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 обеспече-
ние 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 ди-
пломному проектированию. – М.: РУТ (МИИТ), 2018.- 123 
с. 

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

Учебно-методическое пособие предназначено для сту-

дентов Института транспортной техники и систем управле-
ния, специализирующихся в области технологии транс-
портного 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 движе-
ния. Он предназначен для крепления и вращения заготовки 
или режущего инструмента. Вращение на шпиндель пере-
дается от электродвигателя через передаточный механизм, 
последним звеном которого является зубчатое колесо или 
шкив. В современных высокоскоростных станках шпинде-
лем является ротор высокочастотного асинхронного двига-
теля или пневмотурбины. 
Выбор типа передачи на шпиндель (ременная или 
зубчатая) в первую определяется частотой вращения и ве-
личиной 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 шпин-
деля должен иметь самостоятельные опоры для разгрузки 
шпинделя. Тем не менее плавность вращения шпинделя и 
качество обработки при такой компоновке выше. 
Для станков, использующих многолезвийный инст-
румент (в первую очередь фрезерные) либо осуществляю-
щих прерывистый процесс резания, применение ременного 
привода существенно снижает максимальные значения пе-
редаваемых крутящих моментов из-за податливости рем-
ней и возможности мгновенного проскальзывания. Нерав-
номерность вращения шпинделя при динамических на-
грузках будет тем больше, чем меньше жесткость ремен-
ной передачи. 
Ременный привод может обеспечивать частоту вра-
щения шпинделя до 6000 мин-¹. Предельными считаются 
окружные скорости ремня порядка 60-100 м/с, так как 
дальнейшее увеличение скорости приводит к неустойчи-
вому режиму работы передачи и делает невозможной пе-
редачу требуемых моментов. 
Весьма ответственным этапом в проектировании 
шпинделя является выбор материала шпинделя. Среднена-
груженные 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 слож-
ной формы изготавливают из сталей 50Х, 40ХГР и приме-
няют объемную закалку до HRCэ 56-60. В прецизионных 
станках для изготовления шпинделей, имеющих в качестве 
опор подшипники скольжения, применяют низкоуглероди-
стые стали 20Х, 18ГТ, 12ХНЗА с цементацией и закалкой 
до твердости HRCэ 56-60. Для уменьшения внутренних де-
формаций 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 влия-
ние на точность обработки, производительность и надеж-
ность всего станка, к нему предъявляется целый ряд до-
полнительных по сравнению с обычными валами требова-
ний. Почти половина всех проверок на точность, которые 
осуществляются представителями госприемки и работни-
ками ОТК при изготовлении и приемке станка приходится 
на шпиндельный узел. 
Точность вращения шпинделя, оцениваемая величи-
ной радиального и осевого биения его переднего конца, в 
зависимости от класса точности станка, регламентируется 
для станков общего назначения соответствующими стан-
дартами. Для станков специального назначения этот пара-
метр зависит от точности обработки и может быть опреде-
лен из соотношения: 

∆ = 1/3T, 

где ∆ - допустимое биение переднего конца шпинде-
ля; 
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 перемеще-
нию заданной точки детали. При этом указываются коор-
динаты точки, в которой прикладывается сила и точки в 
которой измеряется перемещение, а также направление си-
лы и перемещения. 

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

, 

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

 ,  

где 
 – допуск на радиальное биение конца шпин-
деля по ГОСТ. 
y – прогиб между опорами под зубчатым коле-
сом. 

, 

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

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

В качестве опор шпинделей станков применяют под-
шипники качения и скольжения. Именно опоры, в зависи-
мости от их типа, определяют условия поворота шпинделя 
при его изгибе. При расчете шпинделя на жесткость, по-
следний рассматривается как балка на двух опорах, причем 
тип опоры выбирается в зависимости от типа подшипни-
ков (см. рисунок 1). 
При использовании в качестве опор двух подшипни-
ков качения расчетная схема принимается в виде балки на 
двух ножевых опорах (см. рисунок 1а). Если передняя опо-
ра имеет два шариковых, или двухрядный, или один роли-
ковый, 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 опо-
ре. При расчете шпинделя на двух опорах скольжения (см. 
рисунок 1г) вначале следует определить прогиб 
 при де-
формации шпинделя в пределах радиального зазора под-
шипников. Если нагрузка на шпиндель вызывает большую 
деформацию, то следует определить прогиб 
  
конца шпинделя под действие той части силы, которая де-
формирует 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 те-
ло. 
На величины деформации шпинделя и реакции в опо-
рах влияет положение приводного колеса, находящегося в 
зацеплении с зубчатым колесом шпинделя (см. рисунок 
1д). 
В положении I (см. рисунок 1е) результирующая си-
ла, 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 шпин-
деля 
- лучше схема 1, поэтому ее чаще применяют 
в точных станках, тогда как П- в станках для черновой об-
работки. 
При расчетах шпиндельного узла на жесткость для 
повышения достоверности результата следует учитывать 
сложность формы шпинделя, податливость его опор, ха-
рактер внешних нагрузок, возможность применения треть-
ей опоры. Такой расчет содержит большое количество 
факторов и требует длительных и трудоемких вычислений, 
поэтому применение ЭВМ для этих целей становится эко-
номически целесообразным. 
Расчетную схему для общего случая можно предста-

вить балкой длиной 
 на податливых или жестких опорах 
(см. рисунок 2). Начало координат совпадает с левой край-
ней 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 коорди-
натой 
. R – реакция опор. Ступень шпинделя с момен-
том инерции 
 расположена на участке 
. Число 
нагрузок, опор и ступеней не ограничивается. 
 

Рисунок 1 – Расчетные схемы шпинделей станков