Представлено сравнение эксплуатационных характеристик газостатических подшипников с пористыми вставками и традиционно используемыми в отраслевых конструкциях шпиндельных узлов газовых подшипни­ков с дросселирующими отверстиями. Показана конструкция и приведены технические характеристики высо­коскоростного шпиндельного узла на газовых опорах.

Ключевые слова: шпиндельный узел, газостатический подшипник, эксплуатационные характери­стики.

***

Одной из важных проблем совре­менного машиностроения является дос­тижение высокой точности и параметри­ческой надежности металлообрабаты­вающих станков.

Уже на стадии проектировочных расчетов требуется создание таких узлов и элементов станков, которые бы в тече­ние всего эксплуатационного периода обеспечивали заданную точность обра­ботки. Исследования по оценке влияния различных факторов на точность обра­ботки говорят, что ее до 80% определяет шпиндельный узел (ШУ). Поскольку движение формообразования осуществ­ляется шпинделем и шпиндельными подшипниками, то именно они вносят решающий вклад в выходные характери­стики станков.

Работа ШУ на опорах качения со­провождается, в частности, нестабильной траекторией движения шпинделя и теп­ловыми смещениями подшипниковых уз­лов. Применение в конструкциях высоко­скоростных ШУ гидростатических под­шипников ведет к ограничению быстро­ходности шпинделя (из-за потерь на тре­ние) и усложнению конструкции опорно­го узла. Шпиндели на электромагнитных опорах пока не нашли широкого приме­нения вследствие сложности и высокой стоимости шпинделей и электронных систем управления. Таких недостатков лишены ШУ с подшипниками на газовой смазке.

Многолетний опыт ЭНИМС [1] по эксплуатации высокоскоростных ШУ на газовых опорах в условиях мелкосерий­ного и серийного производства позволил выявить их основные преимущества по сравнению с ШУ на опорах качения: большая долговечность, определяемая временем работы шпинделя при неиз­менном качестве шлифования; улучше­ние качества шлифуемой поверхности, вследствие меньшей чувствительности шпинделя к дисбалансу оправки и круга; отсутствие времени для прогрева шпин­деля; значительно меньший (в 4...5 раз) уровень вибрации; меньший износ шли­фовального круга.

Газовые опоры имеют и определен­ные недостатки, которые заключаются в относительно небольшой жесткости, не­сущей и демпфирующей способности смазочного слоя. Поэтому такие опоры применяют в малонагруженных ШУ, ко­гда динамические нагрузки малы, а ста­тические регламентированы.

Существенно улучшить выходные характеристики высокоскоростных ШУ с опорами на газовой смазке способны га­зостатические подшипники с частично пористой стенкой вкладыша. Некоторые результаты исследования характеристик таких подшипников при радиальной на­грузке на шпиндель представлены в рабо­тах [2, 3]. Между тем реальная работа ШУ характеризуется тем, что шпиндель одновременным воспринимает радиаль­ную нагрузку, вызывающую смещение центра шпинделя в плоскости XOz, и продольный момент, который приводит к перекосу оси шпинделя в плоскости X'OZ (рис. 1).

Принимая это во внимание, разрабо­тана методика расчета эксплуатационных характеристик частично пористой газо­статической опоры с учетом перекоса оси шпинделя во вкладыше подшипника. Ме­тодика базируется на подробно изложен­ном в работе [3] численном методе расче­та характеристик подшипника при чисто радиальной нагрузке на шпиндель. Не вдаваясь в детали развитой методики, от­метим, что относительный зазор между шпинделем и вкладышем задавался фор­мулой

H = h/c = 1 - є cos ф - (у/L)zcos(9-y), где с - средний радиальный зазор между шпинделем и вкладышем; є = e / c - отно­сительный эксцентриситет; у = у L/(2c) -

Параметр перекоса; L = L / D - относи­тельная длина подшипника; ф - угловая координата, у - угол ориентации нагруз­ки; z = 2z / D - относительная осевая ко­ордината подшипника. При этом интег­рирование уравнения Рейнольдса прово­дилось в области изменения независимых переменных - L < z < L и 0 <ф< 2п.

Разработанная методика позволила провести широкие теоретические иссле­дования угловых характеристик газовых опор с пористыми вставками и выпол­нить их сравнение с характеристиками газостатических подшипников с питаю­щими отверстиями (дросселями), которые традиционно используются в отраслевых конструкциях высокоскоростных ШУ. Такое сравнение выполнено при одина­ковых значениях безразмерных парамет­ров подшипников - параметре режима m, относительной длине подшипников L, относительном давлении наддува газа ps = pa /ps и числе сжимаемости В.

