автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Создание и исследование высокоскоростного электрошпинделя с воздушными опорами к станкам ЧПУ для сверления отверстий в печатных платах

Стр(.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ШПИНДЕЛЕЙ К СТАНКАМ С ЧПУ ДНЯ СВЕРЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ.

1.1. Условия работы шпинделей в станках.

1.2. Шпиндели, их привод, опорные узлы, валы, конструкция и компоновка.

1.3. Основные типы подшипников с воздушной смазкой, преимущественно применяемые для высокочастотного вращения

1.4. Влияние искажении формы рабочей поверхности подшипников на их нагрузочные характеристики

1.5. Выводы и постановка задачи исследования . ;

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ С ТЕРМОКОМПЕНСАЦИЕЙ

2.1. Изучение характера и причин отклонения формы рабочей поверхности подшипников шпинделей, работающих в производственных условиях

2.2. Исследование формы рабочей поверхности подшипников на специальном стенде.

2.2.1. Методика.

2.2.2. Стенд, аппаратура и условия экспериментов

2.3. Основные результаты исследования.

Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЗОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ПОДШИПНИКА С ТЕРМОКОМПЕНСАЦИЕЙ С НОРМИРОВАННОЙ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ.

3.1. Постановка задачи исследования.

3.2. Определение основных зависимостей

3.3. Расчет нагрузочных характеристик подшипника

3.4. Выводы.

Глава 4 . ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА УСТОЙЧИВОСТИ

ВРАЩШ ВАЛА В ПОДШИПНИКАХ С ТЕРМОКОМПЕНСАЦИЕЙ

4.1. Методика и экспериментальное оборудование . 85 4;2. Основные результаты и выводы

Глава 5. ЭЛЕКТРОШПИНДЕЯЬ С ВОЗДУШНЫМИ ОПОРАМИ К СТАНКАМ

С ЧПУ ДЛЯ СВЕРЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ.

5.1. Конструкция электрошпинделя

5.2. Технико-экономические показатели работы электрошпинделя мод.АС 72 и результаты промышленной эксплуатации.

В 60-х-70-х годах технология печатного монтажа окончательно утвердилась при изготовлении самых разнообразных изделий, использующих электронные схемы. Потребность в выпуске печатных плат неуклонно увеличивалась год от года и в настоящее время развернуто их массовое производство с высокой степенью его автоматизации.

К современному оборудованию для изготовления печатных плат предъявляются поэтому самые высокие требования по производительности, точности, качеству обработки, долговечности, отсутствию загрязнения окружающей среды и т.д., что потребовало от промышленности поиска новых путей для реализации этих требований. В станках для обработки плат, в частности, стал широко применяться сжатый воздзух не только традиционно в качестве рабочего тела элементов пневмоавтоматики, но и для смазки быстроперемещакшшхся и быстроврашаюшихся узлов.

Обязательным условием технологического процесса высокопроизводительной обработки плат является обеспечение безвибрационной работы элементов станка. На станках, поэтому, в качестве базы црименяют вместо металла, почти повсеместно, гранитные плиты, обладающие высоким демпфированием; а в качестве привода - шпиндели с прецизионными опорами. Опоры шпинделей главного движения должны обеспечивать минимальное биение инструмента в широком диапазоне частот вращения на протяжении длительного периода стойкости и при высокой производительности. Нарушение плавности вращения шпинделя, а вместе с ним и инструмента, приводит к некачественной обработке отверстия (прижоги), быстрому затуплению или поломке инструмента.

Лучшие станки инофирм позволяют производить до 6-10 отверстий в секунду одним шпинделем. Высокое быстродействие налагает жесткие ограничения на массу шпинделя, которая не должна превышать 2-4 кг во избежание чрезмерного износа элементов привода вертикальной подачи шпинделей и возрастания его мощности при динамическом воздействии на него цикла обработки. Помимо высокого быстродействия по координатам необходимая производительность достигается быстрым вращением твердосплавного инструмента.Верхний предел частоты вращения шпинделей - 60-80 тыс. об/мин. При недостаточно высокой частоте вращения качество обработки снижается, появляются заусенцы и сколы, особенно, на выходе сверла, что затрудняет дальнейшую обработку плат (металлизацию) и приводит к необходимости дополнительной их обработки - зенкованию (станок мод.ОФ-72).

Высокие электротехнические показатели плат не должны нарушаться в процессе их обработки. Даже незначительное загрязнение плат снижает эти показатели. Смазка опор шпинделей должна исключать какое бы то ни было загрязнение рабочего пространства станков. Применение шпинделей, использующих масляный туман для смазки опор и охлаждения, поэтому практически недопустимо, несмотря на то что масляный туман обеспечивает наивысшую стойкость высокоскоростных опор качения.

Плотность группового монтажа шпинделей в станке повышается при уменьшении радиальных габаритов шпинделей, что способствует увеличению производительности станка.Диаметры сверлильных шпинделей ограничены размерами 40-60 мм.

Отечественная промышленность не располагала серийно выпускаемыми шпинделями в полной мере отвечающими всем этим требованиям^ В "Основных нацравлениях развития народного хозяйства СССР на XI пятилетку", говорится о необходимости значительного повышения надежности и производительности различных видов оборудования и инструмента в XI пятилетке. Создание оборудования и инструмента для высокопроизводительной обработки печатных плат является весьма актуальной задачей.

