Шпиндельный узел

(22) Заявлено 191279 2) 2855112/25-08 (51) М Кл с присоединением заявки Йо.223(088.8) ГосуяарствеииыЯ комитет СССР но яеаам изобретений н открытиЯОпубликовано 1510 В 1. Бюллетень Н 9 38Дата опубликования опмсания 15 Л 0,81 М.А.Шиманович, .В.П,Щербаков, В.М.Дерннцин, А.Р.бзоль,А.Ф.Прохоров и З,С. Бабаджанян Московский ордена Трудового Красного Знамени "завой:. автоматических линий им. 50-летия СССР и МЬсковский станкоинструментальный институт(54) ШПИНДЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ Изобретение относится к станкостроению и может найти применение,например, в торцошлйфовальных станках.Известны шпиндельные узлы с гидростатическими опорами шпинделя, выполненные в виде гидропривода осевой подачи шпинделя в шпиндельныхопорах. Эти шпиндельные узлы орга"нически сочетают в себе шпиндельныеопоры и осевой гидропривод шпинделя, что позволяет упростить конструкцию станка и повысить производительность и точность обработки на.нем, исключив дополнительные Гвнешние) направляющие и гидропривод осевой подачи 11).Однако данные шпиндельные узлыимеют ограниченные функциональныевоэможности, поскольку не позволяютуправлять в широких пределах конечными положениями шпинделя,Известен также шпиндельный узел,содержащий выполненный в виде поршня шпиндель, расположенный с уплотняющим зазором в гидростатическихшпиндельных подшипниках в выполненном в виде гидроцилиндра осевогопривода шпинделя корпусе шпиндельного узла с воэможностью осевого перемещения между двумя крайними положениями, определяемьии бесконтактными ограничителями хбда. Этот шпиндельный узел позволяет просто осуществлять осевые перемещения вращающегося иневращающегося шпинделя иэ одного крайнего положения вдругое, в пределах зазоров упорныхгидростатических подшипников управ"лять осевым положением шпинделя вкрайних положениях. В качестве бес-.контактных ограничителей, определяющих крайние положения шпинделя, визвестном узле использованы упорные 35 гидростатические подШипники, взаимодействующие с торцами поршня 2.Однако это ограничивает Функциональные воэможности шпиндельногоузла иэ-эа невозможности управления 20 в широких пределах крайними поло"жениями шпинделя, так как для этогонеобходимо перемещать детали, наторцах которых выполнены упорныеподшипники, что конструктивно .сложно 25 и приводит к необходимости введениянового подвижного стыка. Кроме того,эти детали находятся под давлениемв рабочих полостях привода, действующим на большую эффективную пло гладь. Поэтому, например, данный872186 шпиндельный узел нельзя эффективноиспользовать в торцошлифовальномстанке для быстрого отвода шлифовального круга в положение правкии подвода его вновь в рабочее положение. Для компенсации износа кругаи настройки .его на размер надо изменять в широких пределах крайние1положения круга, что в известномузле выполнять нельзя, поэтому егокорпус надо расположить в специальных направляющих и снабдить специальным силовым приводом, что сводитна нет эффективность применения такого шпиндельного узла.Цель изобретения - расширениефункциональных возможностей шпиндельного узла; обеспечение возможности управления в широких пределахкрайними положениями шпинделя и величиной его хода, а также повышениежесткости и нагрузочной способности 20шпинделя,Указанная цель достигается тем,что бесконтактный ограничитель ходапоршня снабжен приводом осевогоремещени вдол оси орш иполнен в виде соединенного со сливомсопла, перекрываемого торцом поршняв крайнем положении поршня и включенного в мостовую схему, образованную сопротивлениями делителя расхода, соединяющими обе полости гидроцилиндра с источником давления, сопротивлением зазора между соплом иперекрывающим его торцом поршня иуравновешивающим сопротивлением,соединяющим другую полость гидроцилиндра со сливом.