Шпиндель станка

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики и надежности машин Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Леванцевич Михаил Александрович Белоцерковский Марат Артемович Рудько Владимир Максимович Давыдовский Федор Федорович Максимченко Наталья Николаевна Шкатуло Владимир Степанович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики и надежности машин Национальной академии наук Беларуси(57) Шпиндель станка, содержащий корпус, переднюю и заднюю опоры, выполненные в виде блоков радиально-упорных подшипников качения, внутренние кольца которых жестко установлены на валу шпинделя, отличающийся тем, что в корпусе шпинделя станка смонтированы передний и задний опорные щиты, в которых установлены блоки опорных подшипников, причем в щитах, со стороны торцовой поверхности, равномерно по окружности выполнены, по меньшей мере, четыре сквозных отверстия, а перпендикулярно им,со стороны цилиндрической поверхности, выполнены, по меньшей мере, четыре глухих радиальных отверстия, при этом в радиальных отверстиях помещено соответствующее количество демпфирующих инерционных масс, каждая из которых кинематически связана посредством пружины с упором, а последний взаимодействует с расположенным в сквозном отверстии толкателем, регулирующим жесткость упомянутой пружины, при этом на наружной цилиндрической поверхности щитов выполнен винтовой желоб, заполненный высокомолекулярным демпфирующим полимером.(56) 1. А.с. СССР 301032. - Опубл. 30.06.1983. 2. Патент 2071906. - Опубл. 01.20.1997. 3. Ящерицин П.И., Караим И.П. Скоростные внутришлифовальные шпиндели на опорах качения. - Мн. Наука и техника, 1979. - С. 208. Полезная модель относится к области станкостроения и может быть использована преимущественно в металлообрабатывающих и деревообрабатывающих станках. Известен шпиндель станка 1, выполненный в виде ротора, установленного в двух подшипниковых опорах, одна из которых выполнена упругой, а другая - шарнирной. Благодаря наличию упругой опоры обеспечивается повышение виброустойчивости и снижение динамической нагруженности опорных подшипников, в особенности при переходе через критические, резонансные частоты вращения ротора, что в целом способствует повышению их долговечности и улучшению качества обработки изделий. Упругая опора демпфирует и поглощает значительную долю энергии колебаний, обусловленных дисбалансом вращающихся деталей шпинделя с закрепленными на нем инструментом или обрабатываемым изделием, погрешностями изготовления и сборки и др. Кроме того, упругая опора в определенной степени демпфирует и гасит колебания, обусловленные нестационарным, прерывистым характером процесса резания, а также другими источниками колебаний в металлорежущих станках, например работой приводных механизмов и электродвигателей, фрикционным взаимодействием деталей станка и т.п. Вместе с тем, наличие упругой опоры определяет главный недостаток известного шпинделя - низкую жесткость в радиальном направлении, что делает невозможным его эксплуатацию в условиях силового воздействия высоких нагрузок, обусловленных силами резания, например, при врезном шлифовании, токарной обработке и др. Это значительно сужает области применения и технологические возможности указанной конструкции. Известен шпиндель станка 2, установленный на подшипниковых опорах, причем корпус передней опоры закреплен на корпусе шпиндельного узла с преднамеренным смещением оси подшипниковой опоры относительно оси шпинделя в направлении действия радиальной составляющей силы резания. Для сборки такой конструкции корпус и передняя опора выполнены разъемными, при этом разъемная опора выполнена из материала с высокими демпфирующими свойствами, например из высоконаполненного композиционного материала на полимерной основе. Известный шпиндель имеет сравнительно более высокую жесткость в направлении действия силы резания, поскольку за счет преднамеренного смещения выбирается значительная доля упругих деформаций вала и подшипниковой опоры, возникающих в процессе резания. Это способствует снижению уровня вибраций и повышению виброустойчивости шпинделя. Кроме того, за счет