АЭРОСТАТИЧЕСКИЙ РАДИАЛЬНЫЙ ПОДШИПНИК

Полезная модель относится к устройствам, осуществляющим бесконтактное удержание в радиальном направлении вращающегося тела, например, шпинделя с закрепленным на нем инструментом, и может быть использована для обеспечения высокой точности проведения технологических операций.
В патентной публикации JP 2076604(A), 16.03.1990, F16C 32/06 раскрыт шпиндельный узел, содержащий группу аэростатических радиальных подшипников, удерживающих общий вал. Втулка каждого подшипника выполнена в виде набора воздухопроницаемых дроссельных колец и воздухонепроницаемых опорных колец, причем каждое дроссельное кольцо ограничено в осевом направлении с двух сторон опорными кольцами. Между внутренней поверхностью втулки, образованной внутренними поверхностями дроссельных и опорных колец, и внешней поверхностью вала имеется зазор, в который через дроссельные кольца подается воздух и который обеспечивает бесконтактное удержание вала во втулке (далее - аэростатический зазор). Аэростатический радиальный подшипник, раскрытый в указанном источнике, выбран в качестве прототипа полезной модели.
Очевидно, что стабильность положения вращающегося вала в радиальном направлении обеспечивается радиальной жесткостью аэростатического зазора, которая, в свою очередь, находится в прямой зависимости от гидравлического сопротивления дроссельных колец при одновременном выполнении следующих условий:
- наличие в зазоре достаточного для удержания вала давления воздуха;
- равенство гидравлического сопротивления аэростатического зазора и дроссельных колец.
Для обеспечения требуемой величины гидравлического сопротивления дроссельных колец в прототипе они выполнены из пористого материала, в качестве которого, как правило, используют графит или керамику с открытой пористостью.
Однако, как указывалось выше, увеличение гидравлического сопротивления дроссельных колец должно сопровождаться таким же увеличением гидравлического сопротивления аэростатического зазора, для чего его длина должна быть увеличена, а толщина - уменьшена. Увеличение длины аэростатического зазора обеспечено введением опорных колец. Уменьшение толщины аэростатического зазора возможно при прецизионном исполнении внутренней поверхности втулки и внешней поверхности вала.
Внешняя поверхность вала может быть выполнена с требуемой точностью известными из уровня техники средствами. Однако, как будет показано ниже, возникают серьезные технологические сложности при выдерживании заданного диаметра на всей длине внутренней поверхности втулки прототипа, образованной внутренними поверхностями чередующихся опорных и дроссельных колец. Неточность выполнения внутренней поверхности втулки вызывает резкое снижение гидравлического сопротивления аэростатического зазора при малейшем отклонении вала от его центрального положения, а значит - снижает радиальную жесткость аэростатического зазора.
Задачей полезной модели является повышение радиальной жесткости аэростатического зазора аэростатического радиального подшипника.
Для решения поставленной задачи предложен аэростатический радиальный подшипник, включающий вал и втулку, внутренняя поверхность которой образована внутренними поверхностями дроссельных и опорных колец, установленных так, что опорные кольца ограничивают в осевом направлении каждое дроссельное кольцо с двух сторон. Дроссельные кольца выполнены из керамики с открытой пористостью, а опорные кольца выполнены из того же материала, но пропитанного отвердевающим полимерным составом. При этом обработка внутренней поверхности втулки осуществлена после сборки втулки.
В частном случае первой полезной модели в качестве отвердевающего полимерного состава использован раствор эпоксидной смолы в ацетоне.
Технический результат, достигаемый при использовании полезной модели, состоит в обеспечении возможности прецизионного выполнения внутренней поверхности втулки с выдерживанием заданного диаметра по всей ее длине.
Осуществление полезной модели будет пояснено ссылками на фигуры:
Фиг.1 - известный аэростатический радиальный подшипник;
Фиг.2 - аэростатический зазор известного аэростатического радиального подшипника вблизи дроссельного кольца;
Фиг.3 - аэростатический радиальный подшипник, выполненный согласно полезной модели;
Фиг.4 - аэростатический зазор предложенного аэростатического радиального подшипника вблизи дроссельного кольца.
Известный аэростатический радиальный подшипник, показанный на фиг.1, содержит вал 1 и втулку 2. Втулка включает дроссельные кольца 3 и опорные кольца 4, внутренняя поверхность которых образует внутреннюю поверхность втулки. К дроссельным кольцам через канал 5 под давлением поступает воздух, который, проходя через дроссельные кольца, попадает в аэростатический зазор 6 и обеспечивает бесконтактное удержание вала во втулке.
