Высокие темпы развития социалистической промышленности выдвинули ряд научных проблем, решение которых способствует успешному выполнению заданий ХХУТ съезда КПСС. Одной из таких проблем является повышение точности и долговечности црецизионных шпиндельных узлов.
Эффективным путем повышения точности вращения и сохранения ее долговечности является применение в качестве опор шпинделя подшипников с воздушной смазкой. Это объясняется способностью воздушной пленки многократно усреднять погрешности изготовления рабочих поверхностей вала и втулки подшипника. Отсутствие трения мезду поверхностями вращения, разделенными слоем сжатого воздуха, способствует сохранению первоначальной точности вращения шпинделя в подшипниках в течение длительного времени.
Наиболее перспективно применение воздушных опор в прецизионных станках — шлифовальных и алмазно-расточных, в приборах для контроля точности изделия — кругломерах и координатно-из-мерительных машинах, в установках для воспроизведения параметров движения (образцовая центрифуга)'.
Широкое применение подшипников с воздушной смазкой сдерживается отсутствием достаточно точных и простых методик их расчета. Это объясняется, во-первых, сложностью микроаэродинамических процессов, протекающих на выходе из отверстия подпува в смазочный зазор, во-вторых, большой сложностью необходимого математического аппарата. Поэтов конструктору при разработке подшипников приходится полагаться на использование опубликованных экспериментальных данных и собственный опыт.
Первоочередной задачей является расчет чисто аэростатического подшипника, т. е. подшипника, работающего в качестве подвеса, без вращения вала. Такой подход является црактически целесообразным, т.к. при добавлении вращения подъемная сила и жесткость возрастаютрасчет подшипника дает поэтому расчетные параметры с запасом.
Целью настоящей работы явилось улучшение известных методик расчета аэростатического подшипника на основе введения в расчетные формулы аналитически полученных коэффициентов дискретности, усовершенствование методов экспериментального исследования и на их основе определение оптимальных параметров различных типов аэростатических подшипников, разработка прецизионных шпиндельных узлов на аэростатических опорах.
В работе изложены результаты теоретического и экспериментального исследования наиболее перспективных радиальных аэростатических подшипников с циркулярным поддувом воздуха. Предложен инженерный метод их расчета. Выработаны рекомендации по выбору оптимальных параметров подшипников. Экспериментально изучены пути повышения жесткости и подъемной силы аэростатических похцпип-яиков с помощью канавок.
В I главе рассмотрены применяемые конструкции узлов на воздушных опорах и типовые схемы радиальных полтинников с внешним поддувом воздуха. Проведен критический обзор известных методов расчета нагрузочных характеристик радиального аэростатического подшипника. Проанализированы известные методики и результаты экспериментальных работ по исследованию подшипников с воздушной смазкой.
Во 2 главе предложен аналитический метод расчета оптимальных рабочих характеристик радиального аэростатического подшилника с циркулярным поддувом воздуха. Метод расчета основан: — на уточнении разработанной в ЭНИМСе схемы линий поддува коэффициентами дискретности, рассчитываемыми по аналитическим формулам. Результаты расчетов сопоставлены с расчетами по известным методикам,.
В 3 главе рассмотрены методика, испытательный стенд и результаты экспериментального исследования радиального аэростатического подшипника с циркулярным поддувом снатого воздуха. Определены оптимальные соотношения конструктивных параметров и нагрузочных характеристик подшипника. Полученные экспериментальные результаты сопоставлены с расчетами по разработанному во 2 главе методу;
В 4 главе приведены результаты исследований по определению возможностей повышения жесткости и подъемной силы аэростатического подшипника с помощью канавок. Определены оптимальные соотношения конструктивных параметров подшипников с кольцевыми микроканавками, с кольцевыми прерывистыми канавками, с прямоугольными секциями канавок, с секциями и дренажом мекду ними. Результаты экспериментов сопоставлены с нагрузочными характеристиками циркулярного аэростатического подшипника.
В 5 главе рассмотрены разработанные на основе экспериментальных данных и предлагаемого метода расчета конструкции шпиндельных узлов с аэростатическими опорами: планшайба станка для точения оптических деталей из цветных сплавов, поворотная каретка и шпиндели изделия и инструмента станка для обработки асферических линз, бабка изделия тяжелого внутришлифовального станка, направляющая перемещения электрошпинделя сверлильно-фрезерного станка для обработки печатных платизложены результаты исследования характеристик шпиндельных узлов.
