Уменьшение погрешностей, вызванных непостоянством положения оси шпинделя круга и неплавностью подач

Постоянство положения осей вращения шпинделей шлифоваль­ного круга и заготовки оказывает влияние на погрешности формы и качество обрабатываемой поверхности заготовки. Повышение точ­ности вращения шпинделя на подшипниках скольжения зависит от точности выполнения шеек шпинделя и от регулирования зазора между подшипниками и опорами (опорными шейками) шпинделя.

Чем больше величина зазора в опорах шпинделя, тем больше воз­можное перемещение оси вращения шпинделя и погрешность гео­метрической формы обрабатываемой поверхности и тем ниже точ­ность обработки.

Недостатком подшипников скольжения является возникновение сухого трения при пуске и остановке станка, приводящее к повы­шенному изнашиванию подшипников. Только после достижения кри­тической скорости вала возникает жидкостное трение. Кроме того, создание в опоре несущего масляного клина требует минимальных зазоров между валом и вкладышем. При большой частоте вращения шпинделя малые зазоры непригодны из-за значительных потерь

мощности и нагрева, а при ма­лой частоте вращения большие зазоры не допускаются из-за ма­лой жесткости клина. При пере­менных оборотах вала подшип­ник надо регулировать на разные значения зазоров. Однако это усложняет конструкцию.

Для сохранения постоянст­ва положения оси вращения ста­ночного шпинделя переходят от подшипников с одним масляным клином к подшипникам с несколь­кими масляными клиньями, ко­торые обеспечивают жидкостное трение и автоматически уста­навливают постоянное давление. Такие опоры скольжения с при­менением самоустанавливающих — ся колодок создают высокую точность и устойчивость вращения шпинделя независимо от измене­ния нагрузки и теплового режима опоры.

Для решения этой же задачи применяют гидростатические опоры, где вал взвешивается в жидкой несущей среде под давлением. Если под действием нагрузки шпиндель приблизится к стенке кор­пуса опоры, то в этом месте уменьшится зазор, что соответственно увеличит местное сопротивление. При этом в прилегающих камерах давление повысится, а в противоположных — снизится и возникнет система сил, которая будет стремиться вернуть шпиндель в исходное положение. Таким образом, шпиндель поддерживается все время в уравновешенном состоянии.

Достоинство таких гидростатических опор (рис. 15): устойчи­вость вращения, широкий диапазон частоты вращения, износостой­кость, возможность охлаждения, демпфирующая способность. У вы­сокоточных шпинделей на гидростатических опорах амплитуда ко­лебаний изменяется в пределах 0,1—0,5 мкм. Гидростатические опоры работают при любых нагрузках и числах оборотов в области жидкостного трения, пусковое трение у них отсутствует.

Используя гидростатические опоры шпинделя шлифовального круга, можно измерить усилие шлифования. В карман опоры вмон­тирован датчик давления в виде миниатюрного полупроводникового
элемента, который измеряет давление в этом кармане. На выходе датчика получают сигнал, пропорциональный усилию шлифования.

Изменение давления в карманах гидростатической опоры может быть использовано для перемещения (подачи) шпинделя с высокой равномерностью. Механизм подачи показан на рис. 16. Специальные масляные карманы / предназначены для тонкой подачи шлифоваль­ной бабки в радиальном направлении. Масляные карманы 2 в опорах шпинделя шлифовального круга предназначены для поддержания постоянства положения его оси вращения. Количество масла, пода­ваемое в карманы /, ограничивается регулятором-сервовинтилем 3. Управление циклом обработки осуществляется системой программно-

а)

го управления 4. Специальный сервовинтиль регулируется шаговым двигателем и перемещает шпиндель круга с помощью создаваемой в кармане разности давлений. Частота импульсов, подаваемых на шаговый двигатель, определяет скорость перемещения шпинделя, а их число — величину перемещения.

В последнее время получают применение аэростатические опоры, где вал взвешивается в потоке сжатого воздуха. Шейки вала отде­ляются от поверхности опоры тонким слоем сжатого воздуха, благо­даря чему снижаются изнашивание и нагрев опоры, уменьшаются потери мощности на трение, повышается точность и улучшаются па­раметры шероховатости поверхности. Шпиндели на аэростатических опорах обеспечивают высокую точность и стабильность положения оси вращения. Воздух в опоры подается принудительно под высоким давлением. Радиальная погрешность вращения таких опор колеблется в пределах 0,03—1,2 мкм, значительно меньше погрешности формы шеек шпинделя.

