Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Частично пористые газостатические опоры шпиндельных узлов. Теория и эксперимент: монография

Космынин А. В., Виноградова С. В., Виноградов В. С., Щетинин В. С., Смирнов А. В.,

ВВЕДЕНИЕ

Современное станкостроение характеризуется резким ростом технических характеристик, стимулируемых совершенствованием производственного процесса и повышением точности и качества обработки. В этом направлении приоритет отдается высокоскоростной обработке. Ее успешная реализация во многом зависит от точности работы шпиндельного узла (ШУ), так как решающую роль на формообразование обрабатываемой детали играют шпиндель и шпиндельные опоры.

В современных конструкциях высокоскоростных ШУ используют опоры качения, электромагнитные подвесы, гидростатические и газостатические подшипники. Каждый из этих типов опор имеет свои преимущества и недостатки.

В большинстве случаев высокоскоростные шпиндели устанавливают на опоры качения, что объясняется хорошо налаженным производством шарикоподшипников и простотой их замены. В то же время работа таких подшипников сопровождается тепловыми смещениями, они имеют ограниченный ресурс, обусловленный неизбежным износом тел и дорожек качения. Помимо сказанного, последние имеют неизбежные отклонения от формы, которые воспроизводит траектория движения оси шпинделя.

Высокой быстроходностью обладают ШУ на электромагнитных опорах. При их использовании появляется возможность управления положением шпинделя в процессе обработки, а также возможность изменения жесткости и демпфирования. Однако широкое применение ШУ на электромагнитных опорах пока не получили, что связано с их высокой стоимостью, сложностью конструкции, систем управления, применением диамагнитных материалов, возможностью нагрева шпинделя, громоздкостью и высокой инерционностью индукционной системы и т.д.

Гидростатические опоры просты по конструкции, имеют достаточно высокую жесткость, несущую и демпфирующую способность смазочного слоя, что позволяет обеспечить высокую точность работы ШУ.

Вместе с этим, эксплуатация гидростатических подшипников в реальных условиях выявила их существенный недостаток, заключающийся в значительном выделении тепла в результате относительного скольжения слоев смазки, поскольку мощность, затрачиваемая на трение, пропорциональна вязкости смазки и квадрату скорости вращения.

Следствием указанного недостатка являются, например, тепловые деформации высокоточных круглошлифовальных станков, вызванные выделением тепла в гидростатических подшипниках шлифовальной бабки [1] или нагрев расточных головок, приводящий к смещению координат растачиваемых отверстий. Несмотря на небольшую (2000...3000 мин^-1) скорость вращения и возникающие деформации вынуждают вводить 1,5...2 часовой период пробега, необходимый для достижения установившегося теплового режима работы.

ШУ на газостатических опорах обладают рядом достоинств. Они имеют высокую точность вращения, которую можно добиться в пределах 0,05 мкм как в осевом, так и в радиальном направлении. Из-за отсутствия контакта между шпинделем и вкладышем подшипника эта точность не меняется со временем, что определяет высокую параметрическую надежность ШУ. Благодаря низкому коэффициенту трения воздушной подушки такие подшипники способны развивать большую быстроходность ШУ (порядка 2,5 млн мм/мин) при отсутствии времени на «разогрев» шпинделя. Газостатические подшипники имеют простую конструкцию и практически не требуют обслуживания.

Благодаря хорошим характеристикам ШУ на газостатических опорах по биению они могут быть использованы, например, для сверления глубоких отверстий с соотношением длины сверла к диаметру более 10 без опасности поломки инструмента. Фрезерование мелкими фрезами на больших скоростях также благодаря низкому биению делает применение таких ШУ реальной альтернативой электроэрозионной обработке даже глубоких контуров.

У газостатических подшипников ШУ есть и определенные недостатки, которые заключатся в сравнительно невысокой несущей и демпфирующей способности смазочного слоя. Поэтому ШУ на газостатических опорах применяются на стадии финишной обработки с малыми припусками.

Анализ отраслевых конструкций ШУ на газостатических опорах показывает, что в их составе в основном используются газовые подшипники с дросселирующими питающими отверстиями. Исследованиями, выполненными в Комсомольском-на-Амуре ГТУ, установлено, что расширить область рационального использования ШУ на газостатических опорах способны частично пористые подшипники с внешним наддувом газа. Однако круг работ, посвященных исследованию особенностей работы таких подшипников с разной формой организации наддува газа в зазор, остается узким. Поэтому актуальной остается задача исследования эксплуатационных характеристик частично пористых газостатических шпиндельных опор, которые потенциально способны обеспечить более высокие выходные характеристики высокоскоростных ШУ.

Исследованию этого вопроса и посвящена настоящая работа.