ШПИНДЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к шпиндельным узлам.

Наиболее близким к заявленному объекту является шпиндельный узел, включающий в себя шпиндель, соосно расположенный внутри подшипниковых узлов (а.с. СССР №786492, F02M 59/04 - прототип).

Недостатками известных объектов является то, что пары скольжения из-за больших потерь при скольжении имеют невысокий КПД.

Технически достижимый результат - повышение КПД, долговечности и надежности.

Это достигается тем, что в шпиндельном узле, включающем в себя шпиндель, соосно расположенный внутри подшипниковых узлов, шпиндель выполнен полым и установлен в упорном шариковом подшипнике с устройством предварительного натяга для упорных подшипников, и радиально-упорном роликовом подшипнике, внутреннее кольцо которого контактирует с поверхностью шпинделя по конической поверхности и поджимается с левой стороны, соосной шпинделю, втулкой посредством гаек, а с правой - расположенной перпендикулярно оси шпинделя крышкой с лабиринтным уплотнением, причем в передней опоре шпинделя предусмотрено устройство предварительного натяга, которое позволяет компенсировать износ деталей шпиндельного узла.

На фиг.1 приведен высокоскоростной шпиндельный узел для обрабатывающих центров, например токарного станка, на фиг.2 показана конструкция гидростатической опоры, на фиг.3 представлена схема подачи охлаждающей жидкости к уплотнению; на фиг.4 - представлена схема подачи охлаждающей жидкости с естественной циркуляцией; на фиг.5 - схема подачи охлаждающей жидкости с принудительной циркуляцией.

Высокоскоростной шпиндельный узел для обрабатывающих центров, например токарного станка, включает в себя соосно расположенный внутри подшипниковых узлов шпиндель 8, выполненный полым, и установленный в упорном шариковом подшипнике 4 с устройством 3 предварительного натяга для упорных подшипников, и радиально-упорном роликовом подшипнике, внутреннее кольцо 6 которого контактирует с поверхностью шпинделя 8 по конической поверхности и поджимается с левой стороны, соосной шпинделю, втулкой 5 посредством гаек 1 и 2, а с правой - расположенным перпендикулярно оси шпинделя уплотнением 7.

В передней опоре шпинделя предусмотрено устройство 3 предварительного натяга, которое позволяет компенсировать износ деталей шпиндельного узла. Предварительный натяг осуществляется различными способами, в радиално-упорных шарикоподшипниках и конических роликовых подшипниках при парной установке предварительный натяг получают регулировкой во время сборки, а в радиальных шарикоподшипниках - смещением внутренних колец относительно наружных.

Система подачи охлаждающей жидкости (фиг.3) к уплотнению 7 содержит камеру уплотнения с отверстиями для входа и выхода охлаждающей жидкости к предохранительному уплотнению.

Система естественной циркуляции запирающей жидкости (фиг.4) выполнена в виде камеры предохранительного уплотнения, вход которой связан с теплообменником 12, а выход с пневмогидроаккумулятором 14 через манометр 17. Теплообменник 12 через запорную арматуру 18 и фильтр 13 также соединен с пневмогидроаккумулятором 14, который в свою очередь соединен с баком 15, имеющим воронку 16, и соединенным через байпас с запорной арматурой через манометр 19 с пневмогидроаккумулятором 14.

Система принудительной циркуляции запирающей жидкости (фиг.5) выполнена в виде камеры 11 предохранительного уплотнения 7, вход которой связан с теплообменником 12 через манометр 22 и фильтр 13, которые последовательно соединены с регулирующим клапаном 19, который в свою очередь последовательно соединен с баком 15, имеющим воронку 16. На выходе теплообменника 12 установлен насос 20 с обратным клапаном 21, последовательно соединенным с запорной арматурой 18 и с пневмогидроаккумулятором 14, связанным с выходом камеры 11 предохранительного уплотнения, при этом давление в системе контролируется манометром 17.

На фиг.2 показана конструкция гидростатической опоры, которая может заменить радиально-упорный роликовый подшипник шпинделя 8.

Гидростатическая опора содержит корпус, выполненный в виде охватывающей шпиндель 8 цилиндрической втулки, в которой выполнены по крайней мере три гидравлических, радиально расположенных элемента, каждый из которых состоит из соосно расположенных подводящего отверстия 10, и кармана 9, взаимодействующего со шпинделем 8 посредством масляного клина. Масло под давлением подводится в карманы 9 через отверстие 10, и вытесняется из этих карманов через зазор между шейкой корпуса и внешней поверхностью шпинделя через радиально расположенные выходные отверстия 11, выполненные в корпусе по числу, равному количеству гидравлических, радиально расположенных элементов, после чего - в резервуар (не показано). Карманы 9 представляют собой углубления, например выполненные в виде отверстий круглой или некруглой формы, которые в свою очередь соединены через дроссель и фильтр с подающей магистралью с насосом, размещенным в масленой ванне (не показано).

