МАШИНА ДЛЯ СВАРКИ ТРЕНИЕМ

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к машинам для сварки трением.
Известны машины для сварки трением широко применяемые в промышленности для сварки различных деталей. Машины имеют различные исполнения по размерам и мощности, имеют конструктивные особенности, но в основном имеют один принцип устройства. Все они имеют станину, шпиндельную бабку с содержащим зажимное устройство вращаемой детали шпинделем, установленным в корпусе бабки на подшипниках качения, зажимное устройство для невращаемой детали, установленное с возможностью осевого движения, и соединенное с приводом создания осевого усилия. Как правило, в качестве подшипников для восприятия осевой нагрузки на шпиндель бабки используются радиально-упорные шариковые, которые устанавливаются последовательно по 2÷3 штуки, или упорные подшипники со сферическими роликами, которые имеют более высокую нагрузочную способность при тех же габаритах и устанавливается по одному [См. «Сварка трением»,Справочник под редакцией акад. АН УССР В.К. Лебедева, г. Ленинград, Машиностроение, ленинградское отделение, 1987 г., стр. 84-85, рис. 3.8].
Недостатком известных машин для сварки трением является возможность сварки деталей только в узком диапазоне размеров диаметров. Согласно данным в характеристиках для большинства известных машин максимальный и минимальный диаметры деталей отличаются в 2,5÷3,5 раза, реже - в 4 раза [См. «Сварка трением», Справочник под редакцией акад. АН УССР В.К. Лебедева, стр. 120].
Это связано с тем, что оптимальным режимом сварки является частота вращения, при которой измеренная по наружному диаметру линейная скорость составляет около 1,5÷2,0 м/с. Соответственно сварка деталей максимального и минимального диаметров, если они отличаются в 3 раза, должна осуществляться на частотах вращения, отличающихся также, примерно, в 3 раза.
В большинстве современных машин в качестве опоры вращения, воспринимающей осевое усилие, используется стандартный упорный подшипник со сферическими роликами. Характеристики этого типа подшипников позволяют одним таким подшипником заменить применяемые ранее 3÷4 радиально-упорных шариковых с такими же габаритами, что является существенным преимуществом.
Однако упорные подшипники со сферическими роликами имеют ограничения по частоте вращения, а их ресурс службы резко снижается с увеличением оборотов выше рекомендуемых даже при пониженной осевой нагрузке. Это объясняется тем, что на износ данных типов подшипников большое влияние оказывают центробежные инерционные силы, а величина последних пропорциональна квадрату оборотов. Поэтому использование мощной машины для сварки деталей, требующих небольшого осевого усилия и высоких оборотов, не целесообразно, так как это приводит к резкому снижению ресурса работы подшипникового узла.
Нередко изготовителям сварных деталей, например, диаметром от 15 мм до 100 мм приходится приобретать две машины (одна для сварки диаметром от 15 мм до 40 мм, вторая от 40 мм до 100 мм), что экономически не выгодно.
Наиболее близким известным решением к предлагаемой полезной модели является машина для сварки трением, у которой опорный узел для восприятия осевой нагрузки выполнен по описанию к патенту США №3578232 кл. 228-2,1971 г. (Изобретения к авторскому свидетельству SU 1058744 А).
В шпиндельном узле такой машины, содержащим корпус, с последовательно расположенными в нем радиально-упорными подшипниками, наружные кольца подшипников установлены в корпусе посредством гидроопор, а полости гидроопор соединены с полостью гидроцилиндра создания осевого усилия. За счет применения вместо одного или двух подшипников с достаточной несущей способностью для восприятия максимальной осевой нагрузки трех или четырех подшипников с меньшими габаритами и меньшей нагрузочной способностью, но с более высокими допустимыми скоростями вращения, достигается обеспечение более высоких скоростей вращения с сохранением необходимого ресурса службы При этом за счет установки наружных колец в корпусе посредством гидроопор, полости которых соединены с полостью гидроцилиндра создания осевого усилия, достигается равномерное распределение нагрузки между подшипниками. Благодаря тому, что допустимая нагрузка на шпиндельный узел равна сумме допустимых нагрузок на каждый подшипник, допустимые предельные скорости вращения шпинделя повышены за счет применения подшипников меньшего размера, так как определяются допустимыми повышенными скоростями вращения для отдельного подшипника.
