Шпиндельный узел Советский патент 1982 года по МПК B23B29/02 

(Ь4) ШПИНДЕЛЬНЫЙ 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 качения 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 опооами, в котором задняя опора выполнеис в виде радиального цилиндрического под1иипника, герметично закрытого с горца 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 сказы10вается на эксплуатационных характеристиках высокоскоростных шпиндельных узлов, поскольку возрастают потери на трение и возможно заклинивание подшипника. Кроме того, отсутствие

15 систем охлаждения статора и ротора делает конструкцию вообще неприемлемой для высокоскоростных электрошпинделей.

Наиболее близким к изобретению

20 техническим решением является шпиндельный узел с встроенным электроприводом на опорах с газовой смазкой, который содержит корпус, гильзу с рубашкой охлаждения, переднюю и

25 заднюю крЕлики, щиты с установленными в них радиальными и упорными подшипниками, напрессованный на вал ротор, бесконтактные уплотнения, а также воздухо- и водообеспече30ния 3 . В известном шпиндельном узле принята схема с силовойфиксацией 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 включенибй системе воздухообеспечения вал давлением воздуха в передней камере поджимается к неподвижному подпятнику, обеспечивая между .собой и подпятником требуемый по условиям эксплуатации зазор. Существенным недостатком данной схемы силовой фиксации вала является то,что подпятник закреплен -жестко и не име ет возможности самоустановки, а так же не имеет возможности осевого сме щения для исключения возможных повреждений вала при перегрузках, 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 ныли и СО осуществляется воздухом низкого дав ления (например, от заводской сети) .В шпинделе имеется единый ввод воздуха низкого давления ( часть которо идет на охлахшение 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 эффект и проникновению внутрь корпуса абра зивной пыли, либо к недостаточному охлаждению ротора, следствием чего явится тепловой изгиб вала, потеря бала нсировки и заклинивание вала в подшипниках. Воздух, используемый на охлажден 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 м насаженный на вал диаметром 60 мм, имеет площадь свободного торца, ра ную 67 см , что даже при давлении воздуха в 2 кгс/см дает осевую сил порядка 140 кгс (размеры взяты для эл ктрошпинделя мод.А24/25), сравнимую с величиной осевого прижима. Наличие такой силы в зависимости от направления ее действия либо разгружает подпятник , снижая эффектив ность осевого прижима, либо дополни тельно нагружает подпятник , что чревато повреждением вала вследстви превыпения нагрузочной способности подпятника. 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 крыгики, образуя своим торцси и торцом крышки герметичную полость, либо может быть установлен в центральной 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 выполненк3 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 Tpe6yeMLie 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 воздухообеспечения с каналами 19 и 20, в которых размещены устройства 21 регулирования расхода воздуха на охлаждение ротора и Е- 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 из глухой полости 24, образованной торцом подпятника и крышкой 4 предусмотрено уплотнительное кольцо 25i Подача смазки в карман 26 по/1шипника производится через дроссели 27 и 28 по каналу 29. В конструкции, изображенной на фиг. 3, задний упорный подшипник 11 установлен в центральной расточке крышки 4 на резиновых кольцах 30. В подшипник встроены дроссели 31 и 32 выполненные в виде одной детали, ра деленные между сббой кольцевой канавкой 33, Канавка 33 радиальными сверлениями сообщается с кольцевой канавкой 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 из 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 давлением масла в полости 24, при этом подшипник 11, деформируя мембрану 23, воздействует на торец вала 12 и перемещает последний влево до тех пор, пока.усилие в переднем упорном подшипнике 10 не станет равным усилию прижима. Взаимодействие упорного подшипника 11 и торца вала 12 осуществляется через масляную пленку, создаваемую прокачиваемым 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 вала 12 и подшипником 11. Однако пол ностью первоначальная толщи 1а масля.ной пленки восстановиться не может, поскольку часть усилия, развиваемого давлением масла в 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 в схемах с односторонними опорами газового или жидкост ного трения, одна из которых реализо вана, в частности, в конструкции, принятой за прототип. Данное обстоятельство способствует повышению эксплуатационной надежности конструкции.

933273 Установка 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 11с торцом вала 12 вследствие его перекоса в опорах при действии внешней нагрузки либо под воздействием температурных деформаций. Если осевое усилие, действующее в направлении на подшипник 11, частично превысит величину усилия, создаваемого давлением масла в полость 24, то подшипник 11, деформируя мембрану 23, отойдет вправо, уменьшив объем полости 36. Жидкостное трение между подшипником 11 и валом 12 не нарушится, поскольку давление масла в полости 24 и кармане подшипника будет практически одинаковым, а площадь 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 вал 12 до тех пор, пока осевая составляющая усилия в левом упорном подгиипник-с 10 не станет равным усилию прижима. Подшипник 11 находится в равновесии под действием сил, создаваемых давлением масла в его кармане и под действием давления масла в полос.ти 35. При действии осевой нагрузки, обусловленной температурными деформациями, вал 12 через масляную пленку воздействует на подшипник 11, последний не нарушая режима жидкостного трения, отходит вправо и уменьшает 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 11 и нарушению равновесия последнего. Подшипник 11 стремится отойти от торца вала 12 для восстановления первоначальной толщины масляной пленки. Однако смещение подшипника И приводит к дальнейшему уменьшению объема поЛости 35 и уменьшению расстояния между торцом подшипника 11 и торцом крышки 4. Это сопровозэдается ростом давления масла в полости 35, поскольку увеличивается гидравлическое сопротивление истечению масла на участке дроссель 31 - отверстие 36. Увеличение давления масла в полости 35 приводит к увеличению усилия прижима с ростом 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 СОЖ 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. УсЧройство 21 поз.воляет регулироват 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 эксплуатационную надежность всей конструкции.

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

Формула изобретения

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.

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

3.Шейнберг С.А. и др. Опоры скольжения с газовой смазкой. М., Машиностроение, 1979, с. 10 (прототип) .