Достоинства шпинделей на аэростатических опорах: малый коэффициент трения (меньше гидростатического), тру­щиеся поверхности разделяются сжатым воздухом;

повышенная точность благодаря тому, что шпиндель в процессе работы не нагревается и не возникают тепловые деформации;

погрешности вращения значительно меньше погрешностей гео­метрической формы рабочих шеек шпинделя за счет уравновеши­вания давления в карманах;

возможно использование широкого диапазона скоростей враще­ния шпинделя вследствие отсутствия его теплового расширения.

Для шпиндельных узлов находят применение опоры качений. В опорах качения точность вращения зависит от точности изго­товления сопряженных деталей. Точность вращения подшипников качения зависит от эксцентричности отверстия внутреннего кольца по отношению к дорожке качения, некруглости и волнистости дорожек качения, а также от разноразмерности и некруглости тел качения.

В реальном подшипнике все источники биения совокупно воздействуют на движение оси вращения шпинделя.

Радиальный зазор в переднем подшипнике шпинделя оказывает большое влияние на работоспособность шпиндельного узла, в пер­вую очередь на жесткость, нагрев и динамическую устойчивость шпинделя.

Для повышения точности подшипник качения в опорах шпинделей устанавливается с предварительным натягом. Это устраняет зазо­ры между кольцами и телами качения, кроме того, создаются упругие деформации, повышающие общую жесткость шпиндельного узла. Предварительный натяг осуществляют различными способами. В ра­диально-упорных шарикоподшипниках и конических роликовых под­шипниках при парной установке предварительный натяг получают регулировкой во время сборки, а в радиальных шариковых под­шипниках — смещением внутренних колец относительно наружных. Возможны конструктивные способы предварительного натяга ша­рикоподшипников сошлифованием торцов внутренних колец, установ­кой распорных втулок между кольцами или применением пружин, обеспечивающих постоянство предварительного натяга. Применение предварительного натяга шарикоподшипников значительно повы­шает их жесткость.

Влияние плавности малых перемещений. Для правильной работы круглошлифовального станка большое значение имеет повышение точ­ности малых периодических подач и устранение неравномерности малых перемещений. Неплавность малых перемещений вызывается разницей величин сил трения статического (покоя) и кинемати­ческого (движения) на направляющих станка, что приводит к скачкообразным перемещениям, прерывистому движению с чередо­ванием «прилипания — проскальзывания». Снижение разности сил статического и кинематического трения повышает точность и рав­номерность малых перемещений.

Установлено, что большое влияние на устойчивость движения оказывает смазка трущейся пары. Для повышения плавности мед­ленных перемещений часто используют масло марки ВНИИНП-401, в состав которого входит очищенное масло индустриальное 12 с при­садками алюминиевой соли стеариновой кислоты (для устранения скачков) и полиметалсилоксан (для устранения пены). Такое масло обеспечивает постоянные характеристики трения, не зависящие от времени неподвижного контакта и скорости скольжения, при этом точность установочных перемещений повышается, а критическая ско­рость снижается в 10—12 раз. Обычно гидродинамическая смазка осуществляется действием масляных клиньев. Но при этом имеет место опускание стола станка при остановке и наклон при реверсе, что сни­жает точность перемещений узлов станка. Недостатком направляю­щих скольжения станков является потеря точности вследствие износа, неравномерности движения при низких скоростях скольжения, низкая точность установочных перемещений, повышенная сила трения.

Уменьшение разности сил трения достигается также использо­ванием направляющих качения вместо скольжения, применением в трущихся парах пластмасс. Направляющие качения обладают низким коэффициентом трения, что способствует получению равно­мерности и точности перемещения. Жесткость направляющих каче­ния зависит от точности изготовления направляющих и тел качения. Жесткость направляющих с предварительным натягом значительно выше, чем направляющих без натяга и направляющих скольжения. Оптимальная величина предварительного натяга составляет 10— 15 мкм в зависимости от типа и размера тел качения.

Прецизионные шлифовальные станки оснащаются механизмами микроподач, предназначенными для подачи круга на конечном этапе обработки. Механизм должен допускать как непрерывную подачу, так и подачу отдельными толчками от 0,1 до 0,5 мкм.

В целях повышения плавности точных перемещений шпин­дельной бабки, стола и устранения износа направляющих приме­няют гидростатическую систему смазки направляющих. Гидростати­ческими называются направляющие жидкостного трения, в которых наличие масляного слоя обеспечивается системой автоматического регулирования подачи масла под давлением. Только этот тип направ­ляющих работает в условиях жидкостного трения при малых ско­ростях движения. Гидростатические направляющие можно подразде­лить на две группы: 1) незамкнутые направляющие, не способные препятствовать разъединению основных сопряженных поверхностей; 2) замкнутые направляющие, способные воспринимать значитель­ные опрокидывающие моменты.

