Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Состояние шпиндельного узла определяется, в первую очередь, состоянием подшипников и посадочных поверхностей шпиндельного вала. Согласно статистическим данным, из строя чаще всего выходят подшипники (75 %) и шпиндель (9 %) [1]. При этом значительная часть отказов связана с фреттинг-коррозией посадочных поверхностей. Фреттинг приводит к тому, что кольца подшипников неравномерно прилегают к посадочным поверхностям, что неблагоприятно воздействует на распределение нагрузки в подшипнике. Кроме того, окисленные частицы действуют как абразив, ускоряя процесс изнашивания посадок, что приводит к снижению жесткости станка, параметра, который оказывает существенное влияние на производительность выполняемой работы, его точность и надежность [2, 3].
Жесткость шпиндельного узла определяется податливостью шпинделя и его опор и выражается значением упругих перемещений конца шпинделя под воздействием приложенной к нему нагрузки. Действующие значения сил резания в современных металлообрабатывающих станках могут достигать 30 кН [4], при этом, значения реакционных сил, возникающих в наиболее нагруженной опоре, зачастую превышают значения сил резания, за счет консольного характера приложения последних. Рассматривая вопрос жесткости шпинделей станочного оборудования, подшипники можно представить в роли пружин. В целях увеличения жесткости шпинделей станков, на подшипниках устанавливается преднатяг. Основными задачами подшипников с преднатягом при работе со шпинделями станочного оборудования являются повышение и поддержание точности хода вала; увеличение жесткости подшипников и поддержание элементов качения в правильном положении; минимизация шума из-за осевых вибраций и резонанса; предупреждение ложного бринеллирования, а также проскальзывания между телами качения и дорожками качения вследствие гироскопических моментов.
Фиксация соединения «вал–подшипник» анаэробными полимерными составами при сборке узла является дешевым и универсальным методом ремонта изношенных посадочных поверхностей валов. Суть технологии заключается в создании полимерной прослойки (на основе нанонаполненного анаэробного герметика) между посадочными поверхностями вала и внутренними кольцами подшипников, что позволит устранить такой фактор, как фреттинг-износ посадочных поверхностей под подшипники качения. Согласно рекомендациям компании NSK (Япония), для подшипников шпинделей станочного оборудования, при установке на вал, должен обеспечиваться натяг от 0…2 до 5 мкм в зависимости от диаметра внутреннего кольца. В то же время, зазор между посадочными поверхностями вследствие износа может достигать 15 мкм. Анаэробные составы применимы для фиксации соединений как с натягом, так и с зазором. Использование анаэробных герметиков с целью создания прослойки между сопрягаемыми поверхностями в соединении «вал–подшипник» может быть актуально как при сборке нового шпиндельного узла, так и при ремонтных работах. Возможно значительно повысить эксплуатационные и механические свойства полимерных составов путём модификации полимерных составов нанонаполнителями.
Внедрению новых технологий должна предшествовать их апробация применительно к реальным изделиям. Современные отечественные и иностранные полимерные составы имеют недостатки, к которым относятся невысокие упругие свойства и прочностные характеристики, что ограничивает их применение для ремонта средне- и тяжелонагруженных узлов, к которым относятся металлорежущие станки.
Для оценки применимости предлагаемого способа, исходя из допустимого значения снижения жесткости подшипниковой опоры для конкретного узла, используются математическая зависимость, выражающая связь жесткости подшипниковой опоры, а также физико-механических свойств и толщины промежуточного полимерного слоя в соединении «вал–подшипник» через общее радиальное смещение в подшипнике ∆п, которое можно описать формулой, предложенной в работе [5]:
, (1)
где P0 — нагруженность центрального тела качения, Н; E — модуль упругости материала подшипника, Н/мм2; J — момент инерции поперечного сечения внутреннего кольца подшипника, мм4; b – ширина внутреннего кольца подшипника, мм; u — осредненный коэффициент Пуассона материала полимерного покрытия; Ep — осредненный модуль упругости материала полимерного покрытия, Н/мм2; h — сжимаемая толщина, мм.
С целью экспериментального подтверждения теоретической зависимости определения оптимальной толщины и характеристик промежуточного полимерного слоя в соединении «вал–подшипник», разработана методика испытаний радиальной жесткости соединений «вал–полимер–втулка». Методика исследований заключается в оценке смещений окружности, построенной по среднему диаметру наружного стального кольца, зафиксированного на валу с зазором, который заполнен анаэробной полимерной прослойкой. Для оценки смещений используется координатно-измерительная машина.
Стенд установлен на измерительном столе координатно-измерительной машины с ЧПУ CRYSTA-APEX S574. Основание стенда представляет собой монолитную плиту с резьбовыми отверстиями для крепления элементов. На монолитной плите расположена бобышка диаметром 30 и высотой 20 мм. Данная бобышка выполняет роль вала. На монолитной плите закреплен болт с динамометром. Болт, совершая при закручивании вращательно-поступательное движение, упирается в наружную поверхность втулки, создавая радиальную нагрузку, равную усилию осевой затяжки. Усилие осевой затяжки рассчитывается исходя из параметров резьбы и момента затяжки, контролируемого шкальным динамометрическим ключом.
Входные данные испытаний следующие: момент инерции сечения кольца (J) — 218,75 мм4; модуль упругости материала кольца (Е) — 200000 Н/мм2; Модуль упругости полимера (ЕП) — 200 Н/мм2; высота кольца (НП) — 5 мм; ширина кольца (ВП) — 21 мм; коэффициент Пуассона полимера (u) — 0,3; толщина прослойки (h) — 0,075 мм; коэффициент трения в резьбе (k) — 0,13.
Нагрузка в течение всего эксперимента увеличивается постепенно, от 0 до 53,2 кН с шагом 3,8 кН, далее следует уменьшение нагрузки (релаксация). С каждым последующим изменением нагрузки производится измерение окружности наружной поверхности кольца при помощи сканирующего измерительного датчика и фиксация координат центра данной окружности. Далее рассчитывается расстояние перемещения центра окружности после нагружения относительно первоначального значения. Таким образом, представляется возможным увидеть полную картину смещений в соединении «вал-полимер-втулка» при изменении нагрузки. Результаты исследований приведены на рисунке 1.
Таким образом, проверена адекватность математической модели, выраженной формулой (1). Результаты экспериментальных исследований показывают отклонение экспериментальных данных от расчетных в среднем на 4 %, что обусловлено погрешностью эксперимента.
