Главная Биржа Тендеры Форум

Баннер
Баннер

Вход


-= ВНИМАНИЕ! =- Эта регистрация действует только на ПОРТАЛЕ. На ФОРУМЕ и БИРЖЕ СТАНОЧНИКОВ нужно регистрироваться отдельно!



Главная СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ Высокоскоростные мотор-шпиндели приводов главного движения металлорежущих станков
Высокоскоростные мотор-шпиндели приводов главного движения металлорежущих станков PDF Печать E-mail
Рейтинг пользователей: / 157
ХудшийЛучший 
Автор: Вестник МГТУ "Станкин" №3 2011   
28.01.2014 11:36

Высокоскоростные мотор-шпиндели приводов главного движения металлорежущих станков

В статье описаны особенности конструкции высокоскоростных мотор-шпинделей (ВМШ) приводов главного движения и рассмотрены основные подсистемы ВМШ. Приведены некоторые требования к станкам сверлильно-фрезерно-расточного типа при использовании ВМШ, а также особенности их установки и эксплуатации. Обозначены наиболее важные инженерные проблемы при создании ВМШ.

Основные подсистемы ВШМ

Рис.1. Основные подсистемы ВШМ

Одним из основных направлений развития металлорежущих станков является широкое использование мехатронных модулей, сочетающих энергетические, информационные и управляющие функции в едином конструктивном блоке, в котором обеспечивается согласованный выбор параметров отдельных подсистем, подчинённых единой задаче - достижение требуемых эксплуатационных характеристик [1].


Мотор-шпиндели наиболее полно иллюстрируют основные проблемы мехатронных систем станков и являются наиболее важными узлами, определяющими качество оборудования. При создании других мехатронных систем станков, таких как круговые и глобусные столы, приводы подач, револьверные головки и т. п., хотя и имеются свои специфические особенности, но в значительной мере решаются схожие проблемы. В настоящей статье, на примере гаммы высокоскоростных мотор-шпинделей (ВМШ) для станков сверлильно-фрезерно-расточного типа, показаны особенности конструкции и проектирования таких мехатронных узлов.

 

Размерный ряд ВМШ

Размерный ряд ВМШ включает шесть типоразмеров шпинделей с конусами типа HSK-A32, - А40, -А50, -А63, -А80, -А100. Предусмотрено также создание ВМШ для шлифовальных и иных работ и в этих случаях могут использоваться другие посадочные поверхности под инструмент, близкие (по диаметру) к названным выше. В таблице приведены основные параметры ВМШ, разработанных в рамках государственного контракта.

Основные подсистемы ВШМ

Примечания:

* в числителе указана частота вращения при пластической, а в знаменателе - при воздушно-капельной смазке;
** ВМШ предназначен для шлифовальных работ; Рн - номинальная мощность; Мн - номинальный момент; nmах - максимальная частота вращения; Fmax - допустимая нагрузка на вылете l; δr - радиальное биение у торца; Dкор - посадочный диаметр корпуса; Dф - диаметр фланца; Lкор - длина посадочного диаметра корпуса; L - общая длина ВМШ.

 

Основные подсистемы ВМШ

Мотор-шпиндели включают два вида подсистем:

  1. встроенные в единый конструктивный блок (собственно мотор-шпиндель);
  2. обслуживающие подсистемы, которые устанавливаются в непосредственной близости к ВМШ.

Некоторые из них, например, система смазывания, могут выбираться в зависимости от желания заказчика и требуемых выходных параметров, что предусматривается в конструкции мотор-шпинделя.

На рис. 1 схематично показаны основные подсистемы, спроектированных ВМШ. По требованию заказчика могут варьироваться: вид смазывания опор (пластичным смазочным материалом или воздушно-капельной смазкой), способ создания натяга в опорах (постоянный с помощью пружин или регулируемый пневматическим цилиндром, при черновых операциях), система управления, схема подвода СОЖ (внутренняя, внешняя или комбинированная), уровень диагностики (обязательный уровень - контроль температуры двигателя и опор).

Конструктивные особенности ВМШ

Все ВМШ гаммы выполнены по единой конструктивной схеме с некоторыми отличиями, связанными с особенностями отдельных подсистем и условиями эксплуатации ВМШ.

