Шпиндельный узел металлорежущего станка

 

Использование: изобретение относится к области станкостроения. Сущность изобретения: шпиндельный узел содержит шпиндель 2, смонтированный в корпусе на передним коническом роликоподшипнике, а также на заднем коническом роликоподшипнике, последний установлен непосредственно на шпинделе 2 по посадке с гарантированным минимальным зазором δ_o , а его внутреннее опорное кольцо 12 прижато к роликам 10 посредством спиральных пружин 15, которые размещены в параллельных оси шпинделя глухих отверстиях 14, выполненных в нажимном кольце 13, также установленном непосредственно на шпинделе 2 по посадке с гарантированным зазором δ_в. Выступающие из глухих отверстий концы спиральных пружин 15 взаимодействуют с торцом нажимной гайки 16. Между встречными торцами вспомогательного кольца 13 и нажимной гайки 16 установлен предварительно рассчитанный зазор δ_а для компенсации суммарной осевой тепловой деформации обоих роликоподшипников. 1 ил.

Изобретение относится к станкостроению, предпочтительно к горизонтально-расточным, фрезерным, токарным и т.п. станкам, имеющим рабочий шпиндель, работающий в широком диапазоне действующих на него радиальных нагрузок и скоростей вращения, например, при черновом фрезеровании Rф 2000 кг при n_ф 20^oC100 об/мин и чистовом растачивании Rр 5^oC80 кг при n_max 3000 об/мин.

Известен шпиндельный узел металлорежущего станка, который содержит вал, установленный в корпусе на опорах качения, и размещенное в задней опоре устройство их предварительного натяга с регулятором усилия. Регулятор усилия содержит грузики, установленные на рычаге, размещенном в лазу кронштейна с возможностью поворота и кинематически связанном с установленным на втулке нажимным кольцом. Шпиндельный узел снабжен размещенным на втулке промежуточным кольцом. Промежуточное кольцо взаимодействует с рычагом и упругими элементами.

Это техническое решение имеет следующие недостатки.

Во втулке выполнено отверстие посадочное в 2,5 раза больше, чем ее направляющая ступица, поэтому втулка является неустойчивой и будет разворачиваться на своей направляющей, что приведет к смещению массивных рычагов на различный радиус относительно оси вращения шпинделя. Смещение рычагов-грузиков на различную величину вызовет дисбаланс и сильную вибрацию шпинделя на больших оборотах, которая приведет к поломке механизма.

В механизме отсутствует ограничение хода нажимного кольца и промежуточной втулки. Такое ограничение необходимо, т.к. при высоких оборотах шпинделя рычаги могут развернуться на неопределенный угол и отвести промежуточную втулку на недопустимое расстояние, а это приведет к смещению нажимного кольца, которое отойдет от торцов конических роликов, ролики выйдут из подшипника и произойдет авария.

На низких оборотах шпинделя рычаги будут сильно стучать, т.к. при положении рычага вверху над шпинделем подшипник будет отрываться от конусной поверхности промежуточной втулки, а в нижнем положении наоборот, что приведет к стуку и поломке подшипников.

При торможении шпинделя произойдет поломка механизма, т.к. массивные рычаги грузики некоторое время будут вращаться вместе с комплектами пружин и промежуточной втулкой. Сопротивление вращению рычагов будет оказывать только нажимное кольцо, торец которого находится в трении с торцами роликов конического подшипника. При вращении рычагов произойдет смятие пружин (срезание) и поломка механизма.

Для шпиндельных узлов, имеющих большие диаметры подшипников (например, d вн.отв. 170 мм) потребовался бы очень большой механизм с увеличенным корпусом, т.к. его рычаги грузики должны преодолевать усилие не менее 1000 кг.

Рассматриваемое техническое решение устраняет вышеперечисленные недостатки и позволяет решить все задачи, поставленные при создании шпиндельного узла, а именно: повышение максимальной скорости вращений шпинделя до 3000 об/мин, а также достижения возможности резания на этой скорости в начале производственной смены или после длительного перерыва без прогрева роликоподшипников, упрощение конструкции задней опоры шпинделя, повышение надежности и точности ее вращения.

