ШПИНДЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ЕГО СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 2010 года по МПК B23B19/02 

Изобретение относится к станкостроению, а именно к быстроходным токарным станкам с полым шпинделем, на которых возможна обработка длинных цилиндрических деталей небольшого диаметра, например труб, валов, осей, при их подаче в зону обработки через полый шпиндель.

Известен шпиндельный узел, содержащий полый шпиндель, установленный с возможностью вращения в двух - передней и задней - подшипниковых опорах, зубчатое колесо, установленное на полом шпинделе между опор ближе к передней опоре, и гайку, соединенную по резьбе с наружной поверхностью шпинделя [патент РФ на полезную модель №57168, В23В 19/00, 2006 г.] - прототип.

Недостатком этого шпиндельного узла является наличие свободного участка на наружной поверхности шпинделя между его опорами. Поскольку шпиндель выполнен полым, то для того чтобы обеспечить необходимую жесткость шпинделя, его стенки выполнены большой толщины. Это привело к увеличению наружного диаметра шпинделя и, соответственно, к увеличению посадочного диаметра подшипников, используемых в опорах шпинделя. Использование подшипников большого диаметра снижает быстроходность шпиндельного узла, так как чем больше диаметр подшипника, тем меньше предельная частота вращения шпинделя. Это снижает технологические возможности станка.

Для повышения быстроходности шпиндельного узла желательно использовать подшипники меньшего диаметра. А для этого при неизменном диаметре отверстия в шпинделе необходимо уменьшать наружный диаметр шпинделя.

Для вычисления жесткости С двухопорного шпинделя пользуются эмпирической формулой: С=5,18·10⁵·(D⁴-d⁴)/ℓ³ [Н/мм], где D - наружный диаметр шпинделя между опорами, d - диаметр отверстия в шпинделе, ℓ - расстояние между опорами.

Уменьшение наружного диаметра полого шпинделя при неизменном диаметре отверстия в шпинделе и при наличии свободного участка на наружной поверхности шпинделя между его опорами приведет к существенному снижению жесткости шпинделя. Чем меньше жесткость шпинделя, тем меньше частота его собственных колебаний. Соответственно, тем меньше и нижнее пороговое значение частоты вынужденных колебаний шпиндельного узла. Для того чтобы в процессе обработки детали частота вынужденных колебаний шпиндельного узла не превысила ее нижнее пороговое значение, придется снижать режимы резания, например уменьшать скорость резания, подачу или глубину резания. Это приведет к снижению производительности труда. Увеличение наружного диаметра шпиндельного узла приводит к необходимости использования подшипников большего диаметра, что снижает быстроходность шпиндельного узла. А использование полого шпинделя с небольшим диаметром внутреннего отверстия ограничивает номенклатуру обрабатываемых на станке труб, валов и осей, подаваемых в зону обработки через отверстие в шпинделе. Это сужает технологические возможности станка.

Предлагаемое изобретение направлено на расширение технологических возможностей станка.

Для решения этой задачи шпиндельный узел, содержащий полый шпиндель, установленный с возможностью вращения в двух - передней и задней - подшипниковых опорах, зубчатое колесо, установленное на полом шпинделе между опор ближе к передней опоре, и гайку, соединенную по резьбе с наружной поверхностью шпинделя, согласно изобретению снабжен втулкой, одетой на полый шпиндель между опорами и взаимодействующей одним своим торцом с торцом зубчатого колеса, а другим торцом - с гайкой, резьба на полом шпинделе для соединения с гайкой выполнена в непосредственной близости от задней опоры, а втулка выполнена длиной, немного меньшей расстояния от торца зубчатого колеса до торца задней опоры за вычетом высоты гайки.

Кроме того, для облегчения шпиндельного узла и снижения трудоемкости его изготовления на внутренней поверхности втулки по всей ее длине, за исключением концов, выполнена проточка.

Для регулирования частоты собственных колебаний предложенного шпиндельного узла предлагается способ, заключающийся в том, что в процессе обработки детали контролируют частоту вынужденных колебаний шпиндельного узла, и при превышении частотой вынужденных колебаний шпиндельного узла ее нижнего порогового значения гайку завинчивают с усилием, большим усилия, необходимого для закрепления зубчатого колеса.

После этого обрабатывают детали других типоразмеров или на других режимах резания, и в случае попадания частоты вынужденных колебаний шпиндельного узла в область значений, больших ее нижнего порогового значения и меньших ее верхнего порогового значения, гайку или завинчивают с еще большим усилием, или отвинчивают. При этом, отвинчивая гайку, следят, чтобы создаваемое ею усилие не стало меньше усилия, необходимого для закрепления зубчатого колеса.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен продольный разрез шпиндельного узла, на фиг.2 - график зависимости амплитуды колебаний А шпиндельного узла от частоты его вынужденных колебаний ω_вк.

