RU2224919C2

RU2224919C2 - Gas support

Info

Publication number: RU2224919C2
Application number: RU2001124591/11A
Authority: RU
Inventors: Александр Алексеевич Чмут (UA); Александр Алексеевич Чмут; Виталий Владимирович Власюк (UA); Виталий Владимирович Власюк
Original assignee: Александр Алексеевич Чмут; Виталий Владимирович Власюк
Priority date: 2000-09-12
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2004-02-27

Abstract

FIELD: machine-tool industry; spindle units of metal-cutting machines; bearing industry. SUBSTANCE: proposed gas support includes drive shaft mounted in body on two radial thrust bearings formed by taper surfaces of shaft and taper surfaces of bushes embracing them; surfaces are separated by gas gap. One bush is rigidly mounted in body and second bush is mounted for axial motion by means of motion unit acting on end surface of this bush. Provision is made for oil supply system. Second bush is mounted in body through adjusting ring. Taper surfaces of shaft are provided with blind longitudinal segment grooves of varying depth which increases towards end faces of bearings. Motion unit is made in form of group of springs possessing different stiffness. EFFECT: modification of gas support; possibility of maintaining constant thickness of gas layer which increases carrying capacity of support; enhanced operational reliability. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано в шпиндельных узлах металлорежущих станков, например в электрошпинделях внутри шлифовальных станков для подшипниковой промышленности. The invention relates to machine tools and can be used in spindle units of metal cutting machines, for example, in electrospindles inside grinding machines for the bearing industry.

Известен гидростатический подшипник (патент Великобритании 1462048, МКИ 2 F 16 С 32/06, 1977), содержащий вал, смонтированный в корпусе в двух подшипниковых узлах, образованных коническими участками вала и охватывающими этот вал коническими внутренними поверхностями втулок, разделенные между собой гидростатическим зазором. На внутренних поверхностях втулок выполнены продольные канавки, соединенные отверстиями с наружными цилиндрическими поверхностями втулок, на которых имеются окружные проточки, глубина которых в периферийной части больше. Втулки с охватывающей их внутренней цилиндрической поверхностью корпуса образуют ограничители потока смазывающей жидкости, которая подается под давлением в указанные окружные проточки для разъединения конических поверхностей вала и втулок. A hydrostatic bearing is known (UK patent 1462048, MKI 2 F 16 C 32/06, 1977) comprising a shaft mounted in a housing in two bearing assemblies formed by conical portions of the shaft and covering the shaft with the conical inner surfaces of the bushings separated by a hydrostatic clearance. On the inner surfaces of the bushings, longitudinal grooves are made, connected by holes with the outer cylindrical surfaces of the bushings, on which there are circumferential grooves, the depth of which is greater in the peripheral part. The bushings with the inner cylindrical surface of the housing enclosing them form a restriction of the flow of lubricating fluid, which is supplied under pressure to these circumferential grooves to disconnect the conical surfaces of the shaft and the bushings.

Недостатком известного решения гидростатического подшипника является то, что в его конструкции отсутствуют регулирующие элементы, обеспечивающие формирование гидростатического зазора в процессе сборки и поддержание его постоянной величины при работе. Кроме того, жесткая фиксация втулок на корпусе может привести к потере работоспособности вследствие заклинивания вала из-за его теплового расширения, поскольку возникает значительная разность температур между валом и охватывающими его через гидростатический зазор втулками. A disadvantage of the known solution of a hydrostatic bearing is that in its design there are no regulating elements ensuring the formation of a hydrostatic gap during assembly and maintaining its constant value during operation. In addition, rigid fixation of the bushings on the housing can lead to loss of performance due to jamming of the shaft due to its thermal expansion, since there is a significant temperature difference between the shaft and the sleeves covering it through the hydrostatic gap.

Известен воздушный подшипник (заявка Японии 2-39644, МКИ 5 F 16 С 32/06, 1990), содержащий приводной вал, конусообразные концы которого установлены в конические отверстия втулок с образованием зазоров, в которые подается сжатый воздух. Причем телесный угол конического отверстия втулки равен телесному углу конусообразного конца вала, установленного в это отверстие. Воздушный подшипник снабжен механизмом, перемещающим одну из втулок параллельно оси вала, и датчиком, определяющим величину зазора. Known air bearing (Japanese application 2-39644, MKI 5 F 16 C 32/06, 1990), comprising a drive shaft, the conical ends of which are installed in the conical holes of the bushings with the formation of gaps into which compressed air is supplied. Moreover, the solid angle of the conical hole of the sleeve is equal to the solid angle of the conical end of the shaft installed in this hole. The air bearing is equipped with a mechanism that moves one of the bushings parallel to the axis of the shaft, and a sensor that determines the amount of clearance.

