ШПИНДЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ Российский патент 2000 года по МПК B23B19/02 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в шпиндельных узлах металлорежущих станков, в опорах которых применяются упорные подшипники.

Известен шпиндельный узел многошпиндельной насадки (см. каталог "Унифицированные узлы агрегатных станков и автоматических линий", "ВНИИТЭМР", Москва, 1988 г., стр. 20, рис. 25), в корпусе которого в передней и задней опорах (радиальных подшипниках) размещен шпиндель. На переднем торце корпуса закреплен фланец, к одной плоскости которого примыкает торец наружного кольца передней опоры шпинделя, а к другой - свободное кольцо упорного подшипника, тугое кольцо которого смонтировано на шпинделе. Эта конструкция относится к числу типовых конструкций шпиндельных узлов и обладает радом преимуществ. Так наличие в ней плоского фланца делает технологичным его изготовление, поскольку обработка его параллельных базовых плоскостей осуществляется напроход, чем достигается более высокая точность по параллельности этих плоскостей, а также их хорошая плоскостность и шероховатость. Все это существенно влияет на точность работы шпиндельного узла и в конечном счете на качество обработки. Кроме того, свободное кольцо упорного подшипника во время работы шпиндельного узла имеет возможность самоустановки, что является необходимым условием даже в случае его центрирования, когда между ним и корпусом обеспечивают гарантированный зазор (см. В.И.Анурьев "Справочник конструктора-машиностроителя", Москва, "Машиностроение", 1980, т. 2, стр. 175).

Однако в известном шпиндельном узле наряду с возможностью самоустановки свободного кольца упорного подшипника не предусмотрено его точное (беззазорное) центрирование, которое главным образом необходимо при монтаже упорного подшипника на шпиндель. Это является существенным недостатком данной конструкции шпиндельного узла. Особенно негативно это сказывается при горизонтально расположенных шпинделях, так как свободное кольцо упорного подшипника под собственным весом проседает относительно тугого кольца этого подшипника, сцентрированного на шпинделе, в связи с чем во время работы от осевого усилия резания на шпинделе создается изгибающий момент, вызывающий радиальное биение конца шпинделя, что существенно снижает точность обработки и повышает износ подшипников (особенно упорного).

Задачей заявляемого изобретения является обеспечение точного (беззазорного) центрирования свободного кольца упорного подшипника относительно оси шпинделя с одновременным сохранением возможности самоустановки указанного кольца при работе шпиндельного узла и получение технического результата, заключающегося в уменьшении радиального биения шпинделя и снижении износа в подшипниках, особенно в упорном.

Для решения поставленной задачи и получения указанного технического результата известный шпиндельный узле, в корпусе которого в передней и задней опорах размещен шпиндель, на переднем торце корпуса закреплен фланец с примыкающим к нему свободным кольцом упорного подшипника, тугое кольцо которого смонтировано на шпинделе, снабжен элементами центрирования упорного подшипника, часть каждого из которых закреплена неподвижно в радиальном направлении относительно корпуса шпиндельного узла, а упругая часть расположена с возможностью свободного кольца упорного подшипника. В частности, элементы центрирования выполнены по крайней мере в виде трех пальцев, размещенных по возможности равномерно по окружности. Возможность равномерного расположения пальцев ограничивается различными конструктивными особенностями, например близко расположенными шпинделями многошпиндельной головки. Упругая (консольная) часть каждого пальца расположена в соответствующем отверстии фланца с гарантированным зазором, обеспечивающим возможность ее деформации под действием самоустановки свободного кольца упорного подшипника во время работы шпиндельного узла. Кроме того, каждый палец одним своим концом соединен либо непосредственно с корпусом шпиндельного узла, либо средняя его часть соединена с фланцем, причем в этом случае в корпусе шпиндельного узла выполнена расточка, в которой с возможностью базирования по посадочной поверхности наружного кольца передней опоры шпинделя расположены неподвижные концы пальцев, благодаря чему обеспечивается точное центрирование фланца. Противоположные концы пальцев выполняются одного или разных диаметров в зависимости от места крепления пальцев и соотношения наружных диаметров колец упорного и радиального подшипников. Кроме того, противоположные концы каждого пальца, выполненные разных диаметров, могут быть расположены эксцентрично относительно друг друга, при этом пальцы имеют возможность поворота вокруг своей продольной оси и фиксации в определенном положении.

