Основные узлы металлорежущих станков

I. Станины станков ‑ важной и наиболее массивной частью любого станка является станина, на которой располагаются все подвижные и неподвижные узлы и механизмы станка.

Станина должна обеспечивать правильное и стабильное положение узлов станка при восприятии станком всех эксплуатационных нагрузок.

В зависимости от расположения оси станка станины бывают горизонтальные (например, токарно-винторезные станки) и вертикальные (сверлильные, фрезерные станки). В современных станках станины отличаются сложностью и имеют разнообразные конструкторские формы. В любом случае это сложные корпусные детали, которые должны обладать высокой жесткостью, виброустойчивостью, теплостойкостью и пр.

Примеры сечений наиболее распространенных станков

1. вертикальные станины

Сечения вертикальных станин имеют, как правило, замкнутый профиль. Сечение «а» самое простое и характерно для станков нормального класса точности без предъявления к ним особых требований (например, 2А135). Сечение «б» характерно для станин с повышенной жесткостью (наличие ребер жесткости); сечение «в» применяется в том случае, когда необходимо обеспечить поворот узлов станка вокруг станины (например, радиально-сверлильные станки).

А-А

2. горизонтальные станины

		а)

 

 

Горизонтальные станины имеют открытое или полуоткрытое сечение для отвода большого количества стружки, образующейся при обработке. Сечение «б» имеет двойные стенки для повышения жесткости станины, в сечении «в» в задней стенке изготовлено окно для удобства отвода стружки.

Материалы станин

1. Основным материалом для станин, позволяющим обеспечить необходимые характеристики изделия, является серый чугун. Серый чугун обеспечивает необходимые жесткость, вибро- и теплостойкость станин, и обладает хорошими литейными качествами. Наиболее часто применяются марки СЧ 15-32 и СЧ 20-40. Первая цифра в маркировке означает предел прочности материала на растяжение, вторая – предел прочности на изгиб в кгс/мм³.

При изготовлении станин в них могут появляться остаточные напряжения, которые приводят к потере первоначальной точности. Применение серого чугуна также дает возможность устранения коробления станин путем старения. В основном применяют 2 способа старения:

1.1 естественный – длительное выдерживание готовой станины в естественных условиях (на открытом воздухе) в течение 2-3 лет;

1.2 тепловой обработкой – выдерживание станины в специальных печах при температуре 200…300 ⁰С в течение 8…20 часов.

2. Углеродистая сталь обычного качества – Ст. 3, Ст. 4. Станины из углеродистых сталей изготавливаются сваркой и имеют меньшую массу по сравнению с чугунной при той же жесткости.

3. Бетон – выбирают из-за его высоких демпфирующих свойств (способность гасить колебания) и более высокой (по сравнению с чугуном) тепловой инерцией, что снижает чувствительность станины к колебаниям температуры.

Однако, для обеспечения высокой жесткости станка стенки бетонных станин существенно утолщаются; кроме того, станины необходимо защищать от влаги и масла во избежание объемных изменений бетона.

4. В редких случаях станины тяжелых станков изготавливают из железобетона.

Расчет станин

Вследствие сложности конструкции расчеты станин производят чаще всего упрощенно с целым рядом допущений, включая принятие толщины стенок станины за постоянную величину в поперечном и продольном сечении. При расчете применяется стандартная расчетная схема, чаще всего в виде балки на опорах или рамы.

Важнейшим критерием оценки работоспособности станины является ее жесткость, поэтому расчет сводится к оценке деформации (прогиба) станины с учетом действующих на нее нагрузок, причем все силовые факторы сводятся к сосредоточенным силам. При необходимости расчета станин с учетом разной толщины стенок необходимо использовать расчет по методу конечных элементов с помощью специальных программ для ПЭВМ.

II. Направляющие станков – точность обработки деталей на станках во многом зависит от направляющих станков, по которым перемещаются подвижные узлы станка.

Применяются 3 вида направляющих:

- скольжения;

- качения;

- комбинированные.

