Шпиндельный узел /его варианты/

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 150880 (21) 2972678/25-08

<1>917929, Союз Советсиик

Социалистичесиик

Республик рЦ М. К1т.з

В 23 B 19/02 с присоединением заявки №

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет (53) УДК 621. 941. . -229 (088 8) Опубликовано 07.0492. Бюллетень ¹ 13

Дата опубликования описания 070432 (72) Автор изобретения

М А. Шимановнч (71) заявитель (54 ) ШПИНДЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ (ЕГО ВАРИАНТЫ) Изобретение относится к области станкостроения и может найти применение в высокоточных станках.

Известен шпиндельный узел металлорежущего станка, содержащий корпус со шпинделем, установленным на радиальных и упорных гидростатических подшипниках, последние из которых образованы торцами буртов шййнделя и торцами охватывющей его втулки,и привод вращения шпинделя.На кось1Iyce этого узла с возможностью перемещения тВзоль оси шпинделя установлены салазки, жестко соединенные с упомянутой втулкой и несущие двигатель привода вращения шпинделя (1).

Этот узел расширяет технологические возможности станка, однако изэа наличия на корпусе салазок с двигателем и передачи между ним и шпинделем имеет сложную конструкцию, ограниченную точность обработки и повышенные габариты узла,что в целом снижает технологические возможности станка вследствие контактов относительно подвижных твердых тех в приводах и большого числа подвижных стыков, в том числе контактных, s системе СПИД.

Эти недостатки частично устранены в известном шпиндельном узле металлорежущего станка, содержащем, электрический двигатель вращения, ротор которого установлен на шпинделе, расположенном в корпусе шпиндельного узла в радиальных и упорных подшипниках скольжения, и устройство силового воздействия на шпиндель вдоль его оси. В этом узле устройство силового воздействия на шпиндель выполнено в виде пары цилиндр-плунжер одностороннего действия, образованной герметично закрытым с торца радиальным цилиндрическим гидростатическим подшипником шпинделя и осу". ществляющей силовое замыкание другого радиально-упорного гидростатичес

KoI o IIITIHHQ JIsHoro подшипника одностороннего осевого действия (21.

Этот узел имеет простую конструкцию и улучшенные эксплуатационные качества, однако, он не позволяет выполнять движение осевой подачи блока шпиндель-ротор электродвигателя в шпиндельных подшипниках и тре бует дополнительно привода подачи, что снижает точность и производительность обработки, в частности эа

ЗО счет неизбежного контакта относитель-.

917929 но подвижных твердых тел в приводе подачи и введения лишних подвижных стыков в системе СПИД.

Целью изобретения является расширение технологических возможностей, а также повышение точности и 5 производительности обработки.

Эта цель достигается тем, что устройство силового воздействия на шпиндель выполнено в виде привода возвратно-поступательного движения блока шпиндель-ротор электродвигателя. устройство силового воздействия на шпиндель может быть выполнено в виде привода возвратно- поступатель.15 ного движения статора электродвигателя. Для упрошения конструкции узла привод возвратно-поступательного движения целесообразно выполнить в виде пары поршень-цилиндр, образованной ротором и статором электродвигателя.

С целью стабилизации тяговых характеристик электродвигателя и использования в приводе возвратно-поступательного движения блока шпиндельротор, эффективная длина ротора элект родвигателя может быть больше эффективной длины его статора, преимущественно на величину осевого перемещения шпинделя. Для обеспечения стандартных условий работы электродвигателя статор может быть расположен в ползуне, установленном с возможностью перемещения вдоль оси блока шпиндельротор. При этом упорный подшипник целесообразно расположить в ползуне. 35

Для управления приводом возвратнопоступательного движения он может быть снабжен электромагнитом осевой тяги блока шпиндель-ротор, который расположен в статоре электродвигателя . 40 вращения шпинделя. Упрощение подачи воздуха в шпиндельный узел может быть осуществлено снабжением привода возвратно-поступательнбго движения воздушным нагревателем, образованным 45 в .зазоре между ротором и статором, на поверхности по меньшей мере одного из которых выполнены насосные канавки.

На фиг. 1 изображен вариант выполнения шпиндельного узла расточного станка с приводом возвратнопоступательного движения блока шпиндель-ротор электродвигателя с ротором на консоли шпинделя; на фиг. 2— узел с ротором между шпиндельными

55 подшипниками; на фиг. 3 - вариант выполнения узла с приводом возвратно-поступательного движения статора электродвигателя1 на фиг. 4 - узел с приводом статора от шпинделя.