Так, на рис. 2 показана зависимость коэффициентов угловой жесткости ky от

Относительного эксцентриситета 8 двух­рядных газостатических подшипников с пористыми кольцевыми вставками и пи­тающими отверстиями типа простая и кольцевая диафрагма. Из представленных зависимостей видно, что, исключая об­ласть весьма низких значений относи­тельного эксцентриситета (8 <0,2), час­тично пористая газостатическая опора имеет более высокое значение коэффици­ента угловой жесткости.

На рис. 3 представлены нагрузочные характеристики газовых опор с пористы­ми вставками и питающими отверстиями. Анализ графиков показал, что во всем ис­следуемом диапазоне изменения относи­тельного эксцентриситета коэффициент несущей способности частично пористых подшипников выше, чем у подшипников с питающими отверстиями в среднем на 10.20%.

Максимальное значение коэффици­ента радиальной жесткости у подшипни­ка с питающими отверстиями больше, чем у подшипника с кольцевыми встав­ками (рис. 4). Однако в области рабочих значений относительного эксцентрисите­та є =0,6.0,7 жесткость частично порис­того подшипника заметно выше. Отме­тим также резкое снижение коэффициен­та радиальной жесткости у отраслевого подшипника, начиная с є =0,4, что следу­ет связать с существенным ростом утечки газа в окружном направлении и к торцам опоры.

В целом расчетным путем установле­но, что в области рабочих значений отно­сительного эксцентриситета (є =0,4.0,8) коэффициент радиальной жесткости час­тично пористых подшипников выше, чем у шпиндельных опор с питающими от­верстиями в среднем на 10.30%, коэф­фициент угловой жесткости на 30.35%, коэффициент несущей способности на 10.20%.

Дополнительно проведено сравнение жесткости на шлифовальном круге шпинделя, работающего на газостатиче­ских опорах с пористыми вставками и питающими отверстиями на примере их применения в промышленной конструк­ции электрошпинделя мод. А24/25, тех­нические характеристики которого пред­ставлены в работе [4]. Получено, что при установке шпинделя на опоры с частично пористой стенкой вкладыша жесткость на шлифовальном круге можно увеличить примерно на 23%.

Результаты исследований эксплуата­ционных характеристик газостатических подшипников с частично пористой стен­кой вкладыша легли в основу создания высокоскоростного шпиндельного узла, внедренного в производство в Комсо­мольском-на-Амуре филиале ОАО «ОКБ Сухого». Шпиндельный узел эксплуати­руется в составе шлифовального станка мод. 3А228. Конструкция шпиндельного узла показана на рис. 5.

Газовыми опорами шпинделя слу­жат: двухсторонний упорный подшипник с микролабиринтами и два радиальных подшипника с частично пористой стен­кой вкладыша. Каждый радиальный под­шипник имеет два ряда пористых вставок диаметром 4 мм, расположенных равно­мерно по окружности. Материал вставок - пористая бронза, изготовленная мето­дом порошковой металлургии.

20

При диаметре шпинделя 30 мм отно­сительная длина подшипников равна 1,2. Относительное расстояние пористых вставок от торцов подшипника - 0,26. Средний радиальный зазор с=17 мкм. Вкладыш подшипников изготовлен из бронзы Бр010, а шпиндель - из стали Р18. После токарной обработки шпин­дель закаливался до твердости HRC 60-62 с охлаждением ниже 70 0С между проме­жуточными отпусками. Такая термообра­ботка стабилизирует структуру металла и тем самым предотвращает в дальнейшем поводку шпинделя. После окончательной обработки поверхности шпинделя откло­нения формы - конусность, овальность, бочковатость и т. д. не превосходили 10 мкм.

При избыточном давлении воздуха 0,5 МПа шпиндельный узел имеет сле­дующие технические характеристики:

Мощность, кВт............................... 1,6

Частота вращения, мин-1............. 32000

Быстроходность, мм/мин. . . .9,6-105 Диаметр шлифуемого отверстия

Не более, мм. . . 200 Диаметр шлифовального круга

TOC o "1-3" h z не более, мм......... 70

Габаритные размеры:

Диаметр гильзы, мм......................... 100

Длина, мм....................................... 400

Масса, кг........................................... 18

Испытания опытного образца внут - ришлифовального шпиндельного узла, выполненные на филиале ОАО «ОКБ Су­хого», показали хорошее качество шли­фуемых электрокорундовым кругом 25СТ18К отверстий (сталь Х18Н10Т, ше­роховатость Ra не более 0,04 мкм), вы­сокую точность их обработки (отклоне­ние от круглости не более 0,2 мкм, вол­нистость поверхности на доводочном ре­жиме не обнаружена) и безотказную ра­боту газовых опор. Установлено также, что при работе на разработанной конст­рукции ШУ износ шлифовального круга уменьшается в 1,4 раза по сравнению с отраслевой конструкцией головки мод. ВШГ 000.000РЭЭ на опорах качения. При этом производительность труда возраста­ет в 2,3 раза.