RU2542941C2

RU2542941C2 - Compensation for elastic thermal strains of machine tool spindle bearings and device to this end

Info

Publication number: RU2542941C2
Application number: RU2012142820/02A
Authority: RU
Inventors: Станислав Рафаелевич Абульханов; Татьяна Николаевна Андрюхина; Светлана Сергеевна Верещагина; Александр Федорович Денисенко; Людмила Николаевна Михайлова; Михаил Владимирович Якимов
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2015-02-27
Also published as: RU2012142820A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to machine building, particularly, to cutting tools. At spindle shaft running, temperature of every spindle bearing is continuously measured. Thermal strain of bearings is corrected when bearing temperature reaches a definite level at expansion by definite amount with the help of piezo ceramic elements of the width of axial groove made at spindle bore surface.

EFFECT: longer life of bearing assembly.

2 cl, 4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к подшипникам и к подшипниковым опорам, используемым в конструкциях шпиндельных узлов.The present invention relates to bearings and to bearing bearings used in the construction of spindle assemblies.

Известен способ разгрузки колец подшипника качения от действия центробежных сил, заключающийся в создании сил, действующих на тела качения в направлении к оси вращения, в котором наружное кольцо выполняют из двух частей, установленных с зазором. Указанные силы создают путем поджатия двух частей кольца к телам качения при установке подшипника (Патент №2398976 RU, опубл. 10.09.2010).A known method of unloading rings of a rolling bearing from the action of centrifugal forces, which consists in creating forces acting on the rolling elements in the direction of the axis of rotation, in which the outer ring is made of two parts installed with a gap. These forces are created by preloading two parts of the ring to the rolling bodies when installing the bearing (Patent No. 2398976 RU, publ. 10.09.2010).

Недостатком известного способа является то обстоятельство, что центробежные силы имеют направление воздействия, поэтому поджатие двух частей кольца к телам качения может лишь частично компенсировать упругие тепловые изотропные деформации, возникающие при нагреве тел качения подшипника. Это явление приведет к снижению ресурса подшипника и к потере его эксплуатационных характеристик.The disadvantage of this method is the fact that centrifugal forces have a direction of action, therefore, the preload of the two parts of the ring to the rolling bodies can only partially compensate for the elastic thermal isotropic deformation that occurs when the rolling elements of the bearing are heated. This phenomenon will lead to a decrease in bearing life and to the loss of its operational characteristics.

Известен подшипник, реализующий способ разгрузки колец подшипника качения от действия центробежных сил, содержащий внутреннее и наружное кольца, установленные с возможностью относительного вращения и выполненные с кольцевыми дорожками качения на оппозитно расположенных рабочих поверхностях, в которых размещены тела качения в контакте с соответствующими участками поверхности упомянутых дорожек (Патент №2398976 RU, опубл. 10.09.2010).A bearing is known that implements a method of unloading rings of a rolling bearing from the action of centrifugal forces, comprising inner and outer rings mounted with relative rotation and configured with annular raceways on opposed working surfaces in which rolling bodies are placed in contact with corresponding surface sections of said tracks (Patent No. 2398976 RU, publ. 09/10/2010).

Недостатком известного устройства, реализующего способ разгрузки колец подшипника качения от действия центробежных сил, является то обстоятельство, что центробежные силы имеют направление воздействия, поэтому наличие двух частей кольца, контактирующих с телами качения, может лишь частично компенсировать упругие анизотропные тепловые деформации, возникающие при нагреве тел качения подшипника. Это явление приведет к снижению ресурса подшипника и к потере его эксплуатационных характеристик.A disadvantage of the known device that implements the method of unloading the rings of the rolling bearing from the action of centrifugal forces is the fact that centrifugal forces have a direction of action, therefore, the presence of two parts of the ring in contact with the rolling bodies can only partially compensate for the elastic anisotropic thermal deformations that occur when the bodies are heated rolling bearing. This phenomenon will lead to a decrease in bearing life and to the loss of its operational characteristics.

Известен способ работы подшипникового узла, заключающийся во внешнем наддуве и в создании дополнительной электромагнитной силы, направленной на увеличение несущей способности подшипникова узла. При этом электромагнитная сила создается за счет взаимодействия магнитных полей соленоида и магнита, установленных в подшипниковом узле (Патент №2347960 (RU), опубл. 27.02.2009 г.).A known method of operation of the bearing unit, which consists in external pressurization and in creating additional electromagnetic force, aimed at increasing the bearing capacity of the bearing unit. In this case, the electromagnetic force is created due to the interaction of the magnetic fields of the solenoid and magnet installed in the bearing assembly (Patent No. 2347960 (RU), publ. 02.27.2009).

Недостатком известного способа является отсутствие возможности компенсации упругих тепловых деформаций подшипника, обусловленных токами Фуко, возникающих в результате вращения с биением электропроводящего вала подшипника в электромагнитном поле соленоида. Наличие токов Фуко приведет не к поверхностному, а к объемному нагреву вала. По этой причине охлаждения вала подшипника конвекционным способом путем использования газа под давлением будет недостаточно, в результате этого произойдет увеличение геометрических размеров вала, что при длительной работе подшипника неизбежно станет причиной заклинивания газостатического подшипника.The disadvantage of this method is the lack of compensation for elastic thermal deformations of the bearing due to Foucault currents resulting from rotation with the runout of the conductive shaft of the bearing in the electromagnetic field of the solenoid. The presence of Foucault currents will lead not to surface, but to volumetric heating of the shaft. For this reason, cooling the bearing shaft by convection by using gas under pressure will not be enough, as a result of this, the geometrical dimensions of the shaft will increase, which during long-term operation of the bearing will inevitably cause jamming of the gas-static bearing.

Известен подшипниковый узел, реализующий способ работы подшипникового узла, содержащий вал, установленный в газостатическом подшипнике, камеру, находящуюся в корпусе подшипника, отверстия, выполненные во вкладышах подшипника. Узел также дополнительно содержит соленоид, установленный на валу, и магнит, по крайней мере, более одного, установленный между отверстиями вкладыша подшипника (Патент №2347960 (RU), опубл. 27.02.2009 г.).A bearing assembly is known that implements a method of operating a bearing assembly, comprising a shaft mounted in a gas-static bearing, a chamber located in the bearing housing, holes made in the bearing shells. The assembly also further comprises a solenoid mounted on the shaft, and a magnet of at least more than one installed between the holes of the bearing shell (Patent No. 2347960 (RU), publ. 02.27.2009).

Недостатком известного устройства является отсутствие возможности компенсации упругих тепловых деформаций подшипника, обусловленных токами Фуко, возникающих в результате вращения с биением электропроводящего вала подшипника в электромагнитном поле соленоида. Наличие токов Фуко приведет не к поверхностному, а к объемному нагреву вала. По этой причине охлаждения вала подшипника конвекционным способом путем использования газа под давлением будет недостаточно, в результате этого произойдет увеличение геометрических размеров вала, что при длительной работе подшипника неизбежно станет причиной заклинивания газостатического подшипника.A disadvantage of the known device is the inability to compensate for the elastic thermal deformations of the bearing due to Foucault currents resulting from the rotation of the electrically conductive shaft of the bearing in the electromagnetic field of the solenoid. The presence of Foucault currents will lead not to surface, but to volumetric heating of the shaft. For this reason, cooling the bearing shaft by convection by using gas under pressure will not be enough, as a result of this, the geometrical dimensions of the shaft will increase, which during long-term operation of the bearing will inevitably cause jamming of the gas-static bearing.

Известен способ компенсации упругих термодеформаций конструкции шпиндельного узла, заключающийся в том, что кинематические погрешности, обусловленные тепловыделениями в сопряжениях, например в подшипниках, компенсируются путем применения силовых гидравлических цилиндров, воздействующих упруго на шпиндель. В результате чего компенсируются упругие тепловые деформации шпиндельного узла. При этом степень силового воздействия гидравлических цилиндров на шпиндельный узел определяется с помощью датчиков и системы автоматического регулирования (см. «Машиностроитель», 2002, №12, с. 21-27).A known method of compensating elastic thermal deformations of a spindle assembly design is that kinematic errors due to heat generation in mates, for example in bearings, are compensated by using hydraulic power cylinders that act elastically on the spindle. As a result, the elastic thermal deformations of the spindle assembly are compensated. Moreover, the degree of force impact of hydraulic cylinders on the spindle assembly is determined using sensors and an automatic control system (see "Mashinostroitel", 2002, No. 12, pp. 21-27).

