1 Несущая система станка
1.1 Общие сведения
Необходимое пространственное расположение инструмента и заготовки под воздействием сил резания, собственного веса узлов и температурных воздействий обеспечивается несущей системой станка.
Несущая система станка образуется совокупностью элементов станка, через которые замыкаются силы, возникающие между инструментом и заготовкой в процессе резания ([1-5]).
К элементам несущей системы относятся станины и корпусные детали станков (основания, стойки, колонны, корпуса шпиндельных бабок и т.п.), а также каретки, суппорты, планшайбы, ползуны, траверсы, шпиндель с опорами и др.
1 – стойка; 2 – шпиндельная бабка; 3 – станина; 4 -нижние салазки; 5 – верхние салазки; 6 – поворотный стол; 7 – монтажная плита (спутник).
Рисунок 1.1 – Базовые детали несущей системы станка
Несущие системы станков должны обеспечивать и сохранять в течение срока службы станка возможность обработки с заданными режимами и требуемой точностью [6-8].
На рисунках 1.2 и 1.3 приведены примеры несущих систем и компоновок двух станков.
Рисунок 1.2 – Примеры несущих систем станков
а) обрабатывающий центр токарный с ЧПУ модели 800 VT; б) станок фрезерно-расточный с ЧПУ модели 800VF6.
Рисунок 1.3 – Компоновки станков завода Стерлитамак МТЕ (в настоящее время НПО «Станкостроение», Россия, г. Стерлитамак)
Понятия «Несущая система» и «компоновка» не тождественны, но непосредственно связаны между собой. Обычно под компоновкой станка понимают совокупность исполнительных звеньев и деталей несущей системы, характеризующихся пространственным расположением. Компоновка станка включает хотя бы один неподвижный элемент, разделенный стыками с подвижными элементами. В компоновках станков, в отличие от несущей системы, отсутствует степень детализации конструкторской проработки, присущая несущей системе. Однако, она в полной мере позволяет оценить формообразующие движения проектируемого станка и возможные проблемы конструкции. В приложении приведены компоновки станков с ЧПУ построенных по модульному принципу конструирования, наиболее полно реализованные в отечественном станкостроении на станкостроительном предприятии Стерлитамак М.Т.Е. (в настоящее время научно-производственное объединение «Станкостроение»).
Название базовых деталей отражает ее функциональное назначение.
По своей форме базовые детали можно подразделить на три группы: брусья – детали, у которых один габаритный размер больше двух других; пластины – детали, у которых один размер значительно меньше двух других; коробки – детали с габаритными размерами одного порядка.
Базовые узлы станков должны иметь:
– высокую точность изготовления всех ответственных поверхностей для обеспечения требуемой геометрической точности станка;
– высокую жесткость, определяемую контактными деформациями подвижных и неподвижных стыков и деформациями самих базовых деталей;
– высокие демпфирующие свойства, т.е. способность гасить колебания между инструментом и заготовкой от действия различных источников вибраций;
– долговечность, которая выражается в стабильности формы базовых деталей и способности сохранять первоначальную точность в течение заданного срока эксплуатации.
Кроме того, базовые детали должны иметь малые температурные деформации, из-за которых могут произойти относительные смещения между инструментом и заготовкой.
Перечисленные требования удовлетворяются правильным выбором материала базовых деталей и конструктивных решений, которые являются общими, несмотря на многообразие форм. При конструировании базовых деталей стремятся к созданию конструкций жестких, но имеющих малую массу; простых по конфигурации, но обеспечивающих высокую точность; дающих экономию металла, но учитывающих возможности литейной технологии и технологии сварных конструкций. Конструирование базовых деталей во многом опирается на богатый практический опыт, накопленный за долгие годы у нас в стране и за рубежом.
Элементы несущей системы. Станины и основания: 1) плиты, тумбы и основания без направляющих; 2) станины – простые горизонтальные с одной системой направляющих, простые вертикальные с одной системой направляющих, станины-основания с круговыми направляющими, сложные с несколькими системами направляющих; 3) станины портальные.