Современные станки для обработки печатных плат комплектуются, в основном, электрошпинделями на опорах качения (фирма "Р?ес££в ") или на воздушных опорах (фирма " ") и преобразователями частоты тока для их привода с широким диапазоном регулирования. Нашей промышленностью освоен серийный выпуск 2-х типов шпинделей: на опорах качения с электроприводом и на воздушных опорах с электро-и пневмоприводом. Созданию щпивделя для станков данного типа на базе серийных шпинделей с шарикоподшипниками препятствовала низкая долговечность опор качения при относительно больших значениях скоростного фактора 750000 мм.об/мин (¿г - диаметр вала в мм.

П - частота вращения вала в об/мин), трудность изоляции отработавшего в опорах масляного тумана и неравноценность замены масляного тумана консистентными типами смазок.

Шпиндели на воздушных опорах с пневмоприводом, благодаря работам последних лет в области систем автоматического регулирования частоты вращения вала [38, 2?] обеспечивают весьма широкий диапазон регулирования при удовлетворительной жесткости механической характеристики. В крупномасштабном производстве, однако, этот тип привода, как основной, не мог быть использован из-за значительно более низкого по сравнению с электрическим к.п.д., а также из-за повышенного шума пневмопривода. Шпиндели на воздушных опорах с электроприводом наиболее полно удовлетворяют предъявленным требованиям.

В серийных электрошпинделях на воздушных опорах ротор электродвигателя расположен в центральной межопорной части. Концентрация основной вращающейся массы вала между опорами создает максимальный запас устойчивости его вращения, что, в свою очередь, способствует снижению стабилизирующего давления в опорах вала, и, в конечном счете, увеличению надежности работы опор. Такая компоновка. однако, имеет существенный недостаток: при большем диаметре вала шпинделя, на котором монтируется ротор, радиальные габариты и масса шпинделя получаются неприемлемо большими; при меньшем диаметре вала резко падает его собственная жесткость, снижается грузоподъемность и жесткость опор. Было необходимо найти компромиссное решение, создать конструкцию, которая при малых радиальных габаритах и массе обладала бы достаточным запасом устойчивости и грузоподъемности.

Критический анализ различных решений известных отечественных и зарубежных разработок высокоскоростных шпинделей на воздушных опорах позволил найти приемлемое решение при консольном расположении ротора на валу. Эта часть работы освещена в главе I.

Практическая реализация консольной компоновки, обладающей, как показал теоретический анализ, выполненный в главе I, меньшей устойчивостью, была под вопросом, так как величина стабилизирующего давления в опорах, подавляющая вихревую неустойчивость вала могла выйти за пределы минимально допустимой по условиям питания от заводских пневмосетей.

Изучение опыта эксплуатации шпинделей на воздушных опорах в производственных условиях позволило обнаружить возможный резерв повышения жесткости воздушного слоя в аэродинамических подшипниках с термокомпенсацией, которые зарекомендовали себя на практике как лучший тип подшипников. Они, поэтому, приняты в качестве основного прототипа подшипников вновь создаваемого шпинделя. Указанный резерв обусловлен нарушением цилиндричности воздушного зазора при различных тепловая сосгоянкяг.с подшипника. Было проведено исследование аэродинамических подшипников с термокомпенсацией типовых конструкций с целью изучения этого явления и разработки конструкции подшипника, свободного от этого недостатка. Результатом исследования явилось создание конструкции подшипника, сохраняющего прямолинейность образующей рабочей поверхности при нагреве.

Описание этих работ составляет содержание главы 2*г.

Параллельно проводилось теоретическое исследование аэродинамических подшипников с термокомпенсацией с учетом погрешностей формы его рабочей поверхности, которое позволило найти количественное выражение зависимости основных показателей работы подшипника от величины этих погрешностей. Было установлено, что подшипник с деформированной поверхностью имеет существенно меньшую несущую способность и жесткость. Эта работа изложена в главе 3.

В главе 4 дается описание сравнительных исследований макетов создаваемого электрошпинделя, оснащенных подшипниками как типовой, так и разработанной (с сохранением прямолинейности образующей рабочей поверхности при нагреве) инструкции. Исследования подтвердили более высокие показатели работы нового подшипника, что позволило использовать конструкторско-технологические решения макетов как основу конструкции вновь создаваемого шпинделя.

В главе 5 приводится конструкция и техническая характеристика электрошпинделя для сверления печатных плат, данные о его выпуске и результатах промышленной эксплуатации.

Практический вклад и основные научные результаты приведены в заключении. Они указывают пути дальнейшего совершенствования главного привода станков для обработки плат в направлении расширения их технологических возможностей - создания шпинделя с повышенной мощностью привода, пригодного кроме сверления и для выполнения фрезерных операций £l2j.