Недостатком известного способа является отсутствие возможности компенсировать радиальные упругие деформации, например, подшипниковых опор, обусловленные их нагревом.The disadvantage of this method is the lack of ability to compensate for radial elastic deformations, for example, bearings, due to their heating.

Известен водоохлаждаемый узел ролика рольганга прокатного стана, содержащий водоохлаждаемый ролик с полостью охлаждения, образованной центральным осевым каналом подвода охлаждаемой среды и подшипниковыми узлами на двух стационарных опорах в подушках, закрытых с торцов крышками с уплотнениями, узел подвода охлаждаемой воды, выполненный в виде вращающейся вместе с роликом втулки и неподвижного кольца, и каналы отвода охлаждаемой среды (Патент №2381853 RU, опубл. 20.02.2010).Known is a water-cooled roller assembly of a rolling table of a rolling mill, comprising a water-cooled roller with a cooling cavity formed by a central axial channel for supplying a cooled medium and bearing assemblies on two stationary bearings in pillows closed from the ends by covers with seals, a cooling water supply unit made in the form of rotating together with a sleeve roller and a fixed ring, and channels for draining the cooled medium (Patent No. 2381853 RU, publ. 02.20.2010).

Недостатком известной конструкции узла ролика рольганга прокатного стана является отсутствие возможности использования водяного охлаждения на высокоточном оборудовании. Контакт металла шариков и колец подшипника с водой приведет к коррозии и в результате этого к потере точности подшипникового узла.A disadvantage of the known design of the roller assembly of the rolling table of the rolling mill is the inability to use water cooling on high-precision equipment. Contact of the metal balls and bearing rings with water will lead to corrosion and, as a result, to a loss in accuracy of the bearing assembly.

Известен способ компенсации упругих термодеформаций в сопряжениях конструкции шпиндельного узла, заключающийся в введении в масло, смазывающее шпиндельный узел, легко испаряемой жидкости (фреон). Испарение легко испаряемой жидкости происходит в зоне тепловыделения (например, в подшипниках и в подшипниковых опорах), а затем фреон конденсируется в теплообменнике и самотеком поступает в систему смазки (см. ЭИ «Автоматические линии и металлорежущие станки», 1983, №24, с.17-23).There is a method of compensating elastic thermal deformations in the interface design of the spindle unit, which consists in introducing into the oil lubricating the spindle unit, an easily evaporated liquid (freon). The evaporation of easily evaporated liquid occurs in the heat release zone (for example, in bearings and in bearing bearings), and then freon condenses in the heat exchanger and flows by gravity into the lubrication system (see EI “Automatic lines and metal-cutting machines”, 1983, No. 24, p. 17-23).

Недостатком известной конструкции является неэффективность охлаждения зон тепловыделения легко испаряемой жидкостью при высоких частотах вращения вала шпинделя (об/мин, используемых на современных станках). При таких частотах вращения шпинделя вязкость смазывающей и охлаждающей жидкости не позволяет проникать ей в зону тепловыделения. В результате этого процесс охлаждения не происходит.A disadvantage of the known design is the inefficiency of cooling the heat-release zones with easily evaporated liquid at high spindle shaft rotation frequencies (rpm used on modern machines). At such spindle speeds, the viscosity of the lubricating and cooling fluid does not allow it to penetrate into the heat release zone. As a result of this, the cooling process does not occur.

Известно устройство для охлаждения подшипников шпиндельного узла, содержащее кольцевые пазы для прохождения по ним масла от насосной установки станка и кольца из константана, установленные на наружных кольцах подшипников, преобразователь, содержащий управляемый источник тока, и керамические втулки, установленные на наружных поверхностях колец из константана. Кольца из константана электропроводами соединены с положительным полюсом источника тока, а кольца подшипников - с отрицательным полюсом. Кольцевые пазы для прохождения по ним масла от насосной установки выполнены на поверхности керамических втулок, а в корпусе шпинделя выполнены два паза, в которых уложены электропровода. Преобразователь содержит два ключа, входы которых соединены электропроводами с константановыми кольцами, соединенными с устройством управления. (см. Патент 2359800 RU, опубл. 27.06 2009 г., в Бюл. №18).A device for cooling bearings of a spindle unit is known, comprising annular grooves for oil to pass through them from the pumping unit of the machine and constantan rings mounted on the outer rings of the bearings, a converter containing a controlled current source, and ceramic bushings mounted on the outer surfaces of the constantan rings. Constantan rings are connected by electrical wires to the positive pole of the current source, and bearing rings to the negative pole. Ring grooves for oil passage through them from the pumping unit are made on the surface of ceramic bushings, and two grooves are made in the spindle housing in which electric wires are laid. The converter contains two keys, the inputs of which are connected by electric wires with constantan rings connected to the control device. (see Patent 2359800 RU, published on June 27, 2009, in Bull. No. 18).

Недостатком известного устройства является то, что оно не компенсирует тепловые деформации подшипников шпинделя, а уменьшает скорость их нагрева, поэтому при длительной работе подшипника произойдет нагрев шариков, внутреннего и наружного кольца, что, в свою очередь, приведет к увеличению натяга между шариками и кольцами подшипника. Это связано с появлением на поверхности шариков и колец зон выработки, обусловленных перенаклепом, в результате чего подшипник утратит свои эксплуатационные характеристики.A disadvantage of the known device is that it does not compensate for thermal deformations of the spindle bearings, but reduces the heating rate, therefore, during long-term operation of the bearing, the balls, the inner and outer rings will heat up, which, in turn, will increase the tension between the balls and bearing rings . This is due to the appearance on the surface of the balls and rings of the production zones due to re-riveting, as a result of which the bearing will lose its operational characteristics.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является техническое решение, касающееся способа и устройства компенсации упругих тепловых деформаций подшипников шпинделей, в которых осуществляют непрерывное измерение температуры нагрева каждого подшипника во время вращения шпинделя и корректировку тепловых деформаций подшипников путем управления их натяга по результатам упомянутого измерения. При этом по сигналам температурных датчиков через средства управления осуществляется управление величиной натяга подшипников с помощью соответствующих пар пьезокерамических элементов (см.WO 2006015048 A1, B60B 27/00, F16C 19/38,опубл.09.02.2006).The closest in technical essence to the present invention is a technical solution regarding a method and device for compensating elastic thermal deformations of spindle bearings, in which a continuous measurement of the heating temperature of each bearing during spindle rotation and correction of thermal deformations of bearings by controlling their interference according to the results of said measurement . At the same time, the signals of the temperature sensors through the control means control the magnitude of the bearing interference using the corresponding pairs of piezoceramic elements (see WO 2006015048 A1, B60B 27/00, F16C 19/38, published 09.09.2006).

Недостатком известного способа является отсутствие возможности компенсировать радиальные упругие деформации, например, подшипников, обусловленные их нагревом.The disadvantage of this method is the inability to compensate for radial elastic deformations, for example, bearings, due to their heating.

Известен подшипник гребного вала крупнотоннажных морских судов, содержащий внешний металлический корпус с внутренними продольными пазами, в которых размещены вкладыши, изготовленные из полиамида (Патент №2385256 RU, опубл. 27.03.2010).Known bearing of the propeller shaft of large-tonnage vessels, containing an external metal housing with internal longitudinal grooves, which are placed liners made of polyamide (Patent No. 2385256 RU, publ. 03/27/2010).

Недостатком известного подшипника гребного вала крупнотоннажных морских судов является отсутствие возможности управлять процессом компенсации упругих тепловых деформаций, имеющих место при высокой частоте вращения вала подшипника.A disadvantage of the known propeller shaft bearing for large-tonnage vessels is the inability to control the process of compensating for elastic thermal deformations occurring at a high rotational speed of the bearing shaft.

Целью предлагаемого изобретения является способ компенсации упругих тепловых деформаций подшипников шпинделей металлообрабатывающих станков и устройство, его реализующее.The aim of the invention is a method of compensating elastic thermal deformation of bearings of spindles of metalworking machines and a device that implements it.