Детали и узлы для поддержания и поступательного или качательного перемещения инструмента: суппорты, ползуны, револьверные головки, салазки суппортов, поперечины суппортов, рукава.
Детали и узлы для поддержания и поступательного перемещения изделий: столы, салазки столов, консоли.
Детали и узлы для поддержания и направления вращающихся деталей станка: корпусы коробок скоростей и подач, корпусы шпиндельных бабок.
Детали и узлы для вращения инструментов и изделий: шпиндели и их опоры, задние бабки, планшайбы, вращающиеся колонны.
В качестве соединений деталей несущих систем применяют:
– неразъемные "соединения – сварные или с гарантированным натягом;
– разъемные – резьбовые, клиновые, шпоночные и зубчатые (шлицевые).
Основным принципом при создании базовых деталей является оптимальное использование материала. Базовые детали нагружены изгибающими и крутящими моментами, поэтому их целесообразно делать пустотелыми с замкнутым профилем. Замкнутые профили обладают высокими значениями моментов инерции на кручение и имеют более высокую крутильную жесткость по сравнению с разомкнутыми.
Станины несут на себе основные подвижные и неподвижные узлы станка. Форма поперечного сечения горизонтальных станин определяется: требованиями жесткости; расположением направляющих; условиями размещения и удаления стружки и охлаждающей жидкости; условиями размещения в станинах различных механизмов (рисунок 1.4).
Станины с двойными стенками в 1,3 – 1,4 раза жестче, чем станины с одинарными стенками. Внутренние полости между стенками часто делают замкнутыми и оставляют в них стержневую смесь. Сыпучий материал во внутренней полости повышает демпфирующие свойства станины. Применяются также станины, у которых отвод стружки производится через окна в задней стенке. Станины с наклонной задней стенкой и расположением направляющих на разном уровне обладают высокой жесткостью и хорошими условиями для отвода стружки.
Сечения, представленные на рисунках 1.4.а, 1.4.б, 1.4.в и 1.4. г, применяют при необходимости отвода большого количества стружки и охлаждающей жидкости. Наименее жесткими являются станины с сечением из двух стенок (рисунок 1.4.а), которые применяют в станинах на ножках токарных и револьверных станков с диаметром обработки до 400 мм. Станины с двойными стенками (рисунок 1.4.б) обладают более высокой жесткостью (превышение составляет от 30 % до 40 %) и применяются в многорезцовых станках. Станины с наклонной стенкой (рисунок 1.4.г) и отводом стружки через окна в задней стенке (рисунок 1.4.в) применяют в токарных и револьверных станках с диаметром обработки в диапазоне от 630 до 800 мм. Такие станины чаще выполняют сплошными. Часть станины под передней бабкой целесообразно выполнять с замкнутым контуром с окнами в нижней стенке, которые из условий жесткости должны быть минимально возможных размеров.
Рисунок 1.4 – Типы сечений горизонтальных станин
Наиболее жесткими являются станины с замкнутым контуром сечения. В станках с нижним расположением суппортов на наклонной стенке конструкция суппорта сложнее и имеет худшее направление. С замкнутым контуром поперечного сечения выполняют обычно элементы рамных станин специализированных высокопроизводительных станков, станков с программным управлением. При этом вследствие верхнего расположения суппортов обеспечивается также удобный отвод стружки. Сечения, представленные на рисунке 1.4.д, применяют в станинах тяжелых станков. Количество стенок определяется числом направляющих, которое доходит до четырех-пяти, в зависимости от размера и количества суппортов. Станины особо тяжелых станков выполняют с двойными стенками. При возможности попадания стружки между направляющими предусматриваются наклонные люки, из которых стружка отводится через фундамент. Значительное повышение жесткости обеспечивается сплошным стальным листом, прикрепленным снизу.
