Luftlejespindel

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
Luftbærende HSK 25 værktøjsspindel 80.000 / min
Luftlejer præcisionsværktøjsspindel
Luftbærende præcisionsslibespindel sammenlignet i størrelse med en 2-cent mønt.

Luftleje spindel er et direkte drev aksel med et værktøj grænseflade, der understøttes af en luft leje. Disse spindler anvendes hovedsageligt som den vigtigste spindel i præcision værktøjsmaskiner , i mikro- bearbejdning og i kredsløb boring industrien. Den kontaktløse montering gør det muligt at opnå meget høje hastigheder, hvilket er særlig vigtigt ved mikrobearbejdning på grund af den lille værktøjsstørrelse og den tilhørende høje skærehastighed .

Luftlejer

Indtag begrænset aerostatisk radialleje / venstre og aerodynamisk spiralrillet radialleje / højre (uden aksel) i sektion

I lejemellemrummene, der kun er få mikrometer tykke, spiller dynamiske processer som klemfilmsdæmpere , forskydningsstrømme ( dynamisk løft ) og aerodynamiske effekter den dominerende rolle og genererer mellemrumshastigheder (uden nogen bevægelse af lejeparrene) på mere end 250 m / s.

Der skelnes mellem aerodynamiske og aerostatiske lejer, idet lejetrykket i førstnævnte kun genereres af den relative bevægelse af selve lejeparrene, som til dette formål har særlige træk såsom forhøjninger og / eller konstruktioner. Som et slående eksempel viser figuren et snitbillede af et statisk og aerodynamisk radialleje uden aksel. I tilfælde af aerostatiske lejer skal lejetrykket påføres udefra og ind i lejeafstanden. For statiske luftlejer er lejeafstanden derfor abstrakt mellemrumssystemet mellem afgang og indløb og er afhængig af disse i mange henseender og frem for alt dynamisk.

Lejefunktionen er baseret på den aksiale og tangentielle trykfordeling, som genererer bæreevnen samt luftstrømmen gennem lejegabet, som hovedsageligt er ansvarlig for at generere stivhed . Her svarer stivhed til ændringen i belastningskapacitet med akselens radiale forskydning (radialleje) eller pladens aksiale forskydning (aksialleje). Trykfordelingen og strømningen er imidlertid funktionerne i lejeafstanden og gasspjældet, her skelnes der mellem gasspjæld ved indløbet (indgangsspærret) eller ved udløbet (udløbsspærret).

fordele

Radiale luftlejer kan opnå samme stivhed og endnu bedre dæmpningsværdier end rullelejer, hvis de er korrekt konstrueret. Luftgabet i et luftleje, der kun er få mikrometer stort, har en kompenserende effekt på form- og størrelsesfejl i akslen eller lejet på grund af luftens egenskaber, hvilket muliggør en resulterende nøjagtighed, der er bedre end den af de enkelte komponenter. Luftlejespindler har en asynkron nøjagtighed, der er omkring en faktor ti bedre end rullelejespindler og en synkron nøjagtighed, der er omkring en faktor to bedre. Det betyder, at stivhed og dæmpning af luftlejer kan konkurrere med rullelejer, men tilbyder radiale fejlbevægelser på undertiden mindre end 12 nm og aksiale bevægelser på mindre end 10 nm, selv ved hastigheder på over 50.000 / min og relative hastigheder på op til 250 m / s. Ved lave glidehastigheder er luftlejer også ekstremt lavfriktion og smøremiddelfri, hvilket forklarer deres anvendelse i f.eks. Navigationssystemer og i fødevareindustrien .