На фиг.1 изображено сечение главного вида шпинделя металлообра-батывающего станка, на фиг.2 изображено сечение А-А фиг.1, на фиг.3 изображено увеличение места Б фиг.2, на фиг.4 - структурная схема системы управления устройством, реализующим способ компенсации упругих тепловых деформаций подшипников шпинделей металлообрабатывающих станков.In Fig.1 shows a cross section of the main view of the spindle of the metal-working machine, Fig.2 shows a section aa of Fig.1, Fig.3 shows an increase in the space B of Fig.2, Fig.4 is a structural diagram of a device control system, implementing a method of compensating elastic thermal deformations of bearings of spindles of metalworking machines.

Способ компенсации упругих тепловых деформаций подшипников шпинделей металлообрабатывающих станков заключается в установлении величин тепловых смещений шпинделя в процессе обработки, в определении вида и параметров функций теплового смещения шпинделя станка для каждого станка для каждой частоты его вращения и при простоях и по определяемым функциям при обработке в расчете величины тепловых смещений шпинделя в зависимости от времени работы на различных частотах вращения, а также от времени простоя, а в моменты достижения рассчитанных величин установленных допустимых значений тепловых деформаций подшипников шпинделей металлообрабатывающих станков осуществляют корректировку. При этом определяют зоны максимальных тепловых деформаций корпуса шпинделей металлообрабатывающих станков, сформированных в результате длительной работы шпинделя или в результате вращения вала шпинделя на больших оборотах, и выполняют в зоне максимальных тепловых деформаций корпуса шпинделей металлообрабатывающих станков осевой паз. Во время вращения вала шпинделя металлообрабатывающего станка осуществляют непрерывное измерение температуры нагрева каждого подшипника шпинделя, при этом корректировку тепловых деформаций подшипников шпинделей металлообрабатывающих станков осуществляют при достижении температурой нагрева подшипников шпинделя некоторого уровня расширением ширины осевого паза на определенную величину, а при простое и остывании подшипников шпинделя при достижении температурой нагрева подшипников шпинделя некоторого уровня сжатием ширины осевого паза на определенную величину.The method of compensating elastic thermal deformations of the bearings of the spindles of metalworking machines consists in establishing the values of the thermal displacements of the spindle during processing, in determining the type and parameters of the functions of the thermal displacement of the machine spindle for each machine for each speed of downtime and according to the defined functions during processing in calculating the value spindle thermal displacements depending on the operating time at various rotational speeds, as well as on the downtime, and at the moments of achievement of the values of the established permissible values of thermal deformations of the bearings of the spindles of metalworking machines carry out adjustments. In this case, the zones of maximum thermal deformation of the spindle housing of metalworking machines are determined, formed as a result of long-term operation of the spindle or as a result of rotation of the spindle shaft at high speeds, and an axial groove is performed in the zone of maximum thermal deformation of the spindle housing of metalworking machines. During the rotation of the spindle shaft of the metalworking machine, the heating temperature of each spindle bearing is continuously measured, and the thermal deformations of the spindle bearings of the metalworking machines are adjusted when the temperature of the spindle bearings reaches a certain level by expanding the axial groove width by a certain amount, and when the spindle bearings are idle and cooling when when the heating temperature of the spindle bearings reaches a certain level by compressing the axial width of the groove by a specific amount.

Источником повышения температуры внешнего металлического корпуса шпинделя является трение в подшипниках, поэтому наибольший нагрев внешнего металлического корпуса шпинделя имеет место в зоне сопряжения наружных колец подшипников и поверхности отверстия, выполненного во внешнем металлическом корпусе шпинделя. Нагрев наружных колец тем больше, чем на больших оборотах вращаются или чем более длительное время работают подшипники. В зоне сопряжения наружных колец подшипников и поверхности отверстия температура распределена неравномерно (вдоль оси симметрии подшипников). Определение кольцевого участка наибольшего нагрева необходимо потому, что на этом участке имеет место наибольшие тепловые деформации и, значит, на этом участке имеют место наибольший наклеп и выработка наружных и внутренних колец подшипников.The source of temperature rise of the outer metal spindle housing is friction in the bearings, therefore, the greatest heating of the outer metal spindle housing occurs in the interface between the outer rings of the bearings and the surface of the hole made in the outer metal spindle housing. The heating of the outer rings is the greater, the more they rotate at high speeds or the longer the bearings work. In the interface between the outer rings of the bearings and the surface of the hole, the temperature is distributed unevenly (along the axis of symmetry of the bearings). The determination of the annular section of the greatest heating is necessary because the largest thermal deformations take place in this section and, therefore, the greatest hardening and the development of the outer and inner rings of the bearings take place in this section.

На кольцевом участке наибольшего нагрева подшипников вдоль окружности обычно температура распределена равномерно. В случае если вдоль окружности кольцевого участка наибольшего нагрева подшипников имеют место неравномерные распределения температур (например, форма отверстия имеет овальность), то в отверстии, расположенном во внешнем металлическом корпусе шпинделя, выполняют осевой паз таким образом, чтобы сечение паза находилось над фрагментом кольцевого участка наибольшего нагрева подшипников. Если фрагменты кольцевых участков наибольшего нагрева, соответствующие каждому подшипнику шпинделя, не находятся на одной прямой, то паз выполняют таким образом, чтобы он (паз) находился на минимальных расстояниях от фрагментов кольцевых участков наибольшего нагрева подшипников.In the annular portion of the most heated bearings along the circumference, the temperature is usually distributed evenly. If along the circumference of the annular portion of the greatest heating of the bearings there are uneven temperature distributions (for example, the shape of the hole is ovoid), then in the hole located in the outer metal housing of the spindle, an axial groove is made so that the groove cross section is above the fragment of the annular portion of the greatest heating bearings. If the fragments of the annular sections of the greatest heating corresponding to each bearing of the spindle are not on the same straight line, then the groove is made so that it (the groove) is at minimum distances from the fragments of the annular sections of the greatest heating of the bearings.

Изменение температуры подшипников в определенных пределах не приведет к снижению ресурса и потере точности последних, поэтому измеренная температура подшипников постоянно сравнивается с некоторой допустимой для нагрева подшипников температурой. Если измеренная температура подшипников не превосходит допустимую температуру, то эксплуатация подшипников продолжается без компенсации тепловых деформаций сопряжения наружных колец подшипников и поверхности отверстия, выполненного во внешнем металлическом корпусе шпинделя. Если измеренная температура подшипников превосходит допустимую температуру, то, в этом случае осуществляют компенсацию тепловых деформаций сопряжения наружных колец подшипников и поверхности отверстия, выполненного во внешнем металлическом корпусе шпинделя. Для этого расширяют осевой паз, выполненный на поверхности отверстия. Это приводит к тому, что изменяется натяг сопряжения наружных колец подшипников и поверхности отверстия, выполненного во внешнем металлическом корпусе шпинделя и, таким образом, происходит компенсация тепловых деформаций в сопряжении. Величина необходимого для компенсации тепловых деформаций расширения осевого паза определяется предварительно экспериментальноChanging the temperature of the bearings within certain limits will not lead to a decrease in service life and loss of accuracy of the latter, therefore, the measured temperature of the bearings is constantly compared with some temperature acceptable for heating the bearings. If the measured temperature of the bearings does not exceed the permissible temperature, the operation of the bearings continues without compensating for thermal deformations of the conjugation of the outer rings of the bearings and the surface of the hole made in the outer metal housing of the spindle. If the measured temperature of the bearings exceeds the permissible temperature, then, in this case, the thermal deformations of the conjugation of the outer rings of the bearings and the surface of the hole made in the outer metal spindle housing are compensated. To do this, expand the axial groove made on the surface of the hole. This leads to the fact that the interference fit of the outer rings of the bearings and the surface of the hole made in the outer metal housing of the spindle is changed and, thus, compensation of thermal deformations in the coupling occurs. The value of the axial groove expansion necessary to compensate for thermal deformations is determined previously experimentally

Расширение осевого паза целесообразно осуществлять во избежание ослабления жесткости конструкции шпинделя точечно, т.е. расширяется не весь паз, а только те его участки, которые находятся над наружными кольцами, т.е. изменяют натяг сопряжения наружных колец подшипников и поверхности отверстия, выполненного во внешнем металлическом корпусе шпинделя, только на тех участках, где имеет место наибольший нагрев сопряжения, а стало быть и наибольшие тепловые деформации.It is advisable to expand the axial groove in order to avoid weakening the rigidity of the spindle structure pointwise, i.e. not the entire groove expands, but only those sections that are above the outer rings, i.e. change the interference fit of the outer rings of the bearings and the surface of the hole made in the outer metal housing of the spindle, only in those areas where there is the greatest heating of the coupling, and therefore the greatest thermal deformation.

