Диссертация (Разработка методов расчета статических и динамических характеристик шпиндельных узлов со сферическими аэростатическими опорами), страница 4

Разработанная технология может быть доработана дляустранения пор или обработки иных хрупких материалов: керамики, стекла,кристаллов... В 2015 году изготовлен стенд для обработки плоских деталей изстекла и нелинейно-оптических кристаллов габаритами ~0,4 м, на которомалмазным точением достигнута шероховатость Ra≈10-9 м.1.1.3. Алмазная лезвийная обработка деталей из цветных металловДетали из цветных металлов, обработанные алмазным инструментом,показаны на Рис. 1.2. [31]. Благодаря специальным системам ЧПУ,изготовленные алюминиевые отражатели для установок лазерной оптики икосмического назначения (Рис. 1.2-а, в) могут иметь плоскую, коническую,сферическую или более сложную форму. Достижимая шероховатость Ra менее5·10-8 м. В качестве примеров на Рис. 1.2-«б», «г» показаны медная и никелеваяматрицы для изготовления линз Френеля и указаны и точность обработки.19а)б)в)г)Ra=(4…6) ·10-9 мRa=63·10-8 м и отклонением профиляменее 7·10-6 м на длине 9·10-3 мРис.

1.2. Ультрапрецизионная обработка цветных металлов: а - деталиметаллооптики; б - медная матрица линз Френеля; в - сферическая линза изалюминия АМГ-6; г - никелевый штамп линз Френеля1.1.4. Твёрдое точение закалённой стали резцами из нитрида бораС инструментом из модифицированного нанодисперсного нитрида бораможно прецизионно обрабатывать закалённую сталь с шероховатостьюRa=(6…60)·10-9 м. При необходимости обработанные детали могут иметьдостаточно сложную форму отклонениями профиля порядка 0,01…0,001.Особенность приведённых в разделах 1.1.2 - 1.1.4 примеров обработкиявляется то, что указанная точность достигнута при обработке точением илифрезерованием без применения полирования, притирки и других доводочныхопераций.

При этом исключается шаржирование поверхности абразивом, завалкраёв, уменьшается нагрев заготовки и растёт производительность.201.2. Опытно-промышленныеобразцышпиндельныхузловсосферическими аэростатическими подшипникамиВ этом разделе описаны разработанные в ООО "Ресурс точности" иОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" шпиндельные узлы и обоснованы техническиетребования к ним.1.2.1. Шпиндельный узел НШУС 110По информации автора, данный шпиндельный узел является первымработающим шпиндельным узлом со сферическими аэростатическими опорами,изготовленным в России. Фотографии шпиндельного узла НШУС 110 и станок"Асферика-Ф3" с ним показаны на Рис. 1.3 [31].а)б)Рис.

1.3. Узел НШУС 110 а – внешний вид; б – станка "Асферика-Ф3"Кроме того станок "Асферика-Ф3" оснащён двумя аэростатическимикаретками, поворотным столом и специальной системой ЧПУ, что позволяетобрабатывать детали вращения сложной формы. Высокая точность шпинделяпозволила провести следующие виды работ: алмазное точение алюминиевых плоских зеркал для радиационныххолодильников космического назначения Ra=13·10-9 м; алмазное точение медных линз Френеля; алмазное точение алюминиевых зеркал (Рис.

1.2 в) и параболоидныхотражателей (Ra до 6·10-9 м).21Шпиндельными узлами НШУС 110 будут оснащены изготавливаемыеспециальные станки "Сфера-1000" для обработки плоских алюминиевых зеркалразмерами 0,3x1 м для радиационных холодильников.1.2.2. Шпиндельный узел РТШ 020На Рис. 1.4 показаны фотографии шпиндельного узла РТШ 020.Рис.

1.4. Фотографии шпиндельного узла РТШ 020Данная модель разработана с учётом опыта создания и эксплуатациимодули НШУС 110. По сравнению с прототипом сокращены инерционныехарактеристики шпинделя и внесён ряд конструктивных и технологическихдоработок. Несколько таких узлов изготовлены для усовершенствованныхкруговых лазерных генераторов изображений, формирующих высокоточныекруговые шкалы и растры, оптические лимбы, многоразрядные кодовые диски[17].Послемодификацииультрапрецизионном станкеузлыРТШ 020будутустановленына«Сфера-100 Ф4» для алмазного точения ифрезерования деталей размерами до 0,1 м.1.2.3.