использования опоры из демпфирующего материала обеспечивается снижение динамической нагруженности опорных подшипников. Недостатками известной конструкции шпинделя являются высокая сложность в изготовлении, необходимость использования сменных опор различных размеров, соответственно размерам обрабатываемых деталей, что обуславливает большие потери времени на переналадку. Кроме того, одностороннее преднамеренное смещение оси опоры относительно оси шпинделя, с одной стороны, увеличивает анизотропию радиальной круговой жесткости шпинделя, что существенно ограничивает область его применения, с другой стороны - обуславливает дополнительную нагрузку на подшипники, поскольку при вращении шпинделя как на холостом ходу, так и под нагрузкой на подшипники постоянно действует односторонняя статическая нагрузка, соответствующая величине напряжений деформации вала и опоры, возникающих в результате преднамеренного смещения. Это отрицательно сказывается на долговечности опорных подшипников. 2 27322006.06.30 Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является шпиндель станка 3, содержащий переднюю и заднюю опоры, выполненные в виде двух пар радиально-упорных подшипников качения, внутренние кольца которых жестко установлены на валу шпинделя, а наружные - в корпусе. Указанный шпиндель обладает высокой жесткостью и точностью вращения. Недостатками известной конструкции являются повышенный уровень вибраций и высокая динамическая нагруженность опорных подшипников и, как следствие, их низкая долговечность. Высокая динамическая нагруженность опорных подшипников и повышенный уровень вибраций шпинделя, в указанной конструкции, объясняются тем, что энергия колебаний,обусловленных дисбалансом вращающихся деталей шпинделя с закрепленными на нем инструментом или обрабатываемым изделием, погрешностями изготовления и сборки самого шпинделя, а также внешних источников, практически не рассеивается в жестком корпусе шпиндельного узла из-за отсутствия демпфирующих устройств и полностью воспринимается опорными подшипниками. Это приводит к росту контактных нагрузок во взаимодействующих элементах подшипников, повышает интенсивность их изнашивания и во многом способствует как снижению долговечности подшипников, так и ухудшению точности вращения шпинделя и точности обработки изделий. Технической задачей полезной модели является снижение уровня динамической нагруженности опорных подшипников и вибраций шпинделя, что позволит повысить долговечность подшипников и точность обработки изделий. Поставленная задача решена тем, что шпиндель станка, содержащий корпус, переднюю и заднюю опору, выполненные в виде блоков радиально-упорных подшипников качения, внутренние кольца которых жестко установлены на валу шпинделя, оснащен смонтированными в корпусе передним и задним опорными щитами, в которых установлены блоки вышеупомянутых подшипников, причем в щитах, со стороны торцовой поверхности, равномерно по окружности выполнены, по меньшей мере, четыре сквозных отверстия, а перпендикулярно им, со стороны цилиндрической поверхности, выполнены, по меньшей мере, четыре глухих радиальных отверстия, при этом в радиальных отверстиях помещено соответствующее количество демпфирующих инерционных масс, каждая из которых кинематически связана посредством пружины с упором, а последний взаимодействует с расположенным в сквозном отверстии толкателем, регулирующим жесткость упомянутой пружины, при этом на наружной цилиндрической поверхности щитов выполнен винтовой желоб, заполненный высокомолекулярным демпфирующим полимером. На чертеже представлен разрез шпинделя станка в области передней опоры. Шпиндель металлорежущего станка, например внутришлифовальный шпиндель, содержит корпус 1, вал 2 и жестко насаженные на него внутренние кольца 3 радиальноупорных подшипников передней опоры и радиально-упорных подшипников задней опоры(не показаны). Внутренние кольца 3 подшипников передней опоры закреплены на валу 2 с помощью гайки 4, между подшипниками установлены разновысотные распорные кольца 5, 6, обеспечивающие необходимый осевой предварительный натяг подшипников. Наружные кольца 7 радиально-упорных