Шпиндельные узлы на газостатических опорах.
Ученые и разработчики из Комсомольска-на-Амуре представляют инновационную разработку высокоскоростной шпиндельный узел на частично пористых газостатических подшипниках для прецизионной обработки на шлифовальных станках внутренних и наружных поверхностей деталей.
Современный уровень требований к точности, быстроходности и долговечности шпиндельных узлов характеризуется следующими показателями:
• погрешность вращения — менее 0,5 мкм;
• долговечность — более 5000 часов;
• быстроходность — более 5-Ю5 мм-мин'.
Достижение таких высоких показателей при шлифовании изделий с использованием шпиндельных узлов на опорах качения осложняется сравнительно малой окружной скоростью резания, что вынуждает прибегать к сильному прижатию круга. Это приводит к изгибу оправки, искажению геометрии изделия и снижению качества шлифуемой поверхности из-за засаливания круга.
Внедрение в конструкцию шпиндельных узлов подшипников на газовой смазке позволяет повысить жесткость и массу шпинделя путем увеличения диаметра рабочих шеек при одновременном повышении окружной скорости шлифовального круга. Последнее позволяет шлифовать с большими подачами, что приводит к повышению производительности труда, улучшению качества шлифования и уменьшению чувствительности к дисбалансу оправки и круга, так как их масса заметно меньше массы шпинделя.
Помимо сказанного, многолетний опыт Экспериментального научно-исследовательского института металлорежущих станков (ЭНИМС) по эксплуатации пневмошпинделей с подшипниками на газовой смазке в условиях мелкосерийного и серийного производства позволил выявить их дополнительные преимущества по сравнению со шпинделями на опорах качения:
• большую долговечность, определяемую временем работы шпинделя при неизменном качестве шлифования;
• в 4-5 раз меньший уровень вибрации;
• применение чистого воздуха в качестве смазки исключило загрязнение окружающей среды масляным туманом.
Результатом совместной работы Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета с ОАО «Комсомольское-на-Амуре производственное авиационное объединение им. Ю.А. Гагарина» явилось создание двух моделей высокоскоростных внутришлифовальных пневмошпинделей шлифовальных станков.
Конструкция высокоскоростного внутришлифовального шпинделя к шлифовальному станку мод. ЗА228 показана на рисунке выше.
Газовыми опорами шпинделя служат: двухсторонний упорный подшипник с микролабиринтами и два радиальных подшипника с частично пористой стенкой вкладыша. Каждый радиальный подшипник имеет два ряда пористых вставок диаметром 4 мм, расположенных равномерно по окружности. Материал вставок — пористая бронза, изготовленная методом порошковой металлургии. При диаметре шпинделя 30 мм относительная длина подшипников равна 1,2. Относительное расстояние пористых вставок от торцов подшипника — 0,26. Средний радиальный зазор с=17 мкм. Вкладыш подшипников изготовлен из бронзы Бр010, а шпиндель — из стали 3X1 3. После токарной обработки шпиндель закаливался до твердости HRC 60-62 с охлаждением ниже 70 °С между промежуточными отпусками. Такая термообработка стабилизирует структуру металла и тем самым предотвращает в дальнейшем поводку шпинделя. После окончательной обработки поверхности шпинделя отклонения от формы (конусность, овальность, бочковатость и т.д.) не превосходили 10 мкм.
Шпиндель имеет следующие технические характеристики (при избыточном давлении воздуха 0,5 МПа) и данные:
• мощность — 1,6 кВт;
• частота вращения — 32 000 мин';
• быстроходность — 9,6-105 мм/мин.;
• диаметр шлифуемого отверстия — не более 200 мм
• диаметр шлифовального круга — не более 70 мм.
Габаритные размеры:
• диаметр гильзы — 100 мм;
• длина — 400 мм;
• масса — 18 кг.
