Содержание к диссертации
Стр(.
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава I. ОБЗОР СУЩЕСТВУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ВЫСОКОСКОРОСТ
НЫХ ШПИНДЕЛЕЙ К СТАНКАМ С ЧПУ ДНЯ СВЕРЛЕНИЯ
ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ 9
Условия работы шпинделей в отанках ..... 9
Шпиндели, их привод, опорные узлы, валы, конструкция и компоновка 13
Основные типы подшипников с воздушной смазкой, преимущественно применяемые для высокочастотного вращения 31
Влияние искажении формы рабочей поверхности подшипников на их нагрузочные характеристики 35
Выводы и постановка задачи исследования . ; 38
Глава 2. ШОВДОВАШЕ Ф0В1М РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ С ТЕРМОКОМПЕНСАЦИЕЙ 41
Изучение характера и причин отклонения формы рабочей поверхности подшипников шпинделей, работающих в производственных условиях 41
Исследование формы рабочей поверхности подшипников на специальном стенде. ...... 44
Методика 44
Стенд, аппаратура и условия экспериментов 47
2.3. Основные результаты исследования ...... 56
Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЗОЧШХ ХАРАК
ТЕРИСТИК АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ПОДШІНИКА С ТЕРМО
КОМПЕНСАЦИЕЙ С ДЕФОРМИРОВАННОЙ РАБОЧЕЙ
ПОВЕРХНОСТЬЮ 61
Постановка задачи исследования ....... 61
Определение основных зависимостей 68
Расчет нагрузочных характеристик подшипника 71
Выводы 76
Стр.
Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА УСТОЙЧИВОСТИ
ВРАЩйНШ ВАЛА В ПОДШИПНИКАХ С ТЕРМОКОМПЕНСАЦИЕЙ 84
4.1. Методика и экспериментальное оборудование ... 85
4;2. Основные результаты и выводы . . 103
Глава 5. ЭЛЕКТРОШПИНДЕНЬ С ВОЗДУШНЫМИ ОПОРАМИ К СТАНКАМ
С W ДЛЯ СВЕРЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ 116
Конструкция электрошпинделя 117
Технико-экономические показатели работы электрошпинделя мод.АС 72 и результаты промышленной эксплуатации 126
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 133
ЛИТЕРАТУРА Ї 137
ПРМОІЕНИЯ '; 143
Введение к работе
В 60-х-70-х годах технология печатного монтажа окончательно утвердилась при изготовлении самых разнообразных изделий, использующих электронные схемы. Потребность в выпуске печатных плат неуклонно увеличивалась год от года и в настоящее время развернуто их массовое производство с высокой степенью его автоматизации.
К современному оборудованию для изготовления печатных плат предъявляются поэтому самые высокие требования по производительности, точности, качеству обработки, долговечности, отсутствию загрязнения окружающей среды и т.д., что потребовало от промышленности поиска новых путей для реализации этих требований. В станках для обработки плат, в частности, стал широко применяться сжатый воздух не только традиционно в качестве рабочего тела элементов пневмоавтоматики, но и для смазки быстроперемещающихся и быстроврашаюшихся узлов.
Обязательным условием технологического процесса высокопроизводительной обработки плат является обеспечение безвибрационной работы элементов станка. На станках, поэтому, в качестве базы применяют вместо металла, почти повсеместно, гранитные плиты, обладающие высоким демпфированием; а в качестве привода - шпиндели с прецизионными опорами. Опоры шпинделей главного движения должны обеспечивать минимальное биение инструмента в широком диапазоне частот вращения на протяжении длительного периода стойкости и при высокой производительности. Нарушение плавности вращения шпинделя, а вместе с ним и инструмента, приводит к некачественной обработке отверстия (прижоги), быстрому затуплению или поломке инструмента.
Лучшие станки инофирм позволяют производить до 6-Ю отверстий в секунду одним шпинделем. Высокое быстродействие налагает
жесткие ограничения на массу шпинделя, которая не должна превышать 2-4 кг во избежание чрезмерного износа элементов привода вертикальной подачи шпинделей и возрастания его мощности при динамическом воздействии на него цикла обработки. Помимо высокого быстродействия по координатам необходимая производительность достигается быстрым вращением твердосплавного инструмента.Верхний предел частоты вращения шпинделей - 60-80 тыс. об/мин. При недостаточно высокой частоте вращения качество обработки снижается, появляются заусенцы и сколы, особенно, на выходе сверла, что затрудняет дальнейшую обработку плат (металлизацию) и приводит к необходимости дополнительной их обработки - зенкованию (станок мод.ОФ-72).
%сокие электротехнические показатели плат не должны нарушаться в процессе их обработки. Даже незначительное загрязнение плат снижает эти показатели. Смазка опор шпинделей должна исключать какое бы то ни было загрязнение рабочего пространства станков. Применение шпинделей, использующих масляный туман для смазки опор и охлаждения, поэтому практически недопустимо, несмотря на то что масляный туман обеспечивает наивысшую стойкость высокоскоростных опор качения.
Плотность группового монтажа шпинделей в станке повышается при уменьшении радиальных габаритов шпинделей, что способствует увеличению производительности станкаДиаметры сверлильных шпинделей ограничены размерами 40-60 мм.
