RU193109U1

RU193109U1 - Устройство термостабилизации шпиндельного узла

Info

Publication number: RU193109U1
Application number: RU2019123955U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Юрьевич Дубров; Владимир Иванович Гаршин; Владимир Лаврентьевич Гапонов; Дмитрий Алексеевич Сыромятников
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2019-10-15

Abstract

Полезная модель относится к машиностроению в области механической обработки металлов резанием, а именно к станкостроению, конкретно – к обеспечению термостабилизации шпиндельного узла.Предлагается устройство термостабилизации шпиндельного узла, направленное на снижение тепловой деформации обрабатываемого объекта и повышение точности обработки деталей.Устройство снижает температуру нагревания подшипников ШУ и уменьшает тепловую деформацию узла, уменьшая радиальные биения, зависящие от радиального смещения оси шпинделя, повышая тем самым точность обработки деталей.В качестве теплоаккумулятора используется устройство, состоящее из контейнера с веществом, плавящимся от тепла, передаваемого от перегретых частей ШУ (подшипников и частей корпуса) через тепловые трубы, помещенные (каждая) одним концом в контейнер с расплавом, другим – в контакт с местом перегрева ШУ (подшипника или корпуса).

Description

Полезная модель относится к машиностроению в области механической обработки металлов резанием, а именно к станкостроению, конкретно – к обеспечению термостабилизации шпиндельного узла.

При длительной работе подшипников шпинделя происходит его перегрев с появлением линейной деформации по закону теплового расширения тел.

Кроме линейной деформации происходит радиальная деформация и ослабление шпиндельных опор, что ведет к уменьшению точности при обработке круглых деталей.

Известны технические решения для минимизации тепловых смещений шпинделя и, как следствие, повышения точности обработки.

Эти цели достигаются применением тепловых труб для отведения тепла от подшипников.

Известно устройство для охлаждения подшипников шпиндельного узла [Патент RU № 2359800, МПК В23Q, публ. 27.06.2009].

Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано при разработке прецизионных станков. Устройство с кольцевыми пазами для прохождения по ним масла от насосной установки станка содержит кольца из константана, установленные на наружных кольцах подшипника, преобразователь, содержащий управляемый источник тока и керамические втулки, установленные на наружных поверхностях колец из константана. Кольцевые пазы керамических втулок для прохождения по ним масла и блок управления задержки времени.

Недостатком изобретения является сложность и дороговизна реализации, а также излишние энергозатраты для питания насосной установки, прокачивающей охлаждающие масла.

Известно устройство для отведения тепла от шпиндельного подшипника [АС. СССР SU1189653, МПК В23Q11/14, опубл. 07.11.85].

Шпиндельный узел обеспечен канавками для охлаждающей жидкости, подводным и отводным штуцерами с возможностью переустановки к другим резьбовым отверстиям, остальные отверстия закрываются пробками.

Недостатки: энергозатраты для насосной станции, неудобство переустановки штуцеров, трудоемкость управления функционированием системы охлаждения.

Известен устройство по способу компенсации упругих тепловых деформаций подшипников шпинделей металлообрабатывающих станков и устройства для его реализации [Патент RU № 2542941, МПК B23B 25/06, F16C 17/22, опубл. 27.02.2015].

В устройстве, реализующем способ компенсации тепловых деформаций подшипников шпинделей металлообрабатывающих станков, состоящем из внешнего металлического корпуса с внутренним пазом и вкладышами в виде пьезокерамических элементов с возможностью управления их деформацией и компенсации термоупругой деформации подшипников. Управление осуществляется от сигналов термодатчиков, преобразованных соответствующими АЦП, и после цифровой обработки характера деформации и выработки управляющего сигнала от электронного управляющего устройства на пьезокерамические вкладыши.

Сигналы от 3-х термодатчиков к АЦП и через управляющие устройства к пьезодатчикам синхронизируются с определенной задержкой.

Недостатком является усложненная проблема выработки управляющего закона и сомнительная надежность управления локальными зонами для термокомпенсации.

Технической задачей полезной модели является минимизация тепловых смещений шпинделя и, как следствие, повышение точности обработки.

Техническая задача, поставленная в предлагаемой нами полезной модели, достигается путем помещения тепловых труб с жидким теплоносителем, в контейнер, наполненный твердым легкоплавким веществом, выполняющим по сути роль теплоаккумулятора.

На Фиг. представлен сборочный чертеж экспериментального шпиндельного узла (ШУ) с применением предложенного устройства термостабилизации шпиндельного узла.

Устройство термостабилизации шпиндельного узла содержит тепловые трубы (ТТ) 6 с жидким теплоносителем (на фиг. не отмечен), помещенные в контейнер 5, содержащий твердое легкоплавкое вещество (на фиг. не отмечен), а тепловые трубы выполнены с возможностью контакта с объектом перегрева (на фиг. не отмечен).

Объект перегрева, изображенный на Фиг. состоит из корпуса 1, сквозной крышки 2, вала 3, подшипника 4, глухой крышки 7.