  • mindre synkrone og betydeligt mindre asynkrone fejl aksialt og radialt
På grund af den balancerende effekt af mediet (f.eks. Luft) mellem lejet og den bevægelige aksel genereres rotationsbevægelser, der er mere præcise end nøjagtigheden af ​​summen af ​​de enkelte dele. Luftlejespindler har derfor asynkrone og synkrone fejl, der er flere faktorer bedre end rullelejer, som hårdt overfører fejl fra lejespor og alle kugler. Asynkrone fejl på mindre end 10 nm er mulige med langsomt roterende spindelsystemer uden forhindringer
  • højere hastigheder
Udover mindre synkrone og asynkrone fejl er det mest karakteristiske træk ved luftlejespindler de betydeligt højere hastighedsgrænser i forhold til akseldiameteren på rullelejespindler. Forskydningshastigheder på 200 m / s i radiale lejer og 450 m / s i aksiale lejer kan opnås uden problemer.
  • Maksimal hastighed uden tidsbegrænsning - pålidelig stationær drift
Rullelejespindler kan ikke betjenes kontinuerligt med deres nominelle hastighed og reagerer med, at lejerne bliver varme, hvilket øger kørestøj og i sidste ende fejl. Luftlejespindler er det perfekte svar til de stadig mere almindelige applikationer med bearbejdningstider på timer til uger ved de højeste hastigheder, med strengt konstante driftsbetingelser og praktisk talt ingen tidsbegrænsning for kontinuerlig drift ved nominel hastighed.
  • ekstremt korte rampetider
Mens accelerations- og bremserampetiderne for rullelejespindler er begrænset af lejekassen, er det i tilfælde af dynamisk veldesignede luftlejespindler, der kun begrænser motorens maksimale strøm accelerations- og bremseværdier.
  • ingen forsmøringstid - øjeblikkelig drift
Mens rullelejespindler kræver en forsmøringstid på nogle gange minutter før deres drift og nogle gange efter en vis driftsperiode, er en luftlejespindel med aktivering af lejeluft, kølere og omformer straks fuldt funktionsdygtig.
  • ekstremt lille aksial akselvækst over hastighed
Hvis akselvæksten på 50–100 µm i rullelejespindler kræver længdekompensation via maskinstyringen, giver en korrekt designet luftlejespindel med 1-5 µm mulighed for at de fleste applikationer kan undvære dette.
  • enkel konstruktion og ekstremt korte reparationstider
En luftlejespindel kan modstå belastninger svarende til en rullelejespindel, men mens rullelejespindler reagerer på overbelastning med høje lejelyde, højere lejetemperaturer og mangel på nøjagtighed, blokerer akslerne til luftlejespindler normalt.
  • Olie, fedt og kontaktløs drift
Ingen fedt, ingen olie, ingen slid. Hvis den håndteres korrekt, gør dette luftlejespindlen stort set vedligeholdelsesfri og gør det muligt at bruge den i et gasholdigt og / eller rent rumlignende miljø eller for eksempel i fødevareindustrien. Her er den omgivende gas - z. B. CO 2 - kan også bruges som opbevaringsmedium.
  • ingen antistatiske foranstaltninger
Den udbredte anvendelse af keramiske rullelementer (hybride rullelejer) kræver antistatiske foranstaltninger, såsom børster eller rulledorne for at undgå gnister mellem værktøj og emne i rullelejespindler. På grund af det enorme område mellem akslen og lejet og mellemrummet, der kun er få mikrometer, leder luftlejespindler disse energier via den resulterende kondensator via lejerne og dermed til beskyttelseslederen og anvender generelt anti- statiske foranstaltninger overflødige.
  • intet aksialt fastholdelsessystem ved skift af værktøj
Rullelejer kræver et ekstremt kompliceret fangstsystem, der absorberer de aksiale kræfter ved skift af værktøj for ikke at beskadige spindellejer. Den aksiale lejeplade af luftlejespindler er imidlertid så stor, at den simpelthen påføres, når værktøjet ændres, med ekstremt lave overfladetryk.

gasspjæld

Behov for gasspjæld i luftlejer - koncentrisk aksel
Behov for gasspjæld i luftlejer - excentrisk aksel

Det følgende eksempel (lejeinducerede naturlige frekvenstilstande) er beregnet til at forklare, hvorfor stødning af forsyningstrykket i lejeafstanden på et statisk luftleje er så vigtigt og afgørende for ydeevnen. I den viste stabilitet og resonansanalyse er akslen mellem den øvre og nedre lejekant i geometrisk og fysisk ligevægt. Der er tryk hele vejen rundt pm = pm1 = pm2 mellem rækkerne af dyser. På grund af en forstyrrelse - f.eks. Skærekraft - forskydes akslen nu som vist på illustrationen og skaber mellemrum H1 og H2 i forskellige størrelser.