Кроме того, с целью предварительного торможения поршня перед остановкой, основное сопло снабженопараллельно включенным тормозным 40соплом, торец которого образованцилиндрической поверхностью, расположенной с зазором соосно наружнойповерхности поршня, и отверстие которого удалено от торца основного сопла на величину тормозного пути поршня, при этом в месте соединения каналов основного и тормозного сопел вканале основного сопла установленотормозное сопротивление.Гидроцилиндр снабжен гидравлическим переключателем, соединяющйм различные полости гидроцилиндра со сливом через уравновешивающее сопротивление мостовой схемы.Кроме того, гидроцилиндр снабжен 55блоком, в котором расположена, поменьшей мере, одна несущая соплоскалка с каналом, соединяющим соплосо сливом, и выполнены две полостивдоль оси скалки, одна из которых ц)соединена с полостью гидроцилиндра,в которой расположено сопло, а другая - со сливом,При этом с целью повышения жесткости и нагрузочной способности, б 5 двигатель расхода в мостовой схемеобразован двумя соплами и расположенной между ними на упругом подвесе заслонкой.Кроме того, с целью обеспечения микроперемещений поршня в конечных положениях, сопротивления мостовой схемы, в которую включено сопло, выполнены управляемыми.На фиг.1 схематически показаншпиндельный узел, разрез вдоль осишпинделя; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.З - вариант исполнения сопла; на фиг.4 - вид Б на фиг.З; на фиг.5 - мостовая схема гидропривода; на фиг.б - вариант исполнения делителя расхода.Шпиндель 1, несущий планшайбу 2 со шлифовальным кругом 3, выполнен в виде поршня со штоками и расположен с уплотняющим зазором 4 в корпусе 5 шпиндельного узла в гидростатических шпиндельных подшипниках б с несущими кармананми 7 между упорными подшипниками 8 с воэможностью осевого перемещения (подвод смазки внесущие карманы 7 радиальных иупорных подшипников 8 и их уплотнения не показаны).,Корпус 5 шпиндельного узла выполнен в виде гидроцилиндра, в котором гидростатическиеподшипники 6 служат одновременно инаправляющими втулками штоков шпинделя-поршня. Шпиндель 1 снабжен приводом вращения, образованным шкивом 9, расположенным в подшипниках 10.В шкиве 9 выполнено шлицевое отверстие, в которое входит шлицевойхвостовик 11 шпинделя 1, В каждойиз полостей 12 и 13 гидроцилиндрарасположены бесконтактные ограничители хода поршня 1 в виде сопел14 и 15, снабженных приводом осевого перемещения вдоль оси поршня1, Отверстия 16 и 17 сопел 14 и 15соединены со сливом. В частном случае можно ограничиться одним соплом в одной полости бесконтактным ограничителем в другой полости служиткарман гидростатического упорногоподшипника 8, Сопла 14 и 15 установ"лены на скалках 18 и 19, расположенных в гидростатических радиальныхподшипниках 20 в блоке 21, установленном на корпусе 5 гидроцилиндра.Вдоль скалки 18 (19) в блоке 21выполнены две полости 22 и 23 (24 и25). Полость 22 (24) соединена сполостью 12 (13) гидроцилиндра, вкоторой расположено сопло 14 (15),а полость 23 (25) - со сливом каналом 26. В скалке 18 выполнен канал 27, соединяющий отверстие 16сопла 14 с полостью 23, Аналогичныйканал, соединяющий отверстие 17сопла 15 с йолостью 25, выполнен вскалке 19, Скалки 18 и 19 соединеныс приводом 28 осевого перемещениясопел, позволяющим перемещать скалки 18 и 19 относительно друг друга и относительно корпуса 5 в подшипниках 20 и таким образом менять расстояние между торцами сопел 14 и 15 и положение сопел в полостях 12 и 13 гидроцилиндра. Сопла включены в мостовую схбму, образованную гидросопротивлениями 29. и 30 делителя расхода, соединяющими полости 12 и 13 гидроцилиндра с источником давления Р жидкости, сопротивлением 31 зазора Ь между соплом (в показанном на фиг.1 положении - соплом 14) и перекрывающим его торцом поршня 1 и уравновешивающим сопротивлением 32, соединяющим другую полость (в показанном на фиг.1 положении - полость 13) 15 со сливом.