Узел шлифовального шпинделя

 

Изобретение предназначено для обработки тел вращения абразивным инструментом с аксиально смещенным режущим слоем и может быть использовано при проектировании, изготовлении и эксплуатации шлифовальных, полировальных, доводочных и отделочных станков и приспособлений. Задача изобретения: повышение надежности, долговечности и улучшение качества обрабатываемых изделий путем уменьшения переменных динамических нагрузок благодаря установке дополнительной осциллирующей опоры, работающей в местах равного прогиба вала. Узел шлифовального шпинделя содержит вал 3, установленный в неподвижной пиноли 1 на двух радиальных опорах 4 и 5, расстояние между которыми l, и закрепленные консольно на валу со стороны передней опоры 5 под углом к плоскости вращения абразивный круг 6 с аксиально смещенным режущим слоем, а с другой стороны ведомый шкив 2. Кроме того, вал снабжен осциллирующей синхронно аксиально смещенному режущему слою круга опорой 7, размещенной на расстоянии X_max = 0,42265l от передней опоры 5 в месте максимального прогиба оси вала, причем величина осцилляции опоры 7 есть расстояние между точкой X_max и ближайшей к передней опоре 5 точкой X_min минимального прогиба на оси с максимальным прогибом. 3 ил.

Изобретение касается обработки тел вращения абразивным инструментом с аксиально смещенным режущим слоем (АРС) и может быть использовано при проектировании, изготовлении и эксплуатации шлифовальных, полировальных, доводочных и отделочных станков и приспособлений.

Известен шпиндель высокоскоростного шлифовального станка, выполненный в виде ротора, установленного в двух подшипниковых опорах, и приводимый во вращение шкивом от электродвигателя через ременную передачу, у которого одна из подшипниковых опор выполнена упругой, а другая - шарнирной, над последней установлен шкив так, что усилие натяжения ремня проходит через ее центр [1].

Недостатками известного шпинделя являются снижение срока службы, ухудшение качества шлифования и увеличение вибраций при использовании шлифовальных кругов с аксиально смещенным режущим слоем, работающих в условиях циклически перемещающейся в осевом направлении радиальной нагрузки.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является узел шпинделя шлифовального станка, содержащий неподвижную пиноль, вал, установленный на опорах в пиноли, и закрепленные консольно с разных сторон на валу ведомый шкив и абразивный круг, при этом вал снабжен маховиком, закрепленным на консоли между абразивным кругом и опорой, причем центр массы маховика расположен в плоскости этой опоры на оси вращения вала [2].

Недостатками известного узла также являются снижение надежности и долговечности, ухудшение качества обрабатываемых изделий шлифовальными кругами с аксиально смещенным режущим слоем, работающих в условиях циклически перемещающейся в осевом направлении радиальной динамически неуравновешенной нагрузки, вызывающей вибрации.

Задача изобретения - повышение надежности, долговечности и улучшение качества обрабатываемых изделий путем уменьшения переменных динамических нагрузок благодаря установке дополнительной осциллирующий опоры, работающей в местах равного прогиба вала.

Поставленная задача решается благодаря применению узла шлифовального шпинделя, содержащего вал, установленный в неподвижной пиноли на двух радиальных опорах, расстояние между которыми l, и закрепленные консольно на валу со стороны передней опоры под углом к плоскости вращения абразивный круг с аксиально смещенным режущим слоем, а с другой стороны ведомый шкив, кроме того, вал снабжен осциллирующей синхронно аксиально смещенному режущему слою круга опорой, размещенной на расстоянии X_max=0,42265·l от передней опоры - в месте максимального прогиба оси вала, причем величина осцилляции опоры есть расстояние между точками X_max и ближайшей к передней опоре точкой минимального прогиба на оси с максимальным прогибом.

На фиг. 1 изображена схема нагружения циклически действующей силой резания и прогибы оси вала; на фиг. 2 - предлагаемый узел в сборе, осевое сечение; на фиг. 3 - осциллирующая опора, выполненная в виде шарикоподшипника с аксиальным смещением наружной канавки внутреннего кольца.

Узел шлифовального шпинделя содержит пиноль 1, ведомый шкив 2, вал 3, установленный на подшипниках 4 и 5, абразивный круг 6, закрепленный на валу 3 под углом α к плоскости вращения, и осциллирующую опору 7.

В зоне резания при контакте с обрабатываемой заготовкой 8 аксиально смещенного режущего слоя шлифовального круга 6 возникает сила резания P_z, осциллирующая в осевом направлении с амплитудой A_k. Расстояние C_i от передней опоры 5 до места действия P_z будет циклически изменяться C_i = C_min + A_k/2 - (D·tgα·sinωt)/2, где C_min - минимальное расстояние от передней опоры до места действия силы резания P_z; D - диаметр круга; ω - угловая частота вращения вала; t - время.