Шпиндельный узел содержит корпус

1, в котором в гидростатических радиально-упорных подшипниках 2 скольжения с зазором расположен шпиндель 3, несущий на переднем конце 65 резец 4, а «а заднеи консоли — ротор

5 электродвигателя вращения шпинделя, образующий со шпинделем единый блок (фиг.1). На корпусе 1 закреплено: зажимное приспособление 6 с обрабатываемым изделием 7, а сзади — корпус электродвигателя со статором 8. Шпиндель 3 выполнен в виде поршня, образующего с корпусом 1 и подшипниками

2 устройство силового воздействия на шпиндель вдоль его оси, представляющего собой привод возвратно-поступательного движения блока шпиндель

3 - ротор 5 электродвтгателя, например гидроцилиндр двустороннего действия с полостями 9 и 10. Осевой ход по ыня H = Н „ + Н . Полости 9 и 10 соединены с устройством управления. гидроцилиндром. Статор 8 с эффективной длиной В и ротор 5 с эффективной длиной Rq разделяют полости 11 и 12 в корпусе электродвигателя ° Полость 12 соединена с источником подачи воздуха, а полость 11 — с атмосферой.

Шпиндельный узел работает следующим образом.

При включении давления слой смазки в гидростатических подшипниках жестко центрирует блок шпиндель 3 - ротор 5 с поршнем радиально с мальпи зазорами в подшипниках 2, корпусе 1 и статоре 8. При подаче давления в полость

9 (полость 10 соединена со сливом) шпиндель смещается направо в исходное положение до упора в несущий торцовый слой смазки заднего (правого) подшипника. При включении питания электродвигателя благодаря электромагнитному взаимодействию статора

8.и ротора 5 шпиндель 3 начинает вращаться. При подаче давления в полость 10 (полость 9 соединена со сливом) начинается движение налево осевой подачи вращаюшегося блока шпиндель 3 - ротор 5 и обработка резцом 4 отверстия в изделии 7. Целесообразно для стабилизации тяговых характеристик электродвигателя, чтобы эффективная длина fp ротора 5 была больше эффективной длины Йб статора 8, преимущественно на величину максимального осевого хода шпинделя (E = 3< + Н ),причем их относительное положение определяется условиями Н „ = Х и Н1 = 1 .Допускается, чтобы статор был соответственно длиннее ротора .В полость 12 для охлаждения электродвигателя подают воздух, который проходит через зазор между статором 8 и ротором 5 в полость 11, из.которой вытекает наружу.

В конце прохода резец 4 выходит из контакта с изделием 7, и шпиндель

3 упирается в несущий торцовый слой смазки левого (переднего) подшипника 2 .Затем шпйндель с резцом отводят

917929 в исходное положение направо и устанавливают новое изделие..

В шпиндельном узле показанном на фиг. 2, статор 8 и ротор 5 расположены в корпусе 1 узла между шпиндельными подшипниками 2 и образуют пару 5 поршень-цилиндр привода возвратно-поступательного движения блока шпиндель

3 — ротор 5, разделяющую рабочие полости 11 и 12 цилиндра, в данном случае пневматического (возможен )0 гидравлический). Дополнительное устройство силового воздействия на шпиндель 3 вдоль его оси выполнено в виде гидроцилиндра одностороннего действия, обРазованного колпаком 13, задним подшипником и концом шпинделя 3 ° Полость 14 гидроцилиндра соединена с устройством управления, соединяющим ее поочередно с источником давления и со сливом. На цилиндрической поверхности ротора 5 в воздушном зазоре электродвигателя выполнены насосные, в данном случае спиральные (винтовые), канавки 15 воздушного нагнетателя привода возвратно-поступательного движения . Этот нагнетатель при указанном стрелкой направлении вращения качает воздух из полости 12 в полость 11. Глубина канавок 15 соизмерима с высотой воздушного зазора. Задний гидростатический подшипник снабжен дренажной канавкой 16, соединенной со сливом.

В нее попадают утечки из несущих карманов подшипника и полости 14.

Подшипники 2 снабжены бесконтактными 35 (в данном случае пневматическими) уплотнениями, исключающими попадание смазки наружу и в полости 11 и 12.

Узел работает следующим образом.

При вращении шпинделя 3 насосные 40 канавки 15 качают воздух в закрытую полость 11 из полости 12. Возникающая при этом разность давлений в этих полостях стремится вернуть шпиндель направо в исходное положение. 45

Когда полость 14 соединена с источником давления жидкости, вращаемый за счет электромагнитного взаимодействия ротора 5 и статора 8 шпин,цель 3 движется вперед (налево), осу- 50 ществляя обработку. Движение подачи остановится, когда правый конец шпинделя 3 откроет канавку 16, накоротко соединив с нею полость 14. Когда полость 14 соединена со сливом, вращающийся шпиндель движется назад (направо) под действием разности давлений в полостях ll и 12, пока не упрется в подшипник на дне колпака 13. Скорость этих осевых движений блока шпиндель 3 — ротор 5 зависит от гидросопротивлений, включенных между полостью 14, источником давления и сливом. Осевую подачу здесь можно получить и без дополнительного цилиндра (колпак 13 и 65 полость 14) и насосных канавок 15, поочередно подавая давление жидкости или газа в полости 11 и 12 и соединяя их со сливом. Разность давлений в полостях ll и 12 будет обеспечи ваться достаточно малым зазором между цилиндрическими поверхностями статора 8 и ротора 5.,Пара поршеньцилиндр, образованная ротором 5 и статором 8, может быть использована в качестве устройства силового воздействия на шпиндель 3 вдоль его оси для силового замыкания упорного под-. шипника одностороннего действия.