Гидроцилиндр может быть снабжен гидравлическим переключателем 33, соединяющим разноименные полости 12 и 13 гидроцилиндра со сливом через 20 уравновешивающее сопротивление 32. Сопротивления 29,30 и 32 могут быть управляемыми.Шпиндельный узел работает следующим образом. 25При подводе давления к гидроста-, тическим подшипникам 6 и 20 шпиндель-поршень 1 и скалки 18 и 19 всплывают на тонком жестком слое смазки, При вращении шкива 9 крутящий момент передается на шпиндель 1, причем последний может перемещаться вдоль оси в подшипниках 6 на тонком слое смазки.В показанном на фиг.1 положении переключатель 33 соединяет со сливом полость 13 через сопротивление 32 и полость 12 через перекрытое поршнем сопло 14. При этом жидкость от источника давления Р течет на слив через полость 12 по тракту 29-22-12-16-17 40-23-33 и через полость 13 по тракту 30-24-13-17-25-33-32, и поршень 1 занимает осевое положение, удаленное от сопла 14 на величину Ь зазора при котором гидросопротивление 31 этого зазора принимает такое значение, что мостовая схема находится в равновесии, при котором давления жидкости в полостях 12 и 13 равныПри смещении приводом 28 скалки 18 с соплом 14 изменяется зазор Ь между соплом 14 и поршнем 1, что нарушает равновесие мостовой схемы, и шпиндель 1 под действием возникающей иэза этого нарушения равновесия разности давлений в полостях 12 и 13 в следящем режиме следует за соплом 14 в новое положение, при котором равновесие восстанавливается.При действии на шпиндель осевой 40 нагрузки шпиндель смещается относительно сопла 14, изменяется зазор Ь и при этом тоже нарушается равновесие мостовой схемы, что приводит к появлению разности давлений в полос-, 65 тях 12 и 13 гидроцнлнндра, уравновешивающей нагрузку на шпиндель и стремящейся восстановить прежнее номинальное значение зазора Ь определяемое значениями гидросопротивлений 29, 30 и 32. Чем меньше эти сопротивления, тем больше номинальное значение Ь. Величиной Ь можно управлять, изменяя вес или отдельные сопротивления мостовой схемы. Таким образом, можно управлять конечным положением шпинделя в широких пределах (десятки миллиметров) перемещая сопло, и в малых пределах (микроны и десятки микрон), управляя сопротивлениями мостовой схемы. Например, при уменьшении сопротивления 32 зазор Ь увеличивается.Чтобы перевести шпиндель 1 в другое крайнее положение, определяемое положение сопла 15, переключателем 33 соединяют со сливом полость 13 через сопло 15 и полость 12 через сопротивление 32. При этом резко нарушается равновесие мостовой схемы: давление в полости 13 резко падает, так как она соединена беспрепятственно со сливом, а давление в полости 12 сохраняется, так как она соединена со сливом через сопротивление 32. Поэтому шпиндель-поршень под действием давления в полости 12 быстро движется направо в другое крайнее положение к соплу 15, пока отверстие сопла 15 не перекроется с зазором Ь торцом поршня 1. При зазоре Ь между торцами сопла 15 и поршня 1 восстанавливается равновесие мостовой схемы, уравновешиваются давления в полостях 12 и 13 и поршень останавливается в этом положении. При смещении сопла 15 поошень1 следует за ним на дистанции Ь и ,стремится сократить зту дистанцию при действии осевых нагрузок, причем ею можно управлять, как это было объяснено выше для положения поршня у сопла 14.