SU1171214A1

SU1171214A1 - Hydrostatic spindle arrangement for metal-working machine tool

Info

Publication number: SU1171214A1
Application number: SU833570103A
Authority: SU
Inventors: Абрам Наумович Быховский; Николай Михайлович Звонарев; Виктор Юрьевич Ламм; Сергей Борисович Напханенко; Виталий Андреевич Павлов; Максим Ефимович Эльясберг
Original assignee: Особое Конструкторское Бюро Станкостроения
Priority date: 1983-03-28
Filing date: 1983-03-28
Publication date: 1985-08-07

Abstract

1. ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ШПИНДЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО СТАНКА, содержащее корпус, в котором вьтолнены карманы гидростатических подшипников, шпиндель, установленный в гидростатических подшипниках, управл ющие устройства, через которые карманы подключены к источнику питани , упругие гидравлические элементы, св занные с карманами по крайней мере одного гидростатического пор.шипника , отличающеес тем, что, с целью повьшени производительности станка путем увеличени его виброустойчивости за счет повьшени демпфировани шпиндельного устройства , в него введены гидравлические сопротивлени в виде дросселей или в виде гидролинии, а упругие гидравлические элементы установлены вне карманов подшипников и подключены к ним гидролини ми последовательно с гидравлическими сопротивлени ми, причем емкость и инерционность упругих гидравлических элементов, гидролиний и карманов выбраны с учетом возможности работы в области резонанса со шпинделем. 2.Устройство по п. 1, отличающеес тем, что упругий гидравлический элемент вьшолнен в виде гидроцилиндра с подпружиненным с торцов ступенчатым плунжером, установленным с возможностью осевого перемещени с образованием торцовых камер большого и малого диаметра и кольцевой промежуточной камеры, причем торцовые камеры св заны между собой через гидравлическое сопротивление , представл ющее собой продольное отверстие в плунжере. 3.Устройство по п. 1, отлиСП чающеес тем, что к каждому карману подключен отдельный упругий гидравлический элемент 4.Устройство по п. 1, отличающеес тем, что в корпусе устройства выполнено четное число карманов, а количество упругих гидравлических элементов в два раза меньше числа карманов, при этом каждый упругий гидравлический элемент дифференциально подключен к двум противоположно размещенным карманам. 5.Устройство по пп. 1-3, отличающеес тем, что плунжеры подпружинены со стороны меньшего диаметра, а карманы подшипника подключены к торцовым камерам большего диаметра, при этом из кольцевой промежуточной камеры обеспечена возможность слива.. 6.Устройство по ПП.1, 2 и 4, отличающеес тем, что один из каждой пары противоположно размещенных карманов подключен к од1. A HYDROSTATIC SPINDLE DEVICE OF A METAL CUTTING MACHINE, containing a housing in which the pockets of hydrostatic bearings are filled, a spindle installed in hydrostatic bearings, control devices through which the pockets are connected to the power source, elastic elements that are matted by splicing ones. bearing, characterized in that, in order to increase the productivity of the machine by increasing its vibration resistance by increasing the damping of the spr A single device, hydraulic resistances are introduced into it in the form of chokes or in the form of a hydroline, and elastic hydraulic elements are installed outside the bearing pockets and connected to them by hydraulic lines in series with hydraulic resistances, and the capacity and inertia of the elastic hydraulic elements, hydrolines and pockets are chosen taking into account working opportunities in the field of resonance with the spindle. 2. A device according to claim 1, characterized in that the elastic hydraulic element is made in the form of a hydraulic cylinder with a stepped plunger spring-loaded from the ends and installed axially displaceable to form end chambers of large and small diameter and an annular intermediate chamber, the end chambers being connected between through the hydraulic resistance, which is a longitudinal hole in the plunger. 3. The device according to claim 1, distinguished by the fact that a separate elastic hydraulic element is connected to each pocket. 4. The device according to claim 1, characterized in that an even number of pockets are made in the device case, and the number of elastic hydraulic elements is two times less the number of pockets, while each elastic hydraulic element is differentially connected to two opposite pockets. 5. Device on PP. 1-3, characterized in that the plungers are spring-loaded from the smaller diameter side, and the bearing pockets are connected to the end chambers of larger diameter, while the possibility of draining is provided from the annular intermediate chamber. 6. The device according to PP.1, 2 and 4, characterized by that one of each pair of oppositely placed pockets is connected to one

Description

ной из торцовых камер упругого гидравлического элемента, а другой 1171214 карман - к кольцевой промежуточной камере.from the end chambers of the elastic hydraulic element, and the other pocket 1171214 - to the annular intermediate chamber.