В таблице 1 приведены характеристики рабочих веществ, которые могут быть использованы в контейнере.

Таблица 1 - Характеристики рабочих веществ

Рабочее веществ	Теплоемкость Дж/(кг К)		Плотность, кг/м³		Теплопро-водимость Вт/мК	Температура плавления , ТплС^о	Теплота плавления Дж/кг	Коэффициент объёмного расширения, К-1
Рабочее веществ	Жидкой фазы	Твёрдой фазы	Жидкой фазы	Твёрдой фазы	Теплопро-водимость Вт/мК	Температура плавления , ТплС^о	Теплота плавления Дж/кг	Коэффициент объёмного расширения, К-1
Воск, парафин	2680	2350	760	780	0.27	40-56	156	0.00106
Элаидиновая кисло	2180	1550	850	860	0.16	45	214	0.00097
Пальмитиновая кислота	2730	1880	845	855	0.17	63	214	0.00102
Кристаллический азотнокислый никель	2140	1800	1980	2050	0.56	56.7	155	0.0008
Гидрофосфат натрия	-	-	-	-	-	36	426	-
Гидрат окиси бария	1050	1220	2000	2180	0.244	78	308	0.00018
Кристаллический сернокислый натрий	1470	1000	1320	1450	0.605	32.6	334	0.0007
Кристаллический углекислый натрий	2350	2100	1350	1460	0.487	34	328	0.0009
Нитрат лития	-	-	-	-	-	30	300	-
Нафталин	1300	1300	-	-	-	80	157	-
Дифенил	-	-	-	-	-	69.5	120	-
Сплав Вуда	170	170	-	-	-	65	35	-
Сплав Розе	172	172	-	972	-	94	-	-
Примечание. Наиболее часто применяются парафин, воск, сплав Вуда, нафталин, дифенил, обладающие лучшими эксплуатационными свойствами (в основном это устойчивая обратимость процесса превращения и коррозионная совместимость).

Устройство работает следующим образом.

На основе двухфазного метода стабилизации температуры шпиндельного узла был разработан экспериментальный шпиндельный узел.

Использованный нами образец шпиндельного узла представляет собой корпус 1, в котором на валу 3 с небольшим натягом установлены радиальные подшипники 4. С «глухого» конца и со свободного конца вал 3 и подшипники 4 закрывают сквозная крышка 2 и глухая крышка 7, каждая из которых крепится четырьмя болтами М8 с шайбами.

Далее сверху надевается контейнер 5 с легкоплавким веществом, в который входит, по меньшей, мере две тепловые трубы 6, скреплённые между собой фланцами. Во фланце и в корпусе шпиндельного узла имеются отверстия под тепловые трубы 6, которые вставляются одним концом в корпус 1 на глубину равную ширине подшипника 4, а другим концом свободно вставляются в контейнер 5, например, с парафином. С каждого конца вставляются тепловые трубы , как пример, диаметром 6мм.

Предлагается направить, используя зону транспорта тепловых труб 6, теплоту, образующуюся от трения подшипников 4 ШУ, в контейнер 5, заполненный твердым легкоплавким веществом, температура плавления которого должна быть меньше допустимой температуры нагрева ШУ.

В испытанной авторами системе, установившаяся после работы в течение 5 часов, температура была 70 градусов Цельсия. В тоже время температура неохлаждаемого ШУ уже на 80 минуте работы превысила 83 градусов Цельсия.

Использование процессов плавления, сопровождающихся эндотермическими эффектами (тепловая энергия поглощается на границе раздела твердой и жидкой фаз) позволяет рассматривать предлагаемую систему охлаждения как экономичную и весьма надежную. При этом основной проблемой является поддержание обратимости процесса, т.е. необходимость содержать рабочее вещество в как можно более продолжительном по времени состоянии фазового перехода.

Метод комплексного охлаждения при помощи тепловой трубы 6 и контейнера 5 с плавящимся веществом прошел применительно к процессу резания успешную проверку и обеспечил повышение стойкости режущих инструментов более чем в два раза при обработке резанием титановых сплавов и других труднообрабатываемых конструкционных материалов. Проведено комплексное исследование охлаждения сборных резцов с использованием эффекта комплексного охлаждения при сухом резании.

Опыт охлаждения с помощью фазовых переходов первого рода в других технических областях позволяет нам сделать вывод о возможности применения этих подходов к охлаждению ШУ.

Комплексное охлаждение основано на отводе тепла за счет поглощения скрытой теплоты плавления рабочего вещества (сплава Розе) с температурой плавления 96⁰С, расположенного в контейнере 5 внутри державки специально сконструированного и изготовленного резца.

Claims

Устройство для термостабилизации шпиндельного узла, содержащее контейнер с твердым легкоплавким веществом, выполненный с возможностью установки на корпусе шпиндельного узла, и тепловые трубы с жидким теплоносителем, один конец которых помещен в контейнер, а другой конец выполнен с возможностью вставления в отверстия в корпусе шпиндельного узла.