Применяемые электродвигатели. Используются синхронные электродвигатели фирмы «Siemens». Потери при преобразовании электрической энергии в механическую возникают, в основном, в статоре двигателя, установленном в корпус ВМШ, поэтому статор оснащён системой водяного охлаждения. Предусматривается автономная система охлаждения, которая устанавливается рядом со станком, а в качестве теплоносителя используется вода с антикоррозионными присадками.

Требуемый отвод тепла должен превышать мощность потерь и ориентировочно составлять не менее (0,1...0,2) Рном, где Рном - номинальная мощность электродвигателя. Более точные параметры потерь устанавливаются поставщиками электродвигателей.

В диапазоне частот до номинального nном числа оборотов - развиваемая мощность увеличивается пропорционально числу оборотов, а момент - максимален. В диапазоне частот вращения от nном до nmax момент уменьшается, но развивается постоянная мощность.

Шпиндельные опоры. Весьма ответственными в ВМШ являются опоры шпинделя и схема их установки. Для всех типоразмеров ВМШ используются гибридные керамические подшипники качения фирмы FAG (кольца стальные, тела качения - керамические). Повышение частоты вращения таких подшипников достигается, в первую очередь, благодаря снижению центробежных сил, а, следовательно, и сил трения, действующих на тела качения вследствие меньшей (примерно в 2,5 раза), чем у стали плотности. Применяемая схема установки подшипников в гамме ВМШ показана на рис. 2.

Схема установки подшипников

Рис.2. Схема установки подшипников

В передней опоре используются радиально-упорные шарикоподшипники 1. Сзади установлен однорядный цилиндрический роликовый подшипник 2,  натяг в котором устанавливается при сборке за счёт перемещения внутреннего кольца подшипника с конической поверхностью. При тепловом расширении шпинделя его задний конец легко перемещается благодаря отсутствию осевой фиксации роликов в наружном кольце подшипника. Начиная с ВМШ с конусом HSK-A50, в передней опоре устанавливаются сдвоенные подшипники.

Натяг в передней опоре регулируется пружинами 3,  независимо от нагрузки и тепловых явлений. Величина натяга выбирается в соответствии с рекомендациями производителей подшипников. В частности, на ВМШ с конусом HSK-A100 натяг ~ 1600 Н. При частотах вращения менее 0,5 nmax, а также при больших нагрузках натяг может быть увеличен с помощью пневматического цилиндра 4 (примерно в 1,5 раза) при подаче воздуха под соответствующим давлением.

Допустимая нагрузка. Высокоскоростные подшипники очень чувствительны к перегрузке, особенно при отсутствии вращения, из-за ухудшения условий смазывания. Перегрузки могут быть связаны с силовыми воздействиями при монтаже и столкновениях узлов, с поломкой инструмента и неправильно назначенными режимами обработки. При развитой диагностике ВМШ удаётся минимизировать отрицательное влияние возможных перегрузок.

Долговечность опор. Срок службы подшипников в значительной мере зависит от правильности функционирования системы смазывания, а также от запыленности воздуха в зоне их расположения. Поэтому предусмотрена непрерывная подача воздуха под небольшим давлением в полость лабиринтного уплотнения 21 (см. рис. 5). Нагрузка и частота вращения также оказывают влияние на долговечность, однако расчёт долговечности подшипников на характерных технологических режимах показал, что при консистентной смазке расчётная долговечность, не учитывающая условия смазывания, в 5 - 6 раз превышает фактическую, ограниченную по литературным данным 20000 ч (определяется долговечностью консистентной смазки).

Смазывание подшипников. Для смазывания подшипников используются либо консистентная (пластичная) смазка, которой заполняют подшипник при сборке, либо воздушно-капельная смазка, если необходимо получить максимальную частоту вращения шпинделя; в этом случае она примерно в 1,5 раза выше, чем при пластичной смазке. Капли масла подаются с потоком воздуха непосредственно в зону контакта от специальной установки, расположенной в непосредственной близости от ВМШ. Отработанный смазочный материал непрерывно удаляется из подшипника.

Система охлаждения опор. В процессе эксплуатации подшипники нагреваются, что приводит к снижению их работоспособности. Поэтому предусмотрено их охлаждение. Используется единая система охлаждения двигателя и подшипников. Исследования показали, что доля тепла, отводимого через наружные и внутренние кольца подшипников, составляет соответственно ~75 и ~25%. Изменение расхода охлаждающей жидкости через опору ВМШ с конусом HSK-А100 с 5 до 7,5 л/мин мало сказывается на температуре подшипников (разница температур около 1°С). Подпружиненные подшипники, установленные в «плавающей» втулке имеют температуру большую на 5 ... 10°С, чем подшипники, установленные стационарно.