К недостаткам данного решения относится большая сложность технических средств, обеспечивающих формирование расчетных газостатических зазоров, и ухудшенные условия распределения смазки, обусловленные формой поверхностей, формирующих эти зазоры. The disadvantages of this solution include the great complexity of the technical means providing the formation of the calculated gas-static gaps, and the deteriorated distribution conditions of the lubricant due to the shape of the surfaces forming these gaps.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является саморегулирующаяся гидростатическая опора (патент США 4919547, МКИ 5 F 16 С 32/06, 1990), содержащая приводной вал, смонтированный в корпусе на двух радиально-упорных подшипниках, образованных коническими поверхностями вала и охватывающими их коническими поверхностями втулок, которые разделены между собой газовым зазором, а также систему подачи смазки в зазоры. The closest to the claimed invention in technical essence and the achieved result is a self-regulating hydrostatic support (US patent 4919547, MKI 5 F 16 C 32/06, 1990), containing a drive shaft mounted in a housing on two angular contact bearings formed by tapered shaft surfaces and their conical surfaces of the bushings, which are separated by a gas gap, as well as the lubrication system in the gaps.

Втулки базируются на корпусе при помощи уплотнений с низким коэффициентом трения. Одна из втулок закреплена на корпусе жестко, а вторая установлена с возможностью осевого перемещения вдоль оси корпуса посредством устройства смещения, выполненного в виде пружины, воздействующей на торцевую поверхность этой втулки. Указанная втулка перемещается вдоль оси корпуса под действием осевой отжимающей силы, возникающей при увеличении давления в зазоре. Автоматическое саморегулирование величины зазоров осуществляется противодействием осевой отжимающей силы и силы отжатия пружины. В качестве смазки может использоваться жидкость или газ. The bushings are based on the housing with low friction seals. One of the bushings is fixed to the housing rigidly, and the second is mounted with the possibility of axial movement along the axis of the housing by means of a biasing device made in the form of a spring acting on the end surface of this sleeve. The specified sleeve moves along the axis of the housing under the action of the axial pressing force that occurs when the pressure in the gap increases. Automatic self-regulation of the gap values is carried out by counteracting the axial pressing force and the spring pressing force. Liquid or gas may be used as a lubricant.

Недостатком описанной саморегулирующейся гидростатической опоры является исключительная сложность обеспечения расчетной величины зазоров радиально-упорных подшипников в процессе сборки. Отсутствие регулировки при обеспечении расчетной величины зазоров подшипников в процессе сборки искажает расчетную модель устройства, а сопутствующие погрешности формы деталей при изготовлении еще больше усиливают отмеченное искажение. Система подачи смазки в зазоры не обеспечивает оптимальные условия распределения давления смазки в зазорах. The disadvantage of the described self-regulating hydrostatic bearings is the exceptional complexity of ensuring the estimated clearance of angular contact bearings during the assembly process. The lack of adjustment while ensuring the estimated value of the bearing clearances during the assembly process distorts the design model of the device, and the concomitant errors in the shape of the parts during manufacture further enhance the noted distortion. The lubrication system in the gaps does not provide optimal conditions for the distribution of lubricant pressure in the gaps.

Все эти недостатки при формировании смазочного слоя приводят к снижению несущей способности опоры и снижению ее работоспособности. Недостатком также является осевое поджатие одного из подшипников единой центральной пружиной, поскольку такое решение не обеспечивает надежной соосности при поджатии и значительно увеличивает габариты опоры. All these disadvantages in the formation of the lubricating layer lead to a decrease in the bearing capacity of the support and reduce its performance. The disadvantage is the axial preload of one of the bearings with a single central spring, since this solution does not provide reliable alignment during preloading and significantly increases the dimensions of the support.