В передней опоре 5 будет действовать приведенный переменный момент M₅ = P_z·C_i = P_z[C_min + A_k/2 - (D·tgα·sinωt)/2], вызывающий переменный прогиб f_i с углом поворота ϕ оси вала, которые определяются по известным формулам
где
X - текущая координата;
B - модуль упругости материала вала;
осевой момент инерции сечения вала: I_x = πd⁴/64;
d - диаметр вала.

l - расстояние между 4 и 5 опорами.

Подставляя значение ϕ_o угла поворота оси вала в формулу, определяющую прогиб, получим

Известно, что угол поворота оси вала есть первая производная прогиба, определим ϕ

Но так как максимальный прогиб оси вала будет в точке, где ϕ = 0, определим значение X максимального прогиба
X² - 2lX + (2/3) l² = 0, т.е. X = 0,42265·l.

При этом максимальный прогиб

При подстановке значений C_min и C_max определим максимальные прогибы f^Cmi_maxⁿ и f^Cma_max^x в крайних положениях шлифовального круга. Из вышеприведенного видно, что под воздействием осциллирующей в осевом направлении силы резания P_z ось вала изгибается с переменной величиной максимального прогиба на расстоянии X = 0,42265l от передней опоры 5.

Определим X_min местоположение прогиба на оси вала при максимальном прогибе, когда круг находится в положении C_max, путем подстановки известных значений и C_max в формулу f_i (см. выше)


Приводим к канонической форме и вводим обозначение постоянной величины.

X³ - 3l·X² + 2l²·X + a = 0,
где
тогда
X_min = [((27·a² - 4l⁶)^1/2 - 27^1/2·a)^2/3 + ((27a² - 4l⁶)^1/2 - 27^1/2·a)^1/3 · 3^1/6 · 6^1/3 · l + 3^1/3 · 6^2/3 · l²]/[(3(27a² - 4l⁶)^1/2 - 27^1/2·a)^1/3 · 3^1/6 · 6^1/3].

Если установить осциллирующую с амплитудой A₀ = X_max - X_min опору 7 синхронно аксиально смещенному режущему слою круга и осевому смещению P_z, где вал будет испытывать постоянные прогибы на всем цикле, то опора 7, стремясь возвратить вал в нейтральное положение, будет подвергнута воздействию постоянного момента. При этом не возникают вибрации и повышается надежность и срок службы работы узла.

Пример: На модернизированном плоскошлифовальном станке модели 3П722 шлифуется плоская поверхность корпуса. Припуск на сторону h=0,35 мм Ra=1,25 мкм. Материал заготовки - сталь 45XH закаленная, твердостью HRC 50.

Выбираем шлифовальный круг ПП 14А25ПСМ27К1А 35 м/с D_k = 450 мм B_k = 80 мм.

Устанавливаем его под углом α = 5^o, при этом амплитуда наклонного круга - А_к = 40 мм.

При назначенных режимах резания:
n_k = 1500 мин^-1; V_k = 35 м/с; V₃ = 16 м/мин; S_o = 32 мм/ход стола; S_tx = 0,015 мм (на реверс шлифовальной бабки); мощность на резание N_рез = 8,65 кВт, а сила P_z = (1020 · 60 · N_рез)/V_k = 250H.

Определим максимальный прогиб оси вала при длине консоли крепления шлифовального круга C = 100 мм; расстоянии между опорами l = 300 мм; d = 30 мм, в крайних положениях C_min = 80 мм, C_max = 120 мм. Материал вала Сталь50 с E = 2,1·10⁵ МПа.

-0,0138 мм
-0,0208 мм
Максимальный прогиб оси вала будет на расстоянии X_max = 0,42265·l = 0,1268 м от передней опоры.

Определим X_min расстояние от передней опоры до прогиба на оси вала, когда круг в положении C_max : X_min = 0,0505 м
Тогда величина амплитуды A_o осциллирующей опоры будет равна A_o = 0,1268 - 0,0505 = 0,0763 м.

Особенно эффективно влияние дополнительной осциллирующей опоры 7 на уменьшение отклонения оси вала под действием пульсирующего переменного приведенного момента M₅ на опоре 5 при больших величинах A_k осцилляции круга.

Таким образом, предлагаемый узел обладает повышенной долговечностью вследствие уменьшения переменных динамических нагрузок благодаря установке осциллирующей опоры, работающей в местах равного прогиба вала, а также позволяет повысить качество обработанной поверхности.

Формула изобретения

Узел шлифовального шпинделя, содержащий вал, установленный в неподвижной пиноли на двух радиальных опорах, расположенных на расстоянии l, и закрепленные консольно на валу со стороны передней опоры абразивный круг, а с другой стороны - ведомый шкив, отличающийся тем, что абразивный круг закреплен на валу под углом к плоскости вращения с образованием аксиально смещенного режущего слоя, а вал снабжен осциллирующей синхронно аксиально смещенному режущему слою круга опорой, размещенной на расстоянии X_max = 0,42265l от передней опоры в месте максимального прогиба оси вала, причем величина осцилляции опоры равна разности расстояния X_max и расстояния X_min от передней опоры ближайшей к ней точки минимального прогиба на оси с максимальным прогибом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3