Шпиндели металлорежущих станков

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ 
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ 
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА 
(МИИТ)» 

 
Кафедра «Технология транспортного машиностроения 
и ремонта подвижного состава» 
 
 
 
 
 
А.П.Корноухов, А.Ю.Попов 

 

ШПИНДЕЛИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ 

СТАНКОВ 

 

Учебно-методическое пособие к курсовому и дипломно
му проектированию 

 

 

 

Москва – 2018 

 

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ 
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ 
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА 
(МИИТ)» 

 
Кафедра «Технология транспортного машиностроения 
и ремонта подвижного состава» 
 
 
 
А.П.Корноухов, А.Ю.Попов 

 

ШПИНДЕЛИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ 

СТАНКОВ 

 
Учебно-методическое пособие 
для студентов направления 
 
25.05.03 – Подвижной состав железных дорог 

15.03.05 – Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств 
 

 

 

Москва – 2018 

УДК 621.9.06 

К – 67 

Корноухов А.П., Попов А.Ю. Шпиндели металлорежущих 
станков: Учебно-методическое пособие к курсовому и дипломному проектированию. – М.: РУТ (МИИТ), 2018.- 123 
с. 

В учебно-методическом пособии изложены сведения 
об устройстве шпинделей металлорежущих станков, их 
конструктивные особенности и методика расчета жесткости. 

Учебно-методическое пособие предназначено для сту
дентов Института транспортной техники и систем управления, специализирующихся в области технологии транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава. 

 
 
Рецензент: кандидат технических наук, доцент ка
федры «МПСиС» РУТ (МИИТ) В.М.Филимонов. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© РУТ (МИИТ), 2018

Основные требования 
Шпиндель – конечное звено привода главного движения. Он предназначен для крепления и вращения заготовки 
или режущего инструмента. Вращение на шпиндель передается от электродвигателя через передаточный механизм, 
последним звеном которого является зубчатое колесо или 
шкив. В современных высокоскоростных станках шпинделем является ротор высокочастотного асинхронного двигателя или пневмотурбины. 
Выбор типа передачи на шпиндель (ременная или 
зубчатая) в первую определяется частотой вращения и величиной передаваемого крутящего момента. 
Зубчатая передача отличается простотой конструкции, компактностью и способностью передавать высокие 
крутящие моменты. Однако из-за погрешности шага она не 
обеспечивает высокое качество обработки на прецизионных станках, а наличие переменных сил резания, из-за бокового зазора в зацеплении, нарушает плавность вращения 
шпинделя и вызывает возрастание динамических нагрузок 
в деталях и узлах привода главного движения. Этим обусловлено ограничение частоты вращения передаваемой на 
шпиндель зубчатой передачей в пределах 2000–3000 мин-¹. 
Требования по компактности приводят к тому, что зубчатые передачи применяют и для более высоких значений 
частот. В этих случаях используют зубчатые колеса и опоры повышенной точности. В ряде некоторых моделей 
станков частота вращения достигает 5000 мин-¹. Влияние 
зубчатой передачи на качество обрабатываемой поверхности, как правило, исключает ее применение в приводе 
шпинделей шлифовальных, координатно-расточных, отделочно-токарных и других прецизионных и финишных 
станках. 
Применение ременного привода шпинделя ведет к 
некоторому увеличению габаритов шпиндельного узла и 

усложнению его конструкции, т.к. приемный шкив шпинделя должен иметь самостоятельные опоры для разгрузки 
шпинделя. Тем не менее плавность вращения шпинделя и 
качество обработки при такой компоновке выше. 
Для станков, использующих многолезвийный инструмент (в первую очередь фрезерные) либо осуществляющих прерывистый процесс резания, применение ременного 
привода существенно снижает максимальные значения передаваемых крутящих моментов из-за податливости ремней и возможности мгновенного проскальзывания. Неравномерность вращения шпинделя при динамических нагрузках будет тем больше, чем меньше жесткость ременной передачи. 
Ременный привод может обеспечивать частоту вращения шпинделя до 6000 мин-¹. Предельными считаются 
окружные скорости ремня порядка 60-100 м/с, так как 
дальнейшее увеличение скорости приводит к неустойчивому режиму работы передачи и делает невозможной передачу требуемых моментов. 
Весьма ответственным этапом в проектировании 
шпинделя является выбор материала шпинделя. Средненагруженные шпиндели станков нормальной точности на 
опорах качения изготавливают из конструкционной стали 
45, 50, 40Х с поверхностной закалкой (обычно закалка с 
нагревом ТВЧ) до твердости HRCэ 48-56. Шпиндели сложной формы изготавливают из сталей 50Х, 40ХГР и применяют объемную закалку до HRCэ 56-60. В прецизионных 
станках для изготовления шпинделей, имеющих в качестве 
опор подшипники скольжения, применяют низкоуглеродистые стали 20Х, 18ГТ, 12ХНЗА с цементацией и закалкой 
до твердости HRCэ 56-60. Для уменьшения внутренних деформаций слабонагруженных шпинделей высокоточных 
станков применяются азотируемые стали 38Х2МЮА и 
38ХВФЮА с закалкой до твердости HRCэ 63-68. Для изго