Таким образом, решение изобретением задачи с получением требуемого технического результата достигается тем, что шпиндельный узел металлорежущего станка, содержащий шпиндель, установленный на опорах, выполненных в виде конических роликоподшипников, и размещенное в задней опоре устройство их предварительного натяга, включающее нажимное кольцо, нажимную гайку и расположенный между ними комплект пружин, внутреннее кольцо конического роликоподшипника задней опоры и нажимное кольцо устройства предварительного натяга установлены на шпинделе с с радиальным зазором с возможностью взаимодействия, нажимное кольцо и нажимная гайка установлены относительно друг друга с зазором для компенсации суммарной осевой тепловой деформации обоих роликоподшипников.

На чертеже показан шпиндельный узел (в разрезе вдоль шпинделя) применительно к горизонтально-расточному станку.

Шпиндельный узел металлорежущего станка (для примера приведен шпиндельный узел горизонтально-расточного станка) содержит смонтированный в шпиндельной бабке 1 на переднем и заднем конических роликоподшипниках вращающийся полый шпиндель 2, внутри которого на направляющих втулках 3 установлен выдвижной шпиндель 4 с конусным отверстием на переднем конце для установки в нем расточных оправок.

Передний конический роликоподшипник содержит наружное опорное кольцо 5, ролики 6, сепаратор 7 и внутреннее опорное кольцо 8. Наружное опорное кольцо 5 запрессовано по неподвижной посадке с натягом в отверстие корпуса шпиндельной бабки 1, а внутреннее опорное кольцо 8 насажено на полый шпиндель 2 также по неподвижной посадке с натягом 0,006. Наружное 5 и внутреннее 8 опорные кольца своими наружными торцами сконтактированы с буртами, имеющимися соответственно в отверстии корпуса шпиндельной бабки 1 и в передней части полого шпинделя 2. Расстояние l_пер вдоль оси вращения между наружными торцами наружного 5 и внутреннего 8 опорных колец является длиной переднего роликоподшипника.

Задний конический роликоподшипник содержит наружное опорное кольцо 9, ролики 10, сепаратор 11 и внутреннее опорное кольцо 12. Наружное опорное кольцо 9 запрессовано по неподвижной посадке с натягом в отверстии корпуса шпиндельной бабки 1 и сконтактировано своим наружно направленным торцом с буртом этого отверстия. Внутреннее опорное кольцо 12 выполнено подвижным вдоль оси вращении полого шпинделя 2. Оно посажено на полом шпинделе 2 на подвижной посадке с высокоточным минимальным гарантированным зазором δ_o= 0,002 - 0,005.

Внутреннее подвижное опорное кольцо 12 состыковано с подвижным вдоль оси шпинделя 2 нажимным кольцом 13, в котором в параллельных оси шпинделя 2 глухих отверстиях 14 размещены одинаковые по характеристике спиральные пружины 15, образующие комплект. Глухие отверстия 14 и размещенные в них спиральные пружины 15 распределены равномерно по окружности в подвижном нажимном кольце 13. Подвижное нажимное кольцо 13 посажено на полом шпинделе 2 с гарантированным зазором δ_в= 0,03 - 0,05 мм, выполненным по обычной для машиностроения технологии. Гарантированный зазор δ_в в 10 раз больше гарантированного зазора δ_o, т.к. он практически не влияет на точность вращения полого шпинделя 2.

Выступающие из подвижного нажимного кольца 13 концы спиральных пружин непосредственно сконтактированы с нажимной гайкой 16, которая навинчена на полый шпиндель 2. Нажимная гайка 16 создает осевую силу предварительного натяга спиральных пружин 15. По величине для средних станков она принимается в пределах Р 450 550 кг, что обеспечивает за счет конусности роликов и опорных колец роликоподшипников восприятие ими радиальной нагрузки от сил резания до R 2000 кг.

Длина заднего роликоподшипника равна расстоянию l_зад вдоль оси вращения между наружными торцами наружного 5 и внутреннего 8 опорных колец.

