT

Маркировка подшипника шпинделя полностью описывает его геометрию и исполнение. Разберём её на примере H7002C-2RZ P4 DT.

Дополнительные буквы после угла контакта (TA, TN, TYN и другие) у разных производителей обозначают материал и исполнение сепаратора. На посадочные размеры они не влияют. Размеры по сериям: 7002 это 15 x 32 x 9 мм, 7003 это 17 x 35 x 10 мм, 7004 это 20 x 42 x 12 мм, 7005 это 25 x 47 x 12 мм (внутренний диаметр x наружный диаметр x ширина).

Угол контакта 15° или 25°

Буква C означает угол контакта 15°, у подшипников с углом 25° стоит обозначение AC. Чем больше угол, тем больше осевая жёсткость и допустимая осевая нагрузка, но ниже предельные обороты. Для высокооборотных шпинделей фрезерных станков с цангой применяют исполнение C. Менять угол при ремонте нельзя: преднатяг и жёсткость опоры рассчитаны под исходный подшипник.

Что такое дуплекс и схемы DB, DF, DT

Дуплекс это пара подшипников, подобранная на заводе так, чтобы при сборке в заданной схеме получился нужный преднатяг и нагрузка делилась поровну. Торцы колец такой пары прошлифованы с точно заданной разницей, поэтому подшипники из разных пар между собой не смешивают, а при замене меняют всю пару. На наружных кольцах пары нанесена общая риска в форме буквы V: при сборке её совмещают, остриё показывает направление, в котором пара воспринимает осевую силу.

Пара DT держит в своём направлении большую осевую силу, чем один подшипник, но в обратную сторону не работает. Поэтому в шпинделе пары DT ставят навстречу друг другу в передней и задней опоре, и вал в целом зафиксирован в обе стороны. Если при сборке развернуть один подшипник пары, тандем превратится в DB или DF с неверным преднатягом: шпиндель будет греться или получит люфт. Ориентацию новых подшипников повторяют точно по снятым, перед разборкой её стоит сфотографировать или пометить маркером.

Класс точности P4 и преднатяг

Класс точности задаёт допуски на размеры и, что для шпинделя важнее, на радиальное и торцевое биение колец. По ISO 492 классы идут от нормального (P0) через P6 и P5 к P4 и P2, чем меньше цифра, тем точнее подшипник. P4 соответствует ABEC 7 по американской системе. Прецизионные радиально-упорные подшипники SKF выпускаются в классе P4 как стандартном, P2 (ABEC 9) по заказу. Ставить в шпиндель подшипник класса ниже, чем был, нельзя: биение кольца прямо переходит в биение фрезы.

Преднатяг это осевое поджатие подшипников пары, которое выбирает внутренний зазор и делает опору жёсткой. Производители прецизионных подшипников выпускают их с несколькими классами преднатяга: у SKF для серии 70 .. D это класс A (особо лёгкий), B (лёгкий), C (средний) и D (тяжёлый). Больший преднатяг даёт большую жёсткость, но и больший нагрев на высоких оборотах. NSK называет преднатяг важнейшим фактором работоспособности подшипника: неверный преднатяг ведёт к преждевременному отказу или заклиниванию, и чем выше обороты, тем это критичнее.

У дуплекса преднатяг задан заводской шлифовкой торцов и получается сам при затяжке пары гайкой до упора колец. Поэтому дуплекс одного типоразмера в схеме DB и в схеме DT это разные изделия, и брать нужно ту схему, которая стояла в шпинделе.

Признаки износа подшипников шпинделя

• Свист, гул или шуршание, которые меняют тон вместе с оборотами. Шум на холостом ходу без фрезы указывает на подшипники, а не на инструмент.
• Нагрев передней части корпуса сильнее, чем раньше, при той же работе системы охлаждения.
• Радиальный люфт вала: качание фрезы рукой с индикатором часового типа на хвостовике.
• Рост биения фрезы, ухудшение чистоты поверхности, сколы на кромках тонких фрез.
• Неравномерное вращение вала от руки: заедание, шершавость, щелчки. Проверяют при отключённых от частотника проводах, иначе обмотки тормозят вал.
• Короткий свободный выбег: исправный шпиндель, раскрученный рукой, вращается по инерции несколько секунд.

Если шумит одна опора, задняя или передняя, на форумах ремонтники расходятся во мнениях, менять одну пару или все подшипники. Изношенную пару меняют обязательно целиком. Вторую опору проверяют на шум и люфт после разборки: если её подшипники вращаются ровно и без люфта, её можно оставить.

Как подобрать подшипники на замену

1. Разобрать шпиндель и прочитать маркировку на каждом подшипнике и на торце наружного кольца пары.
2. Измерить штангенциркулем внутренний и наружный диаметр и ширину, сверить с размерами серии.
3. Записать угол контакта (C или AC), тип уплотнения (2RZ, открытый), класс точности и схему пары (DB, DF, DT).
4. Подобрать пару с той же маркировкой. Буквы сепаратора у разных производителей могут отличаться, размеры, угол контакта, класс и схема должны совпасть.