Недостатком известной машины сварки трением является необходимость уменьшения диаметра шпинделя для его монтажа на 3÷4 подшипниках с уменьшенным размером. В таком шпинделе сложно поместить устройство для закрепления вращаемой детали обеспечивающее надежность ее фиксации.
Технической задачей предлагаемого решения является разработка конструкции машины для сварки трением, заключающейся в расширении функциональных возможностей за счет расширения диапазона скоростей вращения при обеспечении достаточного ресурса работы опоры вращения, воспринимающей осевое усилие, а также имеющей надежное устройство для закрепления вращаемой детали.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в машине для сварки трением, содержащей станину, привод вращения, шпиндельный узел со шпинделем, включающим зажимное устройство вращаемой детали и установленным на подшипниках качения, наружные кольца которых смонтированы в корпусе шпиндельного узла с использованием гидроопор, соединенных с напорной магистралью подачи давления в гидроцилиндр создания осевого усилия, а также зажимное устройство для невращаемой детали, установленное на станине с возможностью осевого движения гидроцилиндром создания осевого усилия, согласно предложению, шпиндельный узел для восприятия осевого усилия имеет два упорных подшипника со сферическими роликами, один из которых, меньший, рассчитан для восприятия до 1/3, а другой, больший, - до 2/3 максимального осевого усилия, при этом наружное кольцо меньшего подшипника смонтировано непосредственно в корпусе шпиндельного узла, наружное кольцо большего подшипника помещено в гидроопоре, а его внутреннее кольцо посажено на втулку, установленную на шпинделе с радиальным зазором и зазором между торцом втулки и торцом уступа на шпинделе, при этом гидроопора имеет поршень площадью, равной 2/3 площади поршня гидроцилиндра создания осевого усилия, с которым она соединена через управляемый гидрораспределитель.
Выполнение машины для сварки трением со шпиндельным узлом, в котором шпиндель для восприятия осевой нагрузки имеет два подшипника качения со сферическими роликами, один из которых рассчитан для восприятия до 1/3, а другой - до 2/3 максимального осевого усилия, наружное кольцо меньшего подшипника установлено непосредственно в корпусе шпиндельного узла, наружное кольцо большего подшипника помещено в гидроопоре, соединенной с напорной магистралью подачи давления в гидроцилиндр создания осевого усилия и имеющей площадь поршня, равной 2/3 площади последнего, позволяет гарантированно распределять нагрузку между подшипниками в соответствии с их несущей способностью. Выбор подшипников с несущей способностью 1/3 и 2/3 максимального осевого усилия дает возможность распределения осевого усилия между ними в соотношении 1:2, и соответственно получения допустимых скоростей вращения, отличающиеся в 2 раза, а с учетом того, что каждый подшипник позволяет повышать скорость вращения, примерно, в 2 раза от предельно допустимой при таком же снижении осевого усилия, то их совместная работа за счет отличительных признаков позволяет изменять скорости вращения примерно в 4 раза.
Таким образом, выше сказанное позволяет констатировать расширение функциональных возможностей заявляемой машины для сварки трением за счет расширения диапазона скорости вращения.
Выполнение машины для сварки трением с посадкой внутреннего кольца большего подшипника на втулку, установленную на шпинделе с радиальным зазором и зазором между торцом втулки и торцом уступа на шпинделе, и соединение полости гидроопоры с напорной магистралью подачи давления в гидроцилиндр создания осевого усилия через управляемый гидрораспределитель, обеспечивает возможность вращения шпинделя на высоких оборотах без вращения внутреннего кольца и роликов большого подшипника, позволяет управлять загруженностью подшипниковых опор в зависимости от рабочих условий и, тем самым, обеспечивать необходимый ресурс долговечности подшипников при сварке. При сварке с усилием более 1/3 и до максимального и низких скоростях вращения, загружаются оба подшипника. При сварке деталей малого диаметра с усилием до 1/3 максимального, которое допустимо для меньшего подшипника даже на высоких скоростях вращения, больший подшипник, для которого эти скорости вращения не допустимы, разгружается, а его кольца и ролики неподвижны.
Предлагаемая совокупность существенных признаков придает заявляемой машине для сварки трением новые свойства, позволяющие решить поставленную задачу - как расширение функциональных возможностей заявляемой машины для сварки трением за счет расширения диапазона скорости вращения при достаточном ресурсе работы опоры вращения, воспринимающей осевое усилие, так и обеспечение возможности надежного закрепления вращаемой детали, поскольку наличие только двух подшипников для восприятия осевой нагрузки позволяет увеличить диаметр передней части шпинделя и разместить внутри устройство для зажатия вращаемой детали с гидравлическим приводом.