При отсутствии необходимости в отводе стружки применяют станины с сечением, представленным на рисунке 1.4.е.
Ширина сечений станин определяется:
– размерами обрабатываемых на станке заготовок;
– условиями жесткости;
– условиями направления суппортов и столов.
Ширина станин, работающих в условиях изгиба в вертикальной плоскости (продольно-строгальных, продольно-фрезерных и т. п. станков), определяется главным образом размерами обрабатываемых заготовок.
В станинах, нагруженных пространственной нагрузкой и испытывающих деформации кручения, ширина станины в значительной степени определяет жесткость (жесткость примерно пропорциональна квадрату ширины). Поэтому ширину таких станин (токарных, револьверных, расточных и т. п. станков) следует принимать максимально допустимой из конструктивных соотношений.
Высота сечений станин на ножках определяется условиями необходимой жесткости. Для токарных станков оптимальным является отношение высоты сечения к ширине примерно равное единице.
Высота сечения сплошных станин определяется главным образом условием размещения обрабатываемой заготовки на наиболее удобном для наблюдения уровне.
Стенки. С увеличением толщины стенок жесткость и вес станины увеличиваются примерно пропорционально увеличению толщины. Влияние на жесткость габаритных размеров сечения значительно больше. Поэтому оптимальной следует считать толщину стенок (и перегородок) минимально допустимую из технологических соображений, а требуемую жесткость обеспечивать соответствующим выбором размеров сечения и другими конструктивными факторами. В станинах из двух стенок с перегородками стенки имеют Т- или П-образное сечение. В нижней части стенок, а также на уровне верхнего конца перегородок делают отбортовки, которые повышают жесткость стенок.
Рациональным является сокращение деформируемой длины стенок и выполнение станин у задней ножки замкнутого сечения со сплошной верхней стенкой и с нижней стенкой с окнами минимальных размеров. В станинах на ножках револьверных станков задняя ножка обычно отодвигается от края к середине, чем также сокращается деформируемая длина стенок.
Станины тяжелых станков изготовляют часто составными. При проектировании такой станины необходимо принимать конструктивные меры для достижения жесткости стыков между ее частями.
Вертикальные станины. Форма сечений вертикальных станин (стоек) зависит от действующих на нее сил и условиями жесткости. Основные типы сечений стоек приведены на рисунке 1.5.
По условиям нагружения вертикальные станины разделяются на стойки: а) нагружаемые силами в плоскости симметрии (станков типа сверлильных); б) нагружаемые пространственной нагрузкой (фрезерных, расточных, продольно-строгальных, карусельных и других станков).
Стойки, показанные на рисунке 1.5.а применяют в тех случаях, когда должна быть обеспечена возможность поворота узлов относительно оси стойки, а также при небольших нагрузках. Основное применение – стойки радиально-сверлильных станков. Применяются также в вертикально-сверлильных станках – настольных и портального типа. Для стоек одностоечных станков при нагружении силами в плоскости симметрии применяют сечения, показанные на рисунке 1.5.б. Основное применение – это стойки вертикально-сверлильных, агрегатных станков. Оптимальное соотношение габаритных размеров, равноценно отношению двух условных единиц к трем.
Увеличения жесткости стоек добиваются с помощью поперечных и продольных ребер. Во избежание коробления стенок расстояние между ребрами не должно быть более 400 мм.
Рисунок 1.5 – Типы сечений вертикальных станин (стоек)
Для стоек одностоечных станков, нагруженных сложной пространственной нагрузкой, применяют сечения, показанные на рисунке 1.5.в. Такие стойки имеют повышенную жесткость на кручение. В отношении жесткости контура сечения наиболее рациональны конструкции с высокими поперечными ребрами. Основное применение – это стойки расточных и фрезерных станков.
Оптимальным соотношением габаритных размеров стоек является отношение высоты ее поперечного сечения к ее ширине равное единице.