В задней части полого шпинделя 2 закреплены внутрь выступающие шпонки 17, внутренние края которых размещены в шпоночных пазах 18, вырезанных в выдвижном шпинделе 4. Шпонки 17 предназначены для передачи вращающегося момента от полого шпинделя 2 на выдвижной шпиндель 4. Вращение на полый шпиндель 2 передается от электропривода главного движения шпиндельной бабки (на чертеже не показан, т. к. общеизвестен) через его выходную шестерню 19, сцепленную с зубчатым колесом 20, которая посажена на полом шпинделе 2 и сцеплена с ним шпонкой 21.

Окружная щель между выдвижным 4 и полым 2 шпинделями загерметизирована от утечки масла резиновым сальниковым уплотнением 22, удерживаемым гайкой 23, ввинченной в полый шпиндель 2.

Герметизация переднего роликоподшипника осуществлена фланцем 24, имеющим маслосборные канавки 25, охватывающие передний конец полого шпинделя 2.

Со стороны переднего торца на полом шпинделе 2 выполнено цилиндрическое отверстие 26 и резьбовые отверстия 27, которые служат для крепления торцевых фрез на полом шпинделе 2.

При сборке шпиндельного узла предусмотрен путем подгонки осевой зазор δ_а между обращенными друг к другу торцами вспомогательного кольца 13 и нажимной гайки 16, который по величине значительно превышает максимальный ход внутреннего опорного кольца 12 и заднего роликоподшипника в период компенсации тепловых деформаций деталей обоих роликоподшипников. Осевой зазор δ_а, по назначению является аварийным, не допускающим недопустимо больших смещений оси переднего конца полого шпинделя 2 эксцентрично оси наружного опорного кольца 5 и одновременного смещения всего полого шпинделя 2 вперед. Эти недопустимые смещения оси грозят растяжением и разрывом сепаратора 7 из-за потери части роликов 6 контакта с дорожкой качения на наружном опорном кольце 5.

Работает шпиндельный узел следующим образом. В начале производственной смены или после длительного перерыва все детали, составляющие шпиндельный узел, имеют температуру окружающей среды. При придании полому шпинделю 2 ( а вместе с ним и выдвижному шпинделю 4) максимальной скорости вращения, например, n_max 2500 3000 об/мин под действием сил трения качения ролики 6,10 и опорные кольца 5,8 и 9,12 соответственно переднего и заднего роликоподшипников быстро нагреваются, их температура превышает температуру окружающей среды на несколько десятков градусов, например, Δt = 25 ... 30°C, т.к. на ролики 6,10 и опорные кольца 5,8 и 9,12 действуют силы нагрузки, созданные предварительным натягом от упругой деформации комплекта спиральных пружин 15.

Нагрев роликов 6,10, наружных 5,9 и внутренних 8,12 опорных колец переднего и заднего роликоподшипников сопровождаются увеличением их радиальных размеров.

Однако увеличения радиальных размеров наружных опорных колец 5,9 среднего и заднего роликоподшипников не происходит, т.к. этому препятствуют посадочные отверстия в шпиндельной бабке 1, которая имеет температуру окружающей среды. Таким образом, фактически наружные опорные кольца 5,9 переднего и заднего роликоподшипников подвергаются тепловому обжатию за счет сохранения наружных размеров при нагреве и в них возникают дополнительные напряжения сжатия.

Увеличение радиальных размеров роликов 6,10 и внутренних опорных колец 8,12 переднего и заднего роликоподшипников достигается за счет соответствующего увеличения осевых длин l_пер переднего и l_зад заднего роликоподшипников.

Увеличение осевой длины l_пер переднего роликоподшипника приводит к нарушению равновесного состояния полого шпинделя 2 и он смещается от первоначального положения вдоль оси вращения по направлению к своему переднему концу, дополнительно сжимая через нажимную гайку 16 комплект спиральных пружин 15.