При простаивании шпинделя, предварительно нагревшегося в результате работы, ширину паза целесообразно уменьшать не скачкообразно, а постепенно со скоростью не большей скорости остывания корпуса шпинделя и подшипников. В этом случае натяг сопряжения наружных колец подшипников и поверхности отверстия корпуса шпинделя остается неизменным. В противном случае на поверхности паза первоначально могут возникнуть микротрещины, которые в дальнейшем станут причиной разрушения конструкции шпинделя.When the spindle is idle, preheated as a result of operation, it is advisable to reduce the groove width not spasmodically, but gradually with a speed not exceeding the cooling rate of the spindle housing and bearings. In this case, the interference between the outer rings of the bearings and the surface of the bore of the spindle housing remains unchanged. Otherwise, microcracks may initially appear on the surface of the groove, which will subsequently cause destruction of the spindle structure.

Во время вращения вала шпинделя нагрев подшипников происходит постепенно (приблизительно по линейному закону), а не скачкообразно. При этом скорость нагрева подшипников намного меньше, чем динамические характеристики используемых температурных датчиков. По этой причине контроль температуры подшипников можно осуществлять непрерывно и мгновенно. Это позволит с необходимой частотой и точностью компенсировать тепловые деформации сопряжения наружных колец подшипников и поверхности отверстия, выполненного во внешнем металлическом корпусе шпинделя.During the rotation of the spindle shaft, the heating of the bearings occurs gradually (approximately according to a linear law), and not spasmodically. In this case, the heating rate of the bearings is much lower than the dynamic characteristics of the temperature sensors used. For this reason, temperature monitoring of bearings can be carried out continuously and instantly. This will make it possible to compensate thermal deformation of the conjugation of the outer rings of the bearings and the surface of the hole made in the outer metal spindle body with the necessary frequency and accuracy.

Устройство, реализующее способ компенсации упругих тепловых деформаций подшипников шпинделей металлообрабатывающих станков, состоит из внешнего металлического корпуса с внутренним продольным пазом, в которых размещены вкладыши в виде пьезокерамических элементов, опирающихся своими торцами через пары упорных пластин в боковые поверхности осевого паза, при этом пьезокерамические элементы установлены против наружных колец подшипников; на поверхности наружных колец подшипников, обращенных в сторону осевого паза, установлены температурные датчики, выводы которых через канал, выполненный во внешнем металлическом корпусе, выведены наружу.A device that implements a method of compensating elastic thermal deformations of the bearings of the spindles of metalworking machines consists of an external metal case with an internal longitudinal groove, in which there are inserts in the form of piezoceramic elements, resting their ends through pairs of thrust plates into the lateral surfaces of the axial groove, while the piezoceramic elements are installed against outer rings of bearings; on the surface of the outer rings of the bearings, facing the axial groove, temperature sensors are installed, the conclusions of which are brought out through a channel made in an external metal casing.

При этом в устройстве, реализующем способ компенсации упругих тепловых деформаций подшипников шпинделей металлообрабатывающих станков, каждый температурный датчик соединен через аналого-цифровые преобразователи со входами блоков управления, выходы каждого из которых соединены со входами управляемых источников напряжения, имеющих выходы, соединенные через пары контактов с пьезокерамическими элементами.Moreover, in a device that implements a method of compensating elastic thermal deformations of bearings of spindles of metalworking machines, each temperature sensor is connected through analog-to-digital converters to the inputs of control units, the outputs of each of which are connected to the inputs of controlled voltage sources having outputs connected through pairs of contacts with piezoceramic elements.

Устройство состоит из внешнего металлического корпуса 1 шпинделя, вала шпинделя 2, трех радиальных подшипников 3, 4, 5, имеющих соответственно внутренние кольца 6, 7, 8 и наружные кольца 9, 10, 11, осевого паза 12, трех пьезокерамических элементов 13, 14, 15, трех пар контактов 16, 17, 18, трех пар упорных пластин 19, 20, 21, клеевого соединения 22, 23, 24, канала 25, шин электропроводов 26, 27, 28, отверстия 29, а также содержит температурные датчики 30, 31, 32, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 33, 34 и 35, блок опорных сигналов 36, блоки управления 37, 38 и 39, управляемые источники напряжения 40, 41 и 42.The device consists of an external metal housing 1 of the spindle, spindle shaft 2, three radial bearings 3, 4, 5, respectively having inner rings 6, 7, 8 and outer rings 9, 10, 11, an axial groove 12, three piezoceramic elements 13, 14 , 15, three pairs of contacts 16, 17, 18, three pairs of thrust plates 19, 20, 21, adhesive joints 22, 23, 24, channel 25, busbars 26, 27, 28, holes 29, and also contains temperature sensors 30 , 31, 32, analog-to-digital converter (ADC) 33, 34 and 35, block of reference signals 36, control units 37, 38 and 39, controlled sources on maskers 40, 41 and 42.

При этом во внешнем металлическом корпусе 1 шпинделя выполнено отверстие 29, в которое установлены подшипники 3, 4, 5, касающиеся соответственно своими наружными кольцами 9, 10, 11 поверхности отверстия 29. В отверстия внутренних колец 6, 7, 8 соответственно подшипников 3, 4, 5 установлен вал шпинделя 2. Вдоль оси отверстия 29 выполнен осевой паз 12, в который установлены напротив наружных колец 9, 10, 11 соответственно подшипников 3, 4, 5 пьезокерамические элементы 13, 14, 15. Каждый из пьезокерамических элементов 13, 14, 15 имеет соответственно пары контактов 16, 17, 18. Между поверхностями пьезокерамических элементов 13, 14, 15 и боковыми поверхностями осевого паза 12 установлены упорные пластины 19, 20, 21, а между дном осевой канавки 12 и каждым из пьезокерамических элементов 13, 14, 15 имеет место соответственно клеевое соединение 22, 23, 24. Каждый из пьезокерамических элементов 13, 14, 15 через пары контактов 16, 17, 18 соединен через шины электропроводов 26, 27, 28 с соответственно управляемыми источниками напряжения 40, 41 и 42. Шины электропроводов 26, 27, 28 размещены в каналах 25, выполненных во внешнем металлическом корпусе 1 шпинделя.In this case, an opening 29 is made in the outer metal housing 1 of the spindle, in which bearings 3, 4, 5 are mounted, respectively touching their outer surfaces 9, 10, 11 of the surface of the hole 29. In the holes of the inner rings 6, 7, 8, respectively, bearings 3, 4 5, a spindle shaft 2 is installed. An axial groove 12 is made along the axis of the hole 29, in which the piezoceramic elements 13, 14, 15 are mounted opposite the outer rings 9, 10, 11, respectively. Each of the piezoceramic elements 13, 14, 15 has respectively pairs of contacts 16, 17, 18. Thrust plates 19, 20, 21 are installed between the surfaces of the piezoceramic elements 13, 14, 15 and the lateral surfaces of the axial groove 12, and an adhesive joint 22, 23, 24 takes place between the bottom of the axial groove 12 and each of the piezoceramic elements 13, 14, 15 Each of the piezoceramic elements 13, 14, 15 is connected through pairs of contacts 16, 17, 18 via busbars of electrical wires 26, 27, 28 to respectively controlled voltage sources 40, 41 and 42. Busbars of electrical wires 26, 27, 28 are located in channels 25, made in an outer metal case 1 spindle la.