Изобретение относитс к мапшностроению , преимущественно к станкостроению .The invention relates to marsh engineering, mainly to machine tools.

Целью изобретени вл етс повышение производительности станка путем увеличени его виброустойчивости за счет повьшени демп(|)ировани шпиндельного устройства.The aim of the invention is to increase the productivity of the machine by increasing its vibration resistance by increasing the damping (|) of the spindle device.

На фиг. 1 показано гидростатическ шпиндельное устройство с дифференциальными упругими гидравлическими элементами, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, на фиг. 3 - гидростатический подшипник шпиндельного устройства с недифференциальными гидравлическими упругими элементами; на фиг. 4 - упругий гидравлический элемент со ступенчатым плунжером дл случа дифференциального подключени J на .фиг. 5 - то же дл случа недифференциального подключени ; на фиг. 6 графики зависимости коэффициента рассе ни энергии в гидростатическом подшипнике от частоты.FIG. 1 shows a hydrostatic spindle device with differential elastic hydraulic elements, longitudinal section; in fig. 2 shows section A-A in FIG. 1, in FIG. 3 - hydrostatic spindle bearing device with non-differential hydraulic elastic elements; in fig. 4 is an elastic hydraulic element with a stepped plunger for the case of differential connection of J to. 5 - the same for the case of non-differential connection; in fig. 6 plots of the energy dissipation ratio in a hydrostatic bearing versus frequency.

Гидростатическое шпиндельное устройство металлорежущего станка содержит шпиндель 1, установленный в корпусе шпиндельной бабки 2. В корпусе выполнены передний радиальный гидростатический подшипник с четьгрьс карманами 3-6 и задний радиальный гидростатический подшипник с карманами 7 и 8 (остальные карманы не показаны ) , а также осевой гидростатическийподшипник с двум карманами 9 и 10. Каждый карман подключен к источнику посто нного давлени Р через дроссели 11-18. Упругие гидравлические элементы 19 и 20 дифференциально подключены к карманам 3 и 4, 5 и 6 переднего радиального подшипника гидролини ми 21 и 22, 23 и 24 последовательно с дроссел ми 25 и 26. При недифферрнциальном подключении (фиг. 3) упругие гидравлические элементы 27-30 последовательно с дроссел ми 31 - 34 подключены гидролини ми 35 - 38 к карманам 3-6, а дренажными гидролини ми 39 - 42 - к сливу. Упругие гид равлические элементы 19 и 20 (фиг.1 и 2) содержат плунжер 43, установленный между двум пружинами 44 и 4 ( дл случа дифференциального подключени ) .Hydrostatic spindle machine tool contains a spindle 1, mounted in the housing of the spindle head 2. The case has a front radial hydrostatic bearing with four pockets 3-6 and a rear radial hydrostatic bearing with pockets 7 and 8 (the other pockets are not shown), as well as axial hydrostatic bearing with two pockets 9 and 10. Each pocket is connected to a constant pressure source P via chokes 11-18. Elastic hydraulic elements 19 and 20 are differentially connected to pockets 3 and 4, 5 and 6 of the front radial bearing with hydraulic lines 21 and 22, 23 and 24 in series with throttles 25 and 26. With non-differential connection (Fig. 3) elastic hydraulic elements 27- 30 in series with the throttles 31 - 34 are connected by a hydraulic line 35 - 38 to pockets 3-6, and by drainage hydraulic lines 39 - 42 - to a drain. Elastic hydraulic elements 19 and 20 (Figures 1 and 2) contain a plunger 43 mounted between two springs 44 and 4 (for the case of differential connection).