Увеличение осевой длины l_зад заднего роликоподшипника приводит к нарушению равновесного состояния подвижного внутреннего опорного кольца 12, и оно смещается от первоначального положения вдоль оси вращения по направлению к заднему концу полого шпинделя 2, дополнительно прижимая к нажимной гайке 16 комплект спиральных пружин 15.

Таким образом, увеличения осевых длин l_пер переднего и l_зад заднего роликоподшипников приводит к дополнительному сжатию комплекта спиральных пружин 15 и дополнительному увеличению величины предварительного натяга, который возрастает по расчетам на несколько процентов (5-8%).

Увеличение радиальных размеров внутреннего опорного кольца 8 переднего роликоподшипника приводит к уменьшению напряжения растяжения, возникающего в нем при монтаже по неподвижной посадке (с натягом) на полом шпинделе 2. Такое уменьшение напряжения растяжения продолжается до тех пор, пока передний конец полого шпинделя 2 нагреется от переднего роликоподшипника и их температуры сравняются.

Увеличение радиальных размеров подвижного внутреннего опорного кольца 12 заднего роликоподшипника происходит с небольшим опережением увеличения диаметра заднего конца полого шпинделя 2, т.к. тепловой поток хорошо передается через минимальный посадочный гарантированный зазор δ_o. При этом гарантированный зазор δ_o незначительно кратковременно увеличивается (ориентировочно на 10-20% ), что не ведет к потере точности вращения подвижного внутреннего опорного кольца 12 и установленного в нем заднего конца полого шпинделя 2. К тому же незначительное увеличение минимального гарантированного зазора δ_o длится кратковременно, например, 0,5^oC0,8 мин, т.к. задний конец шпинделя 2 быстро нагревается от подвижного внутреннего опорного кольца 12 и их температуры сравняются.

В горизонтально-расточных станках высокопроизводительная черновая обработка поверхностей производится, как правило, торцевыми фрезами, закрепляемыми непосредственно на переднем торце полого шпинделя 2 с установкой посадочного бурта фрезы в отверстие 26 и закреплением ее корпуса винтами, ввинчиваемыми в резьбовые отверстия 27. При черновой обработке поверхностей могут возникнуть аварийные ситуации, при которых резко возрастают радиальные нагрузки, значительно превышающие расчетные. Такие аварийные радиальные нагрузки могут возникнуть из-за инородных включений в обрабатываемом материале, работы с затупившейся или частично сломанной фрезой. Аварийные радиальные нагрузки вследствие проскальзывания роликов 6 вдоль своих образующих по дорожке качения наружного опорного кольца 5 в переднем роликоподшипнике вызывают пропорциональные по величине аварийные осевые нагрузки, превышающие упругие силы пружин 15. Под действием аварийных осевых нагрузок концы пружин 15 сжимаются и нажимная гайка 16 упирается своим торцом в торец нажимного кольца 13. Этим прекращается аварийное смещение полого шпинделя 2 вперед и исключается потеря контакта роликов 6 с дорожкой качения в наружном опорном кольце 5 (потеря контакта роликов 6 с дорожкой качения в наружном опорном кольце 5 грозит растяжением и разрывом сепаратора 7 под действием центробежных сил от вращающихся роликов 6 вокруг оси шпинделя 2, что грозит попаданием краев сепаратора между роликами 6 и дорожкой качения на наружном опорном кольце 5, т.е. неизбежным разрушением переднего роликоподшипника).

Формула изобретения

Шпиндельный узел металлорежущего станка, содержащий шпиндель, установленный на опорах, выполненных в виде конических роликоподшипников, и размещенное в задней опоре устройство их предварительного натяга, включающее нажимное кольцо, нажимную гайку и расположенный между ними комплект пружин, отличающийся тем, что внутреннее кольцо конического роликоподшипника задней опоры и нажимное кольцо устройства предварительного натяга установлены на шпинделе с радиальным зазором с возможностью взаимодействия, при этом нажимное кольце и нажимная гайка установлены относительно друг друга с зазором для компенсации суммарной осевой тепловой деформации обоих роликоподшипников.

РИСУНКИ

Рисунок 1