Проектирование и ремонт шпиндельных узлов

П.М. ЧЕРНЯНСКИЙ
А.Г. СХИРТЛАДЗЕ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ
И РЕМОНТ
ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва
ИНФРА-М
2018

Допущено Учебно-методическим объединением 
вузов по образованию в области автоматизированного 
машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки 15.03.05 «Конструкторско-технологическое 
обеспечение машиностроительных производств»

УДК 621.01/.03(075.8)
ББК 34.63-5я73
 
Ч49

Чернянский П.М.
Проектирование и ремонт шпиндельных узлов : учеб. пособие / 
П.М. Чернянский, А.Г. Схиртладзе. – М. : ИНФРА-М, 2018. – 272 с., 
ил. – (Выс шее образование: Бакалавриат). – www.dx.doi.org/10.12737/ 
668.

ISBN 978-5-16-005361-5

В учебном пособии рассмотрены типовые конструкции современных шпиндельных узлов с элементами привода, расчета и технология 
ремонта.
Авторы благодарят инженера М.В. Ломова за предоставленные 
материа лы его исследований.

УДК 621.01/.03(075.8)

ББК 34.63-5я73

Ч49

ISBN 978-5-16-005361-5 
© Чернянский П.М., Схиртладзе А.Г., 2014

Авторы:
П.М. Чернянский, д-р техн. наук, проф. МГТУ им. Н.Э. Баумана – главы 1–8;
А.Г. Схиртладзе, д-р техн. наук, проф. МГТУ (Станкин) – главы 9, 10

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11



Глава 1 
СтанкоСтроение

1.1. ОсОбеннОсти и рОль станкОстрОения

Все многообразие машин и механизмов собрано из деталей, кото
рые в той или иной степени обрабатываются на металлорежущих 
станках. До 60% основных фондов машиностроительных предприятий в 1990-х гг. приходилось на изделия станкоинструментальной 
промышленности. Поэтому станки – такие средства производства, 
такие машины, на которых создаются все остальные машины.

Уровень станкостроения определяет промышленный потенциал 

страны, ее экономическую независимость, обороноспособность, самостоятельность.

Следует иметь в виду, что даже при наличии средств не все станки 

можно купить в других странах в силу существующих ограничений.

Металлорежущие станки работают в широком диапазоне силовых 

нагрузок (до десятков тысяч ньютонов), скоростей (до тысяч м/мин) 
и точности (до десятков нанометров), который перекрывает требования самых разнообразных механизмов и машин. Поэтому на их базе 
можно создавать машины и механизмы для разных отраслей промышленности.

Современный станок – сложная электронно-механическая си
стема. Она включает элементы аэро- и гидростатики, электромагнитных, электронных устройств, средства регулирования, контроля, 
диагностики и др.

Электроника взяла на себя такие важные функции, как управление 

циклом работы, регулирование скоростей, контроль точности, мощности, сил резания, колебаний и шума. Происходит электронизация 
станков. Станки с числовыми системами управления (ЧПУ) преобладают в выпуске (по стоимости) промышленно развитых стран. Электронные преобразователи частоты для бесступенчатого регулирования скоростей вытеснили механические передачи в приводах подач 
и существенно сократили их в приводах главного движения. Линейные двигатели заменяют традиционные винтовые пары. Увеличивается гибкость станков. Металлообрабатывающая промышленность 
становится все более автоматизированной и компьютеризированной.



Однако при всех возможностях современной электроники преоб
ладающее влияние на точность и производительность оказывают механическая система станков и сопровождающие их работу процессы 
резания, трения, силовых и тепловых деформаций, динамические и др. 
«Залогом точности изделий в первую очередь является точность станка» [70]. Одновременно в станках действует до десятка разных по природе сил.

Производство станков отличается высокой культурой и требует 
глубоких знаний из разных областей науки и техники.

На базе станкостроения можно готовить специалистов и организо
вывать производство различных изделий. В СССР специальности, от- 
носящиеся к профилю «электронное машиностроение», были созданы 
на базе станкостроительных кафедр, что себя полностью оправдало. 
Станкостроение в целом играет ключевую роль в машиностроении.

1.2. развитие станкОстрОения в мире

Стратегия развития станкостроения прозорливо сформулирована 
профессором МГТУ им. Н.Э. Баумана А.П. Гавриленко в своей монографии «Курс механической технологии металлов»: «...чтобы работа 
на станках получалась точная и производительная». Прошедшее столетие технического развития полностью подтвердило эту позицию: 
«Развитие в этом направлении будет продолжаться и еще более активизироваться» [24]; «Главное требование развития станкостроения – высокая производительность... и высокая точность» [18]; «Высокая производительность резания и долговременная точность» [26].

