ПРИВОД МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО СТАНКА

Предполагаемая полезная модель относится к станкостроению и может быть использована преимущественно в приводах главного движения шпиндельных узлов при модернизации сверлильно-фрезерно-расточных станков.
Известен привод металлорежущего станка, содержащий корпус, полый приводной вал, установленный на передних и задних подшипниковых опорах, статор электродвигателя, смонтированный в корпусе шпиндельного узла и ротор, установленный на полом приводном валу шпинделя (Патент РФ №2230652, кл. B24B 41/04, B23B 19/02, 2002 г.).
Приводы металлорежущих станков, построенных по данной схеме, получили широкое распространение и обладают целым рядом достоинств, связанных с отсутствием дополнительных механических передач.
Недостатки приводов данной конструкции связаны с особенностями применяемых электродвигателей. Например, синхронные электродвигатели компании Siemens AG серии 1FE1 имеют несколько исполнений, различающихся числом полюсов. Четырехполюсные электродвигатели серии High speed отличаются высокой предельной частотой вращения. При этом они имеют более низкие значения развиваемого крутящего момента по сравнению с шести- и восьмиполюсными электродвигателями серии High Torque. Это обстоятельство определяет конструкцию шпиндельного узла, который может быть либо высокоскоростным, либо высокомоментным. Соответственно станок, в котором может быть использован высокоскоростной или высокомоментный шпиндельный узел может быть использован в определенной области режимов обработки, что сужает его технологические возможности.
Другой недостаток данного привода связан с тем, что электродвигатели, используемые в приводах подобного вида не позволяют вести обработку на низких скоростях с высоким значением крутящих моментов, что требуется, например, при изготовлении деталей из труднообрабатываемых материалов, либо, при снятии больших припусков. Это определяет использование в приводах станков двигателей высокой мощности, что приводит к увеличению габаритов шпиндельных узлов, снижению КПД, перерасходу электроэнергии и нерациональному использованию двигателя при работе на легких режимах обработки.
Известен привод металлорежущего станка, состоящий из двух электродвигателей с частотным регулированием частоты вращения ротора, валом которых является сам шпиндель, при этом электрические двигатели имеют возможность одновременного и последовательного по времени включения и отключения, (Патент Японии №04-275803, кл. B23B 19/02, 1992 г.).
Известен также привод металлорежущего станка, состоящий из трех асинхронных электродвигателей с частотным регулированием частоты вращения ротора и с возможностью работы в режимах S1 и S6, валом которых является сам шпиндель, при этом электрические двигатели имеют возможность одновременного и последовательного по времени включения и отключения, а мощность каждого из которых равна одной трети максимальной мощности одного электродвигателя, необходимой для выполнения самой тяжелой операции по паспорту металлорежущего станка (Патент на полезную модель РФ 45665, кл. B23D 9/00, 2004 г.).
Недостатками данных приводов являются увеличение габаритов шпиндельных узлов и необходимость использования двигателей большой мощности для достижения высоких крутящих моментов в области низких частот вращения, что обуславливает низкое значение такого важного показателя привода станка как удельная мощность, приходящаяся на единицу его массы.
Наиболее близким к заявляемому является привод металлорежущего станка, содержащий шпиндельную бабку, в которой установлен полый корпус шпиндельного узла с подшипниками полого шпинделя с осевым отверстием для закрепления инструмента, основной приводной двигатель шпинделя, состоящий из ротора, жестко связанного со шпинделем и статора, неподвижно установленного в корпусе шпиндельного узла, датчик угла поворота шпинделя, устройство зажима инструмента, содержащее подвижный в осевом направлении зажимной элемент, расположенный внутри шпинделя, и связанный с приводным механизмом, расположенным с противоположной стороны шпинделя от отверстия для закрепления инструмента, при этом привод содержит дополнительный полый корпус, соосный с отверстием в корпусе шпиндельного узла и расположенный со стороны приводного механизма зажимного элемента, в котором расположен статор дополнительного электродвигателя и подшипники полого вала с ротором дополнительного электродвигателя и датчиком угла его поворота, а также управляемая сцепная муфта, связывающая между собой шпиндель и вал с ротором дополнительного двигателя (Европейский патент №2062681, кл. B23Q 5/10, 2008 г., пункт 1 формулы изобретения, прототип).