Направляющие скольжения бывают:

- с полужидкостной

- с жидкостной

- с газовой смазками.

Основные типы профилей направляющих скольжения.

I. Охватываемые.

 

	а)		б)		в)
				г)

 

 

II. Охватывающие.

 

 

а) прямоугольные направляющие;

б) треугольные направляющие;

в) трапецеидальные направляющие;

г) цилиндрические направляющие.

Целесообразность исполнения тех или иных направляющих определяется сложностью их изготовления (технологичностью) и эксплуатационными свойствами, которые во многом зависят от способности направляющих удерживать смазку.

На охватываемых направляющих (I) плохо удерживается смазка, поэтому они чаще всего применяются при медленных перемещениях по ним узлов станка; однако, эти направляющие проще в изготовлении и с них проще удалять стружку.

На охватывающих направляющих (II) смазка удерживается лучше, что позволяет их использовать в узлах станков с высокими скоростями перемещения; но эти направляющие необходимо надежно защищать от попадания в них стружки.

Материалы направляющих.

Направляющие станков подвержены интенсивному износу, существенно снижающему точность станка в целом, поэтому к выбору материала направляющих и к специальной его обработке предъявляются исключительно высокие требования.

1. Направляющие из серого чугуна – выполняются за одно целое со станиной; наиболее просты в изготовлении, но подвергаются интенсивному износу и не обладают достаточной долговечностью. Их износостойкость повышается закалкой с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ); кроме того, могут применяться специальные легирующие присадки и покрытия.

2. Стальные направляющие – выполняются в виде планок, которые привариваются к стальным станинам, крепятся винтами к чугунным станинам или, в редких случаях, приклеиваются. Применяются низкоуглеродистые стали марок сталь 20, сталь 20Х, 18ХГТ с последующей цементацией и закалкой до твердости 60…65 HRC; азотируемые стали марок 38Х2МЮА, 40ХФ с глубиной азотирования 0.5мм и закалкой. Реже применяются легированные высокоуглеродистые стали.

3. Направляющие из цветных сплавов – применяются оловянистые и безоловянистые бронзы. Используются преимущественно в тяжелых станках в виде накладных направляющих или отливая направляющие непосредственно на станину.

4. Пластмассовые направляющие – используют в основном из-за высоких характеристик трения и антизадирных свойств, обеспечивающих равномерность перемещения подвижных узлов; но эти направляющие обладают недостаточной жесткостью и износостойкостью.

5. Композитные направляющие – на основе эпоксидных смол.

Направляющие скольжения и жидкостной и газовой смазкой

1. Гидростатические направляющие.

В этих направляющих поверхности полностью разделены слоем масла, подаваемого под давлением в специальные карманы. Давление создается при помощи специальных насосов.

 

 

Гидростатические направляющие обладают большой долговечностью (нет трения металла по металлу), достаточно большой жесткостью за счет соответствующего давления масла и площади несущего слоя. К недостаткам гидростатических направляющих можно отнести:

- сложность изготовления направляющих, особенно масляных карманов;

- сложная гидравлическая система питания;

- необходимость в специальном фиксирующем устройстве для удерживания узлов в заданных положениях.

Применяются в основном в тяжелых станках из-за высокой долговечности.

2. Гидродинамические направляющие.

В гидродинамических направляющих трущиеся поверхности также разделены слоем масла, но только в момент движения с большими скоростями. В момент трогания узла с места и момент остановки масляный слой отсутствует.

Такие направляющие применяются при повышенных скоростях (соответствующих скоростям главного движения) перемещения узлов.

3. Аэростатические направляющие.

По конструкции напоминают гидростатические направляющие, но в качестве смазки применяется чаще всего воздух, образующий в особых карманах воздушную подушку. В отличие от гидростатических, эти направляющие обладают более низкой нагрузочной способностью и худшими демпфирующими свойствами, что связано с меньшей вязкостью воздуха по сравнению с маслом.

