Развитие современной промышленности предъявляет повышенные требования к технологическому оборудованию по производительности и точности. Одним из видов такого оборудования являются шлифовальные станки, применяемые на финишных операциях для прецизионной и сверхпрецизионной обработки. Точность и производительность таких станков зависит в основном от точности работы шпиндельного узла (ШУ).
Высокоскоростные ШУ шлифовальных станков должны обеспечивать высокую быстроходность, жесткость на шлифовальном круге и достаточную силу резания для повышения производительности и точности обработки.
Высокая быстроходность ШУ достигается при использовании бесконтактных газовых или магнитных опор. Однако такие подшипники имеют сравнительно невысокую несущую способность [5], что ограничивает силу резания на шлифовальном круге и приводит к снижению производительности, особенно при снятии черновых и получистовых припусков.
Один из способов повышения эксплуатационных характеристик бесконтактных опор ШУ состоит в применении комбинированных подшипников, и, в частном случае, газомагнитных опор. Несущая способность таких подшипников обеспечивается совместным действием сил давления газовой смазки и магнитного поля [4].
Рассмотрим методику расчета выходных характеристик ШУ с передней газомагнитной и задней газостатической опорами. Передняя опора имеет два магнитных полюса. Газ в зазор подшипников подается через пористые вставки, расположенные в газонепроницаемом вкладыше. Типовая схема ШУ с креплением шлифовального круга на консоли шпинделя показана на рис. 1.
Нагрузка на шлифовальном круге находится из двух уравнений статики: суммы проекций сил на ось Y:
и уравнения моментов относительно точки О:
где Q1 и Q2 - несущая способность передней и задней опоры соответственно; M - восстанавливающий момент от перекоса передней и задней опоры.
Представленные выражения показывают, что для определения нагрузки на шлифовальном круге необходимо знать несущую способность опор и восстанавливающий момент от перекоса шпинделя. При этом заметим, что последняя величина, как показали расчеты, на порядок меньше моментов сил Q1 и Q2.
Расчет частично пористых газостатических подшипников ШУ достаточно полно изложен в работе [2].
Рассмотрим методику расчета эксплуатационных характеристик газомагнитной опоры с двумя магнитными подвесами, изображенной на рис. 2.
Рис. 1. Схема ШУ с креплением шлифовального круга на консоли шпинделя:
1 - передняя газомагнитная опора; 2 - задняя газостатическая опора; 3 - магнитопровод
Рис. 2. Схема газостатической опоры с двумя магнитными подвесами
Методика расчета газомагнитной опоры базируется на том, что поле давлений газовой смазки и магнитное поле имеют разную природу и не оказывают заметного влияния друг на друга. Тогда несущую способность такой опоры можно представить как результирующий вектор двух силовых векторов - магнитной силы и силы давления газа.
В скалярной форме выражение для определения несущей способности газомагнитной опоры имеет вид:
где Qx и Qy - проекции нагрузки на ось X и Y соответственно. Каждая из этих проекций равна:
где Qxг и Qyг - проекции на ось X и Y газовой составляющей несущей способности, Fxм и Fyм - проекции на ось X и Y магнитной составляющей несущей способности.
Согласно работе [3] проекции на оси координат газовой составляющей нагрузки равны:
где R - радиус вкладыша, L - длина подшипника, р - давление в газовом слое, φ - координата в окружном направлении подшипника, z - координата в осевом направлении подшипника.
Магнитная составляющая несущей способности опоры по абсолютной величине равна тяговому усилию соленоидов. Известно [1], что его элементарная величина находится по формуле:
(1)
где В - магнитная индукция, S - площадь ферромагнитного тела, μ0 - магнитная постоянная.
Принимая во внимание хорошо известную зависимость индукции от величины зазора, выражение (1) запишем в виде
(2)
где 
- коэффициент, учитывающий электрические параметры соленоида; i - ток в соленоиде; n - число витков соленоида; h - зазор между шпинделем и вкладышем подшипника.