Базирование оправки с инструментом. В отличие от традиционных станков, имеющих параметр быстроходности шпинделя n*dm порядка (0,6...0,75)*106 мм/мин (где dm - средний диаметр подшипника в передней опоре, мм), в ВМШ для установки и базирования инструментальной оправки используется короткий конус (1:10) и торец (соединение типа HSK-A по ГОСТ Р 51726-2001 и ГОСТ Р 51747-2000).

Замена связана с тем, что при определённых частотах вращения от действия центробежных сил происходит существенное изменение радиальных размеров посадочных конусов оправки и шпинделя [2, 3]. В этом случае при отсутствии торца (как в коническом соединении типа 7:24 по ГОСТ 24644) осевое положение инструмента изменяется, так как оправка затягивается пружиной механизма зажима внутрь шпинделя. Этот недостаток устранён в соединении типа HSK-A с конусом и торцом.

При базировании по конусу и торцу требуется изготавливать оправку и шпиндель с малыми отклонениями друг от друга размеров конусов, а также с определённым регламентированным зазором (для HSK-А100 порядка 60...170 мкм) между торцами оправки и шпинделя в свободном состоянии. Это существенно сложнее технологически, чем при базировании только по конусу.

Механизм зажима оправки с инструментом. Отличительные особенности механизма зажима в ВМШ связаны с действием центробежных сил, уменьшающих усилие зажима. Кроме того, для повышения надёжности предусматривается не силовое, а геометрическое замыкание усилия зажима на шпиндель. Конструкция механизма зажима должна быть весьма компактной, так как все подсистемы интегрированы в едином мехатронном модуле. На рис. 3 показана принципиальная упрощённая схема механизма зажима ВМШ, реализующая эти особенности.

Схема выполнения зажима

Рис.3. Схема выполнения зажима

Оправка 1 устанавливается в шпинделе 2 при левом (нижнем на рис. 3) положении тяги 3, при котором кулачки 4 не взаимодействует с оправкой. После установки оправки в шпиндель тяга 3 под действием пружин (на рис. 3 не показаны) перемещается вправо и через нажимную втулку 4 воздействует на кулачки 5. Кулачки контактируют с коническими поверхностями 6 оправки и 7 шпинделя, благодаря этому происходит геометрическое замыкание усилия зажима между торцом 8 и поверхностью 7 шпинделя.

При зажиме благодаря коническим поверхностям 9 и 10 нажимной втулки и кулачков с углом конусов, равным 20°, усилие пружины, воздействующее на оправку, повышается до 3 раз по сравнению с усилием пружины Fзаж. При повышении частоты вращения шпинделя центробежная сила, действующая на кулачки, увеличивается, а контактное давление между коническими поверхностями оправки и шпинделя снижается. В результате усилие взаимодействия между торцами оправки и шпинделя возрастает по квадратичному закону (для HSK-A100 примерно на 25% на максимальных частотах вращения (около 15000 об/мин)) по отношению к усилию, обеспечиваемому пружинами.

Механизм зажима может быть существенным источником возникновения дисбаланса шпинделя вследствие изменения относительного положения тарельчатых пружин при разжиме и зажиме оправки. Конструкция механизма зажима учитывает эксплуатационные особенности высокоскоростных шпиндельных подшипников, у которых допустимая статическая нагрузка часто меньше, чем динамическая. Усилие при разжиме инструмента не передается полностью на подшипники, а замыкается, в основном, внутри механизма.

Для контроля состояния и функционирования механизма зажима инструмента предусмотрены соответствующие датчики. При установке и закреплении новой оправки коническая поверхность шпинделя очищается воздухом под давлением.

Подача смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). В зону резания СОЖ может подаваться двумя способами: внешним подводом СОЖ через сопла, установленные на переднем торце мотор-шпинделя, и внутренней подачей СОЖ - через вращающийся шпиндель, непосредственно в зону резания. Подача СОЖ в этом случае проводится через центральное отверстие в тяге механизма зажима. Для исключения утечек предусмотрены соответствующие уплотнения.

Системы диагностирования состояния ВМШ. Предусматриваются следующие меры.