Эти недостатки не позволяют получить технический результат, который достигается при использовании предложенного изобретения. These disadvantages do not allow to obtain a technical result, which is achieved using the proposed invention.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования газовой опоры, в которой за счет изменения конструкции обеспечивается сохранение постоянной толщины газового слоя, что приводит к увеличению несущей способности опоры и повышению надежности работы. The basis of the invention is the task of improving the gas support, in which, due to a change in design, a constant thickness of the gas layer is maintained, which leads to an increase in the bearing capacity of the support and to increase the reliability of operation.

Поставленная задача решается тем, что в газовой опоре, содержащей приводной вал, смонтированный в корпусе на двух радиально-упорных подшипниках, образованных коническими поверхностями вала и охватывающими их коническими поверхностями втулок, которые разделены между собой газовым зазором, причем одна из втулок установлена в корпусе жестко, а вторая - с возможностью осевого перемещения посредством устройства смещения, воздействующего на торцевую поверхность этой втулки, а также систему подачи смазки, согласно изобретению вторая втулка установлена в корпусе через регулировочное кольцо, а на конических поверхностях вала выполнены глухие продольные сегментные канавки переменной глубины, которая увеличивается к торцам подшипников. При этом устройство смещения выполнено в виде группы пружин с различной жесткостью. The problem is solved in that in a gas support containing a drive shaft mounted in the housing on two angular contact bearings formed by the conical surfaces of the shaft and the conical surfaces of the bushings that are separated by a gas gap, one of the bushings being rigidly mounted and the second - with the possibility of axial movement by means of a displacement device acting on the end surface of this sleeve, as well as the lubrication supply system, according to the invention, the second sleeve getting into the housing through the adjusting ring, while the conical surfaces of the shaft segment formed blind longitudinal groove of variable depth, which increases towards the ends of the bearings. In this case, the bias device is made in the form of a group of springs with different stiffness.

Совокупность всех существенных признаков предложенного решения позволяет скомпенсировать тепловое расширение вала и упруго радиальные деформации, возникающие на высоких частотах вращения вала без изменения расчетной толщины газового слоя в радиально-упорных подшипниках. The combination of all the essential features of the proposed solution makes it possible to compensate for the thermal expansion of the shaft and elastically radial deformations that occur at high shaft rotation frequencies without changing the calculated thickness of the gas layer in angular contact bearings.

Наличие регулировочного кольца позволяет с достаточной технологической точностью и простотой собрать радиально-упорные подшипники, обеспечив расчетный газовый зазор, в котором скомпенсированы технологические погрешности формы изготовления. Наличие на конических поверхностях вала глухих продольных сегментных канавок переменной глубины, которая увеличивается к торцам подшипников, приводит к улучшению распределения смазки в газовых зазорах и к увеличению давления, что позволяет повысить несущую способность опоры и устойчивость вращения вала на высоких частотах. The presence of the adjusting ring makes it possible to assemble angular contact bearings with sufficient technological accuracy and simplicity, providing a calculated gas gap in which technological errors of the manufacturing form are compensated. The presence of blind longitudinal segmented grooves of variable depth on the conical surfaces of the shaft, which increases to the ends of the bearings, leads to an improvement in the distribution of lubricant in the gas gaps and to an increase in pressure, which makes it possible to increase the bearing capacity of the support and the stability of rotation of the shaft at high frequencies.

Устройство смещения обеспечивает поддерживание постоянной величины газовых зазоров в автоматическом режиме за счет противодействия осевой отжимающей силы и силы отжатия пружин, а выполнение устройства смещения в виде группы пружин с различной жесткостью предотвращает возникновение вибраций и гасит всевозможные отклонения положения оси вала, которые возникают при его вращении на высоких частотах. The bias device maintains a constant value of gas clearances in automatic mode due to the counteraction of the axial pressing force and the force of spring compression, and the bias device in the form of a group of springs with different stiffness prevents the occurrence of vibrations and dampens all possible deviations of the shaft axis that occur when it rotates on high frequencies.

Все это в результате приводит к увеличению нагрузочной способности газовой опоры и повышению надежности ее работы. All this, as a result, leads to an increase in the loading capacity of the gas support and an increase in the reliability of its operation.

Сущность изобретения поясняется на примере газовой опоры шпинделя. The invention is illustrated by the example of a gas support spindle.

