Шпиндельный узел — SU 933273 (original) (raw)
ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеслублик 1933273(1 М К,т з с присоединением заявки М В 23 В 19/02 Госуларственный комитет СССР по ледам изобретений и открытий(23) Приоритет Опубликовано 070682, Бюллетень Мо 21 Дата опубликования описания 07. 06. 82(72) Авторы изобретения Ордена Трудового Красного Знамени экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков(54) шпинДс,льныИ 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 качспия (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 опорками, в котором задняя опора выполнена в виде радиального цилиндрического подшипника, герметично закрытого с торца 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 сказывается на эксплуатационных характеристиках высокоскоростных шпиндельных узлов, поскольку возра-тают потери на трение и возможно заклинивание подшипника. Кроме того, отсутствие систем охлаждения статора и ротора делает конструкцию вообще неприемлемой для высокоскоростных электро- шпинделей.Наиболее близким к изобретению техническим решением является шпиндельный узел с встроенным электроприводом на опорах с газовой смазкой, который содержит корпус, гильзу с рубашкой охлаждения, переднюю и заднюю крышки, щиты с установленными в них радиальными и упорными подшипниками, напрессованный на вал ротор, бесконтактные уплотнения, а также системы воздухо- и водообеспече- ниЯ 31.Целью изобретения является повышение осевой жесткости и эксплуатационной надежности узла.Цель достигается тем, что в шпиндельном узле задний упорный подшипник помещен с возможностью осевогоперемещения между торцом вала и крышкой, а система воздухообеспеченияснабжена устройствами раздельногорегулирования подачи воздуха на охлаждение ротора и уплотнения. Подшипник может быть закреплен на мембране и установлен в центральной расточке крышки, образуя своим торцоми торцом крышки герметичную полость,либо может быть установлен в цент(ральной расточке крышки на резиновыхкольцах и образует своими торцамии торцом крышки гидравлические сопротивления, при этом подшипник выполнен с кольцевой проточкой, сообщенной с источником давления, а задняя крышка выполнена с отверстиемдля сообщения центральной расточкисо сливом.На фиг. 1 изображен шпиндельныйузел; на фиг. 2 и 3 - варианты выполненк:" узла заднего упорного подшипника,Шпиндельный узел содержит корпус1, рубашку 2 водяного охлаждения,переднюю 3 и заднюю 4 крышки, статор 5, щиты 6 и 7 с установленнымив них радиальными 8 и 9 и упорными10 и 11 гидростатическими подшипниками, вал 12; напрессованный навал 12 ротор 13 и бесконтактные уплотнения 14Работоспособность шпиндельного узла и его требуемые эксплуатационные характеристики обеспечивают: система маслообеспеченияс каналами 15 и 16 для подачи смазкик узлам трения и каналам 17 и 18 дляудаления из шпинделя отработанногомасла; система воэдухообеспечения сканалами 19 и 20, в которых размещены устройства 21 регулирования расхода воздуха на охлаждение ротораи в :плотнения, а также каналом 22для удаления из шпинделя отработанного воздуха, система водообеспечения для охлаждения статора (каналыподвода и отвода воды не показаны).На подшипнике 9 закреплена мембрана 23 (см. Фиг. 2), несущая заднийупорный подшипник 11. Подшипник 11размещен с возможностью осевого перемещения в центральной расточкекрышки 4. Для предотвращения утечекмасла иэ глухой полости 24, образованной торцом подпятника и крышкой 4 предусмотрено уплотнительноекольцо 25. Подача смазки в карман26 подшипника производится черездроссели 27 и 28 по каналу 29,В конструкции, изображенной нафиг. 3, задний упорный подшипник5 11 установлен в центральной растсчке 35 В известном шпиндельном узле принята схема с силовой Фиксацией валав осевом направлении. Это сделано сцелью упрощения конструкции и исключения возможности появления осевого зазора или заклинивания от неравномерного нагрева в случае применения двух упорных подшипников.ПривключеннЬй системе воздухообеспечения вал давлением воздуха в передней камере поджимается к неподвижному подпятнику, обеспечивая между.собой и подпятником требуемый поусловиям эксплуатации зазор. Существенным недостатком данной схемы силовой фиксации вала является то,что 15подпятник закреплен жестко и не имеет возможности самоустановки, а также не имеет возможности осевого смещения для исключения возможных повреждений вала при перегрузках, 20происходящих в результате приходав зону обработки тугих колецлибо в результате сбоя программы.Охлаждение ротора и предотвращение проникновения внутрь корпусаи в подшипники абразивной пыли и СОЖосуществляется воздухом низкого давления (например, от заводской сети) .,В шпинделе имеется единый ввод воздуха низкого давлениячасть которогоидет на охлаждение ротора, частьна уплотнения,Соотношение расходов воздуха наохлаждение ротора и уплотнение корпуса не регулируется.Отсутствие регулировки потоковвоздуха может привести либо к недостаточному уплотнительному эффектуи проникновению внутрь корпуса абразивной пыли, либо к недостаточномуохлаждению ротора, следствием чего 40явится тепловой изгиб вала, потерябалансировки и заклинивание вала вподшипниках.Воздух, используемый на охлаждениеротора, создает дополнительное осевое усилие на валу шпинделя. Воз никновение этого усилия обусловленодавлением воздуха, создаваемого взамкнутой полости, и наличием развитого торца бочки ротора, имеющегобольшую площадь. Ротор диаметр 110 мм,насаженный на вал диаметром 60 мм,имеет площадь свободного торца, равную 67 см 1, что даже при давлениивоздуха в 2 кгс/см.дает осевую силупорядка 140 кгс (размеры взяты дляэлфктрошпинделя мод.