За оказание помощи и поддержку в ходе выполнения данной работы автор ясиренне благодарит научных консультантов проф. д.т.н. Шейн-берга С.А., к.т.н. Баласаньяна B.C., и других сотрудников отдела № 34i

Результаты исследования устойчивости вращения вала в подшипниках двух типов - с сохранением прямолинейности образующей и типовой конструкции на макетах шпинделей создаваемого шпинделя подтвердили правильность предположения о скрытых резервах типовых конструкций аэродинамических подшипников с термокомпенсацией и о возможности улучшения их эксплуатационных свойств. Они показали, что путь исключения деформаций рабочей поверхности при работе воздушной опоры приводит к заметному увеличению жесткости подшипника, особенно в области меньших, наиболее распространенных значений рабочих зазоров. В области больших зазоров влияние деформаций меньше, однако, практическое использование этих зазоров маловероятно, поскольку, хотя устойчивость вращения и обеспечивается, уровень колебаний вала при дисбалансе становится недопустимо большим, что может повлечь за с обой поломку мелких сверл или вызвать увеличение диаметра отверстий при обработке.

Достигнуто качественное совпадение результатов практического и теоретического исследования влияния отклонений формы рабочей поверхности на основные характеристики подшипника с воздушной смазкой.

Доказаны работоспособность и преимуществе конструкции подшипника с сохранением прямолинейности образующей, разработанной на базе метода исследования *ормы образующей рабочей поверхности в условиях имитации работы воздушной опоры, описанного в главе 2, тем самым подтверждена практическая польза метода для подобных исследований.

Применение подшипника с сохранением прямолинейности образующей в качестве опор создаваемого шпинделя предпочтительнее по сравнению с подшипником типовой конструкции, как обладающего большей жесткостью и запасом устойчивости по частоте вращения, зазору, давлению поддува сжатого воз,пуха. Создание запаса устойчивости позволяет реализовать простую и надежную схему консольной компоновки вала.

Глава 5, ЭЛЕКТРОШПИНДЕЯЬ С ВОЗДУШНЫМИ ОПОРАМИ К СТАНКАМ С ЧПУ ДНЯ СВЕРЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

В предыдущих главах было показано, что основой конструкции шпинделя для сверления отверстий в печатных платах могла служить компоновка шпинделя с консольно уравновешенным распределением вращающихся масс вала, как обеспечивавшая наибольшую простоту изготовления при повышенной осевой грузоподъемности и малых габаритах и массе шпинделя. Препятствием для осуществления этого служило повышенное давление стабилизации, свойственное этой компоновке.

Установление факта значительного периферийного износа аэродинамических подшипников дифференциального типа с термокомпенсацией, выбранных в качестве радиальных опор создаваемого шпинделя; экспериментальное подтверждение наличия существенных отклонений профиля их рабочей поверхности при нагреве и раскрытие причин этого явления, наряду с теоретическими выводами о значительном влиянии отклонений профиля на нагрузочные характеристики и величину стабилизи-р ующего давления в подшипнике, доказали обоснованность пути снижения стабилизирующего давления за счет исключения искажения профиля подшипника при его нагреве. В результате была разработана конструкция подшипника с приемлемой для практики прямолинейностью образующей рабочей поверхности при его нагреве. Сравнительным исследованием устойчивости подшипников с термокомпенсацией типовой и разработанной конструкции на макетах создаваемого шпинделя подтверждены преимущества разработанной конструкции, позволившие создать запас устройчивости по давлению стабилизации, зазору и частоте вращения и реализовать компоновку шпинделя с консольно уравновешенным распределением вращающихся масс вала. С другой стороны, конструкция макета в целом и отдельных его узлов была выполнена с максимальным приближением к конструкции создаваемого шпинделя, что позволило использовать его как основу для создания высокоскоростного шпинделя к многопозиционным станкам с ЧПУ, являвшегося целью данной работы. В настоящей главе приводятся описания конструкции, технико-экономические показатели и результаты промышленного внедрения созданного электрошпинделя.

5.1. Конструкция электрошиинделя

Конструкция'электрошпинделя показана на рис.5.1. Вал I с напрессованными на него пятой 2 и ротором 3 вращается в двух подшипниках 4 и 5, вклеенных в корпус 6. Осевое смещение вала ограничивают подпятники 7 и 8, охватывающие пяту. Осевой зазор образован разностью толщин пяты и проставка 9. Винты 10 притягивают систему подпятников к корпусу. Статор II двигателя закреплен стопором 12. Винты 13 1фепят крышку 14.

Смазка подшипников и подпятников осуществляется сжатым воздухом, который подводится в смазочный зазор из гнезда 15 через систему отверстий. По каналам 16 отработанный в подшипниках и подпятниках воздух выходит в полость, где размещен двигатель, способствуя его охлаждению. Основная часть охлаждающего двигатель воздуха поступает к нему по тем же каналам от радиально просверленных отверстий во вкладыше внутреннего подпятника. Для выхода воздуха из корпуса служат отверстия 17.

Двигатель подключается к питающей сети штепсельным разъемом. Какие же достоинства такой компоновки обусловили ее преимущественное применение в конструкции созданного шпинделя?

Отсутствие ротора в средней части вала позволило отказаться от традиционной щитовой компоновки [23, 43] , в которой отъемные от корпуса щиты с подшипниками являются необходимым элементом конструкции для обеспечения разборки шпинделя, т.е. разобщения подшипников и рабочих шеек вала, разделенных ротором. Вместе с этим

Рос 5J /(охслтрущия зле/г/77/)оо//7с//де/7Я Яод. ЯР 72 отпали вопросы обеспечения точной посадки щитов в корпус, которые в ряде случаев применения воздушных опор потребовали специальной проработки С27] .