Основы расчета направляющих скольжения.

Расчет направляющих скольжения сводится к расчету удельного давления на направляющих, которое сравнивается с предельно допустимыми величинами. Предельно допустимые величины устанавливаются из условий обеспечения высокой износостойкости направляющих.

При расчете вводится ряд ограничений:

- жесткость сопрягаемых базовых деталей существенно выше жесткости стыка;

- длина направляющих намного больше их ширины (>>);

- изменение давления по длине направляющих принимается линейным.

Если на направляющие действует сила , смещенная от середины на величину , то при линейной эпюре давления значения наибольшего и наименьшего давлений можно посчитать по формулам:

;

Эпюры давлений могут быть нескольких вариантов:

1. ‑ эпюра примет вид трапеции.

 

 

2. , следовательно, ‑ эпюра прямоугольная.

 

3. , эпюра примет треугольный вид, .

 

4. ‑ имеет место неполное касание по направляющей, так как произойдет раскрытие стыка в сопряжении направляющая – узел станка.

 

 

Из рассмотренных эпюр можно сделать вывод, что точка приложения силы относительно центра рабочей длины направляющей (длина направляющей под сопрягаемым узлом) имеет важное значение для нормальной работоспособности сопряжения направляющая – узел.

Направляющие качения.

В направляющих качения в зависимости от нагрузки используются различные тела качения – шарики либо ролики. Шарики используют при малых нагрузках, ролики – при средних и больших. Тела качения могут свободно прокатываться между движущимися поверхностями (чаще применяется) или иметь фиксированные оси (применяется реже).

 

III. Шпиндельные узлы станков – являются одними из наиболее ответственных узлов станков и обеспечивают либо вращательное движение заготовки (токарные станки), либо вращательное движение режущего инструмента (сверлильные, фрезерные и др. станки). В обоих случаях шпиндель обеспечивает главное движение – движение резания.

По конструкции шпиндельные узлы могут существенно отличаться друг от друга по размерам, материалу, типу опор, типу привода и т.п.

Основные показатели качества шпиндельных узлов

1. Точность – может оцениваться приближенно путем измерения биения переднего конца шпинделя в радиальном и осевом направлениях. Величина биения не должна превышать установленных значений в зависимости от класса точности станка.

2. Жесткость – шпиндельный узел входит в несущую систему станка и во многом определяет и ее суммарную жесткость. По разным источникам, деформации шпиндельного узла в общем балансе упругих перемещений станка достигает 50%. Жесткость шпиндельного узла определяется как отношение приложенной силы к упругим перемещения собственно шпинделя и деформации его опор.

3. Динамическое качество (виброустойчивость) – шпиндельный узел является доминирующей динамической системой в станке, на собственной частоте которой происходят основные колебания в станке; следовательно, при определении динамического качества определяются те частоты, с которыми колеблется шпиндельный узел. Динамическое качество шпиндельного узла чаще всего оценивается по частотным характеристикам, но наиболее значимыми параметрами являются амплитуда колебаний переднего конца шпинделя и собственная частота его колебаний. Желательно, чтобы собственная частота колебания шпинделя превышала 200-250 Гц, а в особо ответственных станках превышать 500-600Гц.

4. Сопротивляемость шпиндельного узла тепловым воздействиям – тепловые смещения шпиндельного узла достигают 90% суммарных тепловых смещений в станке, так как основными источниками тепловыделений в станке являются опоры шпинделя, от которых температура постепенно распределяется по стенкам передней (шпиндельной) бабки станка, что вызывает ее смещение относительно станины. Как один из способов борьбы с тепловыми смещениями является нормирование нагрева подшипников шпинделя, ограничения на допустимую температуру наружного кольца подшипника () изменяются в зависимости от класса точности станка:

- класс точности «Н»;

- класс точности «С».

5. Долговечность – способность шпиндельных узлов сохранять во времени первоначальную точность вращения; во многом связана с типом опор шпинделя и с их износом.