Шпиндельный узел Советский патент 1983 года по МПК F16C32/06 B23B19/02 

Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано в шпиндельных узлах металлорежущих станков, имеющих упорные подшипники жидкостного трения. Известен шпиндельный узел, содержащий шпиндель, установленный в корп се в радиальных опорах и упорном п.од шипнике жидкостного трения, например гидростатическом, имеющем зоны давления, подключенные к внешнему ис- . точнику давления, и дополнительное устройство восприятия осевой нагрузки D3 В известном узле дополнительное устройство восприятия осевой нагрузки образовано системой приемных камер, через которые: зоны давления упорного подшипника, в данном случае несущие карманы, соединены с внешним источником давления. Однако несущая способность и жесткость в осе вом направлении ограниче 1а площадью торцов упорного подшипника и давлени ем источника смазки с Конструкции шпиндельных узлов станков и источников давления не позволяют увеличивать габариты подшипника и давление настолько, чтобы они обес;1ецивали резкое повышение воспринимаемых осевых нагрузок, что не позволя€ Т повысить режимы обработки и надеж HOCTbj Цель изобретения - повышение нагрузочных характеристик в осевом направлении и надежности Указанная цель достигается тем, что в шпиндельном узле, содержащем шпиндель, установленный в корпусе в радиальных опорах и упорном подшипнике жидкостного трения, имеющем зоны давления, подключенные к внешне му источнику давления, и дополнительное устройство восприятия осевой нагрузки, последнее выполнено в виде гидравлического цилиндра, .соединенного с внешним источником давления посредством введенного в устройство гидравлического регулятора давления, имеющего управляющие полости, которы соединены с зонами давления упорного подшипника. Гидравлический цилиндр целесообразно разместить в корпусе шпиндельного узла и снабдить по меньшей мере одним поршнем, котбрый закреплен на шпинделе. tO2 Гидроцилиндр может быть выполнен Либо однополостным (одностороннего действия), либо двуполостным (двуполостного действия), а регулятор давления может представлять собой делитель или сумматор расхода, делитель давления, гидравлический мост либо регулируемое сопротивление На фиг Л изображен шпиндельный узел, разрез; на фиг„2 - гидравлический регулятор давления, разрез; на фиго3 - разрез А-А на фиг.; на фиг,4 - разрез Б-Б на фигИ В корпусе 1 шпиндельного узла () в упорном подшипнике 2 жидкостного трения с внешним источником давления смазки, в данном случае в гидростатическом с несущими карманами 3 и (радиальные подшипники в данном случае тоже гидростатические, хотя могут быть любыми,например качения), расположен шпиндель 5« Питание гидростатических подшипников на фиг Л не показано о В шпиндельном узле выполнен образованный корпусом 1 с установленной в нем втулкой 6 заднего шпиндельного радиального подшипника и шпинделем 5 с установленными на нем поршнями 7 и 8, разгрузочный осевой гидроцияиндро Поршни 7 и 8 могут быть отделены от втулки 6 радиальным уплот.няющим зазором. Рабочие полости 9 и ;10 этого гидроцилиндра соединены с гидравлическим регулятором 11 давления в этих полостях, управляемым в функции осевой нагрузки Р на шпиндель Регулятор 11 соединен с внешним источником давления Рц среды (жидкости или газа и связан сynopHbtNf подшипником 2 шпинделя, выполненным в видедатчика осевой нагрузки Р.В данномслучае полости управления регулятора 11 соединены с противоположными несу14ими карманами Зи Л упорного гидростатического подшипника шпинделя, разность давления в которых пропорциональна осевой нагрузке Р на шпиндель. Регулятор 11 давления может быть любым, например может быть образован управляемыми в функции осевой нагрузки Р насосами. На фиг;2 показан гидравлический регулятор давления в виде делителя расхода, снабженного полостями управенияв корпусе 12 делителя на герметичных дисковых мембранах 13 и между кольцеобразными соплами 15 и 1б, распертыми дистанционным кольцом 17, 3 10 подвешена дискообразная заслонка 18. Пакет деталей 13-17 сжат в корпусе 12вдоль оси крышками 19 и 20„ Дросселирующие щели делителя высотой hv и h, образованы торцами сопел 15 и 16 и заслонки 18, Входная полость 21 делителя.соединена с источниксж давления Р среды. Выходные полости 22 и 23 делителя соединены соответственно с рабочими полостями 9 и Ю разгрузочного гидроцилиндра о.