Автор выражает искреннюю благодарность за оказанные помощь и поддержку научному руководителю д.т.н. профессору Шейнбергу С. А., заведугощему лабораторией опор и направляющих на газовой смазке к.т.н. Баласаньяну B.C. а также сотрудникам отдела J5−34 ЭНИМС.
Результаты исследования подшипников с кольцевыми прерывистыми канавками сечением 0,16×1 мм^ (рис. 4.16), с прямоугольными секциями канавок (рис. 4.1,в), секциями и дренажом (рис. 4,I, г) представлены на рис. 4.9−4.12. Для всех типов подшипников характерно увеличение оптимального диаметра отверстий поддува с увеличением зазора и давления поддува. Например, для зазора 2с=0,040 мм при увеличении давления поддува от 0,3 до 0,6 МПа оптимальный диаметр отверстий поддува растет: у подшипника с кольцевыми прерывистыми канавками от 0,29 до 0,34 мм, у подшипника с секциями канавокот 0,32 до 0,42 мм, а у подшипника с секциями и дренажом давлению 0,6 МПа соответствует оптимальный диаметр 0,5 мм. Другой пример: при давлении поддува 0,5 МПа с увеличением зазора от 2с=0,024 мм до 0,050 мм оптимальный диаметр отверстий поддува возрастаетдля подшипника с прерывистыми канавками от 0,18 до0,43 мм, для подшипника с секциями канавок от 0,19 до 0,45 мм.
Для сопоставления характеристик подшипников с канавками и циркулярным поддувом построены графики (рис. 4.6−4.8) зависимостей.
Puc. kS. Зависимость жесткости от диаметра omfapcmuo поддуда, давления поддуВа (МПа) при 2с =0,024 мм.—-подшипник с прерывистыми кольцейыми канадками,—подшипник с секциями канадок. G, но loo 90.
80 i.
10 60.
50 W 30 '' 20 ол 0.3 0,4 0.5 0.6 d, HM fue. Ш Зависимость жесткости от диаметра отВерстий поддуВа и' давления поддува (МПа) при ¿-с= ОМО мм.—-подшипник с прерывистыми кольцевыми канаВкамиэ ——подшипник с секциями канадок. ——-подшипник с секциями и дренажом.
30 80 7 0 60.
50 кО.
30 т о о.
Рис. 4.//. Зависимость жесткости от диаметра отверстии поддува и давления поддува (И Па) при £с= 0.05 / мм.—-подшипник с прерывистыми кольцевыми канавками—подшипник с секциями канавок,——подшипник с сетями и дренажом.
0,6 й, НМ.
Мс.Ш. Зависимость жесткости от диаметра отверстий поддува и давления поддува (МПа) при 2с=0,065 мм.—-подшипнике прерывистыми кольцевыми канавками,—подшипнике секииями канавок. жесткости и подъемной силы от диаметра отверстий поддува и подъемной силы от эксцентриситета при одинаковых условиях: диаметральный зазор 2с=0,040 мм, давление поддува 0,5 МПа. Числовые значения нагрузочных характеристик и оптимальных диаметров представлены в табл.4.1.
Подшипники с прерывистыми канавками очень близки по своим параметрам к подшипникам с кольцевыми микроканавками. Оба типа подшипников имеют одинаковые жесткости и соответствующие им оптимальные диаметры отверстий поддува, близкие значения подъемной силы и отверстий поддува.
Из всех подшипников с канавками наибольшей жесткостью (97 Ц/мкм) и подъемной силой (1450 Н при подводимом давлении 0,5 МПа) обладают подшипники с секциями и дренажом (рис. 4.6, 4.7, 4.8, табл.4.1). Их максимальная жесткость на 10% выше, чем циркулярных с простыми отверстиями (88 Ц/мкм), а диапазон их оптимальных диаметров в 3^-4 раза больше, чем у последних. Для приведенного в табл.4.1 примера изменению жесткости на 5 Ц/мкм соответствует изменение оптимальных диаметров отверстий поддува: для подшипника с простыми отверстиями — от 0,12 до 0,17 мм, для подшипника с секциями и дренажом — от 0,41 до 0,63 мм. Как видно, и сами величины оптимальных диаметров отверстий поддува в подшипнике с секциями канавок и дренажом в 4−4,5 раза больше, чем в циркулярномих легко изготовить, они практически не засоряются, а значит надежны в эксплуатации.
