ШПИНДЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ
SPINDLE UNIT

Заявляемое изобретение может быть использовано в машиностроении, например, при высокоскоростной обработке отверстий малого диаметра шлифовальным инструментом с нанесенным монослоем сверхтвердого абразива (кубический нитрид бора и др.), который не подлежит правке при износе и «засаливании». Повышению стойкости такого инструмента и качества шлифования способствует высокочастотная осевая осцилляция шпинделя.
7
7
Известны устройства для динамического дробления стружки при токарной обработке [АС СССР №778938, МПК B23B 25/02; АС СССР №874263 СССР, МПК B23B 25/02], содержащие шпиндель, установленный в гидростатических опорах; генератор колебаний, корпус которого взаимодействует с вращающимся торцовым кулачком; оппозитные сопла, расположенные в полости корпуса и сообщающиеся с карманами осевой гидростатической опоры; регулируемый двуплечий рычаг, одно плечо которого расположено между соплами, а второе прижато к торцу шпинделя. При вращении кулачка корпус генератора с соплами колеблется относительно двуплечего рычага, расход рабочей жидкости, поступающий через сопла в несущие карманы осевой гидростатической опоры, периодически изменяется и шпиндель совершает вынужденные осевые колебания. Второе плечо двуплечего рычага позволяет обеспечить необходимую осевую жесткость нагруженного шпинделя.
Недостатком данного решения является то, что из-за недостаточного быстродействия механических звеньев и других указанных выше причин такое устройство также не позволяет получить высокочастотные осевые колебания шпинделя.
7
Известен шпиндельный узел [АС СССР №848146, МПК B23B 19/00], содержащий шпиндель, установленный в гидростатических опорах, систему управления, состоящую из преобразователя, устройства сравнения, усилителя и регулятора типа сопло-заслонка, активным элементом которого является пакет пьезопластин. Одна или несколько пьезопластин подключены к входу усилителя и преобразуют изменение разности давления рабочей жидкости в оппозитных несущих карманах в электрический сигнал, пропорциональный изменению нагрузки на шпиндель. Вторая часть пьезопластин соединена с выходом усилителя и осуществляет микро-перемещение заслонки регулятора. Такое техническое решение позволяет целенаправленно управлять нагнетанием рабочей жидкости в карманы гидростатических опор, чтобы получить положительную, нулевую или отрицательную податливость шпинделя в радиальном и осевом направлении. Однако оно не позволяет получить необходимую частоту и амплитуду осевой осцилляции шпинделя.
Недостатком данного решения является то, что оно не позволяет получить необходимую высокочастотную осевую осцилляцию шпинделя.
7
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является шпиндельный узел [Пат. 2556157 Рос. Федерация, МПК B23B 19/02, B24B 41/04], содержащий корпус, шпиндель, гидростатическую опору с несущими карманами, привод вращения и привод осевой осцилляции шпинделя, в котором согласно изобретения: привод осевой осцилляции шпинделя состоит из генератора частоты собственных продольных волн шпинделя и резонансного концентратора локальной амплитуды собственных продольных волн на переднем конце шпинделя, для чего генератор частоты содержит нагружающий стакан, наружный торец которого соединен с корпусом узла через пакет пьезопластин, соединенных с частотным преобразователем электрического тока, внутренняя цилиндрическая поверхность нагружающего стакана охватывает задний конец шпинделя с радиальным дросселирующим зазором, а внутренний торец нагружающего стакана образует с задним торцом шпинделя нагружающую камеру, соединенную с гидростанцией; передняя часть шпинделя имеет форму усеченного конуса, диаметр которого уменьшается к переднему концу шпинделя, при этом передняя гидростатическая опора выполнена конической и имеет два ряда несущих карманов, каждый из которых через дроссель соединен с гидростанцией.
Недостатком данного решения является то, что осевая осцилляция пакета пьезопластин передается шпинделю через подвижный стакан, который одновременно является опорной втулкой задней гидростатической опоры. Это снижает амплитуду осцилляции, точность центрирования заднего конца шпинделя и радиальную жесткость задней гидростатической опоры.
Технической задачей изобретения является повышение точности вращения и нагрузочной характеристики шпинделя с гидростатическими опорами, а также увеличение амплитуды его собственных продольных волн.
Для достижения поставленной задачи предлагается шпиндельный узел, содержащий сборный корпус, шпиндель с гидростатическими опорами, имеющими кольцевую камеру для нагнетания рабочей жидкости, электропривод вращения шпинделя, расположенный между гидростатическими опорами, и генератор собственных продольных волн шпинделя, имеющий пакет пьезопластин, который задним торцом установлен на заднем фланце сборного корпуса соосно шпинделю, а передний торец пакета пьезопластин образует с задним торцом шпинделя щелевой зазор, выходящий в кольцевую камеру для нагнетания рабочей жидкости, причем гидростатические опоры шпинделя не имеют несущих карманов, а на большей части длины их опорных поверхностей выполнены спиральные микроканавки, выходящие в кольцевую камеру для нагнетания рабочей жидкости.
