Газовая опора

 

Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано в шпиндельных узлах металлорежущих станков, например в электрошпинделях внутри шлифовальных станков для подшипниковой промышленности. Газовая опора содержит приводной вал, смонтированный в корпусе на двух радиально-упорных подшипниках, образованных коническими поверхностями вала и охватывающими их коническими поверхностями втулок, которые разделены между собой газовым зазором, причем одна из втулок установлена в корпусе жестко, а вторая - с возможностью осевого перемещения посредством устройства смещения, воздействующего на торцевую поверхность этой втулки, а также систему подачи смазки. Вторая втулка установлена в корпусе через регулировочное кольцо. На конических поверхностях вала выполнены глухие продольные сегментные канавки переменной глубины, которая увеличивается к торцам подшипников. Устройство смещения выполнено в виде группы пружин с различной жесткостью. Техническим результатом изобретения является усовершенствование газовой опоры, в которой за счет изменения конструкции обеспечивается сохранение постоянной толщины газового слоя, что приводит к увеличению несущей способности опоры и повышению надежности работы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано в шпиндельных узлах металлорежущих станков, например в электрошпинделях внутри шлифовальных станков для подшипниковой промышленности.

Известен гидростатический подшипник (патент Великобритании 1462048, МКИ 2 F 16 С 32/06, 1977), содержащий вал, смонтированный в корпусе в двух подшипниковых узлах, образованных коническими участками вала и охватывающими этот вал коническими внутренними поверхностями втулок, разделенные между собой гидростатическим зазором. На внутренних поверхностях втулок выполнены продольные канавки, соединенные отверстиями с наружными цилиндрическими поверхностями втулок, на которых имеются окружные проточки, глубина которых в периферийной части больше. Втулки с охватывающей их внутренней цилиндрической поверхностью корпуса образуют ограничители потока смазывающей жидкости, которая подается под давлением в указанные окружные проточки для разъединения конических поверхностей вала и втулок.

Недостатком известного решения гидростатического подшипника является то, что в его конструкции отсутствуют регулирующие элементы, обеспечивающие формирование гидростатического зазора в процессе сборки и поддержание его постоянной величины при работе. Кроме того, жесткая фиксация втулок на корпусе может привести к потере работоспособности вследствие заклинивания вала из-за его теплового расширения, поскольку возникает значительная разность температур между валом и охватывающими его через гидростатический зазор втулками.

Известен воздушный подшипник (заявка Японии 2-39644, МКИ 5 F 16 С 32/06, 1990), содержащий приводной вал, конусообразные концы которого установлены в конические отверстия втулок с образованием зазоров, в которые подается сжатый воздух. Причем телесный угол конического отверстия втулки равен телесному углу конусообразного конца вала, установленного в это отверстие. Воздушный подшипник снабжен механизмом, перемещающим одну из втулок параллельно оси вала, и датчиком, определяющим величину зазора.

К недостаткам данного решения относится большая сложность технических средств, обеспечивающих формирование расчетных газостатических зазоров, и ухудшенные условия распределения смазки, обусловленные формой поверхностей, формирующих эти зазоры.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является саморегулирующаяся гидростатическая опора (патент США 4919547, МКИ 5 F 16 С 32/06, 1990), содержащая приводной вал, смонтированный в корпусе на двух радиально-упорных подшипниках, образованных коническими поверхностями вала и охватывающими их коническими поверхностями втулок, которые разделены между собой газовым зазором, а также систему подачи смазки в зазоры.

Втулки базируются на корпусе при помощи уплотнений с низким коэффициентом трения. Одна из втулок закреплена на корпусе жестко, а вторая установлена с возможностью осевого перемещения вдоль оси корпуса посредством устройства смещения, выполненного в виде пружины, воздействующей на торцевую поверхность этой втулки. Указанная втулка перемещается вдоль оси корпуса под действием осевой отжимающей силы, возникающей при увеличении давления в зазоре. Автоматическое саморегулирование величины зазоров осуществляется противодействием осевой отжимающей силы и силы отжатия пружины. В качестве смазки может использоваться жидкость или газ.