подшипников передней опоры закреплены в опорном щите 8 корпуса 1 шпинделя с помощью крышки 9. Крепление щита 8 в корпусе 1 осуществляется с помощью винта 10. В щите 8 равномерно по окружности, со стороны торцовой поверхности, выполнены, по меньшей мере, четыре сквозных отверстия, а перпендикулярно к ним, со стороны цилиндрической поверхности, - по меньшей мере, четыре глухих радиальных отверстия. В радиальных отверстиях установлено соответствующее количество демпфирующих инерционных масс 11, кинематически связанных посредством пружин 12 с упорами 13, взаимодействующих одной из торцовых поверхностей с пружинами 12, а второй, выполненной в виде клина, - с клиновидной поверхностью толкателей 14, установленных в сквозных торцовых отверстиях щита 8 и жестко прикрепленных с помощью гаек 15 к фланцу 16. На резьбовой поверхности фланца 16 установлена контргайка 17 та 3 27322006.06.30 ким образом, чтобы обеспечить фиксацию фланца 16 к гайке-лимбу 18, который посредством резьбового соединения взаимодействует со щитом 8. На наружной цилиндрической поверхности опорного щита 8 выполнен винтовой желоб, заполненный высокомолекулярным демпфирующим полимером 19. Крепление опорного щита и подшипников в задней опоре осуществляется аналогичным образом. Шпиндель работает следующим образом. После монтажа шпинделя на станок производят настройку частоты собственных колебаний демпфирующих инерционных масс 11 на частоту колебаний результирующей возмущающей силы, возникающей при вращении шпинделя. Для этого путем вращения гайки-лимба 18 по резьбе на опорном щите 8 обеспечивается осевое перемещение фланца 16 с закрепленными на нем толкателями 14, которые за счет клинового сопряжения с упорами 13 передвигают последние в радиальном направлении, тем самым изменяют жесткость пружин 12, а следовательно, частоту собственных колебаний демпфирующих инерционных масс 11. После установки требуемой жесткости пружин 12 лимб-гайка 18 фиксируется на корпусе 1, а фланец 16 посредством контргайки 17 фиксируется на лимб-гайке 18. В процессе обработки изделий вибрационные колебания вращающегося шпинделя,возникающие в силу вышеуказанных причин, воспринимаются опорными подшипниками и передаются на щит 8 и корпус 1. При этом значительная доля энергии колебаний воспринимается подпружиненными инерционными массами 11, которые за счет внутреннего трения в материале масс, внешнего трения о боковые стенки радиальных отверстий, в которых эти массы установлены, и упругого взаимодействия с пружинами 12 поглощают значительную долю энергии колебаний и одновременно сами совершают колебательные перемещения вдоль оси радиальных отверстий щита 8, соударяясь с глухой стенкой отверстия, близлежащей к опорным подшипникам. Амплитуда колебаний инерционных масс 11 зависит от их веса и жесткости пружин 12. В случае совпадения частоты колебаний возмущающей силы с частотой собственных колебаний инерционных масс 11, которая может регулироваться за счет изменения жесткости пружин 12, колебания последних происходят в противофазе к колебаниям возмущающей силы, т.е. каждому силовому импульсу от возмущающей силы противодействует обратный силовой импульс от соударения инерционных масс 11 о глухие стенки отверстий. Благодаря этому амплитуда колебаний возмущающей силы может быть значительно уменьшена, что способствует снижению уровня вибраций шпинделя и динамической нагруженности опорных подшипников, и дает возможность улучшить точность обработки изделий. Дополнительное изготовление винтового желоба на цилиндрической поверхности щита 8 и заполнение его высокомолекулярным демпфирующим полимером 19 усиливает вибропоглощение колебаний шпинделя, возникающих как от внутренних, так и внешних источников вибраций, что также способствует снижению уровня вибраций шпинделя и повышению точности обработки изделий. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет при сохранении всех жесткостных параметров шпинделя значительно снизить уровень вибраций и динамическую нагруженность опорных подшипников, повысить их долговечность и точность обработки изделий. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4