Устройство термостабилизации шпиндельного узла

Полезная модель относится к машиностроению в области механической обработки металлов резанием, а именно к станкостроению, конкретно – к обеспечению термостабилизации шпиндельного узла.
При длительной работе подшипников шпинделя происходит его перегрев с появлением  линейной деформации по закону теплового расширения тел.
Кроме линейной деформации происходит радиальная деформация и ослабление шпиндельных опор, что ведет  к уменьшению точности при обработке круглых деталей.
Известны технические решения для минимизации тепловых смещений шпинделя и, как следствие, повышения точности обработки.
Эти цели достигаются  применением  тепловых труб для отведения тепла от подшипников.
Известно устройство для охлаждения подшипников шпиндельного узла [Патент RU № 2359800, МПК В23Q, публ. 27.06.2009].
Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано при разработке прецизионных станков. Устройство с кольцевыми пазами для прохождения по ним масла от насосной установки станка содержит кольца из константана, установленные на наружных кольцах подшипника, преобразователь, содержащий управляемый источник тока и керамические втулки, установленные на наружных поверхностях колец из константана. Кольцевые пазы керамических втулок для прохождения по ним масла и  блок управления задержки времени.
Недостатком изобретения является сложность и дороговизна реализации, а также излишние энергозатраты для питания насосной установки, прокачивающей охлаждающие масла.
Известно устройство для отведения тепла от шпиндельного подшипника [АС. СССР SU1189653, МПК В23Q11/14, опубл. 07.11.85].
Шпиндельный узел обеспечен канавками для охлаждающей жидкости, подводным и отводным штуцерами с возможностью переустановки к другим резьбовым отверстиям, остальные отверстия закрываются пробками.
Недостатки: энергозатраты для насосной станции, неудобство переустановки штуцеров, трудоемкость управления функционированием системы охлаждения.
Известен устройство по способу компенсации упругих тепловых деформаций подшипников шпинделей металлообрабатывающих станков и устройства для его реализации [Патент RU № 2542941, МПК B23B 25/06, F16C 17/22, опубл. 27.02.2015].
В устройстве, реализующем способ компенсации тепловых деформаций подшипников шпинделей металлообрабатывающих станков, состоящем из внешнего металлического корпуса с внутренним пазом и вкладышами в виде пьезокерамических элементов с возможностью управления их деформацией и компенсации термоупругой деформации подшипников. Управление осуществляется от сигналов термодатчиков, преобразованных соответствующими АЦП, и после цифровой  обработки характера деформации и выработки управляющего сигнала от электронного управляющего устройства на пьезокерамические вкладыши.
Сигналы от 3-х термодатчиков к АЦП и через  управляющие устройства к пьезодатчикам синхронизируются с определенной задержкой.
Недостатком является усложненная проблема выработки управляющего закона и сомнительная надежность управления локальными зонами для термокомпенсации.
Технической задачей полезной модели является минимизация тепловых смещений шпинделя и, как следствие, повышение точности обработки.
Техническая задача, поставленная в предлагаемой нами полезной модели, достигается путем помещения  тепловых труб с жидким теплоносителем, в контейнер, наполненный твердым легкоплавким веществом, выполняющим по сути роль теплоаккумулятора.
На Фиг. представлен сборочный чертеж экспериментального шпиндельного узла (ШУ) с применением предложенного устройства термостабилизации шпиндельного узла.
Устройство термостабилизации шпиндельного узла содержит тепловые трубы (ТТ) 6 с жидким теплоносителем (на фиг. не отмечен), помещенные в контейнер 5, содержащий  твердое легкоплавкое вещество (на фиг. не отмечен), а тепловые трубы выполнены с возможностью контакта с объектом перегрева (на фиг. не отмечен).
Объект перегрева, изображенный на Фиг. состоит из корпуса 1, сквозной крышки 2, вала 3, подшипника 4, глухой крышки 7.
В таблице 1 приведены характеристики рабочих веществ, которые могут быть использованы в контейнере.