Ликвидированы отклонения от соосности подшипников, связанные с неточностью сопряжения щитов с корпусом. Упрощению конструкции корпуса способствует внешнее размещение статора, обеспечивающее легкость разборки. Единый корпус для размещения подшипников и статора прост конструктивно и технологически. Это труба с минимальным количеством точно обработанных присоединительных поверхностей.

Выше говорилось, что расположение шпинделей в станках - вертикальное, основные рабочие нагрузки соответственно осевые. Требования к осевым опорам поэтому, повышенные. Консольная компоновка шпинделя с вынесенной за пределы корпуса пятой упорных подшипников хорошо сочетается с этими требованиями, так как позволяет развить наружный диаметр пяты до максимальных размеров, ограниченных лишь размером крепежных винтов и диаметром их расположения в корпусе. Этим достигается максимально возможная грузоподъемность в пределах данных габаритов шпинделя.

Несложным оказывается обеспечение точного расположения рабочих поверхностей упорного подшипника, так как узлы подпятников и проставок представляют собой простые диски с плоскопараллельными плоскостями, удобными в обработке (плоская шлифовка) и сборка. Последняя осуществляется болтовым соединением дисков и корпуса. Отсутствие центрирования дисков с корпусом и связанная с ней неконцентричность расположения дисков для работы упорных подшипников не имеет значения. Сборка дисков с помощью разрезного кольца, базирующегося по наружному диаметру корпуса, обеспечивает их центрирование с корпусом в случае необходимости удлинить калиброванную часть корпуса при использовании его в качестве элемента аэростатической опоры для прямолинейного движения шпинделя по оси "2

Материалом корпусных деталей шпинделя служит нержавеющая тер-мообработанная сталь 40X13, Многолетняя практика эксплуатации этого материала показывает его удовлетворительную обрабатываемость и возможность обеспечения точности и шероховатости поверхности базовых поверхностей и стабильности формы и размеров во времени, а также стойкость против забоин и царапин, антикоррозионную стойкость и хороший внешний вид. Малая величина зазора в шпиндельных узлах с воздушными опорами заставляет предъявлять особо высокие требования к геометрической точности рабочих шеек вала. Величины некруглости, конусность и несоосность рабочих шеек вала не должны выходить за пределы соответственно: 0,0005 мм и 0,002 мм. Шероховатость поверхности должна быть не хуже Яа 0,016-0,008 мкм. Достижение столь высокой точности обработки не представляет особой технологической трудности благодаря простоте конструкции вала, допускающей одновременную совместную обработку его рабочих шеек. Обеспечение геометрической точности обработки ранее смонтированных на валу деталей: пяты и ротора также не представляет трудностей поскольку выполняется от тех же баз, что и рабочие шейки,

В высокоскоростных шпинделях известно явление так называемого "ложного дисбаланса" и дисбаланса второго рода [27] , являющегося следствием нарушения при вращении соосности рабочих шеек и упругих деформаций вала и деталей, смонтированных на нем. Ложный дисбаланс и дисбаланс второго рода наиболее вероятны именно в конструкциях валов со средним, то есть между рабочими шейками вала, расположением ротора (турбины), так как при этом возникают достаточно благоприятные условия для их возможного проявления. Действительно, если диаметры сопряжения ротора и рабочих шеек вала одинаковы, масса ротора оказывается распределенной на большом диаметре, и действие центробежных сил при вращении шпинделя вызывает значительные напряжения в конструкции ротора и в сопряжении его с валом, которые могут привести к нарушению соосности шеек вала или нарушению посадки вал-ротор.

Если диаметр сопряжения ротора меньше диаметра рабочих шеек вала, ослабляется сечение вала в центральной части, а его изгибная жесткость резко падает, что также может привести к нарушению соосности шеек вала. Это противоречие разрешено в конструкции вала созданного шпинделя при сохранении высокой изгибной жесткости вала и малом диаметре зацепления деталей на валу вынесением их за пределы межопорной части вала. Опасность появления "ложного" дисбаланса и дисбаланса второго рода практически устранена. Относительно низкие окружные скорости насадных деталей позволили даже отказаться от бандажных колец ротора, предотвращающих деформацию его короткозамкнытых колец, выполненных из мягкой электротехнической меди, при вращении вала с большой частотой вращения.

Передний конец вала - удлиненный и выступает за пределы корпуса, чем облегчается размещение навесных конструкций для вакуумного отсоса стружки при сверлении плат. Попаданию стружки внутрь шпинделя препятствует повышенное давление сжатого воздуха, отработанного в нижнем подпятнике упорного подшипника, и, выходящего через небольшой зазор между удлиненным концом вала и корпусом подпятника.

Поскольку требуемая величина момента для сверления мелких отверстий в стеклотекстолитовых платах весьма мала, нет надобности в особопрочном закреплении патрона, несущего сверло. Момента трения от центробежных сил разрезного хвостовика оказывается достаточным, поэтому в гнезде вала для крепления такого патрона предусмотрена простая цилиндрическая посадка.