1. Контроль температуры электродвигателя и шпиндельных опор. Датчики температуры установлены в непосредственной близости от наружных колец подшипников. При повышении температуры выше допустимой происходит остановка шпинделя. Датчики температуры опор могут использоваться также для контроля функционирования подшипников на основе статистической информации, устанавливающей зависимость между условиями эксплуатации (частота вращения, длительность и др.) и их температурой.

2.    Контроль уровня вибраций ВМШ с помощью вибродатчика, установленного в корпусе вблизи передней опоры шпинделя. При наличии у заказчика данных по предельно допустимым уровням колебаний на конкретных операциях (например, амплитуды колебаний на определённых частотах) можно весьма эффективно управлять процессом резания за счёт изменения режимов. Подключение к датчику вибраций мобильных диагностических систем позволяет выявлять зарождающиеся дефекты в подшипниках и вести мониторинг их состояния [4].

3.    Контроль осевого смещения шпинделя проводится датчиком, установленным на переднем конце ВМШ. Смещение может быть вызвано нагрузкой от резания, столкновением ВМШ с заготовкой, нагревом шпинделя, различной частотой вращения шпинделя вследствие чего от центробежной силы меняется положение пятна контакта в опорах. Информацию о положении шпинделя можно использовать для повышения эффективности эксплуатации ВМШ (отключение ВМШ при столкновениях, учет в управляющей программе осевого перемещения инструмента для повышения точности и т.п.).

Система управления ВМШ в составе станка

Управление, осуществляемое устройством ЧПУ станка, обеспечивает требуемые параметры вращения шпинделя, работу подсистем ВМШ (пневматика, охлаждение, зажим-разжим инструмента и т.п.), автоматическую смену инструмента, оценку результатов диагностики и т.д.

Установка ВМШ на станке

Мотор-шпиндели могут устанавливаться в горизонтальном, вертикальном и наклонном положениях. ВМШ интегрируется в структуру станка, поэтому статические и динамические характеристики должны быть согласованы между ВМШ и шпиндельной бабкой. При проектировании шпиндельной бабки следует учитывать указанные ниже особенности.

1.    При базировании и закреплении ВМШ в шпиндельной бабке нужно стремиться исключить образование избыточных связей, при которых могут появляться деформации корпуса и дополнительные нагрузки на подшипники.

2.    Из-за имеющегося остаточного дисбаланса шпинделя и инструмента на подшипники действует переменная сила. Остаточный дисбаланс вызывает угловые f1 и радиальные f2 колебания (рис. 4, а).

3.    Шпиндельная бабка должна быть достаточно жесткой, чтобы во всем диапазоне частот вращения шпинделя не возникало совпадение частот колебаний

бабки и шпинделя. Ее низшая резонансная частота должна превышать максимальную частоту возбуждения - fmax = k*n/60 [Гц], где k и n - количество зубьев и число оборотов инструмента для предельного режима обработки.

Схема установки ВМШ

Рис.4. Схема установки ВМШ на станке: а - схема возникновения колебаний, б - использование дополнительной опоры

Базирование ВМШ проводится на цилиндрической 1 и торцовой 2 поверхностях (см. рис. 4, б). Узлы малых размеров выполняются с базированием только по цилиндрической поверхности. Цилиндрическая поверхность 1 выполнена достаточно протяженной, что позволяет при необходимости повышения жесткости и собственной частоты колебаний f1 предусматривать кроме передней также заднюю 3 опору корпуса ВМШ (см. рис. 4, б), что положительно сказывается на динамических характеристиках шпиндельной бабки [5]. Крепежный фланец должен иметь достаточную толщину и жесткую связь с корпусом.

Эксплуатационные особенности

Контроль частоты вращения. Для ВМШ весьма опасным является превышение максимально допустимого числа оборотов шпинделя или инструмента (число оборотов отключения), которое определяется, в первую очередь, состоянием инструмента и режимами обработки. При его превышении шпиндель останавливается.

Достижение больших частот вращения. Особенностью ВМШ является другой, чем в обычных станках, алгоритм достижения высоких частот вращения, вызванный необходимостью разогрева опор. Как правило, при разгоне шпинделя до частот вращения, близких к максимальной, предусматривается разогревание шпиндельных опор в течение 2...3 мин на частотах вращения, составляющих (0,25 - 0,5 - 0,75) nmax - Алгоритм прогревания закладывается в программное обеспечение станка. Аналогично (но более длительное время до 5...6 минут) проводится прогревание ВМШ при его длительной остановке (более недели).

