Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ШПИНДЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ ВНУТРИШЛИФОВАЛЬНОГО СТАНКА ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Космынин А.В., Щетинин В.С., Хвостиков А.С., Смирнов А.В., Блинков С.С.
Выявлен перспективный тип опор шпиндельных узлов для высокоскоростной обработки. Создана опытно-промышленная модель высокоскоростного шпиндельного узла с передней газомагнитной опорой для внутришлифовальных станков. Эксплуатационные испытания шпиндельного узла показали высокое качество обработки деталей.
высокоскоростная обработка
шпиндельный узел
газомагнитная опора

Известно, что трудоемкость операций механической обработки деталей и узлов летательных аппаратов (ЛА) на металлорежущих станках доходит до 35 % от общей трудоемкости изготовления изделий. В связи с этим большую актуальность приобретают задачи повышения эффективности механической обработки, решение которых способствует снижению трудовых затрат, уменьшению эксплуатационных расходов и повышению производительности отдельных операций.

Перспективным путем снижения объема доводочных работ, повышения производительности, точности и себестоимости изготовления деталей ЛА является высокоскоростная обработка. В связи с этим высокие требования по точности и параметрической надежности предъявляются к шпиндельным узлам металлорежущих станков, которые, как показывают исследования [3], до 80 % определяют точность обработки изделий. Поскольку движение формообразования осуществляется шпинделем и шпиндельными подшипниками, то именно они вносят решающий вклад в выходные характеристики станков.

Работа шпиндельных узлов (ШУ) на опорах качения сопровождается нестабильной траекторией движения шпинделя, тепловыми смещениями подшипниковых узлов, периодическим изменением жесткости подшипников, что связано с изменением угла поворота сепаратора с комплектом тел качения и т.д. Применение в конструкциях высокоскоростных ШУ гидростатических подшипников приводит к ограничению частоты вращения шпинделя (из-за потерь на трение) и усложнению конструкции опорного узла. Шпиндели на электромагнитных опорах пока не нашли широкого применения в ШУ вследствие сложности и высокой стоимости шпинделей и электронных систем управления. Указанных недостатков лишены ШУ с подшипниками на газовой смазке. Вместе с тем ШУ на газостатических опорах имеют сравнительно невысокую силу резания, что ограничивает область их применения. Исследования, выполненные в Комсомольском-на-Амуре ГТУ [1], показали, что разные способы организации наддува газа в зазор газостатических опор не ведут к существенному росту выходных характеристик ШУ.

Дальнейшее совершенствование характеристик шпиндельных узлов на бесконтактных подшипниках должно идти по пути внедрения в их конструкцию комбинированных опор. Таким конструктивным решением может служить комбинированная газомагнитная опора, предложенная в Комсомольском-на-Амуре ГТУ [2], сочетающая в себе достоинства газовых и магнитных опор. Обширный комплекс теоретических и экспериментальных исследований выходных характеристик ШУ на газомагнитных опорах позволил сделать вывод о широкой перспективе использования таких ШУ в составе разнообразного металлообрабатывающего оборудования.

Результатом совместной работы Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета с ОАО «КнААПО» явилось создание опытно-промышленной модели высокоскоростного внутришлифовального шпиндельного узла с газомагнитными опорами для внутришлифовальных станков.

Конструкция высокоскоростного внутришлифовального шпинделя к шлифовальному станку мод. 3А228 показана на рисунке.

1

Конструкция высокоскоростного внутришлифовального шпинделя:
1 - цанговый захват; 2 - газомагнитный подшипник; 3 - втулка; 4 - корпус; 5 - шпиндель;
6 - газостатический подшипник; 7 - рабочее колесо турбины; 8 - сопловой аппарат турбины;
9 - регулятор предельной частоты вращения; 10 - входное устройство; 11 - пусковой клапан;
12 - магнитопровод; 13 - соленоид

Корпус ШУ изготовлен длиной 310 мм с внутренним диаметром 70 мм. В нем имеются сверления для подвода сжатого воздуха к газовым подшипникам. Отвод воздуха осуществляется через отверстие диаметром 5 мм. В верхней части со стороны входного устройства размещено окно для отвода отработавшего в турбине воздуха.