Сечения стоек, показанные на рисунках 1.5.г и 1.5.д применяют в станках портального типа. В этом случае сечения вытянуты в направлении перпендикулярном к плоскости портала. Наиболее распространены стойки с сечением, близким к прямоугольному (рисунок 1.5.д). Сечения с контуром в виде двух прямоугольников (рисунок 1.5.г) имеют стойки некоторых карусельных и продольно-строгальных станков. Вместе с тем для этих станков прямоугольная форма сечения является также более рациональной.
Для уменьшения деформаций искажения контура сечения предусматриваются поперечные ребра или перегородки.
Стойки продольно-строгальных и продольно-фрезерных станков могут быть унифицированы. При оптимальной форме поперечного сечения и размерах сечения, определяемых требуемой жесткостью, толщину стенок выбирают минимально возможной из технологических соображений. Применяемые формы направляющих стоек – прямоугольные, остроугольные (в форме «ласточкина хвоста») и комбинированные.
В стойках портальных станков для повышения жесткости соединения поперечины со стойками на внутренней боковой стенке стоек иногда делается дополнительная направляющая, по которой осуществляется зажим поперечины. Размеры сечений стоек обычно делают переменными по высоте – стойки расширяются книзу. При учете кручения целесообразно такое изменение сечений стойки, при котором с удалением от основания стойки форма сечений приближается к квадратной.
В стойках относительно большой высоты (существенно большей размеров сечения), если в них нет поперечных перегородок – сплошных или с окнами небольших размеров, – при пространственной нагрузке, действующей на стойку, возникают значительные деформации искажения контура сечения.
В отношении жесткости поперечного сечения влияние диагональных связей аналогично влиянию перегородок. Крестообразные продольные перегородки практически жесткость контура не увеличивают. Поперечные ребра могут рассматриваться как перегородки с окнами. Окна в перегородках, площадь которых меньше 0,2 – 0,3 площади перегородки, весьма незначительно уменьшают влияние перегородок на жесткость.
Наиболее рациональной является такая форма окна, которая обеспечивает наибольшую жесткость перегородки в своей плоскости, т. е. близкая к треугольной. С уменьшением высоты поперечных ребер, что равносильно увеличению размеров окна в перегородке, жесткость контура резко уменьшается. Однако даже при сравнительно небольшой высоте ребер, составляющей в диапазоне от 5 % до 10 % стороны сечения, наличие поперечных ребер повышает жесткость контура по сравнению со стойкой без ребер на величину от 30 % до 40 %.
Для повышения жесткости контура сварных стоек, внутри которых размещаются противовесы, стенки можно выполнять двойными, соединенные перегородками. Жесткость контура сечения стоек с двойными стенками значительно выше, чем жесткость стоек со сплошными толстыми стенками того же веса. Однако и в сварном исполнении введение достаточного количества перегородок оказывается все же значительно более эффективным, чем выполнение стенок двойными. При отсутствии искажения контура сечения влияние на жесткость поперечных. перегородок и ребер весьма незначительно. Для повышения жесткости стенок в плоскости меньшей жесткости стенки стоек обычно подкрепляют сравнительно невысокими ребрами – поперечными и продольными или диагональными. Во избежание колебаний стенок как диафрагм площадь поверхности стенок между ребрами не должна превышать 160 000 мм2.
Влияние продольных и диагональных ребер на жесткость примерно пропорционально увеличению общей площади сечения стенок за счет ребер и при реальных соотношениях размеров не превышает диапазона величин от 10 % до 15 %. При сильно вытянутой форме сечения стойки снабжают продольными перегородками.
Введение продольных перегородок оказывает небольшое влияние на жесткость и вызывается главным образом необходимостью увеличения местной жесткости стенок и требованиями литейной технологии.
Для монтажа электродвигателей, электроаппаратуры и отдельных механизмов станка стойки приходится делать с окнами. Влияние окон на жесткость определяется их размерами и расположением. Максимальное влияние на жесткость изгиба оказывают окна, расположенные в стенках, перпендикулярных плоскости изгиба. При кручении окна в узких стенках значительно больше влияют на жесткость, чем окна в широких стенках. С увеличением размеров окна жесткость кручения резко падает.