Отдельный случай гибридные подшипники с керамическими шариками (в маркировке HQ1, HC или Ceramic). Керамика не проводит ток, поэтому после замены перестаёт работать датчик длины инструмента, если его цепь замыкается через фрезу, вал и корпус шпинделя. Такой случай описан на форуме: после установки керамических подшипников станок не остановился при касании пластинки датчика и продавил фрезу в материал. При гибридных подшипниках датчик подключают проводом с зажимом прямо на фрезу.

Пары для замены и сами шпиндели представлены в каталоге подшипников и в каталоге шпинделей.

Снятие и установка подшипников

Разборка

Перед разборкой снимают цанговую гайку и цангу, переднюю крышку и стопорную гайку вала, направление её резьбы проверяют до откручивания. Вал с ротором выпрессовывают из корпуса со стороны цанги, упираясь в торец вала, а не в обмотку статора. Снятые подшипники раскладывают по порядку и отмечают их ориентацию. Старые подшипники после выпрессовки повторно не ставят: усилие при снятии проходило через шарики и могло оставить вмятины на дорожках.

Напрессовка

Главное правило из руководств SKF: монтажное усилие никогда не передают через тела качения. На вал подшипник напрессовывают оправкой, которая упирается только во внутреннее кольцо, в корпус оправкой по наружному кольцу. Удары молотком по кольцам недопустимы. Подшипник с уплотнениями для посадки нагревают только индукционным нагревателем и не выше 80 °C, а ставят сразу после нагрева. Открытые подшипники допускают нагрев до 120 °C. Закрытые подшипники не моют.

Затяжка гайки

Стопорная гайка поджимает внутренние кольца пары до упора, и преднатяг дуплекса получается сам. Перетянутая гайка или перекос колец дают свист и быстрый нагрев сразу после запуска. Если после сборки вал от руки вращается туго, ищут перекос или неверную ориентацию подшипника, а не ослабляют гайку: недотянутая гайка оставляет вал без осевой фиксации. Фиксатор резьбы на гайку вала не наносят, иначе её не удастся отрегулировать без повреждения резьбы. После сборки проверяют биение конуса под цангу индикатором.

Смазка подшипников шпинделя

Подшипники 2RZ поставляются со смазкой на весь срок службы. SKF для закрытых прецизионных подшипников указывает заполнение смазкой 15% свободного объёма; добавлять смазку и снимать уплотнения не нужно. Лишняя смазка в высокооборотном подшипнике не улучшает работу, а увеличивает трение и нагрев.

Открытые подшипники при сборке заполняют смазкой для высокоскоростных шпиндельных подшипников. SKF рекомендует заполнять при высоких оборотах меньше 30% свободного объёма. Пластичные смазки общего назначения с противозадирными присадками для шпинделя не подходят. Участник форума описывает, что после закладки смазки типа EP2 шпиндель грелся до 60 °C даже с охлаждением, а после замены на высокоскоростную шпиндельную смазку нагрев ушёл.

Обкатка шпинделя после замены подшипников

Новая смазка внутри подшипника должна распределиться, иначе при резком выходе на высокие обороты её избыток вызывает скачок температуры. NSK описывает 2 способа обкатки для шпинделей с консистентной смазкой.

Непрерывная обкатка

Максимальные обороты делят на 10 ступеней. Например, для шпинделя на 24000 об/мин это 2400, 4800, 7200 об/мин и далее с шагом 2400 об/мин. На каждой ступени шпиндель работает, пока температура корпуса не перестанет расти, на это уходит от 30 минут до 2 часов. Переходить на следующую ступень можно, только когда температура постоянна или падает.

Прерывистая обкатка

Сначала шпиндель 15 минут работает на 500 об/мин, чтобы смазка улеглась. Затем максимальные обороты делят на 8-10 ступеней, на каждой выполняют 10 циклов: разгон до оборотов ступени, остановка, пауза 40 секунд. После выхода на максимальные обороты шпиндель работает на них 1 час без остановки. Этот способ короче непрерывного.

Контроль температуры

По NSK: если температура подшипника превысила 70 °C, обкатку останавливают и дают остыть до 40 °C, затем продолжают. Установившаяся температура корпуса в итоге должна быть не выше 50 °C. Обдувать корпус воздухом для ускорения нельзя: наружное кольцо охлаждается быстрее внутреннего, преднатяг растёт, и подшипник может повредиться. Шпиндель с водяным охлаждением обкатывают с включённой помпой.

Типичные ошибки при замене

Аккуратная замена подшипников возвращает шпинделю тихую работу и исходное биение. Решают дело три вещи: та же маркировка и схема пары, усилие только через нужное кольцо и ступенчатая обкатка с контролем температуры.

Совместимые товары

Ниже дуплексы разных типоразмеров. Остальные пары смотрите среди подшипников для шпинделя, а если вместе с подшипниками нужен новый узел целиком, в разделе шпиндели для ЧПУ.

• Дуплекс H7005C-2RZ P4 DT, пара подшипников 25 x 47 x 12 мм для шпинделя
• Дуплекс H7004C-2RZ P4 DT, пара подшипников 20 x 42 x 12 мм для шпинделя
• Дуплекс H7004C-2RZ P4 DB, пара подшипников 20 x 42 x 12 мм для шпинделя
• Дуплекс H7003C-2RZ P4 DT, пара подшипников 17 x 35 x 10 мм для шпинделя