Таким образом, можно быстро перемещать вдоль оси вращающийся и невращающийся шпиндель между двумякрайними положениями и при этом легко и просто управлять этими положениями в широкихпределах и осуществлять микроперемещения шпинделя вэтих положениях, При этом шпиндельне касается торцами сопел. Привод 28позволяет устанавливать любое расстояние между торцами сопел и любоеих положение в пределах максимального осевого хода шпннделя 1. Еслирасстояние между, торцами соепл 14 и15 равно В 2 Ь+Ь,где Ь - длина собственного поршня, то величина ходапоршня между соплами равна Н=В 2 Ь +1., Для перемещения скалок с сопламинеобходим привод малой мощности поскольку иэ сопла практически не действует осевая нагрузка;Таким образом расширяются Функциональные возможности шпиндельного узла за счет возможности управления в широких пределах крайнимиосевыми положениями шпинделя и вшироких и узких пределах положениемшпинделя, в крайних положениях присохранении возможности быстрых перемецений шпинделя между крайними положниями.Чтобы обеспечить плавное торможение шпинделя-поршня при быстром1 Оподходе к соплу-ограничителю хода,это основное сопло может быть снабжено параллельно включенным тормозным соплом (Фиг.З. и 4), Основное сопло 14 с отверстием 16 дополнено 15тормозным соплом, торец которогообразован цилиндрической поверхностью34, расположенной соосно наружнойповерхности 35 поршня 1 с зазором й.Отверстие 36 тормозного сопла удале Оно от торца основного сопла 14 навеличину 6 тормозного пути поршня(величиной зазора Ь можно пренебречь).В месте 37 соединения каналов 16основного и 36 тормозного сопел вканале 16 основного сопла установлено тормозное сопротивление, которымв данном случае является сам канал16 малого диаметра,Когда поршень 1 быстро подходитк соплу 14, масло из полости 12беспрепятственно выходит по каналу36. Когда поршень 1 перекроет каналЗб, масло при выходе из полости 12преодолевает сопротивление канала 1635и зазора Ь ,что приводит к торможению поршйя на участке 6 .Для повышения жесткости и нагрузочной способности шпиндельногоузла, т.е. для стабилизации под нагрузкой зазора Ь, введена обратная "Освязь по нагрузке с помощью включения в мостовую схему делителя расхода. Делитель образован двумя соплами 38 и 39, выполненными в двух крыш-ках 40, между которыми стоит упругая 45пластина с вырезанной на ней заслонкой 41 и герметизируюцие прокладки,определяющие, высоту Ь зазора между соплами 38,39 и заслонкой 41.Заслонка 41, вырезанная в упругойпластине, расположена как бы на упругом подвесе и может перемещатьсяупруго в пределах зазора Ь междусоплами. Кольцевые канавки 42, описываюцие диаметр сопел 38 и 39, соединены каналом 43 с источником давления Рн, а отверстия 44 и 45 сопелсоединены соответственно с полостями 12 и 13 гидроцилиндра.При действии осевой нагрузки нашпиндель 1 изменяется зазор между 10торцами сопла 14 и поршня 1 и соответственно возникает разность давленийв полостях 12 и 13 гидроцилиндра,уравновешивающая нагрузку. Эта разность давлений через каналы 44 и 45 б 5 действует на заслонку 41, смещая ее относительно сопел 38 и .39 так, что сопротивление на входе в полость гидроцилиндра, где давление под .действием нагрузки увеличилось, уменьшается, а сопротивление на входе в противоположную полость гидроцилиндра увеличивается. Это способствует повышению осевой жесткости и нагрузочной способности шпиндельного узла, т.е. повышается стабильность зазора Ь под нагрузкой.