От ближайшего аналога предлагаемый шпиндельный узел отличается тем, что передний торец пакета пьезопластин образует с задним торцом шпинделя щелевой зазор, выходящий в кольцевую камеру для нагнетания рабочей жидкости, причем гидростатические опоры шпинделя не имеют несущих карманов, а на большей части длины их опорных поверхностей выполнены спиральные микроканавки, выходящие в кольцевую камеру для нагнетания рабочей жидкости.
На фиг. 1 показан предлагаемый шпиндельный узел. Он имеет сборный корпус 1, в переднем фланце которого установлена опорная втулка 2 конической гидростатической опоры, воспринимающей радиальную и осевую нагрузку, действующую на шпиндель 3. В средней части коническая гидростатическая опора имеет кольцевую камеру 4 для нагнетания от гидростанции (на фиг. 1 не показана) рабочей жидкости (маловязкое минеральное масло или водная эмульсия), которая поступает в радиальный щелевой дросселирующий зазор 5 между опорными поверхностями втулки 2 и шпинделя 3. В радиальном щелевом дросселирующем зазоре 5 на части длины передней опорной поверхности шпинделя 3 выполнены спиральные микроканавки, выходящие в кольцевую камеру 4 для нагнетания рабочей жидкости. Опорная втулка 2 имеет дренажные кольцевые полости 6 для отвода рабочей жидкости из радиального щелевого дросселирующего зазора 5 в гидростанцию через дренажный канал 7 сборного корпуса 1.
Внутренняя цилиндрическая поверхность заднего фланца сборного корпуса 1 охватывает заднюю опорную поверхность шпинделя с радиальным дросселирующим зазором 8, который на входе сообщается с кольцевой камерой 9 для нагнетания рабочей жидкости, а на выходе сообщается с дренажной кольцевой полостью 10 для отвода рабочей жидкости в гидростанцию через дренажные каналы 7 в сборном корпусе 1. На части длины задней опорной поверхности шпинделя выполнены спиральные микроканавки, выходящие в кольцевую камеру 9 для нагнетания рабочей жидкости.
Вращение шпинделя осуществляет трехфазный асинхронный электродвигатель, короткозамкнутый ротор 11 которого установлен на шпинделе 3, а статор 12 - в сборном корпусе 1. Обмотки статора подключены к генератору трехфазного переменного тока (на фиг. 1 не показан).
Для охлаждения электродвигателя в средней части сборного корпуса 1 выполнен дренажный винтовой канал 7, по которому циркулирующая рабочая жидкость возвращается в гидростанцию. Нагнетание рабочей жидкости в кольцевую камеру 4 конической гидростатической опоры осуществляется от гидростанции через трубопровод, проходящий внутри дренажного винтового канала 7.
В полость электродвигателя поступает сжатый воздух с небольшим избыточным давлением, чтобы исключить утечку рабочей жидкости из гидростатических опор. Сжатый воздух поступает также между опорной втулкой 2 и передним фланцем сборного корпуса 1, чтобы исключить утечку рабочей жидкости через бесконтактное уплотнение переднего конца шпинделя 3.
Генератор собственных продольных волн шпинделя имеет пакет пьезопластин 13, который задним торцом установлен на крышке 14 заднего фланца сборного корпуса 1 соосно шпинделю и подключен к высокочастотному генератору переменного тока (на фиг. 1 не показан). Передний торец пакета пьезопластин 13 образует с задним торцом шпинделя 3 щелевой зазор 15, который выходит в кольцевую камеру 9 для нагнетания рабочей жидкости.
Предлагаемый шпиндельный узел работает следующим образом. Осевая микроосцилляция пакета пьезопластин 13 происходит на частоте собственных продольных волн шпинделя 3. При этом периодически изменяется динамическое давление рабочей жидкости в щелевом зазоре 15 и генерируется осевая микроосцилляция шпинделя 3 в резонансном режиме. Коническая форма передней части шпинделя увеличивает локальную амплитуду собственных продольных волн на его переднем торце пропорционально квадрату отношения большего и меньшего диаметра конуса. Статическая составляющая давления рабочей жидкости в щелевом зазоре 15 уравновешивает внешнюю осевую нагрузку шпинделя и осевую реакцию передней гидростатической опоры. Микроканавки на опорных поверхностях шпинделя 3 обеспечивают активную компенсацию давления рабочей жидкости в нагружаемой и разгружаемой зоне щелевых дросселирующих зазоров 5 и 8. Спиральная форма микроканавок увеличивает нагнетание рабочей жидкости при высокой частоте вращения шпинделя 3 и дополнительно повышает нагрузочную характеристику гидростатических опор.