Испытания опытного образца внутришлифовального шпинделя показали хорошее качество шлифуемой электрокорундовым кругом 25СТ18К поверхности отверстий (сталь Х18Н10Т, шероховатость Ra — не более 0,04 мкм), высокую точность ее обработки (отклонение от округлости — не более 0,2 мкм, волнистость поверхности на доводочном режиме не обнаружена) и безотказную работу газовых опор. Установлено также, что при работе на разработанной конструкции шпинделя износ шлифовального круга уменьшается 1,4 раза по сравнению с отраслевой конструкцией головки мод. ВШГ 000.000РЭЭ на опорах качения. При этом производительность труда возрастает примерно в 2,3 раза.
В 2008 году на VIII Московском международном салоне инноваций и инвестиций и XIII Международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Промышленные инвестиции» (г. С.-Петербург) представленный шпиндельный узел отмечен серебряными медалями.
Высокоскоростной шпиндельный узел внутришлифовального станка мод. ЗК227В изображен на рис.
Шпиндельный узел спроектирован с учетом возможности работы от штатного привода и от воздушного турбопривода. Газовыми опорами шпинделя служат радиальные подшипники с частично пористой стенкой вкладыша, двухсторонний кольцевой подпятник выполнен с лабиринтными уплотнениями.
Основными конструктивными элементами шпиндельного узла являются:
1 — шлифовальный круг,
2 — радиальный газовый подшипник,
3 — корпус,
8 — радиально-упорный газостатический подшипник,
9 — упорный газовый подшипник
11 — шпиндель.
Каждый радиальный подшипник имеет два ряда пористых вставок 4 диаметром 6 мм, расположенных равномерно по окружности. Средний радиальный зазор составляет 35 мкм. При диаметре вала 40 мм относительная длина подшипников равна 1,2. Относительное расстояние пористых вставок от торцов подшипника — 0,25. Вкладыш подшипника изготовлен из бронзы Бр010.
Упорные подшипники — двухрядные, с шестью питателями диаметром 0,4 мм. Упорным гребнем подшипников служит кольцо, выполненное заодно со шпинделем.
Шпиндель длиной 400 мм изготовлен из стали 38ХМЮА с азотацией на глубину 0,4 мм, твердость — HRC 50-55. Он обладает стабильностью размеров, коррозионно-устойчив.
Материал корпуса пневмошпинделя — сталь 30ХГСА. В стенке корпуса в осевом направлении высверлен канал 5 для подвода сжатого воздуха к питателям подшипников. В центральной части корпуса имеется отверстие 6 для отвода отработавшей воздушной смазки в окружающую среду.
Сжатый воздух давлением 0,4-0,6 МПа подается к воздушным опорам пневмошпинделя через штуцер 10. Утечка сжатого воздуха из камеры нагнетания смазки предотвращается кольцевыми резиновыми уплотнениями 7, размешенными в корпусе подшипников.
При избыточном давлении воздуха 0,5 МПа шпиндельный узел имеет следующие технические характеристики:
• рабочая частота вращения шпинделя, мин1:
— для штатного привода станка — 11 000;
— для турбопривода — 30 000.
• быстроходность, мм/мин:
— для штатного привода станка — 4,4-105;
— для турбопривода — 1,2-106;
• диаметр шлифуемого отверстия — 20-200 мм;
• длина шлифования — не более 200 мм;
• массовый расход сжатого воздуха — 15-104 кг/с;
• масса — 11 кг.
Эксплуатационные испытания показали надежную работу шпиндельного узла как от турбинного, так и от ременного привода, отсутствие засаливания шлифовального круга и необходимости разогрева шпинделя. При работе от турбинного привода некруглость отверстий диаметром 24 и 38 мм, выполненных в стали 20X13, составляла не более 1,2 мкм, волнистость — до 0,1-0,2 мкм, шероховатость поверхности Ra — не более 0,16 мкм. При работе от ременного привода некруглость отверстий — не более 1,4 мкм, волнистость — не более 0,4 мкм, шероховатость поверхности Ra — не более 0,32 мкм.
Александр Космынин, д. т. н.,
Алексей Смирнов, к. т. н.,
Вячеслав Шалоллов, инженер,
Сергей Виноградов, инженер,
Комсомольский - на - Амуре государственный технический университет