Наличие в шпиндельном узле элементов центрирования упорного подшипника, выполненных, в частности, в виде по крайней мере трех пальцев, расположенных по возможности равномерно по окружности, часть каждого из которых закреплена неподвижно в радиальном направлении относительно корпуса шпиндельного узла, а упругая (консольная) часть расположена с возможностью взаимодействия ее рабочей поверхности с наружной поверхностью свободного кольца упорного подшипника, позволяет обеспечить точное (беззазорное) центрирование указанного кольца при монтаже упорного подшипника на шпиндель и одновременно с этим не препятствовать самоустановке свободного кольца упорного подшипника во время работы шпиндельного узла, благодаря упругости консольной части каждого пальца, в результате чего значительно уменьшается радиальное биение шпинделя и снижается износ в подшипниках, особенно в упорном, что в конечном счете обеспечивает качество обработки. Следует сказать, что точное (беззазорное) центрирование свободного кольца упорного подшипника осуществляется путем создания гарантированного натяга в сопряжении палец - свободное кольцо упорного подшипника. Упругая часть каждого пальца расположена в соответствующем отверстии фланца с гарантированным зазором, величина которого должна быть не менее той, которая обеспечивает возможность деформации упругой части пальца под действием самоустановки свободного кольца упорного подшипника. Пальцы могут быть закреплены неподвижно в радиальном направлении относительно корпуса шпиндельного узла как путем соединения одного конца пальца непосредственно с корпусом шпиндельного узла, так и соединения средней части каждого пальца с закрепленным на переднем торце корпуса фланцем. В первом случае легче достигается упругость подвижной части пальца за счет увеличения ее консольности, не требуется центрирования фланца, но менее технологична точная обработка корпуса шпиндельного узла под неподвижные концы пальцев. Во втором случае обработка отдельно взятого фланца под среднюю часть каждого пальца более технологичная, хотя здесь требуется точное центрирование самого фланца путем базирования выступающих за его левый торец неподвижных концов каждого пальца по посадочной поверхности наружного кольца передней опоры шпинделя. Неподвижность (нулевая консольность) указанных выступающих концов обеспечивается за счет непосредственного контакта торца наружного кольца передней опоры шпинделя и левого торца фланца. Центрирование фланца только посредством крепежных болтов и отверстий под них в корпусе шпиндельного узла не дает желаемой точности, поскольку в резьбовых соединениях имеется гарантированный зазор. Следует также сказать, что во втором случае для создания достаточной консольности упругой части пальцев увеличивается ширина фланца. Кроме того, противоположные концы каждого пальца могут быть выполнены одного или разных диаметров в зависимости от того, с корпусом или фланцем соединены центрирующие пальцы, а также исходя из соотношения диаметров наружного кольца передней опоры шпинделя и свободного кольца упорного подшипника. При этом в случае выполнения противоположных концов каждого пальца разного диаметра они могут быть выполнены эксцентричными относительно друг друга с возможностью поворота пальцев вокруг своей продольной оси и фиксации их в определенном положении, что, с одной стороны, усложняет конструкцию устройства, но с другой - позволяет с меньшей точностью выполнять отверстия в корпусе шпиндельного узла под неподвижные концы пальцев, или же с меньше точностью центрировать фланец, в котором закреплены пальцы, выступающие неподвижные концы которых базируются по посадочной поверхности наружного кольца передней опоры шпинделя. В дальнейшем указанные неточности компенсируются путем поворота и закрепления пальцев в положении, обеспечивающем точное (беззазорное) центрирование свободного кольца упорного подшипника за счет создания гарантированного натяга в сопряжении палец - свободное кольцо упорного подшипника.

На фиг. 1 изображен продольный разрез шпиндельного узла с заделкой пальцев непосредственно в корпус.

