Шпиндельный узел

Шпиндельный узел

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Реслублик («)933273 ф (61) Дополнительное к авт, свид-ву (22) Заявлено 160680 (21) 2942188/25 08 1 М К з с присоединением заявки ¹

В 28 В 19/02

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 070682, Бюллетень ¹ 21

Дата опубликования описания 07. 06. 82 ($3) УДК 62-229. 3 (088. 8) f

Г. И . Айзеншток, М. Д. Шишеев, Э . 1 . Королев, А. Д. Герасимов и Л.Ш.Архангельская (72) Авторы изобретения

Ордена Трудового Красного Знамени экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков (71) Заявитель (54) ШПИНДЕЛЪНЫИ УЗЕЛ

Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано в качестве шпинделей внутришлифовальных автоматов, работающих по методу скоростного и .силового шлифования со скоростями резания до

80 м/с при радиальных нагрузках на круге до 200 кгс.

Известны внутришлифовальные шпиндели со встроенным электроприводом на опорах качспия (1).

Недостатком этих шпинделей применительно к условиям скоростного и силового шлифования является низкая эксплуатационная надежность, обусловленная низкой долговечностью подшипников качения, работающих в условиях высоких скоростей и нагрузок, при повышенных температурах.

Известен также электрошпиндель с гидростатическими опорками, в котором задняя опора выполнена в виде радиального цилиндрического подшипника, герметично закрытого с торца и образующего с задней шейкой вала пару цилиндр-плунжер (2).

Недостаток этой конструкции заключается в независимости в широких пределах варьировать осевой прижим вала.

Для создания достаточного по условиям эксплуатации давления в герметичной полости и создания нормальных условий работы заднего радиального подшипника необходимо обеспечивать достаточное сечение сливной магистрали, а также иметь достаточной величины осевую перемычку, отделяющую слив от герметичной полости. Наличие такой перемычки неблагоприятно сказывается на эксплуатационных характеристиках высокоскоростных шпиндельных узлов, поскольку возра тают потери на трение и возможно заклинивание подшипника. Кроме того, отсутствие систем охлаждения статора и ротора делает конструкцию вообще неприемлемой для высокоскоростных электрошпинделей.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является шпиндельный узел с встроенным электроприводом на опорах с газовой смазкой, который содержит корпус, гильзу с рубашкой охлаждения, переднюю и заднюю крышки, щиты с установленными в них радиальными и упорными подшипниками, напрессованный на вал ротор, бесконтактные уплотнения, а также сис.темы воздухо- и водообеспече30 „„„ (З) 933273

Целью изобретения является повышение осевой жесткости и эксплуатационной надежности узла.

Цель достигается тем, что в шпиндельном узле задний упорный подшипник помещен с возможностью осевого перемещения между торцом вала и крышкой, а система воздухообеспечения снабжена устройствами раздельного регулирования подачи воздуха на охлаждение ротора и уплотнения. Подшипник может быть закреплен на мембране и установлен в центральной расточке крышки, образуя своим торцом и торцом крышки герметичную полость, либо может быть установлен в цент(ральной расточке крышки на резиновых кольцах и образует своими торцами и торцом крышки гидравлические сопротивления, при этом подшипник выполнен с кольцевой проточкой, сообщенной с источником давления, а задняя крышка выполнена с отверстием для сообщения центральной расточки со сливом, На фиг. 1 изображен шпиндельный узел; на фиг. 2 и 3 — варианты выполненк:" узла заднего упорного подшипника.

Шпиндельный узел содержит корпус

1, рубашку 2 водяного охлаждения, переднюю 3 и заднюю 4 крышки, статор 5, щиты 6 и 7 с установленными в них радиальными 8 и 9 и упорными

10 и 11 гидростатическими подшипниками, вал 12; напрессованный на вал 12 ротор 13 и бесконтактные уплотнения 14. Работоспособность шпиндельного узла и его требуемые эксплуатационные характеристики обеспечивают: система маслообеспечения с каналами 15 и 16 для подачи смазки к узлам трения и каналам 17 и 18 для удаления из шпинделя отработанного масла; система воэдухообеспечения с каналами 19 и 20, в которых размещены устройства 21 регулирования расхода воздуха на охлаждение ротора и в. уплотнения, а также каналом 22 для удаления из шпинделя отработанного воздуха, система водообеспечения для охлаждения статора (каналы подвода и отвода воды не показаны).

На подшипнике 9 закреплена мембрана 23 (см. фиг. 2), несущая задний упорный подшипник 11. Подшипник 11 размещен с возможностью осевого перемещения в центральной расточке крышки 4. Для предотвращения утечек масла иэ глухой полости 24, образованной торцом подпятника и крышкой 4 предусмотрено уплотнительное кольцо 25. Подача смазки в карман

26 подшипника производится через дроссели 27 и 28 по каналу 29.