Высокоскоростной шпиндельный узел для обрабатывающих центров работает следующим образом.

Масло под давлением подводится в карманы 9 через отверстия 10. При вращении шпинделя 8 масло вытесняется из этих карманов через зазор между шейкой и подшипником и из отверстия 11 в резервуар. При увеличении внешней силы, стремящейся уменьшить зазор, возрастает давление масла в резервуаре и зазор восстанавливается. Гидростатические подшипники стабилизируют режим трения со смазочным материалом при самых малых скоростях вращения.

Система подачи охлаждающей жидкости к уплотнению 7 работает следующим образом.

Схему обвязки с естественной циркуляцией запирающей жидкости (фиг.4) рекомендуется применять при работе уплотнения в следующих условиях: частота вращения вала до 5 с^-1; температура рабочей среды в аппарате от -30 до +150°С. Давление запирающей жидкости поддерживается за счет давления в аппарате, если среда не вредная и не взрывоопасная, или за счет подачи азота под давлением при взрывоопасной и токсичной среде. Запирающая жидкость циркулирует в замкнутом контуре вследствие разности плотностей нагретых и охлажденных слоев жидкости на разных уровнях. Для лучшей циркуляции холодильник и пневмогидроаккумулятор следует устанавливать в непосредственной близости от уплотнения на высоте не менее 2 м.

Схему обвязки с принудительной циркуляцией уплотняющей жидкости (фиг.5) рекомендуется применять при диаметре уплотняемого вала более 80 мм, частоте вращения не менее 5 с^-1 и температуре рабочей среды в аппарате до 150°С. Запирающая жидкость подается в уплотнение специальным насосом или централизованно из общей магистрали. Для сглаживания пульсаций давления и поддержания работоспособности уплотнения при кратковременных остановках насоса в схему обвязки включен ресивер.

Давление запирающей жидкости поддерживается за счет давления в аппарате, если среда не вредная и не взрывоопасная, или за счет подачи азота под давлением при взрывоопасной и токсичной среде. Запирающая жидкость циркулирует в замкнутом контуре вследствие разности плотностей нагретых и охлажденных слоев жидкости на разных уровнях. Для лучшей циркуляции пневмогидроаккумулятор 14 следует устанавливать в непосредственной близости от уплотнения, на высоте не менее 2 м. В качестве запирающей жидкости применяют обессоленную воду, масло или другие жидкости, химически совместимые с рабочей средой, но не вредные и не взрывоопасные. Температура запирающей жидкости на выходе из уплотнения не должна превышать 80°С. Давление запирающей жидкости должно быть выше давления среды в аппарате на 0,05-0,1 МПа.

Подшипники скольжения, применяемые в качестве опор шпинделей, бывают нерегулируемые (применяют их редко), с радиальным, осевым регулированием зазора, гидростатические (в них предусматривают подвод масла под давлением в несколько карманов, из которых оно вытесняется через зазор между шейкой шпинделя и подшипником), гидродинамические и с газовой смазкой.

В прецизионных станках используют гидростатические подшипники, которые создают высокую точность вращения шпинделя. Их несущая способность, жесткость и точность зависят от величины зазоров, давления, схемы опоры.

Средненагружеиные шпиндели изготавливают обычно из стали 45 с улучшением (закалка и высокий отпуск). При повышенных силовых нагрузках применяют сталь 45 с низким отпуском. Для шпинделей, требующих высокой поверхностной твердости и вязкой сердцевины, применяют сталь 45 с закалкой ТВЧ и низким отпуском. Конструктивная форма шпинделей зависит от способа установки на нем зажимных приспособлений, для крепления режущего инструмента или обрабатываемой заготовки, посадок элементов привода и типов применяемых опор. Шпиндели, как правило, изготовляют со сквозным отверстием для прохода прутка. Передние концы шпинделей станков общего назначения стандартизированы.

В качестве опор шпинделей станков применяют подшипники качения и скольжения. Шпиндельные узлы должны обладать высоким качеством. Поэтому подшипники качения, используемые в опорах шпинделей, должны быть высоких классов точности. Выбор класса точности подшипника определяется допуском на биение исполнительных поверхностей шпинделя (коническое отверстие и базирующие поверхности для установки патронов, для крепления инструмента и заготовок), который зависит от требуемой точности обработки. Обычно в передней опоре используют более точные подшипники, чем в задней.