На фиг. 2 - фрагмент А передней опоры шпинделя с упорным подшипником на фиг. 1.

На фиг. 3 - продольный разрез шпиндельного узла с заделкой пальцев во фланец и центрированием последнего по передней опоре шпинделя.

На фиг. 4 - фрагмент Б передней опоры шпинделя с упорным подшипником на фиг. 3.

На фиг. 5 - разрез В-В на фиг. 1.

На фиг. 6 - вариант фрагмента Б с выполнением противоположных концов каждого пальца разного диаметра.

На фиг. 7 - вариант фрагмента А с выполнением противоположных концов каждого пальца разного диаметра.

На фиг. 8 - вариант фрагмента на фиг. 6 с эксцентрично расположенными концами пальцев.

На фиг. 9 - вариант фрагмента на фиг. 7 с эксцентрично расположенными концами пальцев.

Шпиндельный узел состоит из корпуса 1, в передней 2 и задней 3 радиальных опорах которого размещен шпиндель 4. На переднем торце корпуса 1 одной своей плоскостью винтами 5 закреплен фланец 6, к другой плоскости которого примыкает свободное кольцо 7 упорного подшипника 8, тугое кольцо 9 которого смонтировано на шпинделе 4 и упирается в бурт последнего. Шпиндельный узел снабжен элементами центрирования упорного подшипника 8, выполненными в виде трех пальцев 10, размещенных в данном случае равномерно по окружности. Часть каждого пальца закреплена неподвижно в радиальном направлении относительно корпуса 1, при этом один конец каждого пальца 10 может быть соединен либо непосредственно с корпусом 1 (см. фиг. 1), либо средняя часть каждого пальца соединена с фланцем 6, который закреплен на переднем торце корпуса 1 с помощью винтов 5 (см. фиг. 3). При этом во втором случае в корпусе шпиндельного узла выполнена расточка 11, в которой с возможностью базирования по посадочной поверхности наружного кольца передней опоры 2 шпинделя 4 расположены выступающие неподвижные концы пальцев 10, чем достигается точное центрирование фланца 6 относительно оси шпинделя 4. Упругая часть каждого пальца расположена с возможностью взаимодействия ее рабочей поверхности с наружной поверхностью свободного кольца 7 упорного подшипника 8, при этом указанная упругая часть каждого пальца 10 размещена в соответствующем отверстии 12 фланца 6 с гарантированным зазором, обеспечивающим возможность ее деформации под действием самоустановки свободного кольца 7 упорного подшипника 8 во время работы шпиндельного узла. Необходимая упругость консольной части пальцев подбирается исходя из ее диаметра, длины вылета, формы и площади (может быть пустотелым), материала изготовления и его термообработки. Противоположные концы пальцев могут быть одного или разных диаметров. Например, при креплении пальцев непосредственно к корпусу шпиндельного узла пальцы одного диаметра центрируют упорный подшипник большего диаметра, чем радиальный подшипник передней опоры шпинделя (см. фиг. 2), а ступенчатые пальцы используются при равенстве указанных диаметров (см. фиг. 7). И наоборот, при креплении пальцев к фланцу гладкие пальцы центрируют упорный подшипник одного диаметра с радиальным (см. фиг. 4), а ступенчатые - упорный подшипник большего диаметра (см. фиг. 6). На фиг. 8 и 9 пальцы одним своим концом закреплены соответственно во фланце 6 и корпусе 1 шпиндельного узла, а противоположные их концы выполнены разных диаметров и расположены эксцентрично относительно друг друга.

