Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,674

THE INFLUENCE OF SIZE MAGNETIC-WIRE ON CHARACTERISTICS OF SPINDLE UNIT WITH GAS-MAGNETIC BEARING

Kosmynin A.V. 1 Shchetinin V.S. 1 Khvostikov A.S. 1 Smirnov A.V. 1 Blinkov S.S. 1
1 SEIHPE «Komsomolsk-na-Amure state technical university», Komsomolsk-na-Amure
Methodology of calculation of output descriptions of high speed spindle unit is considered with front gas-magnetic bearing strength of which is condi-tioned by the united action of gas forces and forces of the electromagnetic field. A construction over of such bearing is brought. With the purpose of verification of authenticity of theoretical results of calculations their comparison over is brought with experimental data. Analysed influence of the length magnetic conductor of double-pole gas-magnetic bearing on operational characteristics of spindle unit. On the basis of the executed researches the industrial construction of high-speed spindle unit the tests of which were shown on high quality and exactness of the processed surfaces is made.
spindle unit
gas-magnetic bearing
carrier ability
rigidity lubricating layer

Развитие современной промышленности предъявляет повышенные требования к технологическому оборудованию по производительности и точности. Одним из видов такого оборудования являются шлифовальные станки, применяемые на финишных операциях для прецизионной и сверхпрецизионной обработки. Точность и производительность таких станков зависит в основном от точности работы шпиндельного узла (ШУ).

Высокоскоростные ШУ шлифовальных станков должны обеспечивать высокую быстроходность, жесткость на шлифовальном круге и достаточную силу резания для повышения производительности и точности обработки.

Высокая быстроходность ШУ достигается при использовании бесконтактных газовых или магнитных опор. Однако такие подшипники имеют сравнительно невысокую несущую способность [5], что ограничивает силу резания на шлифовальном круге и приводит к снижению производительности, особенно при снятии черновых и получистовых припусков.

Один из способов повышения эксплуатационных характеристик бесконтактных опор ШУ состоит в применении комбинированных подшипников, и, в частном случае, газомагнитных опор. Несущая способность таких подшипников обеспечивается совместным действием сил давления газовой смазки и магнитного поля [4].

Рассмотрим методику расчета выходных характеристик ШУ с передней газомагнитной и задней газостатической опорами. Передняя опора имеет два магнитных полюса. Газ в зазор подшипников подается через пористые вставки, расположенные в газонепроницаемом вкладыше. Типовая схема ШУ с креплением шлифовального круга на консоли шпинделя показана на рис. 1.

Нагрузка на шлифовальном круге находится из двух уравнений статики: суммы проекций сил на ось Y:

214

и уравнения моментов относительно точки О:

215

где Q1 и Q2 - несущая способность передней и задней опоры соответственно; M - восстанавливающий момент от перекоса передней и задней опоры.

Представленные выражения показывают, что для определения нагрузки на шлифовальном круге необходимо знать несущую способность опор и восстанавливающий момент от перекоса шпинделя. При этом заметим, что последняя величина, как показали расчеты, на порядок меньше моментов сил Q1 и Q2.

Расчет частично пористых газостатических подшипников ШУ достаточно полно изложен в работе [2].

Рассмотрим методику расчета эксплуатационных характеристик газомагнитной опоры с двумя магнитными подвесами, изображенной на рис. 2.

pic 

Рис. 1. Схема ШУ с креплением шлифовального круга на консоли шпинделя:
1 - передняя газомагнитная опора; 2 - задняя газостатическая опора; 3 - магнитопровод

500
 

Рис. 2. Схема газостатической опоры с двумя магнитными подвесами

Методика расчета газомагнитной опоры базируется на том, что поле давлений газовой смазки и магнитное поле имеют разную природу и не оказывают заметного влияния друг на друга. Тогда несущую способность такой опоры можно представить как результирующий вектор двух силовых векторов - магнитной силы и силы давления газа.

В скалярной форме выражение для определения несущей способности газомагнитной опоры имеет вид:

216

где Qx и Qy - проекции нагрузки на ось X и Y соответственно. Каждая из этих проекций равна:

217  218

где Qxг и Qyг - проекции на ось X и Y газовой составляющей несущей способности, Fxм и Fyм - проекции на ось X и Y магнитной составляющей несущей способности.

Согласно работе [3] проекции на оси координат газовой составляющей нагрузки равны:

219

220

где R - радиус вкладыша, L - длина подшипника, р - давление в газовом слое, φ - координата в окружном направлении подшипника, z - координата в осевом направлении подшипника.