На поверхности наружных колец 9, 10, 11 соответственно колец подшипников 3, 4, 5, обращенной к внутреннему пространству осевого паза 12, (установлены) наклеены температурные датчики 30, 31, 32, которые связаны через электропроводящие жилы соответственно шин электропроводов 26, 27, 28 с АЦП соответственно 33, 34 и 35. Каждый АЦП 33, 34, 35 связан соответственно через блоки управления 37, 38 и 39 с управляемыми источниками напряжения 40, 41 и 42. Блок опорных сигналов 36 соединен с аналого-цифровыми преобразователями 33, 34 и 35, с блоками управления 37, 38 и 39, а также с управляемыми источниками напряжения 40, 41 и 42.On the surface of the outer rings 9, 10, 11, respectively, of the bearing rings 3, 4, 5, facing the inner space of the axial groove 12, (installed) are glued temperature sensors 30, 31, 32, which are connected through electrically conductive wires respectively of the busbars 26, 27, 28 with the ADC 33, 34, and 35, respectively. Each ADC 33, 34, 35 is connected through control units 37, 38, and 39, respectively, to controlled voltage sources 40, 41, and 42. The reference signal block 36 is connected to analog-to-digital converters 33, 34 and 35, with control units 37, 38 and 39, as well as controlled sourced voltage sources 40, 41 and 42.

Устройство работает следующим образом. Вал шпинделя 2 приводится во вращение с помощью привода (не показан). В результате трения в подшипниках 3, 4, 5, во внутренние кольца 6, 7, 8 которых установлен вал шпинделя 2, происходит нагрев подшипников 3, 4, 5, включая наружные кольца 9, 10, 11 подшипников 3, 4, 5. Нагрев подшипников 3, 4, 5 приводит к увеличению диаметра наружных колец 9, 10, 11, установленных в отверстие 29 внешнего металлического корпуса 1 шпинделя, что, в свою очередь, ведет к увеличению натяга сопряжения поверхностей отверстия 29 и поверхности наружных колец 9, 10, 11 подшипников 3, 4, 5. Повышение натяга является причиной снижения ресурса подшипников 3, 4, 5 и в результате снижения ресурса всего шпинделя. Для уменьшения натяга между поверхностью отверстия 29 и поверхности наружных колец 9, 10, 11 подшипников 3, 4, 5 необходимо увеличить диаметр отверстия 29. Для этого в отверстии 29 выполняется осевой паз 12, ширина которого может расширяться под действием расширения пьезокерамических элементов 13, 14, 15, способных развивать существенные усилия (до 10000 Н и более) под действием электрического напряжения, подаваемого соответственно на пары контактов 16, 17, 18. Расширение ширины паза 12 приведет к изменению формы отверстия 29, оно станет не круглым, а более сложной формы, что снизит натяг сопряжения поверхностей отверстия 29 и поверхности наружных колец 9, 10, 11 подшипников 3, 4, 5 и приведет к увеличению ресурса подшипников 3, 4 и 5.The device operates as follows. The spindle shaft 2 is driven by a drive (not shown). As a result of friction in the bearings 3, 4, 5, in the inner rings 6, 7, 8 of which the spindle shaft 2 is mounted, the bearings 3, 4, 5 are heated, including the outer rings 9, 10, 11 of the bearings 3, 4, 5. Heating bearings 3, 4, 5 leads to an increase in the diameter of the outer rings 9, 10, 11 installed in the hole 29 of the outer metal housing 1 of the spindle, which, in turn, leads to an increase in the interference fit of the surfaces of the hole 29 and the surface of the outer rings 9, 10, 11 bearings 3, 4, 5. The increase in interference is the reason for reducing the resource of bearings 3, 4, 5 and in the cut To reduce the life of the entire spindle. To reduce the interference between the surface of the hole 29 and the surface of the outer rings 9, 10, 11 of the bearings 3, 4, 5, it is necessary to increase the diameter of the hole 29. For this purpose, an axial groove 12 is made in the hole 29, the width of which can expand due to the expansion of the piezoceramic elements 13, 14 , 15, capable of developing significant efforts (up to 10,000 N or more) under the action of an electric voltage supplied, respectively, to the pairs of contacts 16, 17, 18. Expanding the width of the groove 12 will change the shape of the hole 29, it will become not round, but more hydrochloric forms that reduce interference coupling surfaces openings 29 and the surfaces of outer rings 9, 10, 11, bearings 3, 4, 5, and will increase the life of bearings 3, 4 and 5.

Величина напряжения, подаваемого по шинам электропроводов 26, 27, 28 на пары контактов 16, 17, 18 пьезокерамических элементов 13, 14 и 15, определяется показаниями соответственно температурных датчиков 30, 31, 32, сигнал с которых преобразуется из аналогового в цифровой с помощью аналого-цифровых преобразователей 33, 34 и 35 и подается соответственно на блоки управления 37, 38 и 39. В блоках управления 37, 38 и 39 происходит сравнение текущей температуры, измеренной с помощью температурных датчиков 30, 31, 32, и величины критической температуры (t_êð), которая определяется предварительно и экспериментально. Величина разницы между критической температурой и текущей температурой определяет величину напряжения, подаваемого по шинам электропроводов 26, 27, 28 на пары контактов 16, 17, 18 пьезокерамических элементов 13, 14 и 15. Сигнал с выхода блоков управления 37, 38 и 39, величина которого определяется разницей между критической и текущей температурой нагрева наружных колец 9, 10, 11 подшипников 3, 4, 5, подается соответственно на вход управляемых источников напряжения 40, 41 и 42, выходы которых через электропроводящие жилы соответственно шин электропроводов 26, 27, 28 подаются на пары контактов 16, 17, 18 пьезокерамических элементов 13, 14, 15.The voltage supplied through the bus wires 26, 27, 28 to the pairs of contacts 16, 17, 18 of the piezoceramic elements 13, 14 and 15 is determined by the readings of the temperature sensors 30, 31, 32, respectively, the signal from which is converted from analog to digital using analog -digital converters 33, 34 and 35 and is supplied respectively to control units 37, 38 and 39. In control units 37, 38 and 39, the current temperature measured by temperature sensors 30, 31, 32 and the critical temperature are compared (t _êð), which are defined tsya previously and experimentally. The magnitude of the difference between the critical temperature and the current temperature determines the magnitude of the voltage supplied through the busbars 26, 27, 28 to the pairs of contacts 16, 17, 18 of the piezoceramic elements 13, 14 and 15. The signal from the output of the control units 37, 38 and 39, the value of which is determined by the difference between the critical and current heating temperature of the outer rings 9, 10, 11 of the bearings 3, 4, 5, is supplied respectively to the input of controlled voltage sources 40, 41 and 42, the outputs of which are through the conductive wires of the busbars 26, 27, 2, respectively 8 are fed to pairs of contacts 16, 17, 18 of piezoceramic elements 13, 14, 15.

Частота опроса температурных датчиков 30, 31, 32 и частота изменения линейных размеров пьезокерамических элементов 13, 14, 15 определяются частотой опорных импульсов, генерируемых блоком опорных сигналов 36, который соединен с блоками АЦП 26, 27, 28, с блоками управления 37, 38 и 39, а также с блоками управляемых источников напряжения 40, 41 и 42.The frequency of the interrogation of temperature sensors 30, 31, 32 and the frequency of the linear dimensions of the piezoceramic elements 13, 14, 15 are determined by the frequency of the reference pulses generated by the block of reference signals 36, which is connected to the ADC blocks 26, 27, 28, with the control units 37, 38 and 39, as well as with blocks of controlled voltage sources 40, 41 and 42.