В конструкции, изображенной на фиг. 3, задний упорный подшипник

5 ll установлен в центральной растс>чке

В известном шпиндельном узле принята схема с силовой фиксацией вала в осевом направлении. Это сделано с целью упрощения конструкции и исключения возможности появления осевого зазора или заклинивания от неравномерного нагрева в случае применения двух упорных подшипников.При включеннЬй системе воздухообеспечения вал давлением воздуха в передней камере поджимается к неподвиж- 10 ному подпятнику, обеспечивая между .собой и подпятником требуемый по условиям эксплуатации зазор. Существенным недостатком данной схемы силовой фиксации вала является то,что f5 подпятник закреплен жестко и не имеет возможности самоустановки, а также не имеет возможности осевого сме1 щения для исключения возможных повреждений вала при перегрузках, 20 происходящих в результате прихода в зону обработки тугих колец либо в результате сбоя программы.

Охлаждение ротора и предотвращение проникновения внутрь корпуса и в подшипники абразивной пыли и СОЖ осуществляется воздухом низкого давления (например, от заводской сети). .В шпинделе имеется единый ввод воздуха низкого давления часть которого идет на охлаждение ротора, часть на уплотнения.

Соотношение расходов воздуха на охлаждение ротора и уплотнение корпуса не регулируется.

Отсутствие регулировки потоков воздуха может привести либо к недостаточному уплотнительному эффекту и проникновению внутрь корпуса абразивной пыли, либо к недостаточному охлаждению ротора, следствием чего 40 явится тепловой изгиб вала, потеря балансировки и заклинивание вала в подшипниках.

Воздух, используемый на охлаждение ротора, создает дополнительное осевое усилие на валу шпинделя. Воз-никновение этого усилия обусловлено давлением воздуха, создаваемого в замкнутой полости, и наличием развитого торца бочки ротора, имеющего большую площадь. Ротор диаметр 110 мм, насаженный на вал диаметром 60 мм, имеет площадь свободного торца, равную 67 см 1, что даже при давлении воздуха в 2 кгс/см -дает осевую силу порядка 140 кгс (размеры взяты для элфктрошпинделя мод.А24/25), сравнимую с величиной осевого прижима.

Наличие такой силы в зависимости от направления ее действия либо разгружает подпятник, снижая эффективность осевого прижима, либо дополнительно нагружает подпятник,что чревато повреждением вала вследствие превышения нагруэочной способности подпятника. 6

933273 крышки 4 на резиновых кольцах 30. В подшипник встроены дроссели 31 и 32, выполненные н виде одной детали, раз деленные между собой кольцевой канавкой 33. Канавка 33 радиальными сверлениями сообщается с кольцевой кананкой 34, выполненной на наружной поверхности подшипника 11, и далее — с каналом 18 подвода смазки.

Между подшипником 11 и крышкой 4 имеется свободная полость 35, выход иэ которых сообщается со сливом через дросселирующее отверстие 36.

Узел работает следующим образом.

Вал 12 монтируется в корпусе 1 с небольшим (порядка 0,05 — 0,1 мм) осевым зазором между упорными подшипниками 10 и 11. Масло от внешнего источника по соответствующим каналам подается к радиальным 8 и 9 и переднему упорному подшипнику 10,а также через дроссели 27 и 28 к заднему упорному подшипнику 11. Давлением масла в карманах .подшипников вал взвешивается.

Осевой прижим вала 12 создается усилием, развиваемым данлением масла в полости 24, при этом подшиг.ник 11, деформируя мембрану 23, воздействует на торец нала 12 и перемещает последний влево до тех пор, пока:усилие в переднем упорном поцшипнике 10 не станет равным усилию . прижима. Взаимодействие упорного подшипника 11 и торца вала 12 осуществляется через масляную пленку, создаваемую прокачинаемым через карман 26 подшипника маслом.

При действии осевой нагрузки в направлении на подшипник 11 толщина масляной пленки между торцом вала

12 и подшипником 11 уменьшится, что приводит к росту давления масла в кармане 26 подшипника 11 и полости

24. Под действием этого давления подшипник 11 стремится отойти от торца вала 12 на величину, необходимую для восстановления первоначально толщины масляной пленки между торцом

O вала 12 и подшипником 11. Однако пол ностью первоначальная толщина масля.— ной пленки восстановиться не может, поскольку часть усилия, развиваемого давлением масла н кармане подпятника, расходуется на деформацию мембра ны 23. Следовательно, наличие мембра ны 23 при прочих равных условиях обеспечивает меньшую величину осевого смещения вала 12 при заданной нагрузке, т.е. более высокую осевую жесткость нежели н схемах с оцносторонними опорами газового или жидкост ного трения, одна из которых реалиэо вана, в частности, в конструкции, ° принятой за прототип. Данное обстоятельство способствует повышению эксплуатационной надежности конструкции.

Установ ка подшипника 11 на мембра не 23 и посадка его в центральной расточке крышки 4 на уплотнительном кольце 25 обеспечивает подшипнику 11 возможность самоустановки, что позволяет избежать непосредственного контакта подшипника 11 с торцом вала 12 вследствие его перекоса в опорах при действии внешней нагрузки либо под воздействием темпера10 турных деформаций.