На фиг.1 показан общий вид газовой опоры шпинделя в разрезе; на фиг.2 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.3 - вид А на фиг.1. In Fig.1 shows a General view of the gas support of the spindle in the context; figure 2 is a section bB in figure 1; figure 3 is a view a in figure 1.

Газовая опора шпинделя содержит приводной вал 1, смонтированный в корпусе 2 на двух радиально-упорных подшипниках. Передний подшипник образован конической поверхностью вала 1 и охватывающей его конической поверхностью втулки 3, жестко закрепленной в корпусе болтами 4. Задний радиально-упорный подшипник образован конической поверхностью вала 1 и охватывающей его конической поверхностью втулки 5, установленной в корпусе с возможностью осевого перемещения. Наружная торцевая поверхность втулки 5 примыкает к ряду пружин 6 и 7, а внутренняя торцевая поверхность опирается на корпус 2 через регулировочное кольцо 8. Пружины 6, 7 закреплены на корпусе при помощи болтов 9 и контровочных элементов 10. На конических поверхностях вала 1 выполнены глухие продольные сегментные канавки 11, размещенные равномерно по окружности. The gas support of the spindle comprises a drive shaft 1 mounted in the housing 2 on two angular contact bearings. The front bearing is formed by the conical surface of the shaft 1 and the conical surface of the sleeve 3 surrounding it, rigidly fixed in the housing by bolts 4. The rear angular contact bearing is formed by the conical surface of the shaft 1 and the conical surface of the sleeve 5 surrounding it, mounted in the housing with axial movement. The outer end surface of the sleeve 5 is adjacent to the row of springs 6 and 7, and the inner end surface is supported on the housing 2 through the adjusting ring 8. The springs 6, 7 are fixed to the housing using bolts 9 and locking elements 10. On the conical surfaces of the shaft 1, blind longitudinal segment grooves 11 arranged uniformly around the circumference.

На внутренней конической поверхности втулки 3 выполнена кольцевая проточка 12, соединенная с каналом подвода сжатого газа штуцером 13. На внутренней конической поверхности втулки 5 выполнена кольцевая проточка 14, соединенная с каналом подвода сжатого газа штуцером 15. Газовый зазор радиально-упорных подшипников сообщается с внешней средой со стороны наружных торцов втулок 3, 5, а со стороны внутренних торцов - с полостями 16, 17, которые в свою очередь сообщаются с окружающей средой каналам 18, 19. On the inner conical surface of the sleeve 3, an annular groove 12 is made, connected to the channel for supplying compressed gas by the fitting 13. On the inner conical surface of the sleeve 5, there is an annular groove 14, connected to the channel for supplying compressed gas by the nozzle 15. The gas gap of the angular contact bearings communicates with the external environment from the side of the outer ends of the bushings 3, 5, and from the side of the inner ends - with cavities 16, 17, which in turn communicate with the environment of the channels 18, 19.

В передней части вала закреплена оправка 20, несущая технологический инструмент 21. In the front of the shaft, a mandrel 20 is fixed, carrying a technological tool 21.

Газовая опора шпинделя работает следующим образом. The gas support of the spindle operates as follows.

Сжатый воздух от штуцеров 13, 15 по каналам поступает в кольцевые проточки 12 и 14. Попадая в центральную часть радиально-упорных подшипников, сжатый воздух под давлением распространяется к торцам подшипников, двигаясь преимущественно по глухим продольным сегментным канавкам 11. Указанные канавки обеспечивают максимальные несущие способности объемов подшипников с одной стороны, а с другой стороны - значительное упрощение подачи газовой смазки по сравнению с известными устройствами. Compressed air from the fittings 13, 15 enters the annular grooves 12 and 14 through the channels. When it enters the central part of the angular contact bearings, compressed air propagates under pressure to the ends of the bearings, moving mainly along blind longitudinal segment grooves 11. These grooves provide maximum load-bearing capacities bearing volumes on the one hand, and on the other hand, a significant simplification of the supply of gas lubricant compared to known devices.

Сжатый воздух, проходя через зазоры, частично выходит непосредственно в окружающее пространство, а частично попадает в полости 16, 17 и затем выходит в окружающее пространство по каналам 18, 19 соответственно. Compressed air passing through the gaps partially exits directly into the surrounding space, and partially enters the cavities 16, 17 and then enters the surrounding space through channels 18, 19, respectively.