Заявляемая машина для сварки трением иллюстрируется чертежами, где представлены на:
фиг. 1 - схематичный вид заявляемой машины для сварки трением, фронтальный вид в разрезе;
фиг. 2 - схематичный увеличенный вид шпиндельного узла с приводом, фронтальный вид в разрезе;
фиг. 3 - вид А на фиг. 1 части опорного узла;
фиг. 4 - схематичный вид А на фиг. 1 части опорного узла при осевой нагрузке больше 1/3 максимально допустимой.
Машина для сварки трением, показанная на фиг. 1, 2, содержит станину 1, на которой установлен корпус 2 шпиндельного узла с приводом вращения 3 шпинделя 4.
В шпинделе 4, являющемся корпусом зажимного устройства для вращаемой детали 5, размещены компоненты зажимного устройства: клиновые кулачки 6 с гидроцилиндром 7 для их привода.
Корпус 8 зажимного устройства для невращаемой детали 9 смонтирован на направляющих 10 с возможностью осевого перемещения по станине 1. Корпус 8 зажимного устройства соединен со штоком 11 гидроцилиндра 12. Гидроцилиндр 12 предназначен для перемещения корпуса 8 и создания осевого усилия сжатия свариваемых деталей 5 и 9.
В корпусе 8 зажимного устройства для невращаемой детали 9 размещены клиновые кулачки 13, соединенные со штоком гидравлического цилиндра 14.
Площадь V поршня гидроцилиндра 12 выбрана из расчета обеспечения максимального усилия.
Шпиндель 4 установлен в корпусе 2 шпиндельной бабки на радиальных подшипниках 15 и 16 для восприятия радиальной нагрузки. Для восприятия осевой нагрузки шпиндельный узел имеет упорные подшипники 17 и 18 со сферическими роликами. Подшипник 17, меньший, рассчитан для восприятия 1/3 максимальной осевой нагрузки и установлен внутренним кольцом 19 в хвостовой части шпинделя 4, а наружным кольцом 20 - в гнезде на задней стенке корпуса 2. Наружное кольцо 21 большего подшипника 18 установлено в пиноли 22, помещенной в расточке корпуса 2. Внутреннее кольцо 23 подшипника 18 посажено на втулку 24, которая установлена с зазорами K и S (фиг. 1, 2, 3) соосно шпинделю 4 и имеет тарельчатую пружину 25 для обеспечения предварительного натяга в подшипнике 18. Пиноль 22 за счет герметизации зазоров в контакте поверхностей пиноли 22 с поверхностями корпуса 2 манжетами 26 и 27 образует гидравлическую опору с герметичной полостью Р. Тарельчатая пружина 25 наружной кромкой опирается на внутреннее кольцо 29 радиально-упорного подшипника 30, закрепленного наружным кольцом 31 в расточке пиноли 22. Пиноль 22 имеет бурт 32, которым она прижимается к корпусу 2 под действием пружин 33. Площадь W поверхности торца пиноли 22 равна 2/3 площади поршня V, гидроцилиндра 12.
Шпиндель 4 зубчатой передачей, состоящей из шестерен 34 и 35, соединен с тормозной фрикционной муфтой 36.
Привод вращения 3 в виде электродвигателя соединен со шпинделем 4 ременной передачей, состоящей из ремней и шкивов 37 и 38 с передаточным отношением, обеспечивающим оптимальную линейную скорость на поверхности свариваемых деталей сплошного сечения при сварке с максимальным осевым усилием. Мощность привода вращения и ременной передачи выбирается исходя из необходимости сварки деталей с максимальным сечением. При сварке деталей с минимальным сечением привод будет недогружен.
Для изменения частоты вращения электродвигатель подключен к преобразователю частоты (на фиг.1 не показан).
Для обеспечения работы гидроцилиндров 7, 12, 14 и гидроопоры с полостью Р машина имеет гидравлическую станцию 39, состоящую из бака 40, насосного агрегата 41, переливного клапана 42, сливного фильтра 43, двух гидрораспределителей 44, 45 для управления гидроцилиндром 12 и гидроопорой Р, а также двух гидрораспределителей для управления гидроцилиндрами 7 и 14 (на фиг. 1 не показаны).