Максимально допустимое угловое ускорение при разгоне шпинделя. При больших ускорениях (малом времени разгона) может возникнуть пробуксовка тел качения подшипников, что отрицательно сказывается на их долговечности. Целесообразно задавать время разгона, при котором ускорение не будет превышать величины 500 1/с2.

Жесткость системы шпиндель-инструмент. На работе сказывается как жесткость самого шпиндельного узла, так и жесткость оправок и инструмента. В большинстве случаев жесткости оправок и инструмента существенно уступают жесткости шпиндельного узла.

Осевое смещение шпинделя. Осевое смещение шпинделя вызвано температурными деформациями при разогревании шпинделя до установившегося значения температуры и центробежными силами при разной частоте вращения, в результате чего происходит смещение пятна контакта тела качения с кольцами. Для снижения влияния осевого перемещения шпинделя на точность можно вводить коррективы в управляющую программу по сигналу датчика осевого положения шпинделя.

Выбор инструмента. Только качественный инструмент обеспечивает малые вибрации, низкий уровень шума, безопасность обслуживающего персонала, долговечность подшипников. Инструмент должен иметь высокую точность изготовления и не должен уменьшать собственную частоту шпинделя ниже критической, равной максимальной частоте возбуждения fmax, усилия резания и масса инструмента не должны вызывать перегрузку подшипников. Резонансные частоты шпинделя и шпиндельной бабки должны быть выше, чем частоты, обусловленные допустимым числом оборотов инструмента. Особенно сильно на уменьшение резонансных частот влияют: размеры (длина, диаметр) и масса оправки и инструмента. Необходима балансировка инструмента с большим остаточным дисбалансом.

В качестве рекомендации по оценке пригодности данного инструмента для использования в станке можно предложить тестовый разгон инструмента. Инструмент медленно разгоняется до максимально допустимой (для данного инструмента) частоты и вращается около 1 мин. Если при разгоне и вращении на максимальной частоте не возникает вибраций, то инструмент можно использовать.

Допустимые нагрузки на ВМШ. Допустимые статические нагрузки на ВМШ определяются статической грузоподъемностью подшипников с учетом трехкратного коэффициента запаса. Однако, как показывает анализ, при использовании типовых операций имеет место пятикратный запас статической грузоподъемности в передней (наиболее нагруженной) опоре и ограничение режимов связано, в первую очередь, с динамическими характеристиками ВМШ.

Статические и динамические характеристики ВМШ. При работе на высоких частотах вращения статические и динамические характеристики в решающей степени определяют работоспособность ВМШ [6]. Следует избегать резонансных явлений, когда частоты возмущения приближаются к собственным частотам ВМШ.

Инструмент оказывает определяющее влияние на динамическое качество ВМШ. Первые собственные частоты системы шпиндель-оснастка для большинства операций лежат в области 600...700 Гц, что позволяет утверждать, что большинство типовых режимов находятся вне резонансной зоны.

Основные параметры ВМШ

Основные параметры: мощность и момент двигателя, частоты вращения, допустимые силы резания, -назначались на основе анализа режимов обработки стальных и алюминиевых заготовок торцовыми, длиннокромочными, концевыми, дисковыми фрезами, а также расточным, сверлильным и резьбообрабатывающим инструментом (сверла, развертки, резцы и т.п.). В качестве материала инструмента использовались твердый сплав и керамика. При выборе режимов обработки учитывалось то обстоятельство, что при разгоне вышеопределенных частот вращения в коническом соединении оправки и шпинделя может возникать зазор, который необходимо исключить. Основные параметры разработанных в рамках государственного контракта ВМШ представлены в таблице.

ВМШ HSK 100 (продольный разрез)

Рис.5. ВМШ HSK 100 (продольный разрез)