Уравновешенность консолей (массы передней и задней выступающих за пределы опор частей вала примерно одинаковы), наряду с большим расстоянием между плоскостями приведения и их примерном совпадении с источникам дисбаланса, обеспечивают легкость и точность динамической балансировки вала»

Эксплуатационше возможности шпинделя с воздушными опорами во многом определяются его подшипниками. Основным требованиям, предъявляемым к конструкции подшипника электрошпинделя, является длительное сохранение первоначальных показателей работы возможно долгое время.

Этому требованию удовлетворяют конструкции как осевых, так и радиальных опор шпинделя.

Реальная возможность длительно сохранять первоначальные показатели работы воздушных опор шпинделя обеспечена многими факторами. Рассмотрим основные из них. Это прежде всего рациональный выбор материалов пары вала и вкладыша. Вал изготовлен из быстрорежущей стали PI8 (или Р9), а вкладыш из углеграфита марки AT 1500-Б83. Эта пара, работая при перегрузках в режиме сухого трения, имеет очень малый износ, не дает "схватывания" вала и вкладыша, выдерживает наибольшую удельную нагрузку £24].

Преимущество быстрорежущей стали типа стали PI8 (Р9) перед конструкционными сталями в сочетании с относительно мягким и термостойким углеграфитом состоит в ее красностойкости и высокой твердости, благодаря чему непродолжительный сухой контакт этих материалов при умеренном удельном давлении не приводит к заметному повреждению поверхности и изменению размеров вала в месте контакта.

Конструкционные стали в подобных случаях либо лопаются по окружности касания, либо вспухают или выкрашиваются в месте контакта. Поиск менее дефицитных, по сравнению с быстрорежущими сталями, заменителей материала вала показал возможность применения некоторых нержавеющих хромистых сталей типа сталей 0X18 и 40X13, которые проходят успешную проверку на образцах серийно выпускаемых шпинделей.

Углеграфитовые материалы в сочетании с быстрорежущими и хромистыми сталями в списке рекомендуемых для применения в воздушных опорах занимают значительное место и за рубежом [32] • Имеется много разновидностей углеграфитовых материалов, обладающих хорошими антифрикционными свойствами как у нас в стране (графит марки АГ1500 с пропиткой свинцом, баббитом, бронзой), так и за рубежом (графит СУ 132 фирмы " 171сиШп/1е С О г ¿0/1 ¿¿с{ " (Англия), графит ЕК40 фирма " " (ФРГ). Различие антифрикционных свойств этих материалов обусловливается, главным образом, заполнителем пор графита (баббит, бронза, свинец, двуокись молибдена и т.д.). Лучшими свойствами из отечественных марок углеграфитовых материалов с металлическим заполнителем обладает углеграфит марки АГ1500-Б83, примененный в конструкции радиальных и упорных подшипников электрошпинделя. Аварии высокоскоростных узлов с вкладышем из этого материала менее тяжелы по своим последствиям, чем при применении углеграфита, пропитанного бронзой или свинцом. При заклинивании вала, эрозия его поверхности выплавляющимся из вкладыша баббитом гораздо меньше, чем при выплавлении бронзы или свинца, и восстановление работоспособности вала не представляет трудности.

Сжатый воздух подаваемый в смазочный зазор, содержит некоторое количество влаги, имеющей агрессивные в коррозионном отношении компоненты, что наряду с условиями хранения и транспортировки предъявляет к материалам вала и вкладыша требования антикоррозионной стойкости. Этому требованию выбранные материалы удовлетворяют;

В не меньшей степени длительному сохранению первоначальных показателей работы подшипников шпинделя способствует тепловая компенсация зазора в подшипниках [2] , посредством чего поддерживается постоянство рабочего эазора при различных тепловых режимах работы подшипникового узла.

Выше было показано, что свободное расширение составного подшипника практически ограничивается упругими перемычками, посредством которых осуществляется связь подшипника с корпусом. Кроме того через упругие перемычки происходит теплоотдача от более нагретого подшипника в корпус. В результате реальный подшипник с тепловой компенсацией типовой конструкции имеет пониженные характеристики по сравнению с идеализированной моделью.

Исследования, выполненные в настоящей работе, показали существенное влияние искажений формы рабочей поверхности подшипника с термокомпенсацией на его рабочие характеристики и позволили разработать и испытать сначала ш работающей модели, а затем и на реальном шпинделе конструкцию подшипника с термокомпенсацией, в котором деформация рабочей поверхности подшипника практически исключена. Конструкция такого подшипника показана на рис.4.4. Подшипник состоит из трех элементов: наружной обоймы I, промежуточной втулки 2 , выполненных из металла, и внутренней графитовой втулки-вкладыша 3. Втулки запрессованы одна в другую. Наружная часть подшипника контактирует с корпусом и отделена от внутренней, рабочей части упругими перемычками, которые компенсируют ее тепловое расширение. Форма сечения металлической зоны рабочей части подшипника и расположение перемычек обеспечивают сохранение прямолинейности образующей рабочей поверхности вкладыша при нагреве. Сжатый воздух подается через отверстие в обойме в полость между о боймой и промежуточной втулкой, затем по продольному каналу попадает в кольцевые выточки на наружной поверхности и оттуда через отверстия поддува - в рабочий зазор.Выше было показано, что шпиндель, оснащенный такими подшипниками, имеет больший запас устойчивости по зазору, частоте вращения, давлению стабилизации. Другим важным достоинством этой конструкции является сохранение неповрежденной рабочей поверхности вала при перегрузках. В работе [зт], при рассмотрении путей борьбы с изнашиванием за счет изменения условий взаимодействия элементов трущейся пары, снижение удельного давления И более равномерное его распределение на большей площади, автор считает важнейшим фактором, положительно сказывающемся на характере износа и позволяющем избавиться от наиболее опасных видов износа, таких как выкрашивание, отслаивание, глубинное вырывание. При анализе характера износа подшипников с термокомпенсацией мы убедились, в том что темпы износа зон рабочих поверхностей вала и вкладыша, примыкающих к перемычкам, много выше, чем зон, удаленных от перемычак. Эти зоны, как известно из практики, резко отличаются по внешнему виду, так как имеют разный характер износа.