Гидрораспределители 44 и 45 на фиг. 1, 2 показаны в исходном состоянии машины. При этом полость Р между корпусом 2 и пинолью 22, герметизированная манжетами 26 и 27, соединена трубопроводом 46 через гидрораспределитель 44 с полостью бака 40. Полости F и Q, соединенные трубопроводами 47 и 48 с гидрораспределителем 45, заперты последним. Гидрораспределители 44 и 45 трубопроводами 49 и 50 подсоединены к насосному агрегату 41, а трубопроводами 51 и 52 - к полости бака 40. Гидрораспределитель 45 имеет электромагниты управления 53 и 54, гидрораспределитель 44 имеет электромагнит управления 55, а переливной клапан 42 - электромагнит пропорционального управления 56.
Машина для сварки трением работает следующим образом.
Если для сварки деталей 5 и 9 требуется осевое усилие меньше, чем 1/3 максимального, а скорость вращения больше допустимой для подшипника 18, то машина включается на работу в режиме "пониженной мощности". При установления этого режима электромагнит 55 остается выключенным, и гидрораспределитель 44 и трубопроводы 46 и 51 соединяют полость Р с полостью бака 40, при этом давление в полости Р равно атмосферному.
Под действием пружин 33 пиноль 22 с подшипниками 17 и 18, пружиной 25 и втулкой 24 удерживается в исходном положении, т.е. бурт 32 (фиг. 1, 2, 3) прижат к корпусу 2, и между торцом втулки 24 и буртом на шпинделе 4 имеется зазор K. Подшипник 30 и тарельчатая пружина 25 удерживают подшипник 18 с втулкой 24 в собранном состоянии.
При загрузке деталей в машину для сварки трением ее зажимные устройства открыты.
Зажатие детали 5 в зажимном устройстве шпинделя 4 производится кулачками 6 за счет втягивания их в конус шпинделя 4, гидроцилиндром 7. Зажатие детали 9 осуществляется кулачками 13 за счет втягивания их в конус корпуса 8 гидроцилиндром 14.
После зажатия деталей осуществляется сближение торцов деталей 5 и 9 перемещением корпуса 8 зажимного устройства с невращаемой деталью 9 гидроцилиндром 12. Выдвижение штока 11 гидроцилиндром 12 до соприкосновения торцов деталей 5 и 9 осуществляется при включении электромагнита 53 гидрораспределителя 45, что обеспечивает подачу жидкости от насосного агрегата 41 по трубопроводам 50 и 47 в полость F и слив из полости Q в бак 40 по трубопроводам 48 и 52.
Для преодоления сопротивления движению корпуса 8 давление в трубопроводах 50, 47 и полости F повышается путем некоторого увеличения тока через электромагнит пропорционального управления 56, что дает частичное перекрытие клапана 42 и увеличение сопротивления сливу жидкости в бак. После соприкосновения торцов деталей 5 и 9 движение корпуса 8 прекращается, детали 5 и 9 прижимаются с минимальным усилием.
Для сварки включается привод 3, передающий вращение через ременную передачу со шкивами 37 и 38 на шпиндель 4. Шпиндель 4 вращается на подшипниках 15 и 16, воспринимающих радиальные нагрузки, и удерживается от осевого смещения только меньшим подшипником 17, который имеет значительно меньшие размеры, чем подшипник 18 и допускает повышенные скорости вращения при достаточном ресурсе работы. За счет зазоров K и S между шпинделем 4 и втулкой 2, последняя, кольцо 23 и ролики подшипника 18 с роликами остаются неподвижными.
После достижения шпинделем 4 номинальной скорости вращения ток в электромагните пропорционального управления 56 клапана 42 дополнительно плавно увеличивается до заданного, обеспечивающего повышение давления и величину осевого усилия, необходимого для сварки.
По завершению цикла сварки для отвода корпуса 8 выключается электромагнит 53 и включается электромагнит 54 гидрораспределителя 45, за счет чего он прекращает подачу жидкости от насосного агрегата 41 в полость F и направляет ее по трубопроводу 48 в полость Q, а трубопровод 47 от полости F соединяет с трубопроводом 52 для слива в бак 40. Одновременно открывается зажимное устройство детали 5. Корпус 8 отводится цилиндром 12 в исходное положение, где открывается зажимное устройство детали 9 и освобождается сваренный узел.