Станкостроение интенсивно развивается. Общая тенденция – со
здание более гибких, легко переналаживаемых станков, на которых 
можно выполнять большое число операций, обрабатывать детали более сложных форм. Растут скорости резания, жесткость и точность станков, снижаются вибрации, сокращаются потери по станку и инструменту. Для скоростной и высокоскоростной обработки применяются 
шпиндельные узлы с частотой вращения 15 000–60 000 мин−1 и выше, 
в том числе сменные электрошпиндели.

В токарной группе станков появились станки с линейной налад
кой (фирма Schaublin, ОАО «КП» и др.), с подвижной шпиндельной 
бабкой и др. В токарных станках с линейной наладкой сохраняются 
только два поступательных движения продольного и поперечного 
суппортов. Инструмент жестко крепится непосредственно на поперечном суппорте. Исключается револьверная головка. Упрощается 
конструкция, потенциально увеличиваются жесткость и точность подсистемы позиционирования.



Приоритет точности получил новое подтверждение в создании 

наностанков. На выставке в Токио в 2000 г. был продемонстрирован 
гибкий производственный наномодуль с субнанометровыми линейками в обратной связи с разрешением 0,07 нм. Потребовалось более 
глубокое изучение процессов, сопровождающих работу станков, применение новых конструкционных материалов, системы управления 
и приводов.

Станкостроение интенсивно развивается не только в качествен
ном, но и в количественном отношении. За период с 2002 по 2006 г. 
выпуск металлообрабатывающего оборудования (МОО), включающего металлорежущие станки (МС) и кузнечно-прессовое оборудование 
(КПО), увеличился на 83%. В общем объеме МС существенно преобладают [33]. В табл. 1.1 приводится выпуск МОО в регионах мира в 
2007–2008 гг. За год прирост МОО в Азиатско-Тихоокеанском регионе (АТР) и Европе увеличился на 15%, и их доля в мировом выпуске составила соответственно 49 и 44%.

Та б л и ц а  1.1

рост выпуска металлообрабатывающего оборудования в мире

Регион

Выпуск, млн долл.
Прирост в 2008 г.

к 2007 г., %

Доля 

в мире, %
2007
2008

АТР
34 539,0
39 777,3
15
49

Европа
31 037,0
35 691,4
15
44

Америка
4961,4
5634,4
14
7

Выпуск и потребление МОО в 2008 г. по некоторым странам приве
дены в табл. 1.2. Такие промышленно развитые страны, как Япония и 
Германия, в 2008 г. выпустили вместе МОО более чем на 31,5 млрд долл. 
при общем мировом выпуске на 81,5 млрд долл. На долю МС из общей суммы приходится соответственно 88 и 76%.

Та б л и ц а  1.2

выпуск и потребление металлообрабатывающего оборудования в 2008 г.

Страна
Выпуск,
млн долл.

МС/КПО, 

%

Прирост 
в 2008 г. 

к 2007 г., %

Потребление
Экспорт 
к произ- 
водству, %
в млн долл.
на душу 

населения

Япония
15 846,9
87/13
11
8030,5
63,09
54

Германия
15 656,8
76/24
21
9950,1
120,80
64

КНР
13 965,0
72/28
30
19 365,0
14,56
15

Российская 
Федерация
202,2
75/25
0
601,7
4,28
64



Вместе с выпуском растет и потребление МОО. Германия увеличи
ла выпуск МОО на 21%, а потребление – на 33%, что свидетельствует о высоких темпах ее промышленного роста.

На общем фоне роста выпуска МОО Российская Федерация занимает скромное место – 202 млн долл. Однако экспорт станков по отношению к их производству очень высокий – 64% (см. табл. 1.2) и находится на уровне Японии и Германии, что свидетельствует об удовлетворительном качестве станков.

Анализируя выпуск станков в мире и по отдельным странам, мож
но констатировать, что станкостроение активно развивается в качественном и количественном отношениях.

Изменение структуры выпуска станков можно проследить на при
мере одной из ведущих стран – Японии, за период 1977–1990 гг. 
В 1991 г. на долю Японии приходилось 31,1% мирового выпуска станков по стоимости. На рис. 1.1 слева представлена структура выпуска 
станков в 1977 г., справа – в 1990 г. [24]. Посередине указаны типы 
станков. Затененные зоны показывают процент выпуска станков с 
ЧПУ по стоимости, цифры без скобок – общее количество станков 
данного типа, цифры в скобках – количество станков с ЧПУ.

рис. 1.1. Сравнительное производство станков в Японии в 1977 и 1990 гг.