Расширение модельного ряда шпиндельных узловВедущее предприятие ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" вместе с ООО«Ресурсточности»иМГТУН.Э. Бауманапродолжаетразработкупрецизионных шпиндельных узлов и поворотных столов со сферическими22аэростатическими опорными поверхностями, отличающихся диапазонамичастот вращения, массово-габаритными характеристиками, жёсткостями ичастотами свободных колебаний.

Расширение серии шпиндельных узловпозволит на модульном принципе создавать оборудование для более широкогоспектра технологических операций [31]. С аэростатическими узлами создаютсяспециальные прецизионные станки.1.2.4. Требования к ультрапрецизионным шпиндельным узлам1. Биения оси шпинделя в осевом и радиальном направлениях (0,5…1)·10-7 мили менее, в зависимости от назначения. При вращении крайне нежелательныудары, вибрации или автоколебания.2.

Высокая жёсткость: радиальная, осевая и угловая. Для различныхопераций может требоваться разное соотношение жёсткостей.3. Частоты свободных колебаний должны существенно отличаться от частоттехнологических процессов. Необходима возможность изменять частотысвободных колебаний для смены технологических процессов.4. Для эффективного гашения вибраций желательно высокое демпфирование(не менее 7…10% от критического).5. Требования стабильности свойств во время эксплуатации исключаетприменение опор скольжения с сухим трением или подшипников качения.6.

Скорость вращения должна задаваться системой ЧПУ с возможностьюреверса. Необходима стабильная работа в широком диапазоне частот. Отповоротных столов требуется плавное вращение при малых скоростях,(поэтому неприменимы газодинамические опоры).7.Кинематическаясхемастанкадолжнадопускатьмодульныетрансформации. Возможная установка шпиндельного узла на подвижныенаправляющие приводят к ограничению массово-инерционных характеристик.8. Для аэростатических опор желателен малый расход воздуха.Перечисленныевышетребованияопределяютэксплуатационныехарактеристики, подлежащие расчёту, и особенности конструкции.231.3. Обоснование выбранной схемы шпиндельного узла1.3.1.

Конструкция и принцип действияСхема шпиндельного узла приведена на Рис. 1.5. При центральномположении шпинделя 1 между сферическими поверхностями шпинделя 1 икорпуса номинальный радиальный зазор составляетh0  10 5 м (Ниженоминальный радиальный зазор называется просто зазором h0. В тексте зазор hпри смещении шпинделя и номинальный h0 различаются по контексту иобозначению). В зазор через дросселирующие пористые вставки 3 по каналам вкорпусе подаётся воздух с постоянным абсолютным давлением ps. От границсферических опор воздух отводится через широкие щели и каналы.Рис.

1.5. Разрез шпиндельного узла со сферическими опорамиПри центральном положении шпинделя, около половины избыточногодавления воздуха теряется при прохождении пористых вставок, остальноеизбыточное давление расходуется на преодоление сопротивления сферическогозазора. Давление воздуха на опорную поверхность меняется от половиныдавления подачи ps до атмосферного давления на границах.24Смещение шпинделя искажает геометрию воздушного смазочного слоя.Там, где толщина сократилась, из-за увеличения сопротивления уменьшаетсяпоток воздуха и перепад давления на дросселирующих вставках.

Посколькусуммарный перепад давления воздуха при прохождении вставок и зазораостаётся постоянным, происходит рост давления в зазоре. Аналогично убываетдавление в части зазора, где выросла толщина смазочного слоя. За счёт этогосоздаются опорные реакции, стремящиеся вернуть шпиндель в центральноеположение. Этим объясняется зависимость опорных реакций от смещенийшпинделя. При соблюдении должного уровня нагрузок шпиндель висит всмазочном воздушном слое, не касаясь стенок, и может свободно вращаться.При ростедавленияподачи будетувеличиватьсяжёсткость опорипотребляемый расход воздуха.Покажем преимущества для ультрапрецизионных станков данной схемышпиндельного узла.1.3.2.

Выбор ограничителей наддува в аэростатических опорахДостаточнополнаяклассификацияограничителейнаддувааэростатических опор приведена в монографиях [32-34].По типу подвода воздуха ограничители наддува могут быть:1. с точечным нагнетанием через малые дросселирующие отверстия;2. щелевыми с наддувом через линию стыка двух деталей;3. с поверхностной подачей воздуха через пористую поверхность.По принципу действия ограничители наддува делятся на:1.