Отечественная промышленность не располагала серийно выпускаемыми шпинделями в полной мере отвечающими всем этим требованиям', В "Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на XI пятилетку", говорится о необходимости значительного повышения надежности и производительности различных видов оборудования и инструмента в XI пятилетке. Создание оборудования и
инструмента для высокопроизводительной обработки печатных плат является весьма актуальной задачей.
Современные станки для обработки печатных плат комплектуются, в основном, электрошпинделями на опорах качения (фирма "Р?еше ") или на воздушных опорах (фирма " WestWinCL ") и преобразователями частоты тока для их привода с широким диапазоном регулирования. Нашей промышленностью освоен серийный выпуск 2-х типов шпинделей: на опорах качения с электроприводом и на воздушных опорах с электро-и пневмоприводом. Созданию шпинделя для станков данного типа на базе серийных шпинделей с шарикоподшипниками препятствовала низкая долговечность опор качения при относительно больших значениях скоростного фактора CL-tl> 750000 мм.об/мин (и. - диаметр вала в мм. /2 - частота вращения вала в об/мин), трудность изоляции отработавшего в опорах масляного тумана и неравноценность замены масляного тумана консистентными типами смазок.
Шпиндели на воздушных опорах с пневмоприводом, благодаря работам последних лет в области систем автоматического регулирования частоты вращения вала ^38, 27J обеспечивают весьма широкий диапазон регулирования при удовлетворительной жесткости механической характеристики. В крупномасштабном производстве, однако, этот тип привода, как основной, не мог быть использован из-за значительно более низкого по сравнению с электрическим к.п.д., а также из-за повышенного шума пневмопривода. Шпиндели на воздушных опорах с электроприводом наиболее полно удовлетворяют предъявленным требованиям.
В серийных электрошпинделях на воздушных опорах ротор электродвигателя расположен в центральной межопорной части. Концентрация основной вращающейся массы вала между опорами создает максимальный запас устойчивости его вращения, что, в свою очередь, способствует снижению стабилизирующего давления в опорах вала, и, в
конечном счете, увеличению надежности работы опор. Такая компоновка, однако, имеет существенный недостаток: при большем диаметре вала шпинделя, на котором монтируется ротор, радиальные габариты и масса шпинделя получаются неприемлемо большими; при меньшем диаметре вала резко падает его собственная жесткость, снижается грузоподъемность и жесткость опор. Было необходимо найти компромиссное решение, создать конструкцию, которая при малых радиальных габаритах и массе обладала бы достаточным запасом устойчивости и грузоподъемности.
Критический анализ различных решений известных отечественных и зарубежных разработок высокоскоростных шпинделей на воздушных опорах позволил найти приемлемое решение при консольном расположении ротора на валу. Эта часть работы освещена в главе I.
Практическая реализация консольной компоновки, обладающей, как показал теоретический анализ, выполненный в главе I, меньшей устойчивостью, была под вопросом, так как величина стабилизирующего давления в опорах, подавляющая вихревую неустойчивость вала могла выйти за пределы минимально допустимой по условиям питания от заводских пневмосетей.
Изучение опыта эксплуатации шпинделей на воздушных опорах в производственных условиях позволило обнаружить возможный резерв повышения жесткости воздушного слоя в аэродинамических подшипниках с термокомпенсацией, которые зарекомендовали себя на практике как лучший тип подшипников. Они, поэтому, приняты в качестве основного прототипа подшипников вновь создаваемого шпинделя. Указанный резерв обусловлен нарушением цилиндричности воздушного зазора при различных тешгавш: состояниях подишпника. Было проведено исследование аэродинамических подшипников с термокомпенсацией типовых конструкций с целью изучения этого явления и разработки конструкции подшипника, свободного от этого недостатка. Результатом
исследования явилось создание конструкции подшипника, сохраняющего прямолинейность образующей рабочей поверхности при нагреве.
Описание этих работ составляет содержание главы 2Г.
Параллельно проводилось теоретическое исследование аэродинамических подшипников с термокомпенсацией с учетом погрешностей формы его рабочей поверхности, которое позволило найти количественное выражение зависимости основных показателей работы подшипника от величины этих погрешностей. Было установлено, что подшипник с деформированной поверхностью имеет существенно меньшую несущую способность и жесткость. Эта работа изложена в главе 3.
В главе 4 дается описание сравнительных исследований макетов создаваемого электрошпинделя, оснащенных подшипниками как типовой, так и разработанной (с сохранением прямолинейности образующей рабочей поверхности при нагреве) инструкции. Исследования подтвердили более высокие показатели работы нового подшипника, что позволило использовать конструкторско-технологические решения макетов как основу конструкции вновь создаваемого шпинделя.
В главе 5 приводится конструкция и техническая характеристика электрошпинделя для сверления печатных плат, данные о его выпуске и результатах промышленной эксплуатации.
Практический вклад и основные научные результаты приведены в заключении. Они указывают пути дальнейшего совершенствования главного привода станков для обработки плат в направлении расширения их технологических возможностей - создания шпинделя с повышенной мощностью привода, пригодного кроме сверления и для выполнения фрезерных операций J.I2J.
За оказание помощи и поддержку в ходе выполнения данной работы автор искренне благодарит научных консультантов проф. д.т.н. Шейн-берга С.А., к.т.н. Баласаньяна B.C., и других сотрудников отдела № 34ї