Электроэрозионные

Специальные

Шлифовальные

Многоцелевые

Токарные

Фрезерные

Зубообрабатывающие

Сверлильные

Расточные

1977
1990

46 397

949

(37)

3659
(50)

7958
(51)

926
(926)

22 713
(3677)

72 162
(2530)

6939
(6555)

5657
(2088)

13 103
(2466)

38 549
(3639)

1500
(450)

15 805
(15 805)

8495
(2950)

32 571
(25 319)

40 405
(264)

161
(37)

7141
(394)

1178



По данным рис. 1.1 видно, что рост выпуска станков по количе
ству увеличился в 1,49 раза, а по стоимости в 7,7 раза. Большой рост 
выпуска по стоимости вызван высокой стоимостью станков с ЧПУ, 
усложнением их конструкции. Рассматриваемый период характеризуется активным внедрением станков с ЧПУ, поэтому их выпуск по 
количеству увеличился в 11,4 раза, а по стоимости – в 22,7 раза.

На примере одной экономически высокоразвитой страны видно, 

что станкостроение количественно и качественно активно развивается. Выпуск станков с ЧПУ по стоимости составляет более 75%. Резко 
увеличился выпуск многоцелевых, токарных, сверлильных и электроэрозионных станков с ЧПУ.

1.3. ГлавнОе функциОнальнОе качествО станкОв

Сформулированный выше путь развития станкостроения позво
ляет заключить, что главные функциональные качества станков – 
точность и производительность.
Т о ч н о с т ь  размера, отклонение формы и расположения в конеч
ном счете определяется прежде всего смещением, точнее отклоне- 
нием инструмента и заготовки в зоне резания от кинематически (теоретически) заданных перемещений. Здесь и в дальнейшем под термином «смещение» будем понимать случайное или систематическое 
перемещение инструмента и заготовки, вызванное силовой или тепловой деформацией деталей станка, остаточными напряжениями, 
погрешностью деталей станка, зазорами, силами трения, кинематикой формообразования и др. Эти перемещения, часто неуправляемые 
и неконтролируемые, накладываются на теоретически заданные перемещения и определяют погрешность обрабатываемых деталей.

Анализ известных исследований позволяет выделить три основных 

характеристики точности станков [64]:

( )
; 
( )
; 
( )
,
t
F
L
y
y
y
W F
W t
W L
F
t
L
=
=
=

где W(F) – характеристика силовых смещений, которая определяет 
точность станка под действием приложенных к нему сил F; W(t) – характеристика тепловых смещений, которая определяет точность станка под действием тепловых воздействий t; W(L) – характеристика 
размерных смещений, которая определяет точность станка в зависимости от погрешности размеров и отклонения формы деталей станка. 
В отдельных случаях дополнительно следует учитывать характеристики остаточных напряжений и кинематики формообразования.



T

а

в
б

F
1
0

5

5 4
3
2
4

Fm

Y

2T

3 yо

yм

Aр

Aп.о

Aт.р

Aт.н

k

k

k

Fуп

Fуп
T

T

F, у

F, у

G

1

По характеристикам точности определяется полное смещение 

инструмента и заготовки через силовые yF, тепловые yt, размерные yL
смещения и точность станка. На точность шпиндельных узлов оказывают влияние все три характеристики. Остановимся подробнее на 
силовых смещениях [64].

Силовая составляющая точности yF определяется с учетом жест
кости и сил трения [64] или приближенно только через жесткость k
системы: yF = F/k. Под жесткостью будем понимать чисто упругие 
свойства системы. При силовом нагружении станка деформация 
деталей и стыков сопровождается преодолением сил внутреннего и 
внешнего трения. Каждую деталь или стык, каждое звено технологической системы можно представить в виде совокупности модулей, 
состоящих из элементов упругого и неупругого сопротивлений. Первый количественно оценивается величиной жесткости, второй – силой трения. Жесткость и сила трения зависят или не зависят от внешней силы. Создается упруго-фрикционная модель точности [64]. 
Ее свойства рассмотрим на примере одного модуля с независимыми 
элементами упругости и трения (рис. 1.2).

Аналоговая и физическая модели модуля включают элемент упру
гости жесткостью k, силой упругости Fуп и элемент трения с силой трения T, которая зависит от силы веса G ползуна 1. Смещение модуля y
определяется в точке приложения внешней силы F. На рис. 1.2, в по- 

рис. 1.2. Силовые смещения модуля:
а – аналоговая модель; б – физическая модель; 
в – характеристика силовых смещений (ХСС)



строена характеристика силовых смещений (ХСС) – график 0–1–2–
4–5–0. В целом рис 1.2 может быть принят для описания силовых 
смещений привода подач стола, суппорта и других конструкций, 
у которых вес подвижных частей G, осевая жесткость привода k и сила 
трения в направляющих T постоянны.