Имеюциеся в предлагаемом шпиндельном узле возможности позволяют его эФФективно использовать, например, в торцошлифовальном станке, где необходимо осуществлять быстрые отвод круга для правки и подвод его в рабочее положение при одновременной компенсации износа круга. Шпиндельный узел предлагаемой конструкции позволяет это просто осуцествлять благодаря своим широким Функциональным возможностям. Рабочее положение торца шлифовального круга определяют положением сопла 14. Компенсацию износа круга и правку осуществляют, изменяя положение сопла 15. Для этого маломощным приводом 28 перемецают скалки с соплами в нужные положения. Таким образом, сложные и точные осевые перемещения шпинделя торцошлиФовального станка можно просто осуществлять в шпиндельных подшипниках, исключив обычно применяемые специальные управляюцие шпиндельных узлов, что позволяет повысить точность и производительность обработки. Предлагаемый шпиндельный узел можно применять в токарных, расточных, Фрезерных станках. Его широкие функциональные возможности позволяют точно и быстро осуцествлять управляемые осевые перемещения быстро и точно вращающегося шпинделя.Формула изобретения1. Шпиндельный узел, содержащий выполненный в виде поршня шпиндель, расположенный с уплотняюцим зазором в выполненном в виде гидроцилиндра корпусе шпиндельного узла в гидро- статических подшипниках с воэможностью осевого перемещения между двумя крайними положениями определяемыми бесконтактными ограничителями хода,о т л и ч а ю щ и й с я тем,что с целью расширения функциональных возможностей, бесконтактный ограничитель хода поршня снабжен приводом осевого перемецения вдоль оси поршня и выполнен в виде соединенного со сливом сопла, направленного к торцу поршня шпинделя, включенного в мостовую схему, образованную сопротивлениями делителя расхода, соединяющими полости гидроцилиндра с источником давления, сопротивлением зазора,между соплом и перекрывающим его торцом поршня и уравновешивающим сопротивлением, соединяющим другую полость гидроцилиндра со сливом.2. Узел по п,1, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что с целью предварительного торможения поршня перед остановкой, сопло снабжено параллельно включенным тормозным соплом, торец которого образован цилиндрической поверхностью, расположенной с зазо. ром соосно наружной поверхности поршня, и отверстие которого удалено от торца основного сопла на величину тормозного пути поршня, при этом в месте соединения каналов сопел в канале основного сопла установлено тормозное гидросопротивление,3. Узел по пп.1 и 2, о т л ич а ю щ и й с я тем, что гидроцилиндр снабжен переключателем, соединяющим разноименные полости гидро- цилиндра со сливом через уравновешивающее сопротивление мостовой СХЮЫ е4, Узел по пп.1-3, о т л и ч а - ю щ и й с я тем, что гидроцилиндр снабжен блоком, в котором располо жена, по меньшей мере, одна несущаясопло скалка с каналом, соединяю.щим сопло со сливом и выполнены двеполости вдоль оси скалки, одна иэкоторых соединена с полостью гидроцилиндра, в которой расположено сопло, а другая - со сливом5. Узел по пп.1 - 4, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения жесткости и нагрузочнойспособности, делитель расхода вмостовой схеме узла образован двумясоплами и расположенной между нимина упругом подвесе заслонкой,6. Узел по пп. 1 - 5,о т л и 15 ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюобеспечения микроперемещений поршняв крайних положениях, сопротивлениямостовой схемы выполнены управляемыми.Источники информации,рО принятые во внимание при экспертизе1. Шиманович М.А, Разработка ипримейение гидростатических опор в .металлорежущих станках. М., НИИМИИ,1972, с. 85-89.2. Авторское свидетельство СССРМ 416475, кл. Р 16 С 32/06, 1971.872186 Фд Ф 1 оле Составитель Ю.Кор вРедактор В.Романенко Техред Л.Пекарь, Корректор М.ароцщу де ППП Патент, г Фил ород, ул. Проектн Заказ 8896/22 Тираж 773 ВНИИПИ Государственного ко по делам изобретений и о 113035, Москва Ж, Раушская