Шпиндельный узел Советский патент 1982 года по МПК B23B19/02 

(54) ШПИНДЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ

1

Изобретение относится к области станкостроения и может найти пркмёнение в станках,где используется высокоскоростной шпиндель,например во внутришлифовальных или прецизионных фрезерных.

Известен шп11ндельный узел, содерг жащий корпус, в котором установлены

статор злектродвигателя привода вращения шпинделя и гидростатические шпинjp eльныe подшипники, содержащие упорный или радиально-упорный.

подшипник, открытый в осевом Hanpaieлении и снабженный устройством силового заг-1ыкания, в которых расположёны шпиндель с ротором электродвигателя. Устройство силового замыкания выполнено в виде пары плунжер-цилиМдр, образованной задним подшипником и шейкой шпинделя 1.

Это заставляет выполнять поверхности скольжения упорного или радяально-упорного подшипника сравнительно большого радиуса (больше радиуса вйходящей из узла шейки шпинделя), иметь рабочую полость плунжерной пары и ее уплотнения, что усложняет конструкцию.

Делью изобретения является упромение конструкции узла.

Эта цель дости1ается тем, что устройство силового замыкания выполнено электромагнитным и образовано парой статор-ротор электрошпинделя. Центр магнитной симметрии статора смещен вдоль оси электрошпинделя относительно центра магнитной симметрии ротора в направлении подшипника одностороннего осевого действия. Ротор и ста-

10 тор могут быть выполнены коническими, причем меньший диаметр конуса ротора должен быть расположен со стороны подшипника односторюннего осевого действия.

15

На фиг. 1 показанГ электрошпиндель с передним гидростатическим радиально-упорным подшипником; на фиг. 2 шпиндельный узел с задним радиальноупорным гидростатическим подшипником.

20

В корпусе 1 установлены статор 2 электродвигателя привода вращения шпинделя 3 и шпиндельные гидростатические передний радиально-упорный конический подшипник 4, открытый в

25 осевом направлении, и задний радиальный цилиндрический подшипник 5. В статор подшипниках 4 и 5 распрложен с зазором электрошпиндель с ротором б. Несущие карманы подшипни30ков с источником давления смазки через дроссели 7. Статор 2 и ротор 6 образуют устройство силового замык ния подшипника 4 в осевом направле в данном случае пару цилиндр-порше .пневмоцилиндра, рабочие полости 8 9 которого разделены уплотняющим воздушным зазором (например, диам Е альнь М зазором 0,1 мм) между стат тором и ротором и соединены через дроссели 10 и 11 соответственно с окружающей средой и источником ежа того воздуха. Шпиндельный узел работает следу ющим образом. При подаче в несущие карманы через дроссели 7 смазки под давлени шпиндель 3 всплывает и жестко цент руется слоем смазки в радиальных направлениях в пределах зазоров в подшипниках 4 и 5 и статора 2. При этом осевая составляющая давления кар 1аках подшипника 4 стремится сместить шпиндель 3 направо, но ра ность давлений в полостях 8 и 9 пневмоцилиндра, действующая на рото поршень б, уравновешивает осевую составляющую. Давления в полостях 8 и 9 и их разность можно настраивать с помощью дросселей 10 и 11 и таким образом управлять зазором в переднем коническом подшипнике 4 При включении питания электрошпиндель 3 начинает вращаться. При этом воздух, пХ)текающий под действием разности давлений в полостях 8 и 9 через воздушный зазор между статором и ротором б электродвигателя, охлаждают их. Малое давление в полости 8, зависящее от настройки дросселя 10, можно использовать для питания потребителей низкого давления в шпиндельном узле, например бесконтактных пневмоуплотнений гидростатических подшипников. На образующих воздушный зазор, электродвигателя цилиндрических поверхност ротора 6 (как показано на фиг. 1) и/или статора 2 могут быть выполнен канавки воздушного нагнетателя, глубина которых соизмерима с высотой упомянутого зазора (в данном случае винтовые спиральные), направ ленные в сторону относительного вращения сопряженной поверхности { данном случае статора 2) из полости всасывания 8 в полость нагнетания 9, При высокой окружной скорости(до 200 м/сек) и малом зазоре (0,1 мм) такой нагнетатель качает воздух из полости 8 в полость 9 и может обеспечить высокие производительность и разность давлений в полостях 8 и 9. При наличии внешнего источника сжатого воздуха для создания разнос ти давлений в полостях пневмоцилиндра (как показано на фиг. 1) наг нетатель увеличивает сопротивление воздушного зазора, уменьшая расход воздуха через него . При наличии такого нагнетателя можно обойтись без внешнего источника сжатого воздуха. При отсутствии внешнего источника нагнетатель качает воздух из полости 8, соединенной с окружающей средой без дросселя 10 (этого соединения может и не быть), в полость 9, которая в этом случае может быть глухой (сопротивление дросселя 11 равно бесконечности,т.е.его канал перекрыт), создавая между полостями 9 и 8 разность давлений, уравновешивающую осевую силу подшипника 4,т.е.осуществляющую в осевом направлении его силовое замыкание. В дополнение к образованному статором 2 и ротором 6 пневмоцилиндру силового замыкания упорного подшипника или взамен него ротор 2 и. статор б Могут образовать осевой электромагнит силового замыкания подшипника. В показанном на фиг. 1 варианте осевой электромагнит образован за счет смещения вдоль оси направо центра магнитной симметрии рютора 6 относительно центра магнитной симметрии статора 2 (ротор б длинее статора 2 и выступает из него справа больше, чем слева). В этом случае статор 2 стремится втянуть в себя ротор .6 , чтобы их смещенные центры магнитной симметрии совместились. Таким образом,на подшипник 4 налево через шпиндель 3 со стороны ротора действует осевая сила замыкания этого подшипника. На фиг, 2 показан вариант выполнения узла. В корпусе 1 расположен статор 2 электродвигателя и шпиндельные гидростатические подшипники передний радиальный 4 и задний радиально-упорный 5, содержащий радиальный цилиндрический и открытый упорный, образованный на заднем конце шпинделя 3. В подшипниках 4 и 5 и в статоре 2 с зазором расположены шпиндель 3 с ротором 6.Воздушный зазор между ротором б и статором 2 образован их коническими поверхностями , расширяюсйимися в сторону переднего подшипника 4. Из-за этого центр магнитной симметрии ротора б смещен налево (к переднему подшипнику) относительно центра магнитной симметрии статора 2. Нес55 ий карман 12 упорного подшипника ограничен кольцевыми зазоPcuvm 13 снаружи меяоду цилиндрическими поверхностями шейки шпинделя 3 и отверстием заднего подшипника 5 и зазора 14 внутри мезкду торцом шпинеля 3i и торцом корпуса узла (в данном случае торцом -вставленного в дно подшипника 5 штифта 15, сквозное отверстие которого соединено со сливом). Несущие карманы подшипников