Для обеспечения воздухопроницаемости дроссельных колец они обычно выполняются из графита или керамики, имеющих открытую пористость, в свою очередь, опорные кольца изготавливаются из металла. Поскольку жесткость аэростатического зазора определяется его гидравлическим сопротивлением, требуемое значение которого достигается при толщине зазора менее 10 микрон, то критически важной является прецизионная точность исполнения внешней поверхности вала и внутренней поверхности втулки. Обработка вала, как правило, не сопровождается техническими сложностями, при этом окончательная обработка втулки должна быть проведена после ее сборки.
Однако вследствие различной твердости материалов, из которых изготовлены опорные и дроссельные кольца, они имеют разную податливость обрабатывающему инструменту. Поскольку твердость металла существенно выше твердости графита, на внутренней поверхности втулки на участках, образованных дроссельными кольцами, появляются канавки 7, и аэростатический зазор известного аэростатического радиального подшипника принимает вид, показанный на фиг.2.
Радиальная жесткость полученного аэростатического зазора резко уменьшается из-за значительного снижения его гидравлического сопротивления. На фиг.2 стрелками показано направления движения воздуха, который при смещении вала не создает область повышенного давления, достаточного для создания усилия, возвращающего вал в исходное положение, а уходит через канавки, появившиеся на дроссельных кольцах.
Следует отметить, что твердость керамики превышает твердость металла, и при совместной обработке втулки, собранной из керамических дроссельных колец и металлических опорных колец, канавки, аналогичные канавкам 7, появляются на опорных кольцах. Канавки на опорных кольцах снижают жесткость аэростатического радиального подшипника по тем же причинам, что и канавки на дроссельных кольцах.
В предложенном аэростатическом радиальном подшипнике, представленном на фиг.3 и содержащем вал 1 и втулку 2, дроссельные кольца 3 так же, как и в прототипе, ограничены в осевом направлении с двух сторон опорными кольцами 4. Аналогично прототипу дроссельные кольца выполнены из керамики с открытой пористостью. Однако опорные кольца 4 в данном случае выполнены из той же керамики, что и дроссельные кольца, а для придания им свойства воздухонепроницаемости используемая для их изготовления пористая керамика пропитана отвердевающим полимерным составом, блокирующим поры.
В качестве отвердевающего полимерного состава может быть использован 7-20% раствор эпоксидной смолы в ацетоне (по массовой доле), что является частным случаем полезной модели. Пропитка опорных колец может быть осуществлена путем их погружения в емкость с отвердевающим полимерным составом и последующим высушиванием.
Поскольку все известные отвердевающие полимерные составы, способные пропитать керамику с блокированием ее пор, имеют в отвердевшем состоянии твердость меньше самой керамики, то пропитанная такими составами керамика имеет такую же податливость к механической обработке, что и исходная керамика. Следовательно, обработка внутренней поверхности втулки, собранной из дроссельных и опорных колец, не приведет к образованию канавки на дроссельном кольце (фиг.4).
Внутренняя поверхность втулки, образованная внутренними поверхностями дроссельных и опорных колец, приобретает постоянный диаметр, обеспечивающий неизменную толщину аэростатического зазора на всей его длине. Гидравлическое сопротивление аэростатического зазора существенно повышается, что, в свою очередь, вызывает повышение и его радиальной жесткости.
На фиг.4 стрелками показаны направления движения воздуха в аэростатическом зазоре предложенного аэростатического радиального подшипника. При смещении вала в радиальном направлении возникает область повышенного давления 8, создающее усилие F для возврата вала в сторону области пониженного давления 9, т.е. в его исходное положение.
Таким образом, использование заявленной полезной модели, позволяет осуществить прецизионную обработку внутренней поверхности втулки аэростатического радиального подшипника с выдерживанием постоянного диаметра по всей ее длине. Радиальная жесткость аэростатического зазора снабженного такой втулкой аэростатического радиального подшипника значительно возрастает, обеспечивая стабильность положения вала в радиальном направлении.
Предложенный аэростатический подшипник может быть произведен следующим образом. Вал изготавливают с использованием традиционных методов обработки металлических заготовок.
Дроссельные и опорные кольца изготавливают из керамики с открытой пористостью путем формования и последующего спекания. Далее опорные кольца погружают в емкость с 7-20% раствором эпоксидной смолы в ацетоне (по массовой доле), после чего высушивают. Применение раствора с указанной массовой долей эпоксидной смолы позволяет пропитать поры на всю глубину материала и при этом обеспечить эффективное блокирование пор при отвердевании эпоксидной смолы. Затем осуществляют сборку втулки и после этого производят механическую обработку ее внутренней поверхности известными для специалиста в данной области методами.