Шпиндельный узел содержит полый шпиндель 1, зубчатое колесо 2, втулку 3, гайку 4. Полый шпиндель установлен с возможностью вращения в двух - передней и задней - подшипниковых опорах. Передняя опора содержит двухрядный роликоподшипник 5 и двухрядный радиально-упорный шарикоподшипник 6. При помощи гайки 7 фиксируется положение шпинделя в осевом направлении. В задней опоре использован двухрядный роликоподшипник 8.

Зубчатое колесо 2 установлено на полом шпинделе между опор ближе к передней опоре. Через это зубчатое колесо на шпиндель передается крутящий момент от привода вращения шпинделя. Сопрягается зубчатое колесо с наружной поверхностью шпинделя по конической поверхности. Втулка 3 одета на полый шпиндель между опорами и взаимодействует одним своим торцом с торцом зубчатого колеса 2, а другим торцом - с гайкой 4. На внутренней поверхности втулки по всей ее длине, за исключением концов, выполнена проточка 9. Гайка 4 соединена по резьбе с наружной поверхностью шпинделя 1. Резьба под гайку выполнена на полом шпинделе в непосредственной близости от задней опоры. Длина втулки L равна расстоянию S от торца T₁ зубчатого колеса до торца Т₂ задней опоры за вычетом высоты Н гайки 4 и небольшого зазора между торцом гайки и торцом задней опоры, необходимого для отвинчивания гайки. На одном конце втулки на ее наружной поверхности нарезаны мелкомодульные зубья. В пазу гайки 4 при помощи винта 10 закреплена шайба 11 с зубьями на конце. При завинчивании винта 10 зубья шайбы 11 входят в пазы зубьев на втулке 3 и тем самым фиксируют положение гайки 4 относительно втулки. В свою очередь, угловое положение втулки 3 относительно зубчатого колеса 2 и шпинделя 1 фиксируется при помощи штифта 12.

При установке шпиндельного узла в шпиндельную бабку гайку 4 завинчивают с усилием, необходимым для закрепления зубчатого колеса 2. При помощи рисок или краски отмечают угловое положение гайки 4 относительно втулки 3, соответствующее усилию, необходимому для закрепления зубчатого колеса 2.

Регулируют частоту собственных колебаний шпиндельного узла следующим образом. Обрабатываемую деталь подают в зону обработки через отверстие в шпинделе 1 и зажимают ее в патроне (не показан), закрепленном на конце шпинделя. В процессе обработки детали контролируют частоту вынужденных колебаний шпиндельного узла.

На фиг.2 изображен график зависимости амплитуды колебаний А шпиндельного узла от частоты его вынужденных колебаний ω_вк. НПЗ - нижнее, а ВПЗ - верхнее пороговые значения частоты вынужденных колебаний, ω_ск - частота собственных колебаний шпиндельного узла. Из практики принимают, что НПЗ=(0,7…0,8)·ω_ск, а ВПЗ=(1,2…1,3)·ω_ск.

Если частота собственных колебаний шпиндельного узла известна заранее, то частоту вынужденных колебаний шпиндельного узла контролируют при помощи датчика, замеряющего частоту колебаний. По показаниям датчика следят, превысила или нет частота вынужденных колебаний шпиндельного узла ее нижнее пороговое значение.

Если же частота собственных колебаний шпиндельного узла заранее не известна, то о том, насколько частота вынужденных колебаний шпиндельного узла близка к частоте его собственных колебаний, судят или на слух, или по показаниям датчика, замеряющего амплитуду колебаний шпиндельного узла. При превышении частотой вынужденных колебаний ее нижнего порогового значения появляется характерный звук, а амплитуда колебаний резко возрастает и начинает превышать допустимые значения. Кроме того, о приближении частоты вынужденных колебаний к частоте собственных колебаний можно судить по следам, оставленным режущим инструментом на поверхности детали.

Если зафиксировано превышение частотой вынужденных колебаний шпиндельного узла ее нижнего порогового значения, то завинчивают гайку 4 с усилием, большим усилия, необходимого для закрепления зубчатого колеса 2. При завинчивании гайки полый шпиндель на участке между торцами зубчатого колеса 2 и гайки 4 растягивается, а втулка 3 сжимается. За счет этого увеличивается жесткость шпиндельного узла на этом участке и в целом. Соответственно, увеличиваются частота собственных колебаний шпиндельного узла и нижнее пороговое значение частоты вынужденных колебаний. После этого вновь обрабатывают эту же деталь на тех же режимах резания. Если частота вынужденных колебаний шпиндельного узла по-прежнему превышает ее нижнее пороговое значение, то гайку завинчивают с еще большим усилием. Так продолжают до тех пор, пока нижнее пороговое значение частоты не станет больше частоты вынужденных колебаний шпиндельного узла.