Таблица 1 - Характеристики рабочих веществ
Рабочее веществ
ТеплоемкостьДж/(кг К)
Плотность,кг/м<sup>3</sup>
Теплопро-водимостьВт/мК
Температура плавления ,ТплС<sup>о</sup>
Теплота плавленияДж/кг
Коэффициент объёмного расширения,  К-1
Жидкой фазы
Твёрдой фазы
Жидкой фазы
Твёрдой фазы
Воск, парафин
2680
2350
760
780
0.27
40-56
156
0.00106
Элаидиновая кисло
2180
1550
850
860
0.16
45
214
0.00097
Пальмитиновая кислота
2730
1880
845
855
0.17
63
214
0.00102
Кристаллический азотнокислый никель
2140
1800
1980
2050
0.56
56.7
155
0.0008
Гидрофосфат натрия
-
-
-
-
-
36
426
-
Гидрат окиси бария
1050
1220
2000
2180
0.244
78
308
0.00018
Кристаллический сернокислый натрий
1470
1000
1320
1450
0.605
32.6
334
0.0007
Кристаллический углекислый натрий
2350
2100
1350
1460
0.487
34
328
0.0009
Нитрат лития
-
-
-
-
-
30
300
-
Нафталин
1300
1300
-
-
-
80
157
-
Дифенил
-
-
-
-
-
69.5
120
-
Сплав Вуда
170
170
-
-
-
65
35
-
Сплав Розе
172
172
-
972
-
94
-
-
Примечание. Наиболее часто  применяются парафин, воск, сплав Вуда, нафталин, дифенил, обладающие лучшими эксплуатационными свойствами (в основном это устойчивая обратимость процесса превращения и коррозионная совместимость).
Устройство работает следующим образом.
На основе двухфазного метода стабилизации температуры шпиндельного узла был разработан экспериментальный шпиндельный узел.
Использованный нами образец шпиндельного узла представляет собой корпус 1, в котором на валу 3 с небольшим натягом установлены радиальные подшипники 4. С «глухого» конца и со свободного конца вал 3 и подшипники 4 закрывают сквозная крышка 2 и глухая крышка 7, каждая из которых крепится четырьмя болтами М8 с шайбами.
Далее сверху надевается контейнер 5 с легкоплавким веществом, в который входит, по меньшей, мере две тепловые трубы 6, скреплённые между собой фланцами. Во фланце и в корпусе шпиндельного узла имеются отверстия под тепловые трубы 6, которые вставляются одним концом в корпус 1 на глубину равную ширине подшипника 4, а другим концом свободно вставляются в контейнер 5, например, с парафином. С  каждого конца вставляются тепловые трубы , как пример,  диаметром 6мм.
Предлагается направить, используя зону транспорта тепловых труб 6, теплоту, образующуюся от трения подшипников 4 ШУ, в контейнер 5, заполненный  твердым легкоплавким веществом, температура плавления которого должна быть меньше допустимой температуры нагрева ШУ.
В испытанной авторами системе, установившаяся после работы в течение 5 часов, температура была 70 градусов Цельсия. В тоже время температура неохлаждаемого ШУ уже на 80 минуте работы превысила 83 градусов Цельсия.
Использование процессов плавления, сопровождающихся эндотермическими эффектами (тепловая энергия поглощается на границе раздела твердой и жидкой фаз) позволяет рассматривать предлагаемую систему охлаждения  как экономичную и весьма надежную. При этом основной проблемой является поддержание обратимости процесса, т.е. необходимость содержать рабочее вещество в как можно более продолжительном по времени  состоянии фазового перехода.
Метод комплексного охлаждения при помощи тепловой трубы 6 и контейнера 5 с плавящимся веществом прошел применительно к процессу резания успешную проверку и обеспечил повышение стойкости режущих инструментов более чем в два раза при обработке резанием титановых сплавов и других труднообрабатываемых конструкционных материалов. Проведено комплексное исследование охлаждения сборных резцов с использованием эффекта комплексного охлаждения при сухом резании.
Опыт охлаждения с помощью фазовых переходов первого рода в других технических областях позволяет нам сделать вывод о возможности применения этих подходов к охлаждению ШУ.
0
Комплексное охлаждение основано на отводе тепла за счет поглощения скрытой теплоты плавления рабочего вещества (сплава Розе) с температурой плавления 96С, расположенного в контейнере 5 внутри державки специально сконструированного и изготовленного резца.