По мере вращения вала 1 возникают температурные деформации как от работы электродвигателя, так и от работы технологического инструмента. В результате температурных деформаций уменьшаются величины расчетных несущих газовых слоев подшипников. Компенсацию этого явления обеспечивает, с одной стороны, жестко посаженная на корпус 2 втулка 3, а, с другой стороны, - подвижная относительно корпуса втулка 5, которая опирается на корпус через регулировочное кольцо 8. Уменьшение величины газового зазора приводит к возникновению значительных осевых сил раздвижения подшипников. Под действием распирающих сил втулка 5 перемещается в осевом направлении и восстанавливает расчетные газовые зазоры, преодолевая при этом сопротивление, возникающее от упругодемпфирующих элементов пружин 6, 7. Уравнивание этих сил позволяет в автоматическом режиме компенсировать температурные деформации вала с сохранением постоянной толщины несущего газового слоя. As the shaft 1 rotates, temperature deformations arise both from the operation of the electric motor and from the operation of the technological tool. As a result of thermal deformations, the values of the calculated bearing gas layers of the bearings decrease. Compensation of this phenomenon is ensured, on the one hand, by sleeve 3 rigidly mounted on the housing 2, and, on the other hand, by sleeve 5, which is movable relative to the housing, and which rests on the housing through an adjusting ring 8. A decrease in the gas gap results in significant axial forces of extension bearings. Under the action of bursting forces, the sleeve 5 moves in the axial direction and restores the calculated gas gaps, overcoming the resistance arising from the elastic-damping elements of the springs 6, 7. Equalizing these forces automatically compensates for the temperature deformation of the shaft while maintaining a constant thickness of the carrier gas layer.

Кроме того, различные отклонения положения оси вала, возникающие при его вращении на высоких частотах, эффективно гасятся группой пружин 6, 7, которые имеют различную жесткость. In addition, various deviations of the shaft axis position that occur during its rotation at high frequencies are effectively damped by a group of springs 6, 7, which have different stiffness.

Особо необходимо отметить функциональность регулировочного кольца 8, которое при сборке газовой опоры шпинделя обеспечивает необходимый элемент подгонки для формирования расчетных газовых зазоров. Действительно в процессе сборки величина газовых зазоров между валом 1 и втулками 3, 5 обеспечивается осевым положением втулки 5 относительно неподвижного корпуса 2. При необходимости технологической операцией - "плоской шлифовкой" - можно легко добиться выхода на расчетные газовые зазоры. It is especially necessary to note the functionality of the adjusting ring 8, which, when assembling the gas support of the spindle, provides the necessary fitting element for the formation of the calculated gas gaps. Indeed, during the assembly process, the size of the gas gaps between the shaft 1 and the bushings 3, 5 is ensured by the axial position of the sleeve 5 relative to the fixed housing 2. If necessary, the technological operation - "flat grinding" - can easily reach the calculated gas gaps.

Учитывая погрешности изготовления, которые присутствуют даже при прецизионном изготовлении и ощутимы на величинах 10...20 мкм, что соответствует величинам применяемых газовых зазоров, очень важной является компенсация этих погрешностей благодаря наличию регулоровочного кольца 8 и возможности контроля несущей способности газовой опоры шпинделя. Given the manufacturing errors that are present even with precision manufacturing and are noticeable at 10 ... 20 μm, which corresponds to the values of the gas gaps used, it is very important to compensate for these errors due to the presence of the adjusting ring 8 and the ability to control the bearing capacity of the gas spindle support.

Claims

1. A gas support containing a drive shaft mounted in a housing on two angular contact bearings formed by the conical surfaces of the shaft and the conical surfaces of the bushings that enclose them with a gas gap, one of the bushings being rigidly mounted in the housing and the other with the possibility of axial movement by means of a displacement device acting on the end surface of this sleeve, as well as a lubrication system, characterized in that the second sleeve is installed in the housing through adjustments chnoe ring and on the conical surfaces of the shaft segment formed blind longitudinal groove of variable depth, which increases towards the ends of the bearings.

2. The gas support according to claim 1, characterized in that the bias device is made in the form of a group of springs with different stiffness.