Если осевое усилие, действующее в направлении на подшипник 11, частично превысит величину усилия, создаваемого давлением масла в полость

l5 24, то подшипник 11, деформируя мембрану 23, отойдет вправо, уменьшив объем полости 36. Жидкостное трение между подшипником Il и валом 12 не нарушится, поскольку давление масла

70 в полости 24 и кармане подшипника будет практически одинаковым, а пло- щадь последнего, взаимодействующая с торцом вала 12 больше. Аналогичный эффект будет иметь место и при температурном удлинении вала 12.

В конструкции, изображенной на фиг. 3, осевой прижим вала 12 создается давлением масла в полости 35.

Величина этого усилия определяется площадью торца подшипника 11, обращенного к крышке 4, и зависит от соотношения величин дросселей 31, 32, подшипника 11 и отверстия 36. Под (действием давления масла в полости

35 подшипник 11 смещается влево и смещает в ту же сторону нал 12 до

-тех пор, пока осеная составляющая усилия в левом упорном подшипнике

10 не станет равным усилию прижима.

Подшипник 11 находится н раннове4О сии под действием сил, создаваемых данлением масла в его кармане и под дейстнием давления масла в полос.ти 35.

При действии осевой нагрузки, 45 обусловленной температурными дефорй мациями, вал 12 через масляную пленку воздейстнует на подшипник 11, последний не нарушая режима жидкостного трения, отходит вправо и уменьщ шает объем полости 35. Режим жидкостного трения сохраняется, поскольку соотношение давлений масла в кармане подшипника 11 и полости 35 не меняется, а площадь подпятника больше.

При действии осевой нагрузки на подшипник 11, обусловленной силами резания, уменьшается величина масляной пленки между торцом вала 12 и подшипником 11. Уменьшение величины масляной пленки приводит к увеличению давления масла в кармане подшипника ll и нарушению равновесия последнего. Подшипник 11 стремится отойтй от торца вала 12 для восстановления первоначальной толщины мас65 ляной пленки. Однако смещение под933273 шипника 11 приводит к дальнейшему уменьшению объема поЛости 35 и уменьшению расстояния между торцом подшипника 11 и торцом крышки 4. Это сопровождается ростом давления масла в полости 35, поскольку увеличинается гидравлическое сопротивление истечению масла на участке дроссель

3l — оТверстие 36. Увеличение давления масла в полости 35 приводит к увеличению усилия прижима с ростом 10 нагрузки.

Воздух, подводимый в шпиндельный узел по каналам 19 и 20, распределяется на несколько потоков: один поток поступает в переднее уплотнение, препятствующее попаданию внутрь корпуса абразивной пыли, шлама и СОЕ, второй поток направляется к заднему уплотнению подшипников 8 и 10, назначение которого не допускать попадания отработанного масла в электрическую часть узла, третий поток поступает на охлаждение ротора 13 и, пройдя воздушный зазор между ротором 13 и статором 5, удаляется из корпуса 1 через дренажный канал 22.

Устройство 21 позволяет регулироватЬ воздушные потоки и обеспечивать наиболее эффективный режим работы каждого элемента. Наличие в магистрали подачи воздуха на охлаждение ротора 13 устройства 21 позволяет также воздействовать на величину дополнительной осевой силы, создаваемой давлением воздуха внутри корпуса и, следовательно, повысить эксплуатацион- 35 ную надежность всей конструкции.

Таким образом, предложенная конструкция позволяет исключить влияние осевых температурных деформаций на работоспособность шпиндельного узла, 40 понысить его осевую жесткость, что, в конечном итоге, обеспечивает более высокую его эксплуатационную надежность по сравнению с известными конструкциями.

Формула изобретения

1. Ыпиндельный узел, содержащий корпус, переднюю и заднюю крышки, статор, щиты с установленными в них радиальными и упорными подшипниками, вал с ротором, уплотнения, системы масло- и воздухообеспечения, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения осевой жесткости и эксплуатационной надежности, задний упорный подшипник помещен с возможностью осевого перемещения между торцом вала и крышкой, а система воздухообеспечения снабжена устройствами раздельного регулирования подачи воздуха на охлаждение ротора и уплотнения.

2. Узел по п. 1, о т л и ч а ю— шийся тем, что задний упорный подшипник закреплен на мембране и установлен в центральной расточке крышки, образуя своим торцом и торцом крышки герметичную полость.

3. Узел по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что задний упорный подшипник установлен в центральной расточке крышки на резиноных кольцах и образует своими торцами и торцом крышки гидравлические сопротивления, при этом подшипник выполнен с кольцевой проточкой, сообщенной с источником давления, а задняя крышка выполнена с отверстием для сообщения центральной расточки со сливом.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Харизоменов И.В. Электрическое оборудование металлорежущих станков.

М., Машгиз, 1958, с. 46.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 685443, кл. В 23 В 19/02, 1977.

3. Шейнберг С.А, и др. Опоры скольжения с газоной смазкой. М., Машиностроение, 19/9, с. 10 (прототип) .

933273

М

У1 ,31 се/

Л

Составитель В.Аношко

Редактор С.Титова Техред E. ХаритончикКорректор >.Дэятко

Заказ 4019/14 Тираж 1153 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4у 5

Филиал П1П1 Патент,г. Ужгород, ул. Проектная, 4