Шпиндельный узел

Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано в быстроходных шпиндельных узлах металлорежущих станков.

Известен шпиндельный узел (см. патент РФ №2167744, МПК В23 19/02, В23Q 11/14, 2001, Бюл. №15), содержащий корпус с установленным в нем с возможностью вращения на подшипниковых опорах шпинделем, имеющим равномерно расположенные по окружности наклонные и параллельные оси шпинделя каналы, в которых выполнены совмещенные продольные винтообразные канавки, при этом каналы соединены с цилиндрической полостью закрепленного на заднем торце шпинделя стакана, имеющей поперечные винтообразные канавки.

Недостатком системы охлаждения является снижение интенсивности теплообмена в цилиндрической полости стакана из-за образования пленки конденсата теплоносителя в поперечных винтообразных канавках, что в конечном счете ограничивает увеличение быстроходности шпинделя и, соответственно, производительность станка.

Известен шпиндельный узел (см. патент на полезную модель РФ №49478 МПК B23B 19/02, В23Q 11/14, опубл. 27.11.2005. Бюл. №33), содержащий корпус с установленным в нем с возможностью вращения на подшипниковых опорах шпинделем, имеющим равномерно расположенные по окружности наклонные и параллельные оси шпинделя каналы, в которых выполнены совмещенные продольные винтообразные канавки, при этом каналы соединены с цилиндрической полостью закрепленного на заднем торце шпинделя стакана, имеющей поперечные винтообразные канавки, кроме того стакан выполнен из биметалла, причем коэффициент теплопроводности материала, по толщине которого выполнены поперечные винтообразные канавки, в 1,5-5,7 раза превышает значение коэффициента теплопроводности основного материала стакана шпинделя.

Недостатком является снижение эффективности системы охлаждения при длительной эксплуатации из-за нарушения температурного режима тепломассообмена в цилиндрической полости стакана вследствие образования пограничного вязкостного подслоя пленки конденсата при замедленном от перемещении мелкодисперсных капелек жидкости процесса конденсации паров теплоносителя.

Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание постоянства заданной производительности станка при длительной эксплуатации, путем сохранения интенсивной теплоотдачи в цилиндрической полости стакана вследствие устранения коагуляции и укрупнения мелкодисперсных капелек конденсирующихся паров теплоносителя в полостях продольных винтообразных канавок.

Технический результат по поддержанию заданной производительности станка при длительной эксплуатации системы охлаждения поверхности шпинделя достигается тем, что шпиндельный узел, содержащий корпус с установленным в нем с возможностью вращения на подшипниковых опорах шпинделем, имеющим равномерно расположенные по окружности наклонные и параллельные оси шпинделя каналы, в которых выполнены совмещенные продольные винтообразные канавки, при этом каналы соединены с цилиндрической полостью закрепленного на заднем торце шпинделя стакана, имеющей поперечные винтообразные канавки, кроме того стакан выполнен из биметалла, причем коэффициент теплопроводности материала, по толщине которого выполнены поперечные винтообразные канавки, в 1,5-5,7 раза превышает значение коэффициента теплопроводности основного материала стакана шпинделя, при этом кривизна продольных винтообразных канавок выполнена по циклоиде, а их полости имеют вид «ласточкина хвоста».

На фиг. 1 изображен продольный разрез элемента шпиндельного узла со схемой циркуляции теплоносителя; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - сечение В-В на фиг. 1; на фиг. 5 – биметаллический стакан шпиндельного узла; на фиг. 6 - поперечная винтообразна канавка, кривизна которой выполнена по линии циклоида как брахистохрона; на фиг. 7 - профиль продольной винтообразной канавки в виде «ласточкина хвоста».

Шпиндельный узел содержит корпус (не показан), в котором установлен шпиндель 1 с возможностью вращения на подшипниковых опорах: задней 2 и передней 3. Шпиндель 1 снабжен герметическим устройством стабилизации температуры, которое состоит из выполненных равномерно по окружности наклонно к горизонтальной оси шпинделя 1 каналов 4 с продольными винтообразными канавками 5 и параллельно к горизонтальной оси каналов 6 с продольными винтообразными канавками 7, а также стаканом 8 с цилиндрической полостью 9, на поверхности которой выполнены поперечные винтообразные канавки 10.

Продольные винтообразные канавки 5 каналов 4 совмещены с продольными винтообразными канавками 7 каналов 6, что обеспечивает поддержание турбулизационного течения в пограничном слое по всему пути движения теплоносителя в системе охлаждения.

Стакан 8 изготовлен из биметалла, при этом расположение металлов осуществлено таким образом, что материал металла И, в котором выполнены поперечные винтообразные канавки 10 имеет коэффициент теплопроводности материала основного металла 12.

Кривизна продольных винтообразных канавок 5 и 7 выполнена по циклоиде 13, а полости 14 продольных винтообразных канавок 5 и 7 имеют вид «ласточкина хвоста».