Подшипники с прямоугольными секциями канавок несколько уступают по жесткости (9,3 кгс/мкм) и подъемной силе (1430кгс при р^ =0,5 МПа) и имеют меньшие оптималнные значения диаметров отверстий поддува (0,41 мм — для приведенного примера) по сравнению с подшипниками с секциями и дренажом. Подшипник с секциями канавок испытывался нагружением против секций (т.е. в сечении с отверстиями поддува) и между секциями (т.е. в середине между отверстиями поддува). На рис. 4.13 показана зависимость подъемной силы от смещения вала для двух указанных случаев. Оказалось, что при на-гружении между секциями подъемная сила на 20% больше, чем при центральном нагружении. Это объясняется, очевидно, тем, что при нагружении против отверстий поддува при эксцентриситетах ?>0,7 происходит «прилипание» вала к втулке, а при нагружении между секциями подшипник сохраняет жесткость почти до контакта вала и втулки. Подобная картина наблюдается и в подшипниках с циркулярным поддувом воздуха (рис. 4.14). Жесткость же подшипников обоих типов при нулевом эксцентриситете практически постоянна независимо от направления нагружения. Поэтому на практике в узлах с аэростатическими подшипниками в случае изменения направления действия нагрузки нагрузочные характеристики не снижаются.
Сравнение данных, приведенных в табл.4.1, показывает еще одну особенность исследованных подшинников — максимальным величинам жесткости и подъемной силы каждого подшипника соответствуют разные значения оптимальных диаметров отверстий поддува. Это различие минимально для циркулярных подшипников с простыми отверстиями, подшипников с миЕроканавками и кольцевыми прерывистыми канавками. Для циркулярных подшипников с отверстиями типа кольцевой диафрагмы оптимальные диаметры отверстий поддува, соответствующие максимальной жесткости и подъемной силе, составляют соответственно 0,39 мм и 0,3 мм, подшипников с секциями канавок -0,41 мм и 0,25 мм, подшипников в секциями и дренажом — 0,51 мм и.
0,3 мм. Для последних двух типов подшипников при максимальной жесткости (93 Ц/мкм и 97 Н/мкм) подъемная сила (1280Н и 1250 Н) меньше наибольшего своего значения (1430 Н и 1450 Н) на 15%, а при максимальной подъемной силе (1430 Н и 1450 Н) жесткость (73 В/мш и 71 Е/мкм) ниже своего наибольшего (93 Ц/мкм и 97 Н/мкм) и.
500 о Ц 8 /2 16 С, мкм.
Рис. Ш Зависимость подъемной силы от эксцентриситета дня подшипника с секциями канабок при р3=0,5 МПа, 2с=0Ммм, й~ =Ммм. — нагружение на отберстия поддуба, — нагружение между секциями.
— 181-I У дОО.
500 т.
100 юо.
И • / / / / / ч / / / ~ Т // > /.
• в, мкм о 8 2.
Рис. ш смешение Втулки (е Ъ зависимости-от приклаоыВаемои нагризш (уу) т подшипника, с /? = </. ак=чмм,}с=оЛрЗбмм, Рь=а5МПа. при наешении В плоскости, проходтёи по оорщнзщеи чет отверстия поддува и межди яимц. иагрижение. на отверстия, — - шгриЖние меж (значения на 20−25%.
Таким образом, подшипники с секциями канавок и с секциями и дренажом обладают наибольшей подъемной силой, жесткостью близкой к жесткости циркулярного подшипника с простыми отверстиями, а размеры оптимальных отверстий поддува превышают аналогичные величины для циркулярного подшипника в 2−3 раза, обеспечивая простоту в изготовлении' и надежность в эксплуатации. Однако изготовление таких. подшипников значительно сложнее циркулярных из-за технологических трудностей при изготовлении канавок. Кроме того, существенно (в 1,3−1,7 раза) различаются оптимальные диаметры отверстий поддува, соответствующие максимальной жесткости и подъемной силе. Применение подшипников с секциями канавок и с секциями и дренажом оправдано в Основном при силовом шлифовании, когда решается задача максимального съема металла.
Результаты экспериментов сопоставлялись с расчетами по методике, изложенной в работех [35,40*]. Сравнительные данные цриведе-ны в табл.4.2.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование радиальных аэростатических подшипников с циркулярным поддувом воздуха и с канавками, определена перспективность их применения в высокоточных станках.