Температурные датчики 30, 31, 32 соединены через соответственно АЦП 33, 34 и 35 с блоками управления 37, 38 и 39. В свою очередь, блоки управления 37, 38 и 39 генерируют управляющие сигналы для управляемых источников напряжения, соответственно, 40, 41 и 42. Управляемые источники напряжения 40, 41 и 42 через жилы шин электропроводов 26, 27, 28 (высоковольтные кабели) подают напряжения на три пары контактов 16, 17, 18, в результате чего пьезокерамические элементы 13, 14, 15 расширяются и давят на боковые поверхности осевого паза 12. Это приводит к тому, что посадка наружных колец 9, 10, 11 соответственно подшипников 3, 4, 5 изменяется относительно отверстия 29, выполненного во внешнем металлическом корпусе 1 шпинделя. По этой причине уменьшается силовая нагрузка, обусловленная тепловыми деформациями, на внутренние 6, 7, 8 и наружные кольца 9, 10, 11, соответственно, подшипников 3, 4, 5. Это приведет к уменьшению выработки внутренних 6, 7, 8 и наружных колец 9, 10, 11 подшипников 3, 4, 5, в результате чего будет увеличен ресурс шпинделя станка.Temperature sensors 30, 31, 32 are connected via ADCs 33, 34, and 35, respectively, to control units 37, 38, and 39. In turn, control units 37, 38, and 39 generate control signals for controlled voltage sources, respectively, 40, 41, and 42. Controlled voltage sources 40, 41 and 42 through the wires of the busbars of electric wires 26, 27, 28 (high-voltage cables) supply voltage to three pairs of contacts 16, 17, 18, as a result of which the piezoceramic elements 13, 14, 15 expand and press on the side the surface of the axial groove 12. This leads to the fact that the fit of the outer rings 9, 10, 11, respectively, of the bearings 3, 4, 5 changes relative to the hole 29, made in the outer metal housing 1 of the spindle. For this reason, the power load due to thermal deformation is reduced on the inner 6, 7, 8 and outer rings 9, 10, 11, respectively, of the bearings 3, 4, 5. This will lead to a decrease in the output of the inner 6, 7, 8 and outer rings 9, 10, 11 bearings 3, 4, 5, as a result of which the spindle life of the machine will be increased.

Работа аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 33, 34 и 35, блоков управления 37, 38 и 39, а также управляемых источников напряжения 40, 41 и 42 синхронизируется (координируется) блоком опорных сигналов 36, который генерирует управляющие импульсы, определяющие частоту срабатывания АЦП 33, 34 и 35, блоков управления 37, 38 и 39, управляемых источников напряжения 40, 41 и 42.The operation of analog-to-digital converters (ADCs) 33, 34 and 35, control units 37, 38 and 39, as well as controlled voltage sources 40, 41 and 42, are synchronized (coordinated) by the block of reference signals 36, which generates control pulses that determine the frequency of the ADC operation 33, 34 and 35, control units 37, 38 and 39, controlled voltage sources 40, 41 and 42.

Частота опорных импульсов блока опорных сигналов 36 определяет точность компенсации тепловых деформаций внутренних 6, 7, 8 и наружных 9, 10, 11 колец подшипников 3, 4, 5, имеющих место при высокой частоте вращения вала 2 шпинделя или длительной эксплуатации подшипников 3, 4, 5. Чем чаще частота опроса АЦП 33, 34 и 35 соответственно температурных датчиков 30, 31, 32, тем чаще будут расширяться пьезокерамические элементы 13, 14, 15. Это приведет к расширениям ширины осевого паза 12, в результате чего будет скомпенсированы тепловые деформации подшипников 3, 4, 5. Временные интервалы в этом случае между расширениями пьезокерамических элементов 13, 14, 15 определяет частота управляющих импульсов блока 36. Чем чаще частота опорных импульсов блока 36, тем точнее происходит компенсация тепловых деформаций внутренних 6, 7, 8 и наружных 9, 10, 11 колец подшипников 3, 4, 5.The frequency of the reference pulses of the block of reference signals 36 determines the accuracy of the compensation of thermal deformations of the inner 6, 7, 8 and outer 9, 10, 11 rings of bearings 3, 4, 5 that occur with a high speed of rotation of the shaft 2 of the spindle or long-term operation of bearings 3, 4, 5. The more often the ADC polling frequency 33, 34 and 35, respectively, of the temperature sensors 30, 31, 32, the more often the piezoceramic elements 13, 14, 15 will expand. This will lead to the expansion of the width of the axial groove 12, as a result of which the thermal deformations of the bearings will be compensated 3, 4, 5. Times In this case, the intervals between the extensions of the piezoceramic elements 13, 14, 15 are determined by the frequency of the control pulses of the block 36. The more often the frequency of the reference pulses of the block 36, the more accurate is the compensation of thermal deformations of the inner 6, 7, 8 and outer 9, 10, 11 bearing rings 3, 4, 5.

Уровень напряжений, формируемых управляемыми источниками напряжений 40, 41 и 42, имеет ограничения сверху. Превышение максимально допустимого уровня напряжений приведет к разрушению пьезокерамических элементов 13, 14, 15 в результате исчерпания возможности пластических деформаций стенок осевого паза 12 и склонности к трещинообразованию пьезокерамических элементов 13, 14, 15.The level of stresses generated by controlled voltage sources 40, 41 and 42 has upper limits. Exceeding the maximum allowable stress level will lead to the destruction of the piezoceramic elements 13, 14, 15 as a result of the exhaustion of the possibility of plastic deformation of the walls of the axial groove 12 and the tendency to crack formation of the piezoceramic elements 13, 14, 15.

Возможная максимальная частота расширения пьезокерамических элементов 13, 14, 15 превосходит с большим запасом скорость распространения тепла в подшипниках 3, 4, 5, поэтому скорость изменения посадки наружных колец 9, 10, 11 подшипников 3, 4, 5 относительно отверстия 29, выполненного во внешнем металлическом корпусе 1 шпинделя, всегда будет больше скорости нагрева всего подшипника (3, 4, 5). По этой причине заявляемый способ будет эффективно компенсировать тепловые деформации на всем диапазоне частот вращения вала 2 шпинделя и для всего температурного диапазона нагрева подшипников 3, 4, 5.The possible maximum expansion frequency of the piezoceramic elements 13, 14, 15 exceeds with a large margin the heat propagation velocity in the bearings 3, 4, 5, therefore, the rate of change of the fit of the outer rings 9, 10, 11 of the bearings 3, 4, 5 relative to the hole 29 made in the outer metal housing 1 of the spindle, there will always be more heating speed of the entire bearing (3, 4, 5). For this reason, the inventive method will effectively compensate for thermal deformations over the entire range of frequencies of rotation of the shaft 2 of the spindle and for the entire temperature range of heating of bearings 3, 4, 5.

Количество пьезокерамических элементов 13, 14, 15 определяется числом подшипников, используемых в конструкции шпинделя.The number of piezoceramic elements 13, 14, 15 is determined by the number of bearings used in the construction of the spindle.

Пьезокерамические элементы 13, 14, 15 могут иметь форму цилиндров или форму цилиндрических шайб, при этом последняя форма предпочтительней, поскольку выдерживает большее количество упругих деформаций без образования на поверхности элементов 13, 14, 15 трещин.Piezoceramic elements 13, 14, 15 may take the form of cylinders or the shape of cylindrical washers, the latter being more preferable because it withstands a greater amount of elastic deformation without the formation of cracks on the surface of the elements 13, 14, 15.

Пьезокерамические элементы 13, 14, 15, размещенные в осевом пазе 12 над очагом нагрева каждого подшипника 3, 4, 5, могут работать синхронно и самостоятельно в зависимости от показаний датчика температур 30, 31, 32 соответствующего каждому подшипнику 3, 4, 5.Piezoceramic elements 13, 14, 15, placed in an axial groove 12 above the heating zone of each bearing 3, 4, 5, can work synchronously and independently depending on the readings of the temperature sensor 30, 31, 32 corresponding to each bearing 3, 4, 5.

При испытаниях устройства, реализующего способ компенсации упругих тепловых деформаций подшипников шпинделей металлообрабатывающих станков, были использованы пьезокерамические элементы 13, 14, 15 производства Волгоградского АО «Аврора».When testing a device that implements a method of compensating elastic thermal deformations of bearings of spindles of metalworking machines, piezoceramic elements 13, 14, 15 manufactured by the Volgograd Aurora JSC were used.

Три пары упорных пластин 19, 20, 21 необходимы для того, чтобы при деформации растяжения пьезокерамических элементов 13, 14, 15, не произошло растрескивания последних при воздействии их на стенки осевого паза 12. Испытания показали, что наиболее целесообразно выполнять упорные пластины 19, 20, 21 из бериллиевой бронзы БрБ2 (ГОСТ 1789-70) при условии, что внешний металлический корпус 1 шпинделя выполнен из чугуна СЧ20, СЧ30 (ГОСТ 1412-86).Three pairs of thrust plates 19, 20, 21 are necessary so that during tensile deformation of the piezoceramic elements 13, 14, 15, the latter do not crack when exposed to the walls of the axial groove 12. Tests have shown that it is most expedient to perform the thrust plates 19, 20 , 21 from beryllium bronze BrB2 (GOST 1789-70), provided that the outer metal housing 1 of the spindle is made of cast iron SCH20, SCH30 (GOST 1412-86).