На рис. 5 приведена конструкция ВМШ с конусом HSK-A100. Ротор 1 электродвигателя устанавливается с натягом для передачи момента на шпиндель 2. Влияние электромагнитных полей двигателя уменьшается кольцами 3 из немагнитного материала, которые могут использоваться и для балансировки. Шпиндель 2 вместе с ротором электродвигателя и другими вращающимися деталями балансируется до обеспечения остаточного дисбаланса, при котором центр тяжести шпинделя смещается не более чем на 1...2 мкм. Статор 4 с рубашкой охлаждения 7 устанавливается в корпусе 5 ВМШ и охлаждается при подаче жидкости в полость 6 этой рубашки. С помощью той же системы происходит охлаждение подшипников. Передней опорой шпинделя служат сдвоенные радиально-упорные шарикоподшипники 8 и 9, натяг в которых обеспечивается пружинами 10 (при высоких частотах вращения) и пневматическим цилиндром 11 (при меньших частотах и больших нагрузках). Инструмент устанавливается в оправке 12, которая закрепляется с помощью механизма зажима 13 на шпинделе, базируясь в соединении 14 типа HSK-A. Разжим оправки 12 проводится при подаче масла под давлением в правую полость 15 гидроцилиндра 16, подвижный корпус которого через прихват 17 связан со шпинделем 2. Таким образом, при разжиме оправки 12 осевое усилие разжима пружины воспринимается опорами шпинделя лишь частично. Контроль углового положения шпинделя проводится датчиком фирмы «Heidenhain», который состоит из намагниченного диска 18, закрепленного на шпинделе, и считывающей головки 19, установленной на фланце корпуса. Датчики колебаний 20 и перемещения переднего конца 22 расположены в корпусе ВМШ. Датчики температуры расположены в непосредственной близости к наружным кольцам опор и на рис. 5 не показаны. Подача СОЖ проводится через сопла 23 или через отверстие в тяге 24 механизма зажима 13.

Методика расчета подсистем ВМШ

В процессе выполнения государственного контракта была разработана усовершенствованная методика расчета подсистем ВМШ, выполнены расчеты и проведен анализ типовых режимов резания, статических и динамических характеристик, влияния условий работы узла (включая частоты вращения) на контактную жесткость соединения шпиндель - оправка типа HSK-A с механизмом зажима инструмента и тепловых явлений в опорах.

В результате расчета режимов резания определены нагрузки, возникающие при выполнении типичных для данного класса шпинделей технологических операций. Исходя из возможностей основного и вспомогательного инструмента, установлены характеристики предельно допустимых режимов обработки. По предельным для каждой операции режимам резания оценены характеристики привода главного движения, силы реакции и продолжительность жизненного цикла подшипников.

Анализ жесткости и динамического качества шпиндельного узла проводился с использованием программного комплекса для конечно-элементного моделирования «GSP», разработанного на кафедре «Станки» МГТУ «Станкин». В результате расчета получена информация о величине статической деформации шпиндельного узла для типичных технологических операций и получены оценки ее распределения между элементами конструкции. Для анализа динамического качества были построены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) для точки инструментальной оправки, расположенной в зоне резания, и формы колебаний шпиндельного узла на низших собственных частотах. По этим данным можно судить о величине и характере колебаний конструкции на собственных частотах, находящихся внутри рабочего диапазона частот возбуждения или в непосредственной близости от него.

Целью расчетов соединения шпиндель - инструментальная оправка при вращении являлись оценка влияния частоты вращения на эксплуатационные характеристики механизма зажима и определение предельной частоты вращения, при которой соединение теряет свои эксплуатационные свойства. Рассчитываемая конструкция включала переднюю часть проектируемого шпинделя с инструментальным конусом типа HSK, инструментальную оправку и кулачковый механизм зажима. Расчеты и анализ были выполнены в среде конечно-элементного моделирования Simulation, интегрированной в CAD-систему SolidWorks. Расчеты проводились при различных частотах вращения, - от нулевой до максимальной для данного типоразмера соединения. Результатами расчета являются перемещения, вызванные деформацией шпинделя, инструментальной оправки и элементов механизма зажима и реакции на сопрягаемых поверхностях отдельных частей конструкции.

Целью исследования эксплуатационных свойств соединения шпиндель - инструментальная оправка, находящегося под действием внешних нагрузок, являлась оценка его несущей способности и жесткости. Расчетная модель, как и в предыдущем случае, включала переднюю часть проектируемого шпинделя с инструментальным конусом HSK-A и инструментальную оправку. Расчет проводился в среде твердотельного моделирования «Simulation». Результатами расчета являются перемещения, вызванные деформациями шпинделя, оправки и проскальзыванием в стыках соединения, реакции в элементах соединения, эпюры давления на сопрягаемых поверхностях.

По сравнению с традиционными шпиндельными узлами станков, ВМШ отличается большей интенсивностью тепловых нагрузок. Они вызваны сосредоточением мощных источников тепла (двигатель, шпиндельные подшипники) внутри компактной конструкции узла. Высокая концентрация источников тепла требует интенсивного охлаждения как для сохранения работоспособности узла (которая определяется допустимой температурой обмотки двигателя и подшипников в опорах), так и для исключения теплового воздействия на окружающие элементы конструкции, вызывающего снижение точности станка из-за их температурных деформаций [7].