Дл случа недифференциального включени (фиг.З) упругие гидравлические элементы 27 - 30 содержат плунжер 46, который взаимодействует с одной пружиной 47.For the case of non-differential activation (Fig. 3), the elastic hydraulic elements 27-30 comprise a plunger 46, which cooperates with a single spring 47.

Упругий гидравлический элемент (фиг. 4) выполнен в виде ступенчатого плунжера 48, подвижно расположенного в ступенчатой расточке корпуса 49, причем торцовые камеры 50 и 51 упругого гидравлического элемента соединены между собой через гидравлическое сопротивление, например сквозное отверстие 52 в плунжере .The elastic hydraulic element (FIG. 4) is made in the form of a stepped plunger 48 movably disposed in the stepped bore of the housing 49, and the end chambers 50 and 51 of the elastic hydraulic element are interconnected through a hydraulic resistance, for example a through hole 52 in the plunger.

При дифференциальном подключении ступенчатого упругого гидравлического элемента ступенчатый плунжер 48 взаимодействует с двум пружинами 53 и 54, расположенными по обе стороны вдоль его оси. Одна из торцовых камер, например 51, и промежуточна камера 55 подключены гидролини ми 21, 23 и 22, 24 к карманам гидростатического подшипника через дроссели 25 и 26.In the differential connection of the stepped elastic hydraulic element, the stepped plunger 48 interacts with two springs 53 and 54 located on both sides along its axis. One of the end chambers, for example, 51, and the intermediate chamber 55 are connected by hydraulic lines 21, 23 and 22, 24 to the pockets of the hydrostatic bearing through throttles 25 and 26.

При недифференциальном подключении ступенчатого упругого гидравлического элемента (фиг. 5) ступенчатый плунжер 56 взаимодействует со стороны торца меньшей площаДи с пружиной 57. Торцова камера 58 с большей площадью через дроссели 31-34 подключена гидролинией 35-3 к соответствующему карману подшипника . Промежуточна камера 59 соединена со сливом дренажной гидролинией 39 - 42.With a non-differential connection of the stepped elastic hydraulic element (Fig. 5), the stepped plunger 56 communicates from the end of the smaller area with the spring 57. The front chamber 58 with a larger area through the throttles 31-34 is connected by a hydroline 35-3 to the corresponding bearing pocket. The intermediate chamber 59 is connected to the drain by a drainage line 39 - 42.