Магнитная составляющая несущей способности опоры по абсолютной величине равна тяговому усилию соленоидов. Известно [1], что его элементарная величина находится по формуле:

221 (1)

где В - магнитная индукция, S - площадь ферромагнитного тела, μ0 - магнитная постоянная.

Принимая во внимание хорошо известную зависимость индукции от величины зазора, выражение (1) запишем в виде

222 (2)

где 223 - коэффициент, учитывающий электрические параметры соленоида; i - ток в соленоиде; n - число витков соленоида; h - зазор между шпинделем и вкладышем подшипника.

Зависимость (2) является исходной при определении магнитной составляющей несущей способности, развиваемой двумя электромагнитами.

Поскольку величина зазора в сравнении с линейными размерами полюса меньше примерно в 10-3, то примем допущение об однородности магнитного поля. Принимая это во внимание, можно показать, что при угловой раздвижке электромагнитов α проекции магнитной составляющей нагрузки с учётом длины магнитопровода Т на оси координат находятся из выражений:

224

225

где ψ - угол положения нагрузки; β - окружная координата начала первого полюса; φм - полюсный угол; Т - длина электромагнита.

Заметим, что зазор 226 между шпинделем и вкладышем подшипника находится из выражения:

227

где 228 - параметр перекоса; 229 - удлинение подшипника; с - средний радиальный зазор; ε - относительный эксцентриситет; γ - угол перекоса; - диаметр подшипника; - длина подшипника.

Жесткость, измеренная на шлифовальном круге, определяется по формуле:

230

где у - смещение оси круга.

Изложенная методика послужила основой для исследования влияния длины магнитопровода Т - одного из основных элементов конструкции газомагнитной опоры, на выходные характеристики ШУ.

Результаты расчёта нагрузки F и жесткости J на шлифовальном круге в зависимости от частоты вращения шпинделя и длины магнитопровода представлены соответственно на рис. 3 и 4. Расчет выполнен, когда несущая способность передней опоры создается только как за счёт сил давления газа (T = 0), так и при совместном действии газового и магнитного поля с относительной магнитной силой 231. Экспериментальные данные получены на стенде. Конструкции и принцип работы стенда подробно описаны в работе [3].

Относительная магнитная сила определяется по следующей зависимости:

232

где 233 - абсолютная магнитная сила; ΔP - избыточное давление наддува газа.

Из представленных зависимостей видно, что увеличение длины магнитопровода позволяет увеличить нагрузку на шлифовальном круге. Следует отметить, что при работе опоры в газомагнитном режиме при постоянной магнитной силе (234) жесткость шпиндельного узла ниже. Этот недостаток устраняется при использовании следящей системы управления положением шпинделя.

501 

Рис. 3. Зависимость нагрузки F на шлифовальном круге от частоты вращения шпинделя n и длины магнитопровода T; режим работы ШУ с выключенным электромагнитом;
 режим работы ШУ с включенным электромагнитом; ■ - эксперимент при Т = 40 мм;
● - эксперимент с выключенным электромагнитом

502

Рис. 4. Зависимость жесткости J на шлифовальном круге от частоты вращения шпинделя n
и длины магнитопровода T; режим работы ШУ с выключенным электромагнитом; режим работы ШУ с включенным электромагнитом

В Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете спроектирован и изготовлен опытно-промышленный образец высокоскоростного внутришлифовального шпиндельного узла, имеющего переднюю газомагнитную опору, а заднюю - газостатическую.

В результате испытаний ШУ при обработке образцов изделий диаметрами 25 и 40 мм, выполненными из стали 20×13, получены следующие результаты: некруглость отверстий не более 1,0 мкм, волнистость - до 0,15 мкм, шероховатость поверхности Ra не более 0,12 мкм, что на 10-15 % выше, чем у ШУ, имеющих только газостатические опоры.

Из сказанного следует, что применение в станках ШУ с газомагнитными опорами позволит более эффективно использовать станочное оборудование за счет совмещения получистовых, чистовых и финишных операций за один установ, а также получать более высокое качество обработки.

Рецензенты:

Козин В.М., д.т.н., профессор, главный научный сотрудник Института машиноведения и металлургии ДВО РАН, г. Комсомольск-на-Амуре;

Амосов О.С., д.т.н., профессор, зав. кафедрой информатики ФГОУ ВПО «Амурский гуманитарно-педагогический государственный университет», г. Комсомольск-на-Амуре.

Работа поступила в редакцию 25.02.2011.