соединены с источником давления смазки через дроссели 7, а карман 12 через дросель 16.

Шпиндельный узел работает следующи образом.

Под действием подводимой под дазлением через дроссели 7 и 16 смазки шпиндель 3 всплывает и центрируется слоем смазки в радиальных направлениях в подишпниках 4 и 5 в пределах зазоров. Давление смазки в кармане 12, действуя на торец шпинделя 3, стремится сместить его налево (вперед) , ,а силы электромагнитного взаимодействия между статором 2 и ротором 6 благодаря конической форме воз душного зазора между ними (относител но смещены их центры магнитной симмерии) стремятся втянуть ротор 6 в статор 2 и,таким образом, уравновешивают силы давления в кармане 12. При этом высота зазора 14 между торцами: шпинделя 3 и штифта 15, через которы (зазор 14) смазка дросселируется в . отверстие штифта 15 и через него сливается в бак, устанавливается такой, что зависящее от зазора 14 давление в кармане 12 уравновешивает осевую силу, развиваемую осевым электромагнитом, образованным вышеизложенным образом. Таким образом, осуществляется силовое замыкание открытого упорного гидростатического подшипника, а между статором и ротором и между рабочими торцами упорного подшипника с другой стороны, устанавливаются i оптимальные зазоры.

И в этом варианте действие осевого электромагнита может быть дополнительно илизаменено пневмоцилиндрюм с рабочими полостями 8 и 9, разделенными воздушным зазором мезвду статором 2 и ротором 6, образующим пару цилинд - поршень. При этом необходимая для силового замыкания открытого упорного подшипника разность давлений в полостях 8 и 9 образуется за счет внешнего источника сжатого воздуха и/или воздушныг нагнетателем, образованным статором и ротором.

Таким образом, упрощается конструкция шпиндельного узла и повышаются его эксплуатационные- качества: не требуется специальное устройство силового замыкания, до минимума снижаются потери на жидкостное трение в узле из-за того, что в устройстве силового замыкания может быть только воздушное трение, причем это воздушное трение в уже имевшемся электродвигателе привода вращения шпинделя, улучшается охлаждение электродвигателя, может быть освобожден задний конец шпинделя, например, для подвода смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания , расширяются возможности компоновки и управления узлом.

Формула изобретения

1.Шпиндельный узел, в корпусе которого установлены статор и электрошпиндель с ротором, расположенный на гидро-статических опорах, содержащих подшипник одностороннего осевого действия, отличающийс я тем, что, с целью упрощения консрукции, устройство силового замыкания выполнено электромагнитным и образовано ротором и статором электрошпинделя, причем центр магнитной

симметрии статора смещен вдоль оси электретапинделя относительно центра магнитной симметрии ротора в направлении подшипника одностороннего осевого действия,

2.Узел по п.2, отличающийся тем, что ротор и статор выполнены коническими, причем меньший диаметр конуса ротора располо--) жен со стороны подшипника одностороннего осевого действия.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР 685443, кл. В 23 В 19/02, 1979 (прототип).

ff f

6 9 фуг. /

3 S 8

-С

re

Фег.2