Сопротивления дросселирующих щелей делителя и уплотняющих зазоров полостей 9 и 10 образуют мостовую схему, в диагональ которой включены полости 3 и 10„ Полости 2 и 25 управления делителя, образов анные,крышками 1 э и 20 и мембранами 13 и 14 соединены соответственно с несущими карманами k и 3 упорного подшипника 2 шпинделя 5 Шпиндельный узел работает следующим образомс При осевой нагрузке давления в карманах 3 и упорного подшипника равны и взаимоуравновешеныо Давления в полостях 9 и 10 разгрузочного гидроцилиндра тоже равны и уравнове шены, потому что заслонка 18 находится в среднем положении ) а величины сопротивления уплотнйющих зазоров поршней 7 и 8 тоже равны т.е. разность давлений в диагонали моста равна нулюо Осевую нагрузку Р на шпиндель 5 уравновешивает разность давлений в зазорах упорного подшипника 2о Эта разность давлений в карманах 3 и k подшипника пропорциональна нагрузке Р подействует на регулятор 11, В дан ном случае эта разность давлений действует а полостях 2Ц и 2S управления делителя расхода на мембраны 13и Tt и смещает заслонку 18 при показанном направлении силы Р налево. При этбм зазор bjf уменьшается, а зазор 2 увеличивается и, соответственно, давление в полости 9 гидроцилиндра падает, а в полости 10 увеличивается. Таким образом, осевую нагрузку Р на шпиндель уравновешивае не только разность давлений в карманах 3 и упорного подшипника 2 шпинделя 5, но и разность давлений в полостях 9 и 10 гидроцилиндра, который разгружает упорный подшипник 2, повышая его нагрузочные характе4ристики - жесткость и несущую способность, В ряде случаев в станках преобладает осевая нагрузка одного направ ления, например на шпиндель в токарных, В этих случаях разгрузочный цилиндр целесообразно выполнять одностороннего действия, HanpviMep без полости 9, а в качестве регулятора давления в таком цилиндре можно использовать делитель расхода, например вышеописанной конструкции. Для этого выходные полости 22 и 23 делителя соединяют с полостью 10 цилиндpa, В этрм случае узел работает следующим образом. При отсутствии йагрузки )заслонка занимаетблизкое к среднему положение (h h/ И) ,При этом сопротивление двух включенных параллельно на входе в полость 10 гидроцилиндра щелей делителя будет максимально и равно , где , и в полости 10 установится некоторое давление P-i , которое вызовет со стороны цилиндра действие на шпиндель 5 некоторой силы, направленной (фигЛ) направо, т,е, навстречу ожидаемой осевой нагрузке Р. При действии ожидаемой нагрузки Р на шпиндель разность давлений в карманах 3 и подшипника действуя на мембраны делителя, сместит заслонку 18 налево. При этом по мере увеличения силы Р и смещения заслонки 18 величина вышеупомянутого сопротивления R будет падать до значения K/{h + hyf K/8h , когда заслонка 18 упрется в сопло 15 и станет , а h2 2h, т,ео Rg/Rg -n , т.е под действием силы Р сопротивление R может уменьшиться в 4 раза . Поэтому, если значения h + h и зазора поршня выбраны так, что при Р О, Р|, 1/3 , то за счет подбора жесткости мембран 13 и 1 можно для любого значения Р обеспечить Р i 2/3 f и таким образом обеспечить уравновешивание осевой силы Р не только за счет разности давлений в упорном подшипнике, но и путем увеличения давления Р, , т.е. разгрузить подшипник за счет этого давления. Регулятор (фиг,2) можно испрльзовать для управления давлением только в полости 10 разгрузочного цилиндра (однополостного), применяя его в качестве делителя расхода без параллельного соединения его сопротивлений. Для этого просто закрывают выход из полости 22, оставляя полость 23 регулятора соединенной с полостью 10 разгрузочного цилиндpa В исходном положении ({ , Р 0) за счет подбора длин элементов пакета деталей, образующих-регулятор, например за счет длин сопел 15 и Ц, заслонку 18 устанавливают вбли зи торца сопла 16(,, При включении давления Р и действия Р заслонка 18 под дей ствием разности давлений в карманах 3 и , соединенных соответственно с полостями 25 и 2k, начнет смещаться налево тем ббль ше, чем больше сила Р При Р О О и, следовательно, давление в полости 10 Р Ор В пределе при заданном максимальном значении Р заслонка 18 упрется в торец сопла 15 и станет h/2 2 , ссэтротивлеНие шели h упадет до евоего минимального предела и давление Р станет максимальным, обеспечив предельную разгрузку упорного подшипника о Давлением в одной полости 10 можно управлять, используя этот же регу лятор в качестве делителя давления„ Для этого полость 21 соединяют с.