товления крупных шпинделей применяют сталь 65Г или 
иногда серый чугун СЧ-20. 
Поскольку шпиндель оказывает существенное влияние на точность обработки, производительность и надежность всего станка, к нему предъявляется целый ряд дополнительных по сравнению с обычными валами требований. Почти половина всех проверок на точность, которые 
осуществляются представителями госприемки и работниками ОТК при изготовлении и приемке станка приходится 
на шпиндельный узел. 
Точность вращения шпинделя, оцениваемая величиной радиального и осевого биения его переднего конца, в 
зависимости от класса точности станка, регламентируется 
для станков общего назначения соответствующими стандартами. Для станков специального назначения этот параметр зависит от точности обработки и может быть определен из соотношения: 

∆ = 1/3T, 

где ∆ - допустимое биение переднего конца шпинделя; 
T - допуск на лимитирующий размер готового 
изделия. 
Важнейшим показателем шпиндельного узла является 
жесткость, величина которой является определяющей для 
точности положения шпинделя. 
Под жесткостью понимается способность элемента, 
входящего в узел, сопротивляться действию нагрузки. В 
соответствии с этим жесткость детали определяется как 
отношение действующей нагрузки к упругому перемещению заданной точки детали. При этом указываются координаты точки, в которой прикладывается сила и точки в 
которой измеряется перемещение, а также направление силы и перемещения. 

Единых форм регламентации шпинельного узла не 
существует, но при нормальной работе подшипников, жесткость на участке между опорами считают достаточной 
при значениях, 250-500 Н/мкм (для прецизионных станков 
эти величины могут быть больше). Данная величина жесткости обычно обеспечивается выбором диаметра шпинделя, исходя из соотношения: 

, 

где 
 - расстояние между опорами. 
Возможно также определение жесткости шпинделя, 
исходя из требований к точности обработки. Определенный при этом прогиб конца шпинделя [y] от действующих 
сил резания, при заданных режимах обработки ограничивается соотношением: 

 ,  

где 
 – допуск на радиальное биение конца шпинделя по ГОСТ. 
y – прогиб между опорами под зубчатым колесом. 

, 

где
 – расстояние между опорами. 
Максимально допустимый угол поворота конца 
шпинделя 
 

рад 
Шпиндели металлорежущих станков, как правило, 
рассчитываются только на жесткость, и лишь для тяжелонагруженных станков производят проверочный расчет 
шпинделей на прочность. 
Основным видом деформации шпинделя, влияющим 
на точность работы станка, является изгиб. 

В качестве опор шпинделей станков применяют подшипники качения и скольжения. Именно опоры, в зависимости от их типа, определяют условия поворота шпинделя 
при его изгибе. При расчете шпинделя на жесткость, последний рассматривается как балка на двух опорах, причем 
тип опоры выбирается в зависимости от типа подшипников (см. рисунок 1). 
При использовании в качестве опор двух подшипников качения расчетная схема принимается в виде балки на 
двух ножевых опорах (см. рисунок 1а). Если передняя опора имеет два шариковых, или двухрядный, или один роликовый, то можно считать, что в этом сечении поворот 
шпинделя отсутствует (см. рисунок 1б). Если на передней 
опоре использован подшипник скольжения (см. рисунок 
1в), то он создает реактивный момент Мр, который можно 
принять равны 0,3-0,35 изгибающего момента Мизг. в опоре. При расчете шпинделя на двух опорах скольжения (см. 
рисунок 1г) вначале следует определить прогиб 
 при деформации шпинделя в пределах радиального зазора подшипников. Если нагрузка на шпиндель вызывает большую 
деформацию, то следует определить прогиб 
  
конца шпинделя под действие той части силы, которая деформирует его как консольную балку с заделкой в перед
ней опоре. Суммарный прогиб: 
. К прогибу 
шпинделя следует добавлять его деформацию на упругих 
опорах, рассматривая при этом шпиндель как жесткое тело. 
На величины деформации шпинделя и реакции в опорах влияет положение приводного колеса, находящегося в 
зацеплении с зубчатым колесом шпинделя (см. рисунок 
1д). 
В положении I (см. рисунок 1е) результирующая сила, определяющая величины реакций R1 и R2 в передней и 

задней опорах, определяется как сумма силы резания и си
лы на колесе 
. 

 
В положении II 

 
Как видно из величины возникающей реакции схема 
П предпочтительнее, но по величине прогиба конца шпинделя 
- лучше схема 1, поэтому ее чаще применяют 
в точных станках, тогда как П- в станках для черновой обработки. 
При расчетах шпиндельного узла на жесткость для 
повышения достоверности результата следует учитывать 
сложность формы шпинделя, податливость его опор, характер внешних нагрузок, возможность применения третьей опоры. Такой расчет содержит большое количество 
факторов и требует длительных и трудоемких вычислений, 
поэтому применение ЭВМ для этих целей становится экономически целесообразным. 
Расчетную схему для общего случая можно предста
вить балкой длиной 
 на податливых или жестких опорах 
(см. рисунок 2). Начало координат совпадает с левой крайней опорой шпинделя. Для универсальности расчетной 

схемы нагрузим шпиндель сосредоточенными силами 
 и 
моментами М с координатами 
 и 
 и распределенны
ми нагрузками 
 на участке 
. 
Обозначим податливость средней опоры  с координатой 
. R – реакция опор. Ступень шпинделя с моментом инерции 
 расположена на участке 
. Число 
нагрузок, опор и ступеней не ограничивается. 
 

Рисунок 1 – Расчетные схемы шпинделей станков