2
Если для сварки деталей 5 и 9 требуется осевое усилие большее чем 1/3 максимального, то машина переводится на работу в режиме "повышенной мощности". Для перехода на этот режим включается электромагнит 55 гидрораспределителя 44, который отсоединяет полость Р от бака 40 и соединяет ее трубопроводом 49 с насосным агрегатом 41. При выключенном электромагните 56 клапан 42 полностью открыт и жидкость, поступающая от работающего насосного агрегата 41, сливается через фильтр 43 в бак 40, но в трубопроводах 49 и 50 вследствие наличия сопротивления в фильтре 43, остается давление слива до 1÷3 кГ/см. Под действием этого давления, которое после соединения полости Р гидрораспределителем 44 с насосным агрегатом 41, будет и в полости Р, пиноль 22 выдавливается, сжимая пружины 33, на величину зазора K до упора торца втулки 24 в торец уступа шпинделя 4 (фиг. 4). За счет этого подшипнику 18 обеспечивается предварительный натяг, необходимый при вращении без осевой нагрузки и для разгона втулки с внутренним кольцом одновременно со шпинделем 4.
После зажатия деталей осуществляется сближение торцов деталей 5 и 9 до соприкосновения перемещением корпуса 8 зажимного устройства с невращаемой деталью 9 гидроцилиндром 12 таким же образом, как и на режиме "пониженной мощности".
Для сварки включается привод 3, передающий вращение через ременную передачу со шкивами 37 и 38 на шпиндель 4. Шпиндель 4 вращается на подшипниках 15 и 16, воспринимающих радиальные нагрузки, и удерживается от осевого смещения обоими подшипниками 17 и 18.
После достижения шпинделем 4 номинальной скорости вращения ток в электромагните пропорционального управления 56 клапана 42 плавно увеличивается до заданного, обеспечивающего повышение давления и величину осевого усилия, необходимого для сварки. При этом происходит необходимое ограниченное перекрытие переливного клапана 42, что дает увеличение сопротивления сливу жидкости и нарастанию давления в трубопроводах 49, 46, 50 и 47, а также в полостях F и Р. Усилие прижатия деталей 5 и 9 также увеличивается. Поскольку площадь W торца пиноли 22 в полости Р равна 2/3 площади V поршня гидроцилиндра 12, то усилие со стороны гидроцилиндра 12 через детали 5 и 9 передается на шпиндель и далее делится: 2/3 усилия со шпинделя передается через втулку 24 и через больший подшипник 18 на пиноль 22, а 1/3 - через меньший подшипник 17 на корпус 2. Завершение цикла сварки аналогично описанному выше для режима «пониженной мощности».
Таким образом, предлагаемая машина для сварки трением позволяет управлять распределением нагрузки на подшипники, предназначенные для восприятия осевого усилия и сваривать детали более широкого диапазона диаметров.
Особенностью заявляемой машины для сварки трением является то, что выполнение машины, имеющей опору вращения для восприятия осевого усилия, состоящую из двух упорных подшипников со сферическими роликами, один из которых, меньший, рассчитан для восприятия до 1/3 максимального осевого усилия, а другой, больший, до - 2/3, с размещением наружного кольца большего подшипника в пиноли, а внутреннего кольца с посадкой на втулку, установленную на шпинделе с радиальным зазором и зазором между торцом втулки и торцом уступа на шпинделе, а также соединение полости гидравлической опоры с напорной магистралью подачи давления в гидроцилиндр создания осевого усилия через управляемый клапан, позволяет управлять распределением нагрузки на подшипниковые опоры в зависимости от рабочих условий и при сварке на повышенных скоростях вращения деталей малого диаметра разгружать больший подшипник, предназначенный для восприятия 2/3 осевого усилия, а его кольцу, посаженному на втулку, смонтированной с радиальным зазором на шпинделе, - не вращаться.
Это обеспечивает возможность повышения скорости вращения шпинделя для сварки деталей малого диаметра, без снижения ресурса подшипников для восприятия осевого усилия и расширить функциональные возможности машины.
Наличие только 2-х подшипников для восприятия осевой нагрузки позволяет увеличить диаметр передней части шпинделя и разместить внутри устройство для зажатия вращаемой детали с приводом.
Заявляемая полезная модель может найти широкое применение в области в машиностроения, в частности в мелкосерийном производстве, когда требуется сварка широкой номенклатуры деталей, например, инструмента, и поэтому она соответствует критерию «промышленная применимость». Например, заявляемая установка апробируется в ООО «КТИАМ» (г. Челябинск) для сварки опытных образцов при разработке технологии перспективных деталей по заявкам промышленности.