Предельные температуры подшипников опор шпинделя и обмоток двигателя зависят от производительности охлаждающей установки, от того, как распределяются потоки жидкости между рубашками охлаждения, и от интенсивности отвода тепла через рубашки, т.е. от их конструкции.

Подобные тепловые расчёты практически невозможно выполнить аналитическими методами из-за сложной пространственной геометрии рубашек охлаждения. С помощью приложения «FlowSimulation» пакета SolidWorks, предназначенного для моделирования процессов динамики жидкости и газа, явлений переноса тепла и массопереноса, была разработана математическая модель, которая учитывает лучевой и конвективный теплообмен корпуса мотор-шпинделя с окружающей средой. В связи с тем, что тепловыделение в подшипниках (из-за изменения вязкости масла) зависит от температуры, которая заранее неизвестна, то мощности источников тепла в моделях задавались в виде функциональных зависимостей от температуры отверстий под наружные кольца подшипников. Решение задач во «FlowSimulation» осуществляется методом конечных объемов.

В ходе вычислительных экспериментов на математической модели: был построен баланс расхода воды через рубашки охлаждения (передняя опора, двигатель, задняя опора) при варьировании общего расхода; вычислен баланс тепловых потоков во вращающемся подшипнике, наружное кольцо которого помещено в водяную рубашку охлаждения; определена температура наружных колец наиболее нагруженной в тепловом отношении опоры и выработаны рекомендации по назначению расхода воды через рубашку охлаждения для обеспечения работоспособности ее подшипников; оценены производительность насоса и избыточное давление в магистрали нагнетания для последующего выбора системы охлаждения.

В результате проведенной работы выполнена необходимая теоретическая и конструкторская подготовка освоения и серийного производства в России высокоскоростных мотор-шпинделей практически для всех типоразмеров станков сверлильно-фрезерно-расточной группы.

Работа выполнена в Государственном инжиниринговом центре (ГИЦ) МГТУ «Станкин» по государственному контракту, предусматривавшему создание наиболее важных комплектующих изделий для металлорежущих станков.

Библиографический список

  • Бушуев В.В., Сабиров Ф.С. Направления развития мирового станкостроения// Вестник МГТУ «Станкин». № 1(9). 2010. С. 24 - 30.
  • Маслов А.Р. Конструкция прогрессивного инструмента и его эксплуатация. - М.: ИТО, 2006. 166 с.
  • Беляев М.П., Молодцов В.В., Шугаев С.А. Исследование методами имитационного моделирования эксплуатационных свойств соединения «шпиндель - инструментальная оправка» станков с ЧПУ// СТИН, № 8. 2009. С. 7 - 13.
  • Козочкин М.П., Сабиров Ф.С. Выявление дефектов шпиндельных узлов виброакустическими методами// Вестник УГАТУ. Т. 13, 1(34). 2009. С. 133 - 138.
  • Хомяков B.C., Кочинев Н.А., Сабиров Ф.С. Экспериментальное и расчетное исследование динамических характеристик шпиндельных узлов// СТИН, № 3. 2009. С. 5-9.
  • Козочкин М.П., Сабиров Ф.С., Суслов Д.Н., Абрамов А.П. Виброакустическая диагностика опор шпинделей станков для высокоскоростной обработки// СТИН. № 6. 2010.С. 17-21.
  • Поляков А.Н., Парфенов И.В., Терентьев А.А. Решение задачи структурной оптимизации термодеформационной системы станка в локальной постановке// Вестник машиностроения. № 12. 2008. С. 42 - 47.

 

Бушуев Владимир Васильевич - д-р техн. наук, профессор кафедры «Станки» МГТУ «Станкин». Тел. 8(499)972-94-67
Молодцов Владимир Владимирович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Станки» МГТУ «Станкин». Тел. 8(499)972-94-67

весник МГТУ «СТАНКИН»



Следующие материалы:
Предыдущие материалы:

Обновлено 22.05.2014 11:00
 

Просьба оставлять свои комментарии. Этим вы поможете развитию сайта, сделав его содержание более полезным! Также в комментариях можно писать о замеченных ошибках и неработающий ссылках.


Защитный код
Обновить