Конденсирующиеся из пара теплоносителя мелкодисперсные капельки жидкости медленно скользят по внутренней полости 14 поперечных винтообразных канавок 5 и 7 под действием силы тяжести и, соприкасаясь друг с другом, коагулируют, укрупняясь с последующим образованием конденсатной пленки с вязкостным подслоем. Это приводит при стекании мелкодисперсных капелек конденсата к уменьшению коэффициента теплоотдачи на 10-15% (см., например, стр. 248 Исаченко В.П. и др. Теплопередачи - М. Энергоиздат, 1981 - 416 с., ил.).

При выполнении кривизна винтообразных канавок 5 и 7 по линии 13 циклоида как брахистохрона осуществляется скоростной спуск из точки А в нижележащую точку В (см., например, некоторые замечательные кривые стр. 802, Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука, 1969 - 872 с., ил.) мелкодисперсных капелек практически без коагуляции и укрупнения, т.е. поддерживает наиболее интенсивный процесс охлаждения капельной конденсацией.

Для устранения возможности вытеснения движущимся паром теплоносителя мелкодисперсных капелек конденсата из полости 14 продольных винтообразных канавок 5 и 7 на поверхности канавок 4 и 6 с последующим образованием конденсатной пленки, резко снижающей интенсивность охлаждения полости 14, выполненной в виде «ласточкина хвоста». В результате щелевидного выхода мелкодисперсных капелек конденсата из полости 13 винтообразных канавок 5 и 7, наряду с теплотой конденсации, возрастает передача тепла теплопроводности (см., например, стр. 298, Призматическая труба с треугольным сечением. Цой П.В. Методы расчета отдельных задач тепломассообмена. М.: Энергия, 1971 - 284 с., ил.), что дополнительно интенсифицирует процесс охлаждения шпинделя и, как следствие, увеличивает его быстроходность.

Пары теплоносителя в полости 9 за счет скачкообразного увеличения площади поперечного сечения конденсируются. В результате при наличии пленки конденсата в 10-15 раз уменьшается коэффициент отдачи от теплоносителя к поверхности цилиндрической полости стакана 8 по сравнению с капельной конденсацией (см., например, стр. 398, Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: Высшая школа. 1980 - 469 с., ил.), что резко снижает интенсивность теплообмена данного элемента шпиндельного узла и, соответственно, производительность станка.

Для поддержания капельной конденсации паров теплоносителя создаются искусственные термовибрации поверхности цилиндрической полости 9 стакана 8, путем выполнения его из биметалла с коэффициентом теплопроводности материала металла поверхности цилиндрической полости 9 большего значения, чем основного металла стакана 8.

В этом случае, при вращении шпинделя 1 теплоноситель под действием центробежных сил заполняет часть поперечных сечений, обращенных к наружной поверхности шпинделя 1, а наклонные каналы 4 заполняются теплоносителем практически полностью. Центробежные силы, действующие при вращении шпинделя 1 на теплоноситель, заставляют более холодную часть теплоносителя двигаться по наклонным каналам 4 в направлении оси вращения к переднему торцу шпинделя 1, охлаждая его и вытесняя к заднему торцу нагретую часть теплоносителя и его пары, которые попадают в полость 9 стакана 8.

Движущийся теплоноситель и его пары, перемещаясь по продольным винтообразным канавкам 5 и 7, образуют завихрения у поверхности каналов, преобразуя ламинарное движение теплоносителя в пограничном слое в турбулентное. В результате турбулизации пограничного слоя его толщина уменьшается, что приводит к интенсификации теплообмена между теплоносителем и материалом шпинделя.

В цилиндрической полости 9 за счет скачкообразного увеличения площади поперечного сечения, занимаемого парами, последние конденсируются на поверхности поперечных винтообразных канавок 10 с выделением теплоты конденсации. В результате образуется температурный напор (разность температур теплоносителя и материала стакана 8), т.е. перепад температур, который приводит к возникновению термовибрации поверхности цилиндрической полости 9. При этом чем больше значение коэффициента теплопроводности материала металла 11, в котором выполнены поперечные винтообразные канавки 10, тем больше количество тепла поступает к материалу основного металла 12, имеющего меньший коэффициент теплопроводности, что приводит к возрастанию температурного градиента и, как следствие, увеличивает величину термовибраций (см., например, Биметаллы. Дмитриев А.Н. и др. Пермь, 1991. - 416 с., ил.). Стоячие волны термовибрации разрушают образующуюся конденсатную пленку, поддерживая процесс капельной конденсации. Тогда поток каплеобразного мелкодисперсного теплоносителя, перемещаясь по поперечным винтообразным канавкам 10, завихряется, термодинамически расслаиваясь на периферийный и осевые потоки, дополнительно снижая температуру охлаждаемого теплоносителя, возвращаемого к передней опоре 3. В результате происходит круговая циркуляция теплоносителя с активным теплоотводом от опор и термостабилизацией шпиндельного узла по всей его внутренней поверхности.

Оригинальность предлагаемого изобретения по поддержанию при длительной эксплуатации заданной производительности станка заключается в обеспечении нормированных параметров системы охлаждения элементов шпиндельного узла за счет осуществления температурного режима на поверхности цилиндрической поверхности стакана процесса капельной конденсации паров теплоносителя, при выполнении кривизны винтообразных канавок по линии циклоида как брахистохрона с профилем в виде «ласточкина хвоста».