Зависимость (2) является исходной при определении магнитной составляющей несущей способности, развиваемой двумя электромагнитами.
Поскольку величина зазора в сравнении с линейными размерами полюса меньше примерно в 10-3, то примем допущение об однородности магнитного поля. Принимая это во внимание, можно показать, что при угловой раздвижке электромагнитов α проекции магнитной составляющей нагрузки с учётом длины магнитопровода Т на оси координат находятся из выражений:
где ψ - угол положения нагрузки; β - окружная координата начала первого полюса; φм - полюсный угол; Т - длина электромагнита.
Заметим, что зазор 
между шпинделем и вкладышем подшипника находится из выражения:
где 
- параметр перекоса; 
- удлинение подшипника; с - средний радиальный зазор; ε - относительный эксцентриситет; γ - угол перекоса; - диаметр подшипника; - длина подшипника.
Жесткость, измеренная на шлифовальном круге, определяется по формуле:
где у - смещение оси круга.
Изложенная методика послужила основой для исследования влияния длины магнитопровода Т - одного из основных элементов конструкции газомагнитной опоры, на выходные характеристики ШУ.
Результаты расчёта нагрузки F и жесткости J на шлифовальном круге в зависимости от частоты вращения шпинделя и длины магнитопровода представлены соответственно на рис. 3 и 4. Расчет выполнен, когда несущая способность передней опоры создается только как за счёт сил давления газа (T = 0), так и при совместном действии газового и магнитного поля с относительной магнитной силой 
. Экспериментальные данные получены на стенде. Конструкции и принцип работы стенда подробно описаны в работе [3].
Относительная магнитная сила определяется по следующей зависимости:
где 
- абсолютная магнитная сила; ΔP - избыточное давление наддува газа.
Из представленных зависимостей видно, что увеличение длины магнитопровода позволяет увеличить нагрузку на шлифовальном круге. Следует отметить, что при работе опоры в газомагнитном режиме при постоянной магнитной силе (
) жесткость шпиндельного узла ниже. Этот недостаток устраняется при использовании следящей системы управления положением шпинделя.
Рис. 3. Зависимость нагрузки F на шлифовальном круге от частоты вращения шпинделя n и длины магнитопровода T; режим работы ШУ с выключенным электромагнитом;
режим работы ШУ с включенным электромагнитом; ■ - эксперимент при Т = 40 мм;
● - эксперимент с выключенным электромагнитом
Рис. 4. Зависимость жесткости J на шлифовальном круге от частоты вращения шпинделя n
и длины магнитопровода T; режим работы ШУ с выключенным электромагнитом; режим работы ШУ с включенным электромагнитом
В Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете спроектирован и изготовлен опытно-промышленный образец высокоскоростного внутришлифовального шпиндельного узла, имеющего переднюю газомагнитную опору, а заднюю - газостатическую.
В результате испытаний ШУ при обработке образцов изделий диаметрами 25 и 40 мм, выполненными из стали 20×13, получены следующие результаты: некруглость отверстий не более 1,0 мкм, волнистость - до 0,15 мкм, шероховатость поверхности Ra не более 0,12 мкм, что на 10-15 % выше, чем у ШУ, имеющих только газостатические опоры.
Из сказанного следует, что применение в станках ШУ с газомагнитными опорами позволит более эффективно использовать станочное оборудование за счет совмещения получистовых, чистовых и финишных операций за один установ, а также получать более высокое качество обработки.
Рецензенты:
Козин В.М., д.т.н., профессор, главный научный сотрудник Института машиноведения и металлургии ДВО РАН, г. Комсомольск-на-Амуре;
Амосов О.С., д.т.н., профессор, зав. кафедрой информатики ФГОУ ВПО «Амурский гуманитарно-педагогический государственный университет», г. Комсомольск-на-Амуре.
Работа поступила в редакцию 25.02.2011.