С ростом внешней силы до величины F ≤ T система не смещается 

(участок 0–1). После преодоления сил трения избыточная сила (F − T) 
деформирует элемент упругости, в котором накапливается сила 
упругости Fуп. На участке 1–2 характеристики ползун перемещается 
из-за деформаций элемента упругости. При разгрузке системы сила 
трения изменяет свое направление. На участке 2–4 образуется зона 
нечувствительности: сила F изменяется, а движения не происходит. 
Этот участок всегда равен двойной силе трения, так как сила трения 
преодолевается дважды: при нагрузке и разгрузке системы.

В точке 4 начинается обратное движение ползуна под действием 

накопившихся сил упругости. В точке 5 разгрузка закончена, F = 0. 
Однако беззазорная упруго-фрикционная система не возвращается в 
исходное положение – сохраняется остаточное смещение yо.

Процесс нагрузки–разгрузки одномодульной системы описыва
ется зависимостью

,
F
T
y
k
=
±
(1.1)

где знак «−» принимается при нагрузке, а знак «+» – при разгрузке. 
Из (1.1) находится остаточное смещение:

о
.
T
y
k
=
(1.2)

По своей природе остаточное смещение чисто упругое. На этом 

основании из (1.2) заключаем, что после разгрузки системы в ней 
сохраняются остаточные силы упругости Fо.у, равные силе трения.

Fо.у = yоk = T. 

Остаточные силы упругости постоянно держат конструкцию в на
пряженном состоянии. При всяком случайном изменении сил трения 
и жесткости остаточные силы упругости вызывают соответствующие 
смещения системы, изменяют ее точность. Становится понятным 
явление последействия.

За цикл обработки детали станок многократно нагружается и раз
гружается. Постоянно проявляется действие остаточных сил упругости и изменение точности обработки.

При отсутствии сил трения получаем чисто упругую характерис
тику силовых смещений k (см. рис 1.2, в).

Наличие остаточных сил упругости должно проявиться в характе
ристике силовых смещений. Расчетом установлено [64], что площадь 
0–1–2–3 соответствует работе сил трения при нагрузке Ат.н; площадь 
3–4–5–3′ соответствует работе сил трения при разгрузке Ат.р; площадь 0–3′–5 соответствует остаточной потенциальной энергии модуля Ап.о; площадь 5–4–5′ – восстановленной энергии Ар.

Установленные закономерности остаточных смещений в без
зазорной упруго-фрикционной системе, остаточных сил упругости, 
остаточной потенциальной энергии и роли сил трения – универсальны и полностью распространяются на различные механические системы, в том числе и на шпиндельные узлы.

Следует четко различать разницу между силовыми смещениями 

yсм, зависящими от упругих деформаций деталей, сил терния, зазоров, пластических деформаций, и упругими смещениями yуп, зависящими только от упругих деформаций. По существующим ГОСТам 
проверки станков на жесткость фактически определяются только силовые смещения. Как из них выделить чисто упругие силовые смещения и силы упругости – неизвестно. Следовательно, мы не можем 
определить и жесткость станков. Есть ГОСТы проверки станков на 
жесткость, по которым нельзя определить жесткость станков или их 
узлов. Поэтому в технической литературе существует более десятка 
экспериментальных способов определения жесткости, в равной степени строго не обоснованных [64]. Мы пользуемся лишь приближенными значениями жесткости станков и узлов, степень приближения 
которой неизвестна.
Используя жесткость как одну из важных характеристик шпиндель
ных узлов, обосновывая выбор материала для шпинделя, мы всегда 
должны иметь в виду, что собственная жесткость деталей станка не 
зависит от предела прочности материала и практически не зависит от 
термообработки [64].

С позиций формирования точности станков недопустимо рассмат
ривать детали станков как абсолютно жесткие тела, с идеально гладкой 
поверхностью, плоскостностью, цилиндричностью и т.п. Нет «твердых 
тел», «жестких опор», «жестких заделок», «жестких контактов» и др. 
Необходимо учитывать физические свойства конструкции.

П р о и з в о д и т е л ь н о с т ь  станков Q часто оценивают по числу 

деталей, обрабатываемых в единицу времени [62]. Теоретическая производительность Qт, без учета потерь, линейно зависит от скорости 
резания v:

т
1

р
1
,
Q
t
=
= С v

где tр – время резания, С1 – постоянный коэффициент.