После этого обрабатывают детали других типоразмеров или на других режимах резания. Если при этом частота вынужденных колебаний шпиндельного узла попадает в область значений, больших ее нижнего порогового значения и меньших ее верхнего порогового значения, то возможны два выхода из этой ситуации. В первом случае гайку завинчивают с еще большим усилием до тех пор, пока нижнее пороговое значение частоты не станет больше частоты вынужденных колебаний шпиндельного узла. Если же возможности увеличения усилия завинчивания гайки исчерпаны, то можно попробовать ослабить гайку. При этом уменьшится жесткость шпиндельного узла, уменьшится частота его собственных колебаний и, соответственно, уменьшится верхнее пороговое значение. Возможно, что при этом частота вынужденных колебаний станет больше ВПЗ, и амплитуда колебаний шпиндельного узла не будет превышать допустимых значений. Естественно, что, отвинчивая гайку, следят, чтобы создаваемое ею усилие не стало меньше усилия, необходимого для закрепления зубчатого колеса. Это легко сделать по рискам или отметкам краской, сделанным на гайке и втулке.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет регулировать частоту собственных колебаний шпиндельного узла. Это, в свою очередь, позволяет использовать в шпиндельном узле полые шпиндели со сравнительно небольшой толщиной стенки и небольшим наружным диаметром. За счет этого обеспечивается возможность использования подшипников меньшего диаметра, что повышает быстроходность шпиндельного узла. Это расширяет технологические возможности станка.

Узел содержит полый шпиндель, установленный с возможностью вращения в двух, передней и задней, подшипниковых опорах, зубчатое колесо, установленное на полом шпинделе между опор ближе к передней опоре, и гайку, соединенную по резьбе с наружной поверхностью шпинделя. Для расширения технологических возможностей станка узел снабжен втулкой, одетой на полый шпиндель между опорами и взаимодействующей одним своим торцом с торцом зубчатого колеса, а другим торцом - с гайкой, причем резьба на полом шпинделе для соединения с гайкой выполнена в непосредственной близости от задней опоры, а втулка выполнена длиной, меньшей разности между расстоянием от торца зубчатого колеса до торца задней опоры, и высотой гайки на величину зазора между торцом гайки и торцом задней опоры. Способ предназначен для регулирования в зависимости от частоты вынужденных колебаний частоты собственных колебаний шпиндельного узла в процессе обработки и заключается в том, что контролируют частоту вынужденных колебаний шпиндельного узла и при превышении ею нижнего порогового значения осуществляют завинчивание гайки с усилием, большим усилия, необходимого для закрепления зубчатого колеса. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Шпиндельный узел, содержащий полый шпиндель, установленный с возможностью вращения в двух, передней и задней, подшипниковых опорах, зубчатое колесо, установленное на полом шпинделе между опор ближе к передней опоре, и гайку, соединенную по резьбе с наружной поверхностью шпинделя, отличающийся тем, что он снабжен втулкой, надетой на полый шпиндель между опорами и взаимодействующей одним своим торцом с торцом зубчатого колеса, а другим торцом - с гайкой, причем резьба на полом шпинделе для соединения с гайкой выполнена в непосредственной близости от задней опоры, а втулка выполнена длиной, меньшей разности между расстоянием от торца зубчатого колеса до торца задней опоры и высотой гайки на величину зазора между торцом гайки и торцом задней опоры.

2. Шпиндельный узел по п.1, отличающийся тем, что на внутренней поверхности втулки по всей ее длине, за исключением концов, выполнена проточка.

3. Способ регулирования частоты собственных колебаний шпиндельного узла по п.1 в процессе обработки детали, заключающийся в том, что контролируют частоту вынужденных колебаний шпиндельного узла и при превышении частотой вынужденных колебаний шпиндельного узла ее нижнего порогового значения осуществляют завинчивание гайки с усилием, большим усилия, необходимого для закрепления зубчатого колеса.

4. Способ по п.3, при котором после завинчивания гайки с усилием, большим усилия, необходимого для закрепления зубчатого колеса, обрабатывают детали других типоразмеров или на других режимах резания и в случае попадания частоты вынужденных колебаний шпиндельного узла в область значений, больших ее нижнего порогового значения и меньших ее верхнего порогового значения, гайку или завинчивают с еще большим усилием, или отвинчивают таким образом, чтобы создаваемое гайкой усилие не стало меньше усилия, необходимого для закрепления зубчатого колеса.