Например, в узле, показанном на фиг ° 1 давление в полости 12 может замкнуть передний шпиндельный упорный гидростатический подшипник одностороннего действия, а в узле показанном на фиг.2, создаваемое воздушным нагнетателем давление в полости il позволяет осуществить силовое замыкание одностороннего упорного подшипника на дне колпака 13. Такой режим работы необходим при вращении шпинделя в неподвижном вдоль оси по" ложении °

Очевидно, что в узле, показанном на фиг. 1, статор 8 и ротор 5 могут быть выполнены в виде пары поршень-цилиндр, разделяющей .полости ii и 12 пневмоцилиндра привода возвратнопоступательного движения блока шпиндель 3-ротор 5.Соединяя поочередно полости il и 12 с источником давления воздуха и окружающей средой, можНо -осуществить подачу вращающегося шпинделя, используя для регулирования скорости подачи в качестве тормозного гидроцилиндр с полостями 9 и 10, которые в этом случае не требуют специального соединения с источником давления жидкости, -.àê как для этого будет достаточно смазки, поступающей в эти полости из гидростатических подшипников.

Ь шпиндельном узле, показанном на фиг. 1 и 2, привод возвратнопоступательного движения может быть снабжен электромагнитом осевой тяги шпинделя, например кольцевым.

Такой электромагнит может быть установлен в любом месте корпуса 1 вдоль оси шпинделя и интегрирован с любым элементом в корпусе узла, например, на (или в ) подшинике 2, корпусе 1 или статоре 8, При этом, управляя, как было описано выше, давлением в полости 14, можно правлять направлением и скоростью осевой подачи шпинделя 3. На фиг. 1 например, статор 8 и ротор 5 содержат элементы электромагнита осевой тяги двустороннего действия. В этом случае, управляя гидросопротивлениями на выходе смазки гидростатических подшипников из полостей 9 и 10, можно управлять скоростью осевой !

917929 подачи шпинделя. Электромагнит осевой тяги шпинделя можно использовать и качестве устройства силового воздействия на шпиндель 3 вдоль его оси для силового замыкания упорного подшипника одностороннего действия для фиксации осевого положения шпинделя 3..

Вариант выполнения шпиндельного узла, показанный на фиг. 3 отличается тем, что статор 8 снабжен приводом возвратно-поступательного движения. Для этого статор 8 расположен в ползуне 17, установленном на параллельных оси шпинделя направляющих, например аэростатических, с возмож- 15 ностью перемещения вдоль оси шпинделя 3, несущего ротор 5. Привод возвратно-поступательного движения обраэонан передачей 1,8 винт-гайка и двигателем 19. Ротор 5 электродвигателя 20 в данном случае образован непосредственно телом шпинделя 3 и его задним (правым) полым концом. На этот конец шпинделя можно установить обычный ротор. В ползуне 17 расположен упорный аэростатический подшипник 20 шпинделя, образованный диском на конце шпинделя, поверхностями торца статора 8 и ползуна 17.

Узел работает следующим образом.

Шпиндель 3 вращается в,подшипниках

2 за счет электрического взаимодейстния статора 8 и ротора 5. При вращении двигателя 19 передача 18 винтгайка перемещает ползун 17 со статором 8 по направляющим параллельно

35 оси шпинделя. Через подшипник 20 это движение передается блоку шпиндель 3 — ротор 5.

В шпиндельном узле, показанном на фиг. 4, шпиндель 3 расположен - 4О в корпусе 1 в подшипниках 2, а статор 8 - в ползуне 17, установленном в аэростатических направляющих.

Ротором 5 электродвигателя служит задний конец шпинделя 3, на котором установлен диск упорного шпиндельного подшипника 20, расположенного н ползуне 17. Принодом возвратнопоступательного движения ползуна 17 служит гидро-или пневмоцилиндр с по- 50 лостями 9 и 10, образованный корпу" сом 1, подшипниками 2 и шпинделем 3.