Каждый пьезокерамический элемент 13, 14, 15 имеет на своих торцах контакты 16, 17, 18, необходимые для подвода электрического потенциала (напряжения), необходимого для увеличения геометрического размера вдоль оси симметрии пьезокерамических элементов 13, 14, 15.Each piezoceramic element 13, 14, 15 has at its ends contacts 16, 17, 18, necessary for supplying the electric potential (voltage) necessary to increase the geometric size along the axis of symmetry of the piezoceramic elements 13, 14, 15.

От каждой пары контактов 16, 17, 18 отходят шины электрических проводов 26, 27 и 28 через каналы 25 к АЦП 33, 34 и 35, далее к блокам управления 37, 38 и 39, которые связаны с управляемыми источниками напряжения 40, 41 и 42, связанными своими выходами через пары контактов 16, 17, 18 с пьезокерамическими элементами 13, 14, 15.From each pair of contacts 16, 17, 18, buses of electric wires 26, 27 and 28 go through channels 25 to the ADC 33, 34 and 35, then to control units 37, 38 and 39, which are connected to controlled voltage sources 40, 41 and 42 connected by their outputs through pairs of contacts 16, 17, 18 with piezoceramic elements 13, 14, 15.

Каждая шина электрических проводов 26, 27 и 28 представляет из себя набор электрических изолированных жил. Каждая шина 26, 27, 28 имеет пару жил, которые соединены соответственно с парой контактов 16, 17, 18 пьезокерамических элементов соответственно 13, 14, 15. Кроме того, каждая шина 26, 27, 28 имеет также пару жил, которые соединены соответственно с термодатчиками 30, 31, 32, установленными соответственно на наружных кольцах 9, 10, 11 подшипников 3, 4, 5.Each bus of electrical wires 26, 27 and 28 is a set of electrical insulated cores. Each bus 26, 27, 28 has a pair of cores that are connected respectively to a pair of contacts 16, 17, 18 of the piezoceramic elements 13, 14, 15, respectively. In addition, each bus 26, 27, 28 also has a pair of cores that are connected respectively to thermal sensors 30, 31, 32 mounted respectively on the outer rings 9, 10, 11 of bearings 3, 4, 5.

Термодатчиков 30, 31, 32 соответственно на каждом наружном кольце 9, 10, 11 подшипников 3, 4, 5 может быть несколько. В качестве термодатчиков 30, 31, 32, как показали испытания, наиболее целесообразно использовать резистивные термодатчики (термопары ТСП (ТСМ)/1-1388 или фольговый константановый тензорезистор 2ФКП-5×200). Наклейка термодатчиков 30,There can be several temperature sensors 30, 31, 32, respectively, on each outer ring 9, 10, 11 of bearings 3, 4, 5. As the temperature sensors 30, 31, 32, as shown by tests, it is most advisable to use resistive temperature sensors (thermocouples ТСП (ТСМ) / 1-1388 or foil constantan strain gauge 2FKP-5 × 200). Sticker of temperature sensors 30,

31, 32 на наружные кольца 9, 10, 11 подшипников 3, 4, 5 осуществлялась на участке, находящемся под осевым пазом 12. Это объясняется легкостью сборки подшипниковой опоры в этом случае. Для того, чтобы исключить возможность прокручивания наружных колец 9, 10, 11 подшипников 3, 4, 5 и, таким образом, исключить срезание наклеенных термодатчиков 30, 31, 32, приводящих их к негодности, посадка наружных колец (система вал) 9, 10, 11 на отверстие 29 (система отверстие), выполненное во внешнем металлическом корпусе 1 шпинделя, должна быть не менее Н7(к6), предпочтительнее посадка Н8(m6) (см. Белкин И. М. Допуски и посадки: Справочник. - М.: Машиностроение, 1992 г.).31, 32 to the outer rings 9, 10, 11 of the bearings 3, 4, 5 was carried out in the area under the axial groove 12. This is due to the ease of assembly of the bearing support in this case. In order to exclude the possibility of scrolling of the outer rings 9, 10, 11 of bearings 3, 4, 5 and, thus, to exclude the cutting off of glued temperature sensors 30, 31, 32, which render them unusable, the fit of the outer rings (shaft system) 9, 10 , 11 to the hole 29 (hole system), made in the outer metal casing 1 of the spindle, must be at least H7 (k6), preferably landing H8 (m6) (see I. Belkin. Tolerances and landing: Reference. - M. : Engineering, 1992).

Каждый пьезокерамический элемент 13, 14, 15 крепится к дну осевого паза 12 с помощью эластичного клеевого соединения 22, 23, 24 (например, силиконового). При этом посадка пары упорных пластин 19, 20, 21 осуществляется по скользящей посадке (см. Белкин И. М. Допуски и посадки: Справочник. - М.: Машиностроение, 1992 г.) между стенками осевого паза 12 и торцами одного из пьезокерамических элементов 13, 14, 15.Each piezoceramic element 13, 14, 15 is attached to the bottom of the axial groove 12 using an elastic adhesive joint 22, 23, 24 (for example, silicone). At the same time, a pair of thrust plates 19, 20, 21 is planted in a sliding fit (see Belkin I.M. Tolerances and landings: Handbook. - M .: Engineering, 1992) between the walls of the axial groove 12 and the ends of one of the piezoceramic elements 13, 14, 15.

Во внешнем металлическом корпусе 1 шпинделя на поверхности отверстия 29, контактирующей с поверхностью наружного кольца 9, 10, 11 подшипника 3, 4, 5, должен быть выполнен только один продольный осевой паз 12. При большем количестве пазов может быть ослаблена контактная жесткость поверхностей наружного кольца 9, 10, 11 подшипника 3, 4, 5 и внутренней цилиндрической поверхности отверстия 29, выполненного во внешнем металлическом корпусе 1 шпинделя. Это, в свою очередь, приведет к потере точности подшипникового узла 3, 4, 5, выражающейся в прецессии оси вращения нагруженного вала шпинделя 2.In the outer metal housing 1 of the spindle on the surface of the hole 29 in contact with the surface of the outer ring 9, 10, 11 of the bearing 3, 4, 5, only one longitudinal axial groove 12 must be made. With more grooves, the contact rigidity of the surfaces of the outer ring can be weakened 9, 10, 11 of the bearing 3, 4, 5 and the inner cylindrical surface of the hole 29, made in the outer metal housing 1 of the spindle. This, in turn, will lead to a loss of accuracy of the bearing assembly 3, 4, 5, expressed in precession of the axis of rotation of the loaded shaft of the spindle 2.

Поверхность сопряжения дна осевого паза 12 с его боковыми поверхностями не должна иметь острых углов, иначе при упругих деформациях стенок осевого паза 12 в результате расширения пьезокерамических элементов 13, 14, 15 могут развиться трещины в вершинах острых углов, которые впоследствии приведут к разрушению внешнего металлического корпуса 1 шпинделя.The mating surface of the bottom of the axial groove 12 with its side surfaces should not have sharp angles, otherwise, with elastic deformation of the walls of the axial groove 12 as a result of the expansion of the piezoceramic elements 13, 14, 15, cracks can develop in the vertices of the sharp corners, which will subsequently lead to the destruction of the outer metal body 1 spindle.

Осевой паз 12 выполняется во внешнем металлическом корпусе 1 шпинделя методом протягивания или в случае малых габаритов внешнего металлического корпуса 1 шпинделя методом долбления. При этом осевой паз 12 выполняется в той части внешнего металлического корпуса 1 шпинделя, где имеет место наибольший нагрев и значит наибольшие упругие тепловые деформации. Место наибольшего нагрева во внешнем металлическом корпусе 1 шпинделя определяется предварительно и экспериментально. Такой выбор зоны выполнения осевого паза 12 объясняется тем обстоятельством, что при расширении пьезокерамических элементов 13, 14, 15, установленных в осевом пазе 12, после подачи на их пары контактов 16, 17, 18 электрического напряжения, наибольшие упругие деформации будут иметь место на стенках осевого паза 12, т.е. там, где имеют место наибольшие упругие тепловые деформации.The axial groove 12 is performed in the outer metal housing 1 of the spindle by the pulling method or in the case of small dimensions of the outer metal housing 1 of the spindle by the slotting method. In this case, the axial groove 12 is performed in that part of the outer metal housing 1 of the spindle, where there is the greatest heat and therefore the greatest elastic thermal deformation. The place of greatest heating in the outer metal housing 1 of the spindle is determined previously and experimentally. This choice of the zone of execution of the axial groove 12 is explained by the fact that when the piezoelectric ceramic elements 13, 14, 15 installed in the axial groove 12 expand, after applying voltage to their pairs of contacts 16, 17, 18, the greatest elastic deformations will take place on the walls axial groove 12, i.e. where the greatest elastic thermal deformations take place.