Для первых характерно наличие задиров, глубоких канавок, трещин, для вторых, на большей части площади - чистая поверхность с умеренным размерным износом, обусловленным длительным по времени уносом мельчайших частиц в процессе приработки. Это является следствием разной интенсивности взаимодействия, которая для зон, примыкающих к перемычкам в начальный период эксплуатации воздушной опоры (до износа) протекает в условиях высоких удельных давлений. По мере приработки удельное давление снижается и характер износа становится более благоприятным. Конструкция подшипника с сохранением прямолинейности образующей при нагреве обеспечивает низкое удельное давление как в начальный период эксплуатации, так и в дальнейшем, что позволяет сохранять высокую надежность работы опор шпинделя на протяжении всего срока его эксплуатации.

Соосное закрепление подшипников в корпусе при сборке шпинделя осуществляется посредством эпоксидного клеч, заполняющего щель между наружной поверхностью подшипников и корпусом, после их ориентации по общей скалке, плотно посаженной в оба подшипника по их внутренним рабочим поверхностям. Точность совмещения осей подшипников и корпуса обеспечивается короткими выступами на обойме подшипников, которые практически беззазорно входят в корпус.

В конструкции привода шпинделя использованы стандартные элемента. Листы ротора и статора отвечают стандарту предприятия СТП Д1-76 Московского завода скоростных прецизионных электроприводов, на котором освоен выпуск этих электрошпинделей.Конструкция статора и род обмотки унифицированы с серийным электрошпинделем мод. ШФ 120-150, выпускаемым тем же заводом. Конструкция ротора допускает для образования его обмотки использование как алюминиевого литья (как у электрошпинделя мод. ШФ 120-150), так и медных стержней, спаянных с короткозамыкающими кольцами твердым припоем марки ПМФ2. Это облегчает освоение их в производстве в соответствии со спецификой технологии изготовления роторов на цредприятяи-изготовителях.

Конструктивные, технологические и другие особенности шпинделя, отличающие его от других ранее разработанных в ЭНМСе конструкций высокоскоростных шпинделей, приведены в работах, отражающих специфику созданного шпинделя для сверления плат печатного монтажа £ 39], а также перспективных его модификаций [12].

Простота конструкции шпинделя в целом и отдельных его узлов, технологичность изготовления ответственных деталей, использование стандартных элементов, позволило отказаться от применения спецоборудования для его изготовления, и получить невысокую сёбестои-мость изделия. Это способствовало более быстрой организации серийного производства электрошпинделя - сразу на двух предприятиях. Конструкция электрошпинделя защищена авторским свидетельством [7].

5.2. Технико-экономические показатели работы электрошпинделя модели АС72 и результаты промышленной эксплуатации

Электрошпиндель мод. АС72, созданный по приказу Минстанкопрома № 90 от 21.03.77 г. в соответствии с техническим заданием Одесского завода фрезерных станков им.С.М.Кирова и предназначенный для сверления плат печатного монтажа на станках с ЧПУ мод. 0Ф-101Ф2 и ему подобных*4.10.79 г. опытно-промышленный образец успешно прои/ шел испытания в работе на операции сверления плат печатного монтажа на станке мод.ЗБ282. Комиссией ВПО "Союзточстанкомпром" опытнопромышленный образец принят по высшей категории качества, и рекое?о мендована организацияУпромышленного производства. Установочная партия электрошпицделей шд.АС72 прошла успешные испытания на соответствие техническим условиям ПТУ2-024-5215-79. Электрошпиндели рекомендованы комиссией к их использованию в станках для сверления печатных плат. С 1981 г. электрошпиндели мод.АС72 выпускаются в соответствии с ТУ 2-024-5215-80. Соответствующие документы (акты, протоколы) приведены в приложениях.

В таблице I дается краткая техническая характеристика электрошпинделя мод.АС72.

1. A.C. Л 1.8459 (СССР). Двухопорная система подшипников скольжения с газовым поддувом. / С.А.Шейнберг, А.М.Харитонов. - Опубл. в Б.И., 1958, & 12.