Предлагаемое устройство работает следуюш 1м образом. При приложении статической нагруз ки к переднему концу шпиндел 1, например, вертикально вниз, происходит изгиб шпиндел и смещение его в зоне переднего подшипника вниз, а в зоне заднего подшипника вверх (фиг. 1). Это приводит к изменению гидравлических сопротивлений в рабочих щел х над перемычками гидростатических подшипников, вследствие чего давление в кармане 4 увеличиваетс , а в кармане 3 уменьшаетс . Под действием изменившегос перепада давлений в карманах плунжер 43 смещаетс на некоторую величину вверх, преодолева усили пружины 44 Но это вли ет на статические характеристики шпиндельного устройства, которые определ ютс только параметрами гидростатических подшипников и дросселей 11-18 и не завис т от параметров упругих гидравлических элементов 19 и 20 и включенных посл довательно с ними гидравлических сопротивлений. В динамических режимах, т.е. при свободных и вынужденных колебани х, а также при автоколебани х во врем работы шпиндел 1 и в упругих гидра лических элементах 19 и 20 и гидролини х 21-24 по вл ютс динамичес кие составл ющие расхода, которые, свою очередь, оказывают воздействие на динамические смещени шпиндел . Подключение упругих гидравли ,ческих элементов 19 и 20 позвол ет обеспечить максимальное рассе ние колебательной энергии на всех гидра лических сопротивлени х системы дроссел х 11 - 14,в рабочих щел х над перемычками гидростатических подшипников, а также на дроссел х 25 и 26 и в гидролини х 21 - 24. Работа шпиндельного устройства аналогична при дифференциальном и недифференциальном включении упру гих гидравлических элементов. Однак дл обеспечени равной эффективности демпфировани колебаний гидравли ческа емкость каждого из четырех недифференциальных упругих элементо 27-30 должно быть вдвое выше, чем емкость каждого из двух дифференциал ных упругих элементов 19 и 20. С эт точки зрени применение дифференциальных упругих гидравлических элементов предпочтит М1ьно. Упругие гидравлические элементы работают следующим образом. Под действием перепада давлений в карманах 3-6 гидростатического подшипника плунжер (фиг. 4) смещаетс на некоторую величину, например вправо, преодолева усилие пружины j3. При этом некоторое количество рабочей жидкости вытесн етс из торцовой камеры 50 в торцовую камеру,51 через отверстие 52 в плунжере 48. При изменении знака перепада давлений плунжер 48 смещаетс влево при этом рабоча жидкость вытесн етс из торцовой камеры 51 в торцовую камеру 50 через отверстие 52. В установившемс состо нии давлени в торцовых камерах 50 и 51 уравновешиваютс и, таким образом, эффективна площадь плунжера равна разности между площад ми торцовых камер. Это позвол ет при фиксированном диаметре пружин многократно снизить эффективную площадь плунжера и тем самым сн ть ограничение по допустимому рабочему давлению, что важно дл обеспечени высокой жесткости и несущей способности. Как и в случае упругих гидравлических элементов 19, 20, 27-30 на 4)иг. 1-3, подключение упругих гидравлических элементов, изображенгых на фиг. 4 и 5, позвол ет повысить демпфирование шпиндельного устройства благодар повьш1енному рассе нию колебательной энергии на всех гидравлических сопротивлени х гидросистемы. При смещении плунжера 48 под действием динамической составл ющей перепада давлений, например вправо, через гидролинии 21 - 24 и дроссели 25 и 26 проходит динамическа составл юща расхода, котора определ етс эффективной площадью плунжера 48 (разностью между площад ми его торцовых камер), а через отверстие 52 в плунжере 48 проходит динамическа составл юща расхода, котора определ етс площад ми торцов камер 50 и 51, поэтому многократно превышает составл ющую расхода через дроссели 25 и 26. Это позвол ет отказатьс от дросселей 25 и 26, а гидросопротивление 52 - отверс- 5 тне Tj плунжере 48 - сделать сравнительно большим, что дополнительно повышает надежность и технолотичность упругого гидравлического элемента , На фиг. 6 показаны графики зависи мостей коэффициента рассе ни Е (М/Н гидростатического подшипника от частоты колебаний о) (1/с), рассчитанные по формулам (лини 1 - график дл гидростатического подшипника без упругих гидравлических элементов лини 2 - график дл гидростатического подшипника в шпиндельном устрой стве при отсутствии .сопротивлени на входе в упругий элемент и при отсутствии приведенной лнверционности ). Из графика видно, что включение дополнительных емкостей повышает рассе ние энергии лишь при частотах превьш аюшз х 1100 1/с, а на низшей собственной частоте W| 500 1/с при максимальном вылете шпиндел с оправкой имеем , что недопусти МО, так как способствует возбуждению автоколебаний при резании.Лини ми 3 и 4 показаны зависимости i (to дл гидростатического подшипника предлагаемого шпиндельного устройст ва, причем лини 3 относитс к случа 1,1 О, т.е. при отсутствии приведен ной инерционности упругих гидравлических элементов, но с сопротивлением , обеспечиваюш м наибольший возможный коэффициент рассе ни при 144 частоте fo . 500 1/с, а лини 4 соответствует оптимальным параметрам . Таким образом, эффект изобретени , состо щий в увеличение виброустойчивости станка путем повьштени демпфировани шпиндельного узла, достигаетс благодар тому, что упругие гидравлические элементы расположены вне карманов гидростатического подшипника и св заны с ними гидролини ми через гидравлические сопротивлени , причем емкость и инерционность упругих гидравлических элементов и гидролиний выбраны из условий работы в области резонанса со шпинделем. Выполнение упругого гидравлического элемента в виде подпружиненного ступенчатого плунжера позвол ет реализовать этот эффект в широком диапазоне рабочих давлений. Кроме того, увеличение виброустойчивости станка позволит повысить режимы резани и качество обрабатываемых поверхностей, что непосредственно увеличит и качество выпускаемых изделий. Предлагаема конструкци упругих гидравлических элементов не требует увеличени габаритов в зоне переднего подшипника и позвол ет производить ревизию и ремонт этих элементов без демонтажа шпиндельного устройства .The proposed device works in the following way. When a static load is applied to the front end of spindle 1, for