Шпиндель длиной 400 мм при диаметре 50 мм изготовлен из стали 38ХМЮА с азотацией на глубину 0,4 мм, твердость HRC 50-55. Он обладает стабильностью размеров, коррозионно устойчив. В его переднем торце выполнено осевое сверление для установки цангового зажима, которым крепится шлифовальный круг. В передней части заодно со шпинделем выполнена пята упорного газового подшипника. На противоположном конце шпинделя сделано сверление для установки крестовины и штока регулятора предельной частоты вращения, а также имеется резьба для крепления рабочего колеса турбины диаметром 70 мм.

ШУ имеет два опорно-упорных подшипника: передний газомагнитный и задний газостатический. Во вкладышах подшипников предусмотрены шпоночные пористые ограничители расхода газа шириной 5 мм и длиной 40 мм, которые размещены в кольцевой ряд в количестве 6 вставок. Вкладыш подшипников изготовлен из бронзы Бр010. Из условия обеспечения максимальной несущей способности зазор между шпинделем и вкладышами подшипников составляет 35 мкм. В переднем подшипнике установлены магнитопроводы шириной 6 мм и длиной 40 мм. Один опорный подшипник в газостатическом режиме работы способен выдержать нагрузку около 180 Н при относительном эксцентриситете ε = 0,5 и избыточном давлении 5 МПа. Передняя газомагнитная опора способна воспринимать радиальную нагрузку до 450 Н. В качестве системы управления используются ПИД-регуляторы с датчиками положения шпинделя, выполненными на ферритовых полукольцах.

Осевое усилие воспринимается и передним, и задним подшипниками. Упорные гребни подшипников имеют 16 осевых питающих отверстий, расположенных в одном кольцевом ряду. Диаметр питателей 0,5 мм. Каждый подшипник несет осевую нагрузку около 60 Н.

Вкладыши опорно-упорных газовых подшипников фиксируются в общей втулке на посадочных местах вклеиванием. Для этой цели используется клей на основе эпоксидной смолы. Как показала практика - это соединение надежно в работе и простое по исполнению.

ШУ работает следующим образом. При подключении его к пневмосети и закрытом пусковом клапане сжатый воздух поступает только на опорно-упорные подшипники, что дает шпинделю возможность «всплыть». При подаче напряжения на выводы соленоидов создается дополнительная сила, которая притягивает шпиндель к соответствующему полюсу. С открытием пускового клапана воздух одновременно идет на подшипники и через сопловой аппарат на турбинное колесо, приводя во вращение шпиндель. Отработавший в турбине воздух выходит из ШУ через окно, а воздух из подшипников - через сквозное сверление диаметром 5 мм во втулке и корпусе.

При избыточном давлении воздуха 0,5 МПа шпиндельный узел имеет следующие технические характеристики: 

Рабочая частота вращения шпинделя, мин-1

30000

Быстроходность d×n, мм/мин:

1,5·106

Диаметр шлифуемого
отверстия, мм

20-200

Длина шлифования
не более, мм

200

Массовый расход сжатого воздуха, кг/с

15∙10-4

Масса, кг

12

Эксплуатационные испытания показали надежную работу шпиндельного узла, отсутствие засаливания шлифовального круга и необходимости разогрева шпинделя. В результате испытаний образцов изделий диаметрами 25 и 40 мм, выполненными из стали 20Х13, получены следующие результаты: некруглость отверстий не более 0,8 мкм, волнистость - до 0,15 мкм, шероховатость поверхности Ra не более 0,06 мкм.

Список литературы

  1. Космынин А.В., Виноградов В.С. Газовые подшипники высокоскоростных шпинделей металлообрабатывающего оборудования. - Владивосток: Дальнаука, 2002.- 326 с.
  2. Космынин А.В., Щетинин В.С. Способ работы подшипникового узла и подшипниковый узел // Патент России № 2347960.2009. Бюл. №6.
  3. Пуш А.В. Шпиндельные узлы. Проектирование и исследование. - М.: Изд-во «Станкин», 2000.- 197 с.

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 24.01.2011..


Библиографическая ссылка

Космынин А.В., Щетинин В.С., Хвостиков А.С., Смирнов А.В., Блинков С.С. ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ШПИНДЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ ВНУТРИШЛИФОВАЛЬНОГО СТАНКА ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ // Фундаментальные исследования. – 2011. – № 8-1. – С. 137-138;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=26801 (дата обращения: 15.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252