Недостатком описанной саморегулирующейся гидростатической опоры является исключительная сложность обеспечения расчетной величины зазоров радиально-упорных подшипников в процессе сборки. Отсутствие регулировки при обеспечении расчетной величины зазоров подшипников в процессе сборки искажает расчетную модель устройства, а сопутствующие погрешности формы деталей при изготовлении еще больше усиливают отмеченное искажение. Система подачи смазки в зазоры не обеспечивает оптимальные условия распределения давления смазки в зазорах.

Все эти недостатки при формировании смазочного слоя приводят к снижению несущей способности опоры и снижению ее работоспособности. Недостатком также является осевое поджатие одного из подшипников единой центральной пружиной, поскольку такое решение не обеспечивает надежной соосности при поджатии и значительно увеличивает габариты опоры.

Эти недостатки не позволяют получить технический результат, который достигается при использовании предложенного изобретения.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования газовой опоры, в которой за счет изменения конструкции обеспечивается сохранение постоянной толщины газового слоя, что приводит к увеличению несущей способности опоры и повышению надежности работы.

Поставленная задача решается тем, что в газовой опоре, содержащей приводной вал, смонтированный в корпусе на двух радиально-упорных подшипниках, образованных коническими поверхностями вала и охватывающими их коническими поверхностями втулок, которые разделены между собой газовым зазором, причем одна из втулок установлена в корпусе жестко, а вторая - с возможностью осевого перемещения посредством устройства смещения, воздействующего на торцевую поверхность этой втулки, а также систему подачи смазки, согласно изобретению вторая втулка установлена в корпусе через регулировочное кольцо, а на конических поверхностях вала выполнены глухие продольные сегментные канавки переменной глубины, которая увеличивается к торцам подшипников. При этом устройство смещения выполнено в виде группы пружин с различной жесткостью.

Совокупность всех существенных признаков предложенного решения позволяет скомпенсировать тепловое расширение вала и упруго радиальные деформации, возникающие на высоких частотах вращения вала без изменения расчетной толщины газового слоя в радиально-упорных подшипниках.

Наличие регулировочного кольца позволяет с достаточной технологической точностью и простотой собрать радиально-упорные подшипники, обеспечив расчетный газовый зазор, в котором скомпенсированы технологические погрешности формы изготовления. Наличие на конических поверхностях вала глухих продольных сегментных канавок переменной глубины, которая увеличивается к торцам подшипников, приводит к улучшению распределения смазки в газовых зазорах и к увеличению давления, что позволяет повысить несущую способность опоры и устойчивость вращения вала на высоких частотах.

Устройство смещения обеспечивает поддерживание постоянной величины газовых зазоров в автоматическом режиме за счет противодействия осевой отжимающей силы и силы отжатия пружин, а выполнение устройства смещения в виде группы пружин с различной жесткостью предотвращает возникновение вибраций и гасит всевозможные отклонения положения оси вала, которые возникают при его вращении на высоких частотах.

Все это в результате приводит к увеличению нагрузочной способности газовой опоры и повышению надежности ее работы.

Сущность изобретения поясняется на примере газовой опоры шпинделя.

На фиг.1 показан общий вид газовой опоры шпинделя в разрезе; на фиг.2 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.3 - вид А на фиг.1.

Газовая опора шпинделя содержит приводной вал 1, смонтированный в корпусе 2 на двух радиально-упорных подшипниках. Передний подшипник образован конической поверхностью вала 1 и охватывающей его конической поверхностью втулки 3, жестко закрепленной в корпусе болтами 4. Задний радиально-упорный подшипник образован конической поверхностью вала 1 и охватывающей его конической поверхностью втулки 5, установленной в корпусе с возможностью осевого перемещения. Наружная торцевая поверхность втулки 5 примыкает к ряду пружин 6 и 7, а внутренняя торцевая поверхность опирается на корпус 2 через регулировочное кольцо 8. Пружины 6, 7 закреплены на корпусе при помощи болтов 9 и контровочных элементов 10. На конических поверхностях вала 1 выполнены глухие продольные сегментные канавки 11, размещенные равномерно по окружности.