2. A.C. № I3096I (СССР). Подшипник с газовой смазкой. /С.А.Шейнберг-Опубл. в Б.И., I960, J6 16.

3. A.C. Лз 148303 (СССР). Подшипник с газовой смазкой. /С.А.Шейнберг. Опубл. в Б.И., 1962, В 12.

4. A.C. lb 715838 (СССР). Подшипник скольжения. /Э.Г.Королев, C.iU Шейнберг, Ю.Т.Борисов. -Опубл. в Б.И., 1980, Ш 6.

5. A.C. lb 795838 (СССР). Устройство для нарезания карманов во вкладышах подшипников скольжения. /Ю.Т.Борисов, Н.Ш.Жаппаров. -Опубл. в Б.И., 1981, А 2.

6. A.C. № 844844 (СССР). Подшипник с газовой смазкой. /Ю.Т.Борисов, В.С.Баласаньян. Опубл. в Б.И., 1981, № 25.

7. A.C. 917927. Высокоскоростной электрошпиндель с газовыми опорами. / С.А.Шейнберг, В.С.Баласаньян, Ю.Т.Борисов, И.М.Шапиро Опубл. в Б.И., 1982, № 13.

8. Баласаньян B.C., Борисов Ю.Т. Нагрузочные характеристики внутри-шлифовальных силовых электрошпинделей с воздушными опорами. -Станки и инструмент, 1981, № 4, с.19-20.

9. Баласаньян B.C. Грузоподъемность аэродинамического подшипника с деформированной поверхностью. Машиноведение, 1980, № 2, с.77-80.

10. Баласаньян B.C. Расчет и оптимизация аэростатических подпятников с линейным источником. Машиноведение, 1976, № 6, с.65-67.

11. Борисов Ю.Т. Исследование формы рабочей поверхности аэродинамических подшипников с термокомпенсацией. Станки и инструмент, 1977, № 12, с.17-19.

12. Борисов Ю.Т. Электрошпиндель для сверлильно-фрезерной обработки печатных плат. -Станки и инструмент, 1983, № 4, с.21-22.

13. Глейзер Ю.В., Казанцев Е.Л., Табачников Ю.Б. Метод оценки качества электрошпинделей. В кн.: Подшипниковая промышленность: научно-техн. рефер. сб. М., Из-во НИИавтопром, 1979, вып.2.

14. ГОСТ 14177-81. Шпиндели шлифовальные со встроенный! приводом.-Введен I9.XI.8I г. Взамен ГОСТ 14177-75.- 9с.

15. ГОСТ 22083-76+ ГОСТ 22095-76. Сверла спиральные твердосплавные для сверления отверстий в печатных платах. Введен с 1.01.1978г. -5с.

16. Дроздович В.Н. Газодинамические подшипники. М. Машиностроение, 1976.

17. Жедь А.П., Борисов Ю.Т. Долговечность шпинделей на аэродинамических опорах. Станки и инструмент, 1970, № 12, с.5-7.

18. Жедь В.П. Повышение надежности работы аэродинамических опор высокоскоростных узлов машин. М. Изд-во Гос. научн.-иссл. инст. научн. и техн. инфор. "ГОСИНТИ" Передовой научн.-техн. и произв. опыт № 2-66-II7I/I43. 1966.

19. Жедь А.П. Повышение эксплуатационной надежности аэродинамических опор высокоскоростных узлов текстильных машин. Дис.канд техн. наук. - М. 1966.

20. Жедь В.П. Опоры с воздушной смазкой в станкостроении. -Станки и инструмент, 1971, Л II.

21. Жедь В.П., Пинегин С.В., Табачников Ю.Б. Применение в промышленности опор с газовой смазкой. Станки и инструмент, 1977, it 12, с.1-3.

22. Зузанов Г.И. Выставка металлообрабатывающего оборудования. Станки США П.- Станки и инструмент, 1978, $ 10.

23. Инструкция по эксплуатации и ремонту высокоскоростных шпинделей на опорах с воздушной смазкой. / Составители: Баласаньян B.C., Борисов Ю.Т., Шапиро И.М.,-М. Из-во ЭНИМС, 1980, 40с.

24. Исследование явления сухого трения вала о графитовый вкладыш и его влияния на долговечность шпинделя на аэродинамических опорах. Отчет ЭНИМСа. M. 1968, 52 с. ил.

25. Казанцев В.Л. Динамика высокоскоростнвго шпинделя с аэродинамическими опорами и ее влияние на процесс внутреннего шлифования. -Дис. .канд.тех. наук. iVi. 1971.

26. Многослойный печатный монтаж. / Под ред. В.И.Ошарина.- М., Машиностроение, 1978.

27. Опоры скольжения с газовой смазкой. / Под ред.С.А.Шейнберга.-2-oè изд. перераб. и доп. М., Машиностроение, 1979, 336с.

28. Патент Англии J* 1480507, кл. 2А от 20.07.77

29. Патент Англии të I3I4833 кл 2А от 26.04.73

30. Пинегин C.B. Газовая смазка в машинах и приборах. В кн: Трение и износ, 1981, т.1, № 4.

31. Пинегин C.B., Коровчинсъий М.В., Жедь В.П. Международный симпозиум по газовой смазке 1968 г: отчет о научной командировке в США. М. Из-во ИМАШ, 1969, JS 127 с.

32. Подшипники с газовой смазкой. / Под ред.Грэссема Н. и Пауэлла Д. М., Мир. 1966, 423 с.