example, vertically down, the spindle bends and shifts downward in the front bearing area, and upward in the rear bearing area (Fig. 1). This leads to a change in the hydraulic resistance in the working slots above the lintels of the hydrostatic bearings, as a result of which the pressure in the pocket 4 increases and in the pocket 3 decreases. Under the action of the changed pressure drop in the pockets, the plunger 43 is displaced upward by a certain amount, overcoming the force of the spring 44. But this affects the static characteristics of the spindle device, which are determined only by the parameters of hydrostatic bearings and throttles 11-18 and do not depend on the parameters of elastic hydraulic elements 19 and 20 and hydraulic resistances connected successively with them. In dynamic modes, i.e. with free and forced oscillations, as well as with auto-oscillations during operation of the spindle 1 and in elastic hydraulics elements 19 and 20 and hydrolines 21-24, dynamic flow components appear, which in turn affect the dynamic spindle offset. The connection of elastic hydraulics, elements 19 and 20 allows for the maximum dissipation of vibrational energy on all hydraulic resistances of the throttle system x 11-14, in the working gaps above the jumpers of hydrostatic bearings, as well as on throttles x 25 and 26 x 21 - 24. The operation of the spindle device is similar with the differential and non-differential inclusion of elastic hydraulic elements. However, to ensure equal damping efficiency, the hydraulic capacitance of each of the four non-differential elastic elements 27-30 should be twice as high as the capacity of each of the two differential elastic elements 19 and 20. From this point of view, the use of differential elastic hydraulic elements will prefer M1no. Elastic hydraulic elements are as follows. Under the action of the pressure drop in the pockets 3-6 of the hydrostatic bearing, the plunger (Fig. 4) is displaced by a certain amount, for example, to the right, overcoming the force of the spring j3. At the same time, a certain amount of working fluid is displaced from the end chamber 50 into the end chamber 51 through the opening 52 in the plunger 48. When the sign of the differential pressure changes, the plunger 48 moves to the left while the working liquid is displaced from the end chamber 51 into the end chamber 50 through the opening 52 In steady state, the pressure in the end chambers 50 and 51 is balanced and, thus, the effective area of the plunger is equal to the difference between the areas of the end chambers. This allows, with a fixed diameter of the springs, to repeatedly reduce the effective area of the plunger and thereby remove the restriction on the allowable working pressure, which is important for ensuring high rigidity and carrying capacity. As in the case of elastic hydraulic elements 19, 20, 27-30 4) ig. 1-3, the connection of the elastic hydraulic elements shown in FIG. 4 and 5, it allows to increase the damping of the spindle device due to the increased dissipation of vibrational energy on all hydraulic resistances of the hydraulic system. When the plunger 48 is displaced under the action of the dynamic component of the pressure differential, for example to the right, hydraulic lines 21-24 and throttles 25 and 26 pass through the dynamic component of the flow rate, which is determined by the effective area of the plunger 48 (the difference between the areas of its end chambers) and through the bore 52 in the plunger 48 passes a dynamic flow component, which is determined by the areas of the ends of the chambers 50 and 51, therefore many times exceeds the flow component through the throttles 25 and 26. This allows the throttles 25 and 26 to be rejected, and The resistance 52 - the opening 5 Tj of the plunger 48 - is made relatively large, which further increases the reliability and technolotics of the elastic hydraulic element. FIG. 6 shows the graphs of the scattering coefficient E (M / N hydrostatic bearing versus oscillation frequency o) (1 / s) calculated by the formulas (line 1 - graph for hydrostatic bearing without elastic hydraulic elements line 2 - graph for hydrostatic bearing in spindle bearing the device in the absence of resistance at the entrance to the elastic element and in the absence of the above ground resistance). It can be seen from the graph that the inclusion of additional capacitances increases the energy dissipation only at frequencies exceeding 1100 1 / s, and at the lowest natural frequency W | 500 1 / s at the maximum reach of the spindle with a mandrel, we have that the MO is unacceptable because it contributes to the excitation of self-oscillations during cutting. Lines 3 and 4 show the dependences of i (to for the hydrostatic bearing of the proposed spindle device, and 1 O, i.e., in the absence of the reduced inertia of the elastic hydraulic elements, but with resistance providing the highest possible dispersion coefficient at the 144 frequency of fo. 500 1 / s, and line 4 corresponds to the optimum parameters. The increase in vibration resistance of the machine by increasing the damping of the spindle assembly is achieved due to the fact that the elastic hydraulic elements are located outside the pockets of the hydrostatic bearing and are connected with them by hydraulic lines through hydraulic resistances, and the capacity and inertia of the elastic hydraulic elements and hydraulic lines are selected from work in the field of resonance with the spindle. The implementation of the elastic hydraulic element in the form of a spring-loaded stepped plunger allows implement this effect in a wide range of operating pressures. In addition, increasing the vibration resistance of the machine will allow to increase the cutting conditions and the quality of the machined surfaces, which will directly increase the quality of the manufactured products. The proposed design of elastic hydraulic elements does not require an increase in size in the area of the front bearing and allows for the revision and repair of these elements without dismantling the spindle device.