Находят применение направляющие с гидроразгрузкой, где часть нагрузки воспроизводится давлением масла в карманах, образуемых продольными смазочными канавками. Сила трения в этих направ­ляющих снижается уменьшением нормальной нагрузки и улучшением условий смазки. Направляющие с гидроразгрузкой проще, чем направляющие гидростатические и обеспечивают более высокую жесткость при меньшем снижении трения. Такие направляющие могут применяться, если опрокидывающие моменты незначительны, а основ­ной нагрузкой является масса стола и обрабатываемой детали. Для гидростатических направляющих применяют масло индустриаль­ное 20 для легких и средних и индустриальное 45 для более тяжелых станков.

Гидростатические направляющие обеспечивают высокую точ­ность и равномерность перемещения стола с низким коэффициентом трения. Принцип работы этой системы (рис. 17) состоит в том, что с помощью насосной станции 1 масло под постоянным давлением подается к питающим отверстиям регулятора 2. Далее через дрос­сель 6 масло поступает в левую полость 7, а оттуда через каналы 8 и продольные канавки 3 под направляющие, где образуется постоянный слой смазки толщиной 0,02 мм, поддерживаемый регу­ляторами. В левой и правой полостях 5 и 7 с помощью дросселей 4 и 6 образуется разность давлений рі и р2, зависящая от размера зазо­ра й. Если при внешней нагрузке или вследствие каких-либо других причин этот зазор начнет уменьшаться, тогда давление р возрастает

И поршень сместится вправо, открыв большую гцель для доступа масла. В результате этого давление под направляющими будет возрастать до тех пор, пока не восстановится заданный размер за­зора /і, а следовательно, и давление р.

Шариковые винты. Для преобразования вращательного дви­жения в прямолинейное находят применение винтовые пары каче­ния, обеспечивающие высокий КПД. Наличие зазоров в подвижных

соединениях механических передач обусловливает несоответствие между движениями ведущего и ведомого звеньев передачи. Для уменьшения зазоров между витками резьбы ходового винта и гайки

применяют шариковые ходовые винты (рис. 18). Канавки шариково­го винта / и гайки 4 в осевом сечении имеют полукруглую форму. Несколько витков канавки плотно заполняются стальными шари­ками 2. В конце и в начале гайки имеются отверстия, соединяемые друг с другом наружной трубкой 3, предназначенной для возврата шариков. Зазор в такой передаче может быть значительно меньше, чем в обычной. Малый зазор сводит до минимума зону нечувстви­тельности привода при трогании с места и реверсировании. Кроме того, использование шариковых ходовых винтов увеличивает КПД примерно в три — пять раз по сравнению с обычными винтовыми передачами. При этом значительно уменьшается сила подачи.

Одним нз основных параметров передач «винт — ганка качения» является угол контакта шариков, который влияет на жесткости, нагрузочную способность, момент холостого хода, износостойкость и КПД передачи. Оптимальной величиной является угол контакта 45°. Допуск на угол контакта, исходя из требований эксплуатации ±3°. Допуск на радиус профиля резьбы 5 мкм.

Достоинства конструкции с применением шариковых пар: повы­шение точности, плавности перемещений и повышение износостой­кости; уменьшение массы и габаритных размеров; упрощение регули­ровки зазоров; уменьшение изнашивания контактных поверхностей; постоянство натяга по всей длине винта.

Применение шаговых электродвигателей. Механизмы подач, ос­новывающиеся на гидравлическом управлении, иногда заменяются электромеханическим управлением. В качестве привода механизма поперечных подач шлифовальных станков иногда применяют шаговые электродвигатели, ротор которых дискретно поворачивается на малые углы (не более 1,5°), что позволяет получать малые величины подач. Шаговый двигатель — синхронный электродвигатель, в котором электромагнитные импульсы преобразуются в дискретные угловые или линейные перемещения.

Электромеханическая подача на основе шагового электродвига­теля имеет ряд достоинств: широкий предел регулирования скорости перемещений; незначительное изменение температуры (не более 2 %); быстрый подвод, черновую подачу, чистовую и тонкую подачи, т. е. позволяет осуществлять многоэтапный цикл обработки; короткая ки­нематическая цепь, повышение жесткости; стабильность скоростей подач во времени, которые не зависят от вязкости масла; осущест­вление автоматического адаптивного управления применением команд шагового двигателя.