В качестве дополнительного двигателя может использоваться синхронный моментный двигатель с ротором на постоянных магнитах, что позволяет исключить промежуточные механические передачи.
1
Недостатками данного устройства являются значительные габариты в радиальном направлении и низкая частота вращения (менее 300 мин" под рабочей нагрузкой), обусловленные конструкцией моментного двигателя, что сужает технологические возможности привода, необходимость дополнительной станции для его охлаждения, а также высокая стоимость моментного двигателя.
Технический результат предполагаемой полезной модели выражается в расширении технологических возможностей привода за счет увеличения его диапазона частот вращения с высокими значениями крутящего момента в области низкоскоростной черновой и получистовой обработки, снижение стоимости привода, а также повышение удельной мощности, приходящееся на единицу массы привода.
Технический результат достигается тем, что в приводе металлорежущего станка, со шпиндельной бабкой, в которой установлен полый корпус шпиндельного узла с подшипниками полого шпинделя с осевым отверстием для закрепления инструмента, содержащий основной приводной электродвигатель шпинделя, состоящий из ротора, жестко связанного со шпинделем и статора, неподвижно установленного в корпусе шпиндельного узла, датчик угла поворота шпинделя, дополнительный полый вал, расположенный в подшипниках соосно шпинделю со стороны механизма привода зажимного элемента, дополнительный электроэлектродвигатель с датчиком угла его поворота, а также управляемую сцепную муфту, связывающую между собой шпиндель и дополнительный вал, при этом дополнительный вал связан с валом дополнительного электроэлектродвигателя механической передачей;
- механическая передача, связывающая дополнительные вал и двигатель выполнена выключаемой, а муфта, соединяющая шпиндель и дополнительный вал выполнена в виде постоянного зубчатого соединения.
Новым в предлагаемом устройстве является то, что дополнительный вал связан с валом дополнительного электродвигателя механической передачей;
- механическая передача, связывающая дополнительные вал и двигатель выполнена выключаемой, а муфта, соединяющая шпиндель и дополнительный вал выполнена в виде постоянного зубчатого соединения.
На фиг. 1 показана кинематическая схема предлагаемого устройства по п. 1; на фиг. 2 - показана кинематическая схема предлагаемого устройства по п. 2 при выключении механической передачи.
Предлагаемое устройство состоит из шпиндельной бабки 1, в которой установлен полый корпус шпиндельного узла 2 с подшипниками 3, несущих полый шпиндель 4 с осевым отверстием 5 для закрепления инструментальной оправки 6. В корпусе шпиндельного узла 2 расположен статор 7, а на шпинделе 4 - ротор 8 основного электродвигателя. На шпинделе 4 установлен диск 9 датчика угла поворота со считывающей головкой 10, закрепленной в корпусе 2. В отверстии шпинделя 4 расположен подвижный в осевом направлении зажимной элемент 11 устройства зажима инструмента, связанный с механизмом его привода 12, расположенным с противоположной стороны шпинделя 4 от отверстия 5 для закрепления инструментальной оправки 6.
В шпиндельной бабке 1 соосно шпинделю 4 в подшипниках 13 расположен дополнительный полый вал 14. Шпиндель 4 и дополнительный вал 13 соединены соответственно с полумуфтами 15 и 16, образующими сцепную муфту. На дополнительном валу 14 закреплены зубчатые колеса 17 и 18.
В шпиндельной бабке 1 в подшипниках 19 расположен вал 20 с блоком шестерен 21, имеющем зубчатые венцы 22 и 23. Зубчатый венец 23 находится в зацеплении с шестерней 24, жестко закрепленной на валу 25 установленным в подшипниках 26. Вал 25 связан муфтой 27 с приводным электродвигателем 28, оснащенным встроенным датчиком угла поворота 29.