Ширина окна b должна удовлетворять условию:
Длина L, измеряемая вдоль оси стойки, должна удовлетворять условию:
где В – ширина соответствующей стенки стойки.
Окна следует закрывать достаточно жесткими крышками, притягиваемыми болтами, или заменять нишами. Влияние на жесткость отбортовок у окон, при незатянутых болтами крышках, невелико.
Плиты служат для повышения устойчивости станков с вертикальными станинами и применяются в станках с неподвижным изделием. Конструктивно плиты выполняют в виде пластины с системой стенок и ребер или двух пластин, скрепленных стенками и ребрами. Высота плит не должна быть меньше одной десятой части длины плиты.
Коробчатые базовые детали – шпиндельные бабки, коробки скоростей, коробки подач и т.п. – чаще имеют форму параллелепипеда, реже – цилиндрическую форму (многошпиндельные токарные автоматы). Жесткость коробок увеличивают за счет увеличения жесткости стенок непосредственно в месте приложения нагрузки путем постановки бобышек и ребер. Однако увеличение диаметра бобышек сверх 1,4 – 1,6 диаметра отверстия и высоты бобышки сверх 2,5 – 3 толщины стенки большого эффекта не дает. Отверстия в стенках снижают жесткость коробок пропорционально соотношению площадей отверстия и стенки.
Базовые узлы типа суппортов и салазок предназначены для перемещения заготовки или инструмента и имеют обычно две системы направляющих. Конструктивно формы суппортов и салазок определяются формой и расположением направляющих, конструкцией регулирующих элементов и механизма привода, требованиями к габаритам по высоте. При конструировании салазок и суппортов приходится учитывать противоречивые требования: уменьшение массы и габаритов по высоте, с одной стороны, и увеличение жесткости, которое достигается увеличением высоты салазок, с другой стороны. Местные деформации планок и направляющих от действующих сил можно уменьшить рациональным расположением ребер.
Столы служат для поддержания и перемещения заготовок при обработке и подразделяются на подвижные и неподвижные. Подвижные столы имеют одну систему направляющих, т.е. перемещаются в одном направлении. Неподвижные для поддержания изделий и подвижные консольные столы имеют коробчатую форму с внутренними перегородками и ребрами, повышающими их жесткость.
Переход от основной части станины к направляющим может быть оформлен в виде одной или двух переходных стенок – прямых или наклонных. Встречается непосредственное соединение направляющих с основными стенками.
Присоединение направляющих с помощью одной переходной стенки – наименее жесткое и применяется в станинах токарных и револьверных станков (рисунок 1.6.а); реже применяется в станинах небольших продольно-строгальных и расточных станков (рисунок 1.6.б). Переходная стенка выполняется значительной толщины или подкрепляется ребрами.
Присоединение, показанное на рисунке 1.6.в, применяется в станинах токарных и револьверных станков с двойными стенками, с замкнутым контуром сечения и с отводом стружки через окна в задней стенке. При наличии ребер, обеспечивающих жесткость контура сечения стенки, местные деформации таких направляющих незначительны.
Рисунок 1.6 – Конструктивные формы присоединения направляющих к основной части станины
Присоединение с помощью двух переходных стенок (рисунки 1.6.г и 1.6.д) применяется в станинах с верхней стенкой расточных, продольнофрезерных, продольно-строгальных станков и др. При ширине направляющих, меньшей, чем ширина станины, наружная стенка делается с изломами. Под действием нагрузки в плоскости, перпендикулярной направляющей, наличие изломов наружной стенки снижает местную жесткость в 1,5 – 3 раза. Жесткость направляющих с двумя переходными стенками существенно увеличивается при уменьшении длины переходных стенок и увеличении расстояния между ними.
Конец ознакомительного фрагмента.