А 24/25), сравнимую с величиной осевого прижима,Наличие такой силы в зависимости отнаправления ее действия либо разгружает подпятник , снижая эффективность осевого прижима, либо дополнительно нагружает подпятник,чточревато повреждением вала вследствиепревышения нагруэочной способностиподпятника. 6крышки 4 на резиновых кольцах 30. В подшипник встроецы дроссели 31 и 32, выполненные н виде одной детали, раз деленные между собой кольцевой канавкой 33. Канавка 33 радиальными сверлениями сообщается с кольцевой кананкой 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 иэ 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 данлением масла в полости 24, при этом подшипник 11, деформируя мембрану 23, воздействует на торец нала 12 и перемещает последний влево до тех пор, пока:усилие в переднем упорном поцшипнике 10 не станет равным усилию прижима, Взаимодействие упорного подшипника 11 и торца вала 12 осуществляется через масляную пленку, создаваемую прокачинаемым 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 толщина масля; ной пленки восстановиться не может, поскольку часть усилия, развиваемого давлением масла н 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 н схемах с оцносторонними опорами газового или жидкост ного трения, одна из которых реалиэо вана, в частности, в конструкции,принятой за прототип, Данное обстоятельство способствует повышению эксплуатационной надежности конструкции. Установка подшипника 11 на мембране 23 и посадка его в центральнойрасточке крышки 4 ца уплотнительномкольце 25 обеспечивает подшипнику 11возможность самоустановки, чтопозволяет избежать непосредственного контакта подшипника 11 с торцомвала 12 вследствие его перекоса вопорах при действии внешней нагрузки либо под воздействием темпера 10 турных деформаций.Если осевое усилие, действующеев направлении на подшипник 11, частично превысит величину усилия, создаваемого давлением масла в полость15 24, то подшипник 11, деформируя мембрану 23, отойдет вправо, уменьшивобъем полости 36. Жидкостное трениемежду подшипником 11 и валом 12 ненарушится, поскольку давление масла20 в полости 24 и кармане подшипника будет практически одинаковым, а пло-щадь последнего, взаимодействующая сторцом вала 12 больше. Аналогичныйэффект будет иметь место и при тем 25 пературном удлинении вала 12,В конструкции, изображенной нафиг. 3, осевой прижим вала 12 создается давлением масла в полости 35.Величина этого усилия определяетсяплощадью торца подшипника 11, обращенного к крышке 4, и зависит от соотношения величин дросселей 31, 32,подшипника 11 и отверстия 36. Поддействием давления масла в полости35 подшипник 11 смещается влево исмещает в ту же сторону нал 12 дотех пор, пока осеная составляющаяусилия в левом упорном подшипнике10 не станет равным усилию прижима.Подшипник 11 находится н раннове 40 сии под действием сил, создаваемыхданлением масла в его кармане и поддейстнием давления масла в полос.ти 35.11 ри действии осевой нагрузки,45 обусловленной температурными дефорй мациями, вал 12 через масляную пленку воздейстнует на подшипник 11,последний не нарушая режима жидкостного трения, отходит вправо и умень 5 О шает объем полости 35. Режим жидкостного трения сохраняется, посколькусоотношение давлений масла в карманеподшипника 11 и полости 35 не меняется, а площадь подпятника больше.При действии осевой нагрузки наподшипник 11, обусловленной силамирезания, уменьшается величина мас"ляной пленки между торцом вала 12и подшипником 11, Уменьшение величины масляной пленки приводит к увеличению давления масла в кармане подшипника 11 и нарушению равновесияпоследнего. Подшипник 11 стремитсяотойтй от торца вала 12 для восстановления первоначальной толщины мас65 ляной пленки. Однако смещение под 933273шипника 11 приводит к дальнейшему уменьшению объема поЛости 35 и уменьшению расстояния между торцом подшипника 11 и торцом крышки 4. Это сопровождается 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 10 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 СОЕ, 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. Устройство 21 позволяет регулироватЬ 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 эксплуатацион ную надежность всей конструкции.Таким образом, предложенная конструкция позволяет исключить влияние осевых температурных деформаций на работоспособность шпиндельного узла, 40 повысить его осевую жесткость, что, в конечном итоге, обеспечивает более высокую его эксплуатационную надежность по сравнению с известными конструкциями. Формула изобретения1. Опиндельный узел, содержащий корпус, переднюю и заднюю крышки, статор, щиты с установленными в них радиальными и упорными подшипниками, вал с ротором, уплотнения, системы масло- и воздухообеспечения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения осевой жесткости 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.2. Узел по п. 1, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что задний упорный подшипник закреплен на мембране и установлен в центральной расточке крышки, образуя своим торцом и торцом крышки герметичную полость.3. Узел по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что задний упорный подшипник 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.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Харизоменов И.В. Электрическоеоборудование металлорежущих станков,М., Машгиз, 1958, с. 46.Авторское свидетельство СССР9 685443, кл. В 23 В 19/02, 1977.3. Шейнберг С.А, и др. Опорыскольжения с газовой смазкой. М.,Машиностроение, 19/9, с, 10 (прототип) .акав лиал П 1 П 1 Патент,г. Ужгород, ул. Проектная,019/14 Тираж 1153ВНИИПИ Государственногопо делам изобретений3035, Москва, Ж, Рауш Подписноемитета СССРткрытийая наб., д. 4 у