Шпиндель 3 вращается в подшипниках 2 двигателем, образованным статором 8 и ротором 5. Изменяя разность 55 давлений в полостях 9 и 10, управляют направлением и скоростью возвратно-поступательного движения блока шпиндель-ротор. Движущийся в осевом направлении шпиндель 3 через упорный подшипник 20 тянет за собой ползун

17 со статором 8 электроднигателя.

Можно исключить подшипник 20 (см. фиг. 3 и 4), снабдив шпиндель 3 с ротором 5 с одной стороны и статором

8 с ползуном 17 с другой стороны отдельными взаимно синхронизированными приводами возвратно-поступательного движения, например, снабдив ползун

17, показанный на фиг. 4 приводом, показанным на фиг. З.Варианты узла, показанного на фиг. 3 и 4,позволяют получить возвратно-поступательное движение блока шпиндель 3 — ротор 5 при стандартнйх условиях работы электродвигателя вращения шпинцеля (ротор 5 не движется относительно статора 8 вдоль оси шпинделя).

Возможны различные сочетания . описанных бесконтактных приводов движения шпинделя н различных типах шпиндельных подшипников, преимущественно в подшипниках скольжения, гланным образом бесконтактных.

Они позволяют упростить конструкцию, изготовление и расширить эксплуатационные возможности шпиндельного узла за счет исключения контакта относительно подвижных твердых тел и сокращения числа подвижных стыков н системе СПИД, в то же время умень шить габариты узла, исключить сложные механизмы приводов шпинделя. Такое объединение в шпиндельном узле всех основных элементов, необходимых для выполнения движения резания в различных типах станков (расточных, токарных, фрезерных, шлифовальных, сверлильных и т.п.), позволяет повысить точность и производительность обработки на станке и в ряде случаев свести до одного шпиндельного узла весь станок, например расточной.

Формула изобретения

1. Шпиндельный узел, содержащий блок шпиндель-ротор, взаимодействующий со статором электродвигателя привода вращения шпинделя, который установлен в корпусе в радиальных и упорных подшипниках скольжения, и устройство силового воздействия на шпиндель вдоль его оси, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей путем. образования привода подач в паре ротор-статор электродвигателя привода вращения шпинделя и повышения точности и произнодительности обработки, устройство силового воздействия на шпиндель выполнено в виде привода возвратно-поступительного движения блока шпиндельротор.

2. Узел по п.l о т л и ч а юшийся тем, что, с целью упрощения конструкции, привод возвратнопоступательного движения блока шпиндель-ротор выполнен в виде пары поршень-цилиндр, образованной ротором и. 917929

10 статором электродвигателя привода вращения шпинделя.

3. Узел по пп.1 и 2, о т л и ч аю ta и и с я тем, что, с целью стабилизации тяговых .àðàêòåðèñòèê электр двигателя привода врщения 5 шпинделя, эффективная длина ротора больше эффективной длины статора, преимущественно на величину осевого перемещения шпинделя.

4. Шпиндельный узел, содержащий 1О блок шпиндель-ротор, взаимодейству-. ющий со статором электродвигателя привода вращения шпинделя, который установлен в корпусе в радиальных и упорных подшипниках скольжения, и 15 устройство силового воздействия на шпиндель вдоль его оси, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей путем образования привода 20 подач в паре ротор-статор электродвигателя привода вращения шпинделя и повышения точности и производительности обработки, устройство силового воздействия на шпиндель вы- 25 полнено в виде привода возвратноГ поступательного движения статора.

5. Узел по п.4, -о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью обеспечения стандартных условий работы 30 элек тродвигателя, с та тор расположен в ползуне, установленном с возможностью перемещения вдоль оси блока шпиндель-ротор.

6. Узел по пп,4 и 5, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью упрощения привода возвратно-поступательного движения, упорный подшипник шпинделя расположен в ползуне.

7. Узел по пп. 1 - 6, о т л и ч аю шийся тем, что привод возврат" но-поступательного движения снабжен электромагнитом осевой тяги.

8. Узел по п.7, о т л и ч а ю— шийся тем, что электромагнит осевой тяги расположен в статоре электродвигателя привода вращения шпинделя.

9, Узел по пп.1-8, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью упрощения подачи воздуха, привод возврат« но-поступательного движения снабжен воздушным нагнетателем, образованным в зазоре между. ротором и статором, на поверхности по меньшей мере одного из которых выполнены насосные канавки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 599931, кл. В 23 В 19/02, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР

9 685443, кл. В 23 В 19/02„ 1979 (прототип).

917929 ,5

Puz.

Фы<

Составитель В.урвачев

Редактор Л.утехина Техрец С. Мигунова Корректор Ю.Макаренко

Заказ 1974/11 Тираж 1151 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035,Москва,Ж-35,Рауюская наб,,д.4/5

Филиал ППП Патент, r.Óæãoðîä, ул.Проектная, 4