2. Разработан простой аналитический метод расчета циркулярных аэростатических подшипников, основанный на уточнении схемы линий поддува посредством поправочных коэффициентов, введенных в формулы для вычисления удельной жесткости и коэффициента режима (диаметра отверстий поддува) — все формулы получены аналитически. Предложенный метод учитывает дискретность поддува и двойное дросселирование газа в отверстии и зазоре, позволяет рассчитывать оптимальный диаметр отверстия поддува с учетом диаметра кармана.
3. Разработан и изготовлен стенд для исследования любых типов аэростатических подшипников. Стенд построен по обращенной схеме, когда система поддува и распределения воздуха выполнена на валу. Такая схема упрощает технологию изготовления и контроль элементов подшипника, расширяет возможные варианты исследуемых типов подшипников.
4. Проведено экспериментальное исследование циркулярных аэростатических подшипников с поддувом воздуха через отверстия типа кольцевой диафрагмы и простые отверстия с карманами. Жесткость и подъемная сила подшипников с простыми отверстиями на.
50% выше, чем подшипников сотверстиями типа кольцевой диафрагмы.
Определены оптимальные диаметры отверстий поддува. Выявлена степень влияния давления поддува и зазора на нагрузочные характеристики и диаметр отверстий поддува. Установлено, что если диаметр карманов соответствует условию расхода воздуха через простое отверстие, то дальнейшее увеличение диаметра карманов не приводит к существенному увеличению или уменьшению жесткости.
5. Сравнение экспериментов с расчетами оптимального диаметра отверстий поддува по разработанному аналитическому методу показывает практически полное их совпадение для подшипников с простыми отверстиями, а для подшипников с отверстиями типа кольцевой диафрагмы в диапазоне применяемых зазоров. Разработанный метод особенно эффективен при расчете крупногабаритных аэростатических подшипников, т.к. из-за больших размеров и массы узлов, таких как например, станка мод. МА78, экспериментальный подбор оптимальных параметров подшипника затруднен.
6. Экспериментально изучены пути повышения нагрузочных характеристик циркулярного аэростатического подшипника. Исследованы зависимости жесткости и подъемной силы от диаметра отверстий поддува, зазора и подводимого давления для подшипников с кольцевыми микроканавками, с прерывистымикольцевыми канавками, с прямоугольными секциями канавок, с секциями и дренажом. Определены оптимальные размеры отверстий поддува, глубины канавок, зазора в реальном диапазоне подводимого давления. Из исследованных типов подшипников наилучшие показатели имеют подшипники с прямоугольными секциями канавок и дренажными продольными каналами. Их жесткость близка к жесткости циркулярного подшипника с простыми отверстиям^, а подъемная сила в 1,5 раза выше, чем у последнего, и в 2 раза больше, чем у подшипника с отверстиями типа кольцевой диафрагмы. Диаметры оптимальных отверстий поддува подшипников с секциями и дренажом имеют наибольшие значения по сравнению с исследованными типами подшипников, что обеспечивает простоту изготовления отверстий и надежность от засорения.
7. Выполнение кольцевых, прерывистых и продольных канавок, и особенно секции канавок, на поверхности подшипника значительно усложняет технологию изготовленияи контроля аэростатических подшипников. Поэтому практическое применение подшипников с канавками оправдано лишь в случаях, когда необходимо получить высокие нагрузочные характеристики, особенно, подъемную силу при ограниченных габаритах подшипника. В большинстве же конструкций целесообразно применять наиболее простые и надежные циркулярные аэростатические подшипники с простыми отверстиями или отверстиями типа кольцевой диафрашы. Разработанная инженерная методика позволяет быстро и точно рассчитывать оптимальные параметры циркулярного подшипника, обеспечивающие максимальные их нагрузочные характеристики.
8. Результаты комплексных теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке прецизионных станочных узлов с аэростатическими подшипниками: шпинделя планшайбы станка для алмазного точения оптических деталей из цветных сплавов мод. МА78, шпинделя изделия типа ИВ-6 для модернизации тяжелого внут-ришлифовального станка, поворотной каретки и шпинделей изделия и инструмента станка для обработки асферических линз мод. «Асфе-ра-70Т», направляющей перемещения электрошпинделя сверлильно-фре-зерного станка мод. СФ-4 для обработки печатных плат.
