ГІДРОСТАТИЧНИЙ ШПИНДЕЛЬ ДЛЯ УЛЬТРАПРЕЦИЗІЙНОЇ ДВОСТОРОННЬОЇ ОБРОБКИ

УДК:621.941-229.3:621.822.172

DOI:10.25140/2411-5363-2019-1(15)-97-105

Автор:

Федориненко Дмитро Юрійович, Чернігівський національний технологічний університет (вул. Шевченка, 95, м. Чернігів, 14027, Україна)

Сапон Сергій Петрович, Чернігівський національний технологічний університет (вул. Шевченка, 95, м. Чернігів, 14027, Україна)

Мова статті: англійська

Анотація:

Актуальність теми дослідження. Сучасний розвиток машинобудування створює постійно зростаючі вимоги щодо забезпечення показників якості обробки деталей. Так, показник шорсткості, допуски лінійних і кутових розмірів постійно зменшуються. Застосування прецизійних верстатів є ефективним способом вирішення поставлених завдань.

Постановка проблеми. Сьогодні надточна обробка матеріалів широко використовується для виробництва електронних компонентів техніки, телекомунікаційного, медичного, автомобільного, оптичного устаткування. Тому проектування ультрапрецизійних верстатів є актуальним завданням для забезпечення високої ефективності процесів механічної обробки.

Аналіз досліджень і публікацій. Основним вузлом прецизійного верстата, який визначає якість обробки, є шпиндель. Якісні показники шпинделя переважно забезпечуються правильним вибором типу й конструкції його підшипників. Показано, що гідростатичні підшипники разом з підвищенням надійності і продуктивності обробки дозволяють забезпечити виключно високі показники якості обробки деталей в порівнянні з іншими типами шпиндельних підшипників. Крім того, вони є найбільш перспективним типом шпиндельних підшипників для реалізації прецизійної високошвидкісної механічної обробки. Однак гідростатичні підшипники характеризуються відносно великими втратами потужності на тертя і, як наслідок, інтенсивним нагріванням при підвищених частотах обертання. Тому застосування для мащення гідростатичних підшипників малов’язких рідин, зокрема води, становить окремий інтерес.

Виділення недосліджених частин загальної проблеми полягає в необхідності проектування нової конструкції шпинделя з комбінованим гідростатичним підшипником на основі спеціального водяного мащення для підвищення точності та ефективності двосторонньої ультрапрецизійної обробки.

Метою цієї статті є розробка нової конструкції шпиндельного вузла з прямим приводом, затискним пристроєм та комбінованим гідростатичним підшипником, на основі спеціального водяного мащення, для підвищення точності та ефективності двосторонньої ультрапрецизійної обробки.

Виклад основного матеріалу. Для підвищення точності та ефективності двосторонньої ультрапрецизійної обробки пропонується нова конструкція шпинделя із затискним пристроєм та комбінованим гідростатичним підшипником на основі спеціального водяного мащення. Конструкція цього прецизійного шпинделя з прямим приводом від електродвигуна та з порожнім валом забезпечує двосторонню обробку дископодібних деталей. Визначено закономірності формування жорсткості, витрат і втрат потужності в комбінованому шпиндельному підшипнику, залежно від в’язкості робочої рідини, зазорів у радіальних і упорних підшипниках, тиску насоса і розмірів опорних поверхонь. У результаті математичного та CFD-моделювання були виявлені раціональні параметри комбінованого шпиндельного підшипника, що забезпечують мінімальні втрати потужності при експлуатації при одночасному забезпеченні високої точності шпинделя. Для підвищення точності затиску заготовки  пропонується вдосконалена конструкція затискного пристрою з гвинтовим затиском заготовок на основі використання ПВХ-пасти як середовища передаючого тиск. У статті запропоновано використання водяного мащення як ефективного способу вирішення питань підвищення ефективності шпиндельного вузла, зниження експлуатаційних витрат за рахунок одночасного охолодження підшипників і приводу шпинделя, а також підвищення екологічності конструкції загалом.

Висновки відповідно до статті. У цій статті представлено нову конструкцію шпиндельного вузла для двосторонньої ультрапрецизійної обробки з прямим приводом і затискним пристроєм. Головною перевагою цього рішення є компактність шпинделя. Прямий привод шпинделя від електродвигуна з порожнистим валом може ефективно використовуватися для двостороннього ультрапрецизійного точіння заготовок. Встановлено закономірності формування відхилення від площинності торцевої поверхні заготовки під час затискання. Показано, що затискні сили, що діють на заготовку, не впливають на точність оброблюваних поверхонь. Отримано раціональні геометричні та експлуатаційні параметри затискача для забезпечення високої експлуатаційної надійності.

Ключові слова:

затискне пристосування; гідростатичні підшипники; двостороння обробка; шпиндель; ультрапрецизійний вер-стат; водяне мащення

Список використаних джерел:

1. Uhlmann E., Oberschmidt D., Polte J., Polte M. and Guhde S. New Machine Tool Concept for Two-sided Ultra-Precision Machining. Euspen’s 15th International Conference & Exhibition. 2015. Р. 353–354.

2. Uhlmann E., Essmann J., Mahr F., Herfert F. and Polte, M. Machine Assembly, Manufacturing Machine with Machine Assembly, and Use the Method of Manufacturing Rotating Components (in German). Patent DE 10 2012 221 484 A1, Fraunhofer Gesellschaft; TU Berlin, 2014.

3. Luo X., Cheng K., Webb D. and Wardle F. Design of Ultraprecision Machine Tools with Applications to Manufacture of Miniature and Micro Components. Journal of Materials Processing Technology. 2005. Vol. 167. Р. 515–528.

4. Wardle F. Ultra Precision Bearings, Elsevier, Woodhead Publishing, 2015.

5. Perovic B. Hydrostatic guides and bearings: basic principles, calculation and design of hydraulic diagrams (in German). Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2012.

6. Федориненко Д. Ю. Шпиндельні гідростатичні підшипники: монографія / Д. Ю. Федориненко, С. П. Сапон. – Чернігів: ЧНТУ, 2016. – 405 с.

7. Slocum A. H. Water Hydrostatic Bearings for Precision Machine Tools and Industrial Machi­nery. ASPE 22nd Annual Meeting, 2007.

8. Nakao Y., Mimura M. and Kobayashi F. Water energy drive spindle supported by water hydrostatic bearing for ultra-precision machine tool. ASPE 18th Annual Meeting, 2003.

9. Пуш А. В. Шпиндельные узлы: Качество и надежность / А. В. Пуш. – М. : Машиностроение, 1992. – 286 с.

10. Rowe W. B. Hydrostatic, Aerostatic, and Hybrid Bearing Design. Elsevier, 2012.

Завантажити