Hvis fodertrykket P0 nu blev ført ind i lejeafstanden uhindret, ville det samme tryk og dermed den samme kraft sejre over omkredsen. En genoprettende kraft mod "forstyrrelsen" ville derfor mangle, lejet ville ikke have nogen funktion. Ved brug af analytisk og iterativt beregnet og optimeret dyser - tilført af fødetrykket p 0 - genereres et mellemtryk p m (H, p 0 ...) efter dysen, som nogle gange afhænger af lejeafstandstykkelsen H umiddelbart efter dysen . Ergo, jo mindre lejeafstanden efter den respektive dyse, jo højere er mellemtrykket p m efter dysen og dermed også trykstyrken. Således, hvis akslen forskydes på grund af en forstyrrelse, er en stiafhængig genopretningskraft og dermed også stivhed - det vil sige en ændring i genopretningskraft med forskydning - garanteret.

Dynamik og stabilitet

Bæreinducerede naturlige frekvenstilstande
Stabilitet og resonansanalyse
Bøjning af kritisk naturlig frekvens af et skaft

Et statisk luftleje har en ekstern trykforsyning og genererer lastkapacitet, stivhed og dæmpning i henhold til princippet om mellemrumsafhængig gasregulering, hvorved akslen kobles gennem lejegabet og med dets polære og tværgående inertimomenter og dens masse, i abstrakte termer, et fjedermassespjæld System repræsenterer. Følgelig er der også positionsinducerede naturlige frekvenser, dvs. hvis jeg rammer akslen, svinger den med den positionsafhængige systemets naturlige frekvens, amplituden igen bestemmes af dæmpningen. Dette indebærer også, at et spindelsystem med luftlejer for eksempel i sagens natur er et vibrationssystem med tilstande "cylindrisk" og "konisk", hvorved konisk tilstands drejepunkt altid går gennem akselens massecenter. Disse naturlige frekvenser afhænger imidlertid af lejens stivhed, hvilket igen afhænger af lejeafstandens bredde eller form samt af aerodynamiske effekter ved hastighed. Således ændrer en spindel sin stivhed ved hastighed og dermed også de naturlige frekvenser induceret af lejerne. Disse naturlige frekvenser skal være kendt af to grunde, på den ene side for at undgå spindelens rotationsfrekvenser i nærheden af ​​disse naturlige frekvenser på grund af vibrationer (overdreven højde), og for at kunne foretage en stabilitetsanalyse .

Halvfrekvent hvirvel

Der er nu en meget afgørende forskel for rullelejer, for med luftlejer, hvad enten det er statisk eller dynamisk, er der en tilstand af halvfrekvent hvirvel, som skal undgås for enhver pris og derfor skal beregnes på forhånd. Halvfrekvensvirvelen er en ustabilitet af luftlejer, hvor akslen begynder at røre mod rotationsretningen ved halvdelen af ​​rotationsfrekvensen. Denne tilstand forekommer, rotationsfrekvensen og dermed excitationen af ​​rotationsfrekvensen med ubalancen når det dobbelte af den i øjeblikket gældende første naturlige systemfrekvens. Fra et fysisk synspunkt er dette den tilstand, hvor dæmpningen bliver til nul, og amplituderne er dermed uendelige.

Udover de lejeinducerede stive-kritiske naturfrekvenser er der også den bøjningskritiske naturlige frekvens af selve akslen.Hvert materiale har et E-modul , der billedligt talt svarer til en fjederhastighed. Bølgen er således - sammenlignelig med en stemmegaffel - også et vibrationssystem. Hvis frekvensen af ​​den kritiske naturlige frekvens nås med rotationsfrekvensen, begynder akslen at vibrere på en sådan måde, at luftlejer og kuglelejeløsninger svigter her på grund af det smalle lejeafstand og lav dæmpning. Væskelejer har imidlertid tilstrækkelig dæmpning og tilstrækkeligt store lejeafstande til at passere gennem denne bøjningskritiske naturlige frekvens. En luftbærende aksel drives således tilstrækkeligt under den kritiske koniske / cylindriske stivhed, men nødvendigvis under den halvfrekvente kritiske og den første bøjningskritiske. Væskemonterede spindler eller systemer kan imidlertid betjenes mellem den første og anden bøjningskritiske.

litteratur

  • J. Engmann: Galvaniserede mikroslibningspunkter - udvikling, fremstilling og brug. Afhandling: Technical University of Kaiserslautern, Mechanical and Process Engineering, 2011, ISBN 978-3-941438-59-0
  • R. Dupont: Isotropisk og centrifugalt invariant designet, gassmurt spiralrilleeleje i konisk design til højeste rotationsfrekvenser . Afhandling: Kaiserslautern Tekniske Universitet, maskinteknik og procesteknik, 2005