полостью 10, полость 23 - с источником давления Р , а полость 22 - со сливо Исходное положение заслонки 18 - у торца сопла 1б (), При действии силы Р заслонка 18 смещается налево, изменяя соотношение так, что при давление в полостях 21 и 10 будет практически равно нулю, а при максимальных значениях Р и смещение заслонки 18 будет h2 2h и давление РН Таким образом по мере увеличения нагрузки Р будет увеличиваться и давление в полости 10 разгрузочного гидроцилиндра, разгружая.упорный подшипник и побышая его жесткость при действии нагрузки Р„. Аналогично другой такой же регулятор в качестве делителя давления можно включить для управления давлением в рлости 9 разгрузочного гид роцилиндра, если она есть ,Для этого его полость 21 соединяют с полостью 9, полость 22 - с источником давления Рц, а полость 23 - со сливом. При этом в исходном положении заслонки обоих регуляторов занимают среднее положение (h h h) и со противление обоих регуляторов образуют мострвую схему, в диагональ . торого .включен двухполостной 9. и 10 разгрузочный гидроцилиудр, При давления в полостях 9 и 10 равны. С ростом Р разность давлений в несущих карманах будет сме.щать заслонки регуляторов так,. что разность давлений в полостях 9 и 10 будет компенсировать силу Р Оба регулятора можно объединить в одном корпуса и их заслонки посадить на общий стерженьс В ряде случаев повышения радиальной жесткости шпинделя в опорах упррный гидростатический подшипник выполняют мнф-окарманным f фиг 3 и 4) . Многокарманным является.по сути и аэростатический упорный подшипник с питанием через сопла действии на шпиндель в таком подшипнике одновременно осевой и радиальной сил давления в противоположных карманах, например и 3, подшипника из-за радиального прогиба шпинделя могут быть неравны-при Р О и равны при Р 5 О, В такон подшипнике в этих условиях пропорциональной осевой нагрузке будет разность давлений в противоположных карманах, смещенных диаметрально, потому что перекосы поверхностей в их зоне при радиальном прогибе шпинделя будут одинаковыми« В принципе забор давлений контроля осевой нагрузки на упорный подшипник с внешним источником давления гидрр- или аэростатический необязательно осуществлять из карманов с Более выгодно, с точки зрения , надежности шпиндельного узла и его динамических качеств, контролировать нагрузку по давлению не в карманах, а. на перемычках, окружающих карманы, особенно это относится к аэростатическим опорам, так как давление на перемычках всегда пропорционально давлению в кармане и нагрузке на опору. Поэтому .для выполнения подшипника в качестве датчика нагрузки Р достаточно соединить с полостями управления две диаметрально смещенные точки противоположных зазоров подшипника с внаиним источником давления. Это исключает падение давлений в карманах из-за разрыва соединительных линий, Тсб повьшает надежность узла Это же как бы вводит сопротивление между карманом подшипника и полостью управления делителем, что повышает динамические качества системы, исключая возникновение автоколебаний в ней.

Использование изобретения поЬвЪляет увеличить несущую способ2 i /7 А.

13

/1-У1

ность и жесткость в осевом направлении, а также резко повысить надежность работы шпиндельных узлов токарных и других станков с преобладающей осевой нагрузкой.

2Ъ 1

20

ifuz..

б-В

Фиг.Ъ

1. .ШПИНДЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ, содер жащий шпиндель, установленный в корпусе в радиальных опорах и упорном подшипнике жидкостного трения, имеющем зоны давления, подклю15енные к g% /////л г с (////М 6 / внешнему источнику давления, и дополнительное устройство восприятия о,се8ой нагрузки, отличающийс я тем, что,с целью повышения нагрузочных характеристик в осевом направлении и надежности, устройство восприятия осевой нагрузки выполнено в виде гидроцилиндра, соединенного с внешним источником давления посредством введенного в устройство гидравлического регулятора давления, имеющего управляющие полости, которые соединены с зонами давления упорного подшипника, 2. Узел по п,1, о т л и ч а ю - . щ и и с я тем, что гидроцилиндр размещен в корпусе шпиндельного узла и снабжен по меньшей мере одним поршнем, который закреплен на шпинделе. г f г г,д I/JX./I / //у /////,