iPHiPH

18 18

1717

t t

2121

XX

РН PH

СWITH

f f

Фиг.1 -/.Figure 1 - /.

1Z1Z

лl

SS

иand

7777

fff fff

РНPH

«- А"- BUT

Фиг.22

t6 .27t6 .27

Фиг. It 25,26FIG. It 25.26

31-3431-34

39 56 5739 56 57

//

WW

//У// Ъ// y // b

5252

35 38 5835 38 58

XX

ЧH

::

e-€e- €

Фи.5Fi.5

Claims

1. A HYDROSTATIC SPINDLE DEVICE FOR A METAL CUTTING MACHINE, comprising a housing in which pockets of hydrostatic bearings are made, a spindle mounted in hydrostatic bearings, control devices through which the car. mans are connected to a power source, elastic hydraulic elements associated with the pockets of at least one hydrostatic bearing, characterized in that, in order to increase the productivity of the machine by increasing its vibration resistance by increasing the damping of the spindle device, hydraulic resistances are introduced into it in the form of chokes or in the form of a hydraulic line, and the elastic hydraulic elements are installed outside the pockets of the bearings and connected to them by hydraulic lines in series with the hydraulic phenomena, moreover, the capacity and inertia of the elastic hydraulic elements, hydraulic lines, and pockets are selected taking into account the possibility of working in the resonance region with the spindle.

2. The device according to p. 1, characterized in that the elastic hydraulic element is made in the form of a hydraulic cylinder with a step plunger spring-loaded from the ends, installed with the possibility of axial movement with the formation of end chambers of large and small diameter and an annular intermediate chamber, and the end chambers are interconnected through hydraulic resistance, which is a longitudinal hole in the plunger.

3. The device according to π. 1, characterized in that a separate elastic hydraulic element is connected to each pocket

4. The device according to claim 1, characterized in that an even number of pockets are made in the device case, and the number of elastic hydraulic elements is two times less than the number of pockets, while each elastic hydraulic element is differentially connected to two oppositely placed pockets.

5. The device according to paragraphs. 1-3, characterized in that the plungers are spring-loaded from the side of the smaller diameter, and the bearing pockets are connected to the end chambers of a larger diameter, while the possibility of draining from the annular intermediate chamber is provided ..

6. The device according to claims 1, 2 and 4, characterized in that one of each pair of oppositely placed pockets is connected to one of the end chambers of the elastic hydraulic element, and the other pocket to the annular intermediate chamber.