33. Сверлильный станок с ЧПУ для многослойных плат с печатной схемой. Каталог фирмы "Хитачи", Япония, 1979.

34. Спришевский А.И. Подшипники качения. М. Машиностроение,1969.

35. Станок координатно-сверлильный с программным управлением БП-910. Каталог 50235058 межотраслевой выставки "Прогресс-83".

36. Типаж электро- и пневмошпинделей для металлорежущих станков на 1977-1980 гг. M. 1977, 16 с.

37. Хрущов М.М. Классификация условий и видов изнашивания деталей машин. В кн.: Трение и износ в машинах. Сб. УШ. М. Из-во академии наук СССР, 1953, с.5-39.

38. Шапиро И.М. Создание и исследование высокоскоростного электрошпинделя на воздушных опорах для шлифовальных станков. Дис. канд. техн. наук. - М,1978,182 с.

39. Шейнберг С.А., Баласаньян B.C., Борисов Ю.Т. Электрошпиндельс воздушными опорами к станкам с ЧПУ для сверления печатных штат- Станки и инструмент, 1982, №2, с.17-18.

40. Шейнберг С.А. Газовая смазка подшипников скольжения (теория и расчет). В кн.:"Трение и износ в машинах'.' Сб. УШ. М. Из-во Академии наук СССР, 1953, с. 107-187.

41. Щейнберг С.А. Экспериментальное исследование аэродинамических опор скольжения. В кн. "Трение и износ в машинах'.' Сб. У1. М. Из-во Академии наук СССР, 1950.

42. Эксплуатационные и технологические возможности шпинделей с аэродинамическими опорами. Руководящие материалы. М. Из-во ЭНИМСа, 1971,470.

43. Электрошпиндель с аэродинамическими опорами. Руководящие материалы. М.,Из-во ЭНИМСа, 1969, 40с.

44. Ando Сору Drill . Сверлильный станок с ЧПУ для серийного производства печатных плат. Каталог фирмы /mdo Electric Co.,Ltd, Япония, 1980.

45. A IJev; Generation of Accuracy, ReliabiJ -'.iy and Productivity -Каталог фирмы Digital Systems США, 1982.

46. GBI.í Multi-Spindle Circuit Board Drilling and Routing Machines -Каталог фирмы Klingelnberg , ФРГ, 1980.

47. Drill Spindle on Air Bearings -Журнал "Engineering" 1965,.№8

48. Excelion XL-3, Excellon Mark IV, Drilling/Routing Systems- Каталог фирмы Excelion Automation , США, 1981.

49. First Int. Symp. on Gas Lubricated Bearings- Материалы симпозиума, Washington D.C. October 26, 1959

50. Holyfipid Scott.Станки для сверления отверстий в печатных платах. Журнал "Electron Package and. Product",1975,12.

51. Irnata К., Morivaki T. Basic Study og High Speed Microdeep Drilling. Annals of The CIRP, 1981, vol. 30, 111.

52. Improvements in a Device Including a Turbine for Drilling High Speed Spindeis. Патент № 760840, Англия.53» Loadpoint Microdesign Systems-Каталог фирмы "Loadpoint Ltd" , АНГЛИЯ, 1982

53. Maxima CHC Automatic Drilling Machine for Printed Circuit Boards.-Каталог фирмы "Piuritee Italia", Италия, 1981.

54. Posalux Machines Automatiques de Hautes Performances pour le Perçage et le Contournage. -Каталог фирмы "Posalux'l Швейцария, 1979.

55. Powell I. Gas Behavior and load Capacity of Hydrodynamic Gas Journal Bearings. Inst. Mech. Engrs. Lubrication and Wear

56. Group Convention. Paper II.,1963.

57. Prospect -I-Drill/Router.-Каталог фирмы "Vero" , Англия, 1980

58. Raimondy A.A. A Numerical Solution for the Gas-Lubrication Pull Journal Bearing of Pinite Length. ASLE Trans., 1961, Ы4, p. 131-155

59. SChmoll Kombinierte Bohr und Pràsmaschinen АКР 23 SW und АКР 25 SW. -Каталог фирмы "Schinoll Maschinen",60. Sidders P

60. A. Developments in Connection with Westv/ind Air Bearings Spindeis. -Журнал "Machinery & Production Engine> ring У 1965, ïJ6

61. Sternlicht P. Hybrid Gas Bearing for Better Stability.- Журнал "Production Engineering", IT15,1961.

62. Schnell Prequez - Spindeln Precise Katalog.- Каталог фирмы "Precise G.m.b.H."

63. Trudrill-93» High Peed Drilling and Routing in Single Sized Machine. -Каталог фирмы и Advanced Controls",

64. Ultra-Past Drill Spindle Floats on Bearing of Air. -"Canadian Machinery & Iietal Working" ,1966,1112.

65. Westwind Air Bearing High Dpeed Spindles. Каталог фирмы "Federal Mogul",

66. Whitley S., Bov/hill A., McEv/an P. Thw Half Speed Whirl and Load Capacity of Hydrodynamic Gas Journal Bearings.- Pract. Inst. Mech. Engin., 1962, 1722.

67. Wissing L. Luftgelagerte Innensclileifspindel ( Teil 1)- Журнал "Industrie Anzeiger",1979,101, H90, S. 11