Зубчатые колеса 22, 17 и шестерня 24 образуют механическую передачу, понижающую частоту вращения и повышающую крутящий момент. Зубчатые колеса 23, 18 и шестерня 24 образуют механическую передачу, передаточное отношение которой близко к единице.
Блок шестерен 21 связан с механизмом переключения 30, управляемым от системы управления 31.
Питание статора электродвигателя 8 и электродвигателя 28 осуществляется переменным током регулируемой частоты, контролируемой системой управления 30.
Устройство работает следующим образом.
При высокоскоростной обработке, либо при работе на чистовых и получистовых режимах, а также при изготовлении деталей из легкообрабатываемых материалов используется привод шпинделя 4 от синхронного электродвигателя, состоящего из ротора 8 и статора 7. Инструментальная оправка 6 устанавливается в коническое отверстие 5 шпинделя 4 и закрепляется и зажимным элементом 10 механизма зажима инструмента, приводимым в действие приводом 12.
Кулачковые муфты 15 и 16 расцепляются. На статор электродвигателя 7 подается переменное напряжение, создающее вращающееся магнитное поле, приводящее ротор электродвигателя 8 и шпиндель 4 во вращение в подшипниках 3. Угловое положение ротора 8 и жестко связанного со шпинделем 4 диска датчика угла поворота 9 определяется считывающей головкой 10.
При работе в данном режиме электродвигатель 28 находится в выключенном состоянии, поэтому валы 14, 20 и 25 не вращаются.
Отсутствие колебаний, возникающих при работе механических передач 22, 17 и 23, 18 позволяет повысить качество обработки.
При остановке шпинделя 4 его угловое позиционирование осуществляется синхронным электродвигателем с ротором 8 и статором 7.
При обработке деталей из труднообрабатываемых материалов на черновых низкоскоростных режимах полумуфты 15 и 16 сцепляются.
Включаются электродвигатель, состоящий из статора 7, ротора 8 и электродвигатель 28. Синхронизация их вращения осуществляется системой управления 31.
При этом вращение от электродвигателя 28 через муфту 27 передается на шестерню 24, которая приводит во вращение зубчатый венец 23 блока зубчатых колес 21. Блок зубчатых колес 21 имеет два крайних положения, в которых вращение передается от него через зубчатый венец 22 на колесо 17, либо от зубчатого венца 23 на зубчатое колесо 18. Переключение блока зубчатых колес 21 осуществляется по команде от системы управления 31.
При этом к шпинделю 4 от дополнительного электродвигателя 28 подводится вращение через зубчатые колеса 17, 22, 23 и 24, либо 18, 23 и 24, чем обеспечивается крутящий момент, необходимый при высоконагруженных черновых режимах обработки деталей из труднообрабатываемых материалов.
При черновой обработке вибрации и нагрев зубчатых передач не вносят заметного влияния точность и шероховатость получаемой поверхности.
Для упрощения конструкции сцепные полумуфты 15 и 16 могут быть заменены на зубчатые полумуфты 32 и 33, жестко связанные со шпинделем 4 и валом 14, а устройство переключения 30 блока зубчатых колес 21 должно обеспечивать его нейтральное положение, в котором передачи 22, 17 и 23, 18 одновременно оказываются в выключенном состоянии. При этом в области высокоскоростной обработки исключается влияние колебаний и тепловыделения в зубчатых передачах 17, 22, 23 и 24, либо 18, 23 и 24 на точность и шероховатость обработанной поверхности.
Применение предлагаемого устройства позволит расширить технологических возможностей привода за счет увеличения его диапазона частот вращения и обеспечения высоких значений крутящего момента в области низкоскоростной черновой и получистовой обработки, снижение стоимости привода, а также повышение удельной мощности, приходящейся на единицу массы привода за счет использования понижающей механической передачи. В качестве дополнительного электродвигателя может использоваться асинхронный электродвигатель с воздушным охлаждением, статор и ротор которого конструктивно объединены в одном корпусе, что снижает стоимость конструкции.
Использование предлагаемого устройства при модернизации обрабатывающих центров позволит создать станок, обеспечивающий проведение высокоскоростной и низкоскоростной обработки при минимальных изменениях в исходной конструкции.