Упругие деформации стенок осевого паза 12 приведут к тому, что отверстие 29, выполненное во внешнем металлическом корпусе 1 шпинделя, куда запрессовываются подшипники 3, 4, 5, изменит свою геометрию. В результате этого окружность отверстия 29 преобразуется в кривую, приближающуюся по форме к контуру яйца. Это, в свою очередь, приведет к изменению посадки (см. Белкин И. М. Допуски и посадки: Справочник. - М.: Машиностроение, 1992 г.) наружных колец 9, 10, 11 соответственно подшипников 3, 4, 5. При этом натяг наружных колец 9, 10, 11 соответственно подшипников 3, 4, 5 относительно поверхности отверстия 29 во внешнем металлическом корпусе 1 шпинделя уменьшится.Elastic deformation of the walls of the axial groove 12 will lead to the fact that the hole 29, made in the outer metal housing 1 of the spindle, where the bearings 3, 4, 5 are pressed, will change its geometry. As a result, the circumference of the hole 29 is converted into a curve approaching in shape to the contour of the egg. This, in turn, will lead to a change in fit (see Belkin I. M. Tolerances and fit: Reference. - M .: Engineering, 1992) of the outer rings 9, 10, 11, respectively, bearings 3, 4, 5. When this tightness of the outer rings 9, 10, 11, respectively, of the bearings 3, 4, 5 relative to the surface of the holes 29 in the outer metal housing 1 of the spindle will decrease.

Нагрев подшипников 3, 4, 5, происходящий в результате длительной работы шпинделя или в результате большой частоты оборотов вала шпинделя 2, приводит за счет увеличения геометрических размеров наружных 9, 10, 11 и внутренних 6, 7, 8 колец подшипников 3, 4, 5 к увеличению натяга наружных 9, 10, 11 колец соответственно подшипников 3, 4, 5 по отношению к поверхности отверстия 29, выполненного во внешнем металлическом корпусе 1 шпинделя.The heating of bearings 3, 4, 5, which occurs as a result of prolonged operation of the spindle or as a result of a high speed of the spindle shaft 2, results in an increase in the geometric dimensions of the outer 9, 10, 11 and inner 6, 7, 8 bearing rings 3, 4, 5 to increase the interference fit of the outer 9, 10, 11 rings, respectively, of the bearings 3, 4, 5 with respect to the surface of the hole 29 made in the outer metal housing 1 of the spindle.

Таким образом, при условии управления деформацией стенок осевого паза 12 можно компенсировать упругие тепловые деформации наружных колец 9, 10, 11 соответственно подшипников 3, 4, 5, что приведет к увеличению ресурса подшипников 3, 4, 5.Thus, under the condition of controlling the deformation of the walls of the axial groove 12, it is possible to compensate for the elastic thermal deformations of the outer rings 9, 10, 11 of the bearings 3, 4, 5, respectively, which will lead to an increase in the service life of the bearings 3, 4, 5.

При прекращении работы шпинделя станка, обусловленного, например, простоем станка, т.е. при прекращении вращения вала 2 шпинделя расширенные пьезокерамические элементы 13, 14, 15 разгружаются не сразу, а постепенно, по мере остывания деформации наружных 9, 10, 11 и внутренних 6, 7, 8 колец соответственно подшипников 3, 4, 5. Это необходимо для того, чтобы на дне осевого паза 12 не сформировалась микротрещина, образованная в результате резкого сужения ширины паза 12 после разгрузки пьезокерамических элементов 13,14,15.Upon termination of the spindle of the machine, due, for example, downtime of the machine, i.e. when the rotation of the shaft 2 of the spindle ceases, the expanded piezoceramic elements 13, 14, 15 are not unloaded immediately, but gradually, as the deformation of the outer 9, 10, 11 and inner 6, 7, 8 rings of bearings 3, 4, 5 respectively. This is necessary for so that at the bottom of the axial groove 12 no microcrack is formed, formed as a result of a sharp narrowing of the width of the groove 12 after unloading the piezoceramic elements 13,14,15.

В качестве подшипников 3, 4 и 5 могут быть шариковые, роликовые, а также комбинированные подшипники.As bearings 3, 4 and 5 can be ball, roller, as well as combined bearings.

Канал 25 выполняется во внешнем металлическом корпусе 1 шпинделя методом сверления и предназначен для вывода шин электропроводов 26, 27, 28, которые соединяют пары контактов 16, 17, 18, соответствующие каждому пьезокерамическому элементу 13, 14, 15, через пары контактов 16, 17, 18 связаны с выходами управляемых источников напряжения 40, 41 и 42, входы которых связаны с выходами блоков управления 37, 38 и 39, имеющих входы, соединенные через АЦП 33, 34 и 35 с температурными датчиками 30, 31, 32.Channel 25 is made in the outer metal housing 1 of the spindle by a drilling method and is designed to output busbars of electric wires 26, 27, 28, which connect pairs of contacts 16, 17, 18, corresponding to each piezoceramic element 13, 14, 15, through pairs of contacts 16, 17, 18 are connected to the outputs of controlled voltage sources 40, 41 and 42, the inputs of which are connected to the outputs of control units 37, 38 and 39, having inputs connected through ADCs 33, 34 and 35 to temperature sensors 30, 31, 32.

В качестве термодатчиков при испытаниях были использованы металлические тензодатчики (ГОСТ 20420-75 и ГОСТ 21616-91).The metal strain gauges (GOST 20420-75 and GOST 21616-91) were used as temperature sensors during the tests.

Для экспериментального определения температуры нагрева наружных колец 9, 10, 11, соответственно, подшипников 3, 4 и 5 при испытаниях, а также для измерения температуры кольцевого участка наибольшего нагрева зоны сопряжения подшипников 3, 4 и 5 с поверхностью отверстия 29 использовался пирометр фирмы «ТЕХНО-АС» (источник информации www:pirometr2.ru).For the experimental determination of the heating temperature of the outer rings 9, 10, 11, respectively, of bearings 3, 4, and 5 during tests, as well as for measuring the temperature of the annular portion of the greatest heating of the interface between bearings 3, 4, and 5 and hole surface 29, a TECHNO pyrometer was used -AC ”(source of information www: pirometr2.ru).

Claims

1. A method of compensating elastic thermal deformations of bearings of spindles of metalworking machines, comprising continuously measuring the heating temperature of each bearing during spindle rotation and adjusting thermal deformations of bearings by controlling their interference according to the results of said measurement, characterized in that the correction of thermal deformations of the bearings is carried out when the heating temperature is reached the value of the permissible temperature of the bearings, which does not lead to a decrease in resource and loss of accuracy in this case, in the spindle housing in the zone of its maximum thermal deformations, an axial groove is made, piezoceramic elements are placed between the side surfaces of the spindle and the bearings are tensioned by expanding the axial groove by a predetermined value or by narrowing it by a predetermined value when the bearings cool down below a specified temperature .

2. A device for compensating elastic thermal deformations of bearings of the spindles of metalworking machines, containing temperature sensors and piezoceramic elements, characterized in that the piezoceramic elements are installed end faces through pairs of thrust plates between the side surfaces of the axial groove made in the outer metal housing of the spindle opposite the outer rings of the bearings, and temperature sensors are mounted on the surface of the outer rings of the bearings, facing the aforementioned axial groove, and this device is equipped with series-connected analog-to-digital converters, control units and controlled voltage sources, the inputs of analog-to-digital converters connected to the outputs of the temperature sensors, and the outputs of the controlled voltage sources are connected to the corresponding pairs of contacts of piezoceramic elements.