Во время первоначальной сборки свободное кольцо 7 упорного подшипника 8, взаимодействуя своей наружной поверхностью с рабочей поверхностью упругой части пальцев 10, точно (беззазорно) центрируется относительно оси шпинделя 4, при этом благодаря достаточной жесткости упругой (консольной) части пальцев свободное кольцо 7 во время монтажа не может сместиться в пределах гарантированного зазора между упругой частью пальца и отверстием 12, в котором она расположена. В случае эксцентричного выполнения противоположных концов каждого пальца, для достижения точного (беззазорного) контакта рабочей поверхности упругой части пальцев 10 с наружной поверхностью свободного кольца 7 упорного подшипника 8 пальцы поворачивают вокруг их продольной оси и фиксируют (на фигурах не показано) в необходимом положении. Во время работы шпиндельного узла свободное кольцо 7 упорного подшипника 8 имеет возможность самоустанавливаться, деформируя при этом упругую часть каждого пальца 10 в пределах указанного зазора, что создает благоприятные условия для работы шпиндельного узла, повышает его точность, долговечность и в конечном счете улучшает качество обработки.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в шпиндельных узлах металлорежущих станков, в опорах которых применяются упорные подшипники. В корпусе шпиндельного узла в передней и задней опорах размещен шпиндель. На переднем торце корпуса закреплен фланец с примыкающим к нему свободным кольцом упругого подшипника. Тугое кольцо последнего смонтировано на шпинделе. Упорный подшипник снабжен элементами центрирования. Часть каждого из указанных элементов центрирования закреплена неподвижно в радиальном направлении относительно корпуса шпиндельного узла, а другая часть расположена с возможностью взаимодействия ее рабочей поверхности с наружной поверхностью свободного кольца упорного подшипника. Элементы центрирования могут быть выполнены в виде, по крайней мере, трех пальцев, размещенных по возможности равномерно по окружности. Упругая часть каждого пальца расположена в соответствующем отверстии фланца с гарантированным зазором, обеспечивающим возможность ее деформации под действием самоустановки свободного кольца упорного подшипника. Каждый палец либо одним своим концом соединен непосредственно с корпусом шпиндельного узла, либо средняя часть каждого пальца соединена с фланцем, при этом в корпусе шпиндельного узла выполнена расточка, в которой с возможностью базирования по посадочной поверхности наружного кольца передней опоры шпинделя расположены неподвижные концы пальцев. При этом противоположные концы каждого пальца выполнены разных диаметров, каждый палец выполнен с возможностью поворота и фиксации вокруг своей продольной оси, а противоположные концы относительно друг друга выполнены эксцентричными. Такое выполнение шпиндельного узла обеспечит точное центрирование свободного кольца упорного подшипника относительно оси шпинделя с одновременным сохранением возможности самоустановки указанного кольца при работе шпиндельного узла, а также позволит уменьшить радиальное биение шпинделя и снизить износ в подшипниках, особенно в упорных. 9 ил.

1. Шпиндельный узел, в корпусе которого в передней и задней опорах размещен шпиндель, на переднем торце корпуса закреплен фланец с примыкающим к нему свободным кольцом упорного подшипника, тугое кольцо которого смонтировано на шпинделе, отличающийся тем, что узел снабжен элементами центрирования упорного подшипника, часть каждого из которых закреплена неподвижно в радиальном направлении относительно корпуса шпиндельного узла, а другая часть расположена с возможностью взаимодействия ее рабочей поверхности с наружной поверхностью свободного кольца упорного подшипника. 2. Шпиндельный узел по п.1, отличающийся тем, что элементы центрирования выполнены в виде, по крайней мере, трех пальцев, размещенных по возможности равномерно по окружности, при этом упругая часть каждого пальца расположена в соответствующем отверстии фланца с гарантированным зазором, обеспечивающим возможность ее деформации под действием самоустановки свободного кольца упорного подшипника. 3. Шпиндельный узел по п.2, отличающийся тем, что каждый палец одним своим концом соединен непосредственно с корпусом шпиндельного узла. 4. Шпиндельный узел по п.2, отличающийся тем, что средняя часть каждого пальца соединена с фланцем, при этом в корпусе шпиндельного узла выполнена расточка, в которой с возможностью базирования по посадочной поверхности наружного кольца передней опоры шпинделя расположены неподвижные концы пальцев. 5. Шпиндельный узел по п.3 или 4, отличающийся тем, что противоположные концы каждого пальца выполнены разных диаметров. 6. Шпиндельный узел по п.5, отличающийся тем, что каждый палец выполнен с возможностью поворота и фиксации вокруг своей продольной оси, а его противоположные концы относительно друг друга выполнены эксцентричными.