На внутренней конической поверхности втулки 3 выполнена кольцевая проточка 12, соединенная с каналом подвода сжатого газа штуцером 13. На внутренней конической поверхности втулки 5 выполнена кольцевая проточка 14, соединенная с каналом подвода сжатого газа штуцером 15. Газовый зазор радиально-упорных подшипников сообщается с внешней средой со стороны наружных торцов втулок 3, 5, а со стороны внутренних торцов - с полостями 16, 17, которые в свою очередь сообщаются с окружающей средой каналам 18, 19.

В передней части вала закреплена оправка 20, несущая технологический инструмент 21.

Газовая опора шпинделя работает следующим образом.

Сжатый воздух от штуцеров 13, 15 по каналам поступает в кольцевые проточки 12 и 14. Попадая в центральную часть радиально-упорных подшипников, сжатый воздух под давлением распространяется к торцам подшипников, двигаясь преимущественно по глухим продольным сегментным канавкам 11. Указанные канавки обеспечивают максимальные несущие способности объемов подшипников с одной стороны, а с другой стороны - значительное упрощение подачи газовой смазки по сравнению с известными устройствами.

Сжатый воздух, проходя через зазоры, частично выходит непосредственно в окружающее пространство, а частично попадает в полости 16, 17 и затем выходит в окружающее пространство по каналам 18, 19 соответственно.

По мере вращения вала 1 возникают температурные деформации как от работы электродвигателя, так и от работы технологического инструмента. В результате температурных деформаций уменьшаются величины расчетных несущих газовых слоев подшипников. Компенсацию этого явления обеспечивает, с одной стороны, жестко посаженная на корпус 2 втулка 3, а, с другой стороны, - подвижная относительно корпуса втулка 5, которая опирается на корпус через регулировочное кольцо 8. Уменьшение величины газового зазора приводит к возникновению значительных осевых сил раздвижения подшипников. Под действием распирающих сил втулка 5 перемещается в осевом направлении и восстанавливает расчетные газовые зазоры, преодолевая при этом сопротивление, возникающее от упругодемпфирующих элементов пружин 6, 7. Уравнивание этих сил позволяет в автоматическом режиме компенсировать температурные деформации вала с сохранением постоянной толщины несущего газового слоя.

Кроме того, различные отклонения положения оси вала, возникающие при его вращении на высоких частотах, эффективно гасятся группой пружин 6, 7, которые имеют различную жесткость.

Особо необходимо отметить функциональность регулировочного кольца 8, которое при сборке газовой опоры шпинделя обеспечивает необходимый элемент подгонки для формирования расчетных газовых зазоров. Действительно в процессе сборки величина газовых зазоров между валом 1 и втулками 3, 5 обеспечивается осевым положением втулки 5 относительно неподвижного корпуса 2. При необходимости технологической операцией - "плоской шлифовкой" - можно легко добиться выхода на расчетные газовые зазоры.

Учитывая погрешности изготовления, которые присутствуют даже при прецизионном изготовлении и ощутимы на величинах 10...20 мкм, что соответствует величинам применяемых газовых зазоров, очень важной является компенсация этих погрешностей благодаря наличию регулоровочного кольца 8 и возможности контроля несущей способности газовой опоры шпинделя.

Формула изобретения

1. Газовая опора, содержащая приводной вал, смонтированный в корпусе на двух радиально-упорных подшипниках, образованных коническими поверхностями вала и охватывающими их коническими поверхностями втулок, которые разделены между собой газовым зазором, причем одна из втулок установлена в корпусе жестко, а вторая - с возможностью осевого перемещения посредством устройства смещения, воздействующего на торцевую поверхность этой втулки, а также систему подачи смазки, отличающаяся тем, что вторая втулка установлена в корпусе через регулировочное кольцо, а на конических поверхностях вала выполнены глухие продольные сегментные канавки переменной глубины, которая увеличивается к торцам подшипников.

2. Газовая опора по п.1, отличающаяся тем, что устройство смещения выполнено в виде группы пружин с различной жесткостью.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3