Конструктивные формы базовых деталей и материалы

 

Станины бывают в зависимости от расположения оси станка горизонтальные и вертикальные (стойки). Они несут на себе основные подвижные и неподвижные узлы станка. Форма поперечного сечения горизонтальных станин определяется требованиями жесткости, расположением направляющих, условиями удаления стружки и охлаждающей жидкости, размещением в станинах различных механизмов, агрегатов и резервуаров для масла и охлаждающей жидкости.

Основные типы сечений горизонтальных станин представлены на рис. 7.1.Все сечения, кроме показанных на рис. 7.1, д,применяют при необходимости отвода большого количества стружки и охлаждающей жидкости. Станины с двойными стенками (рис. 7.1, б) в 1,3-1,4 раза жестче, чем станины с одинарными стенками (рис. 7.1, а). Внутренние полости между стенками часто делают замкнутыми и оставляют в них стержневую смесь. Замкнутый профиль имеет гораздо бóльшую жесткость (особенно на кручение), чем разомкнутый, а сыпучий материал во внутренней полости повышает демпфирующие свойства станины. Применяют также станины, у которых стружка отводится через окна в задней стенке (рис. 7.1, в). Сечения станин с наклонной задней стенкой и расположением направляющих на разном уровне (рис. 7.1, г)обладают высокой жесткостью и создают хорошие условия для отвода стружки. Тяжелые станки (токарные, продольно-строгальные, продольно-фрезерные, расточные) имеют сечение станин, аналогичное сечению на рис. 7.1, д. При отсутствии защитных устройств стружка отводится через наклонные люки в станине. Сечения типа рис. 7.1, е применяют в высокопроизводительных токарно-гидрокопировальных, многорезцовых станках и в станках с программным управлением.

 

Рис. 7.1. Типы сечений горизонтальных станин

 

Форма сечений вертикальных станин (стоек) зависит от действующих на них сил. Стойки, испытывающие нагрузки в плоскости симметрии (например, вертикально-сверлильные станки), имеют профиль сечения, показанный на рис. 7.2, а, г. Если же нагрузка пространственная (фрезерные, расточные и другие станки), то профиль сечения стоек делают близким к квадрату (рис. 7.2, б),что обеспечивает повышенную жесткость на кручение. Стойки станков имеют круглое сечение (рис. 7.2, в), если необходимо обеспечить поворот узлов относительно оси стойки (радиально-сверлильные станки).

 

а)                            б)                       в)                           г)

 

Рис. 7.2. Типы сечений вертикальных станин (стоек)

 

Увеличения жесткости стоек добиваются с помощью поперечных и продольных ребер. Во избежание коробления стенок расстояние между ребрами должно быть не более 400 мм. У большинства станков момент сил, действующих на стойку у основания, больше, чем момент сил, действующих сверху, поэтому стойки выполняют расширяющимися книзу хотя бы в одной плоскости.

Плиты служат для повышения устойчивости станков с вертикальными станинами; их применяют в станках с неподвижной заготовкой (тяжелые расточные станки, радиально-сверлильные, консольно-фрезерные, вертикально-сверлильные и другие станки). Конструктивно плиты выполняют в виде пластины с системой стенок и ребер или двух пластин, скрепленных стенками и ребрами. Высота плит не должна быть меньше 1/10 длины плиты.

Коробчатые базовые детали (шпиндельные бабки, коробки передач, коробки подач, фартуки 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 более 1,4-1,6 диаметра отверстия и высоты бобышки более 2,5-3 толщины стенки большого эффекта не дает. Отверстия в стенках снижают жесткость коробок пропорционально соотношению площадей отверстия и стенки.

Базовые детали типа суппортов и салазок предназначены для перемещения заготовки или инструмента и имеют обычно две системы направляющих. Конструктивные формы суппортов и салазок определяются формой и расположением направляющих, конструкцией регулирующих элементов и механизма привода, требованиями к размерам по высоте. При конструировании салазок и суппортов приходится учитывать противоречивые требования: уменьшение массы и размеров по высоте, с одной стороны, и увеличение жесткости, которое достигается увеличением высоты сечения салазок, с другой.

Столы служат для поддержания и перемещения заготовок при обработке; их делят на подвижные и неподвижные. Подвижные столы имеют одну систему направляющих, т.е. перемещаются в одном направлении. Столы неподвижные для поддержания заготовок (радиально-сверлильные, протяжные станки) и подвижные консольные (вертикально-сверлильные, поперечно-строгальные станки) имеют коробчатую форму с внутренними перегородками и ребрами, повышающими их жесткость.

Фрезерные, продольно-фрезерные, шлифовальные и другие станки имеют подвижные столы плоской прямоугольной формы. Их жесткость определяется главным образом высотой. В продольно-фрезерных станках отношение высоты стола к ширине, равное 0,14-0,16, считается оптимальным.

Подвижные столы круглой формы имеют карусельные, зуборезные и другие станки. Круглые столы (планшайбы) карусельных станков диаметром более 1000 мм выполняют коробчатыми с радиальными и кольцевыми ребрами.

В большинстве конструкций базовых деталей в стенках предусматриваются технологические окна и вырезы. Иногда они нужны для размещения внутри них некоторых вспомогательных устройств (элементов систем смазывания и охлаждения, противовесов). Они значительно снижают жесткость базовых деталей, особенно крутильную жесткость. Для частичной компенсации потери жесткости используют дополнительные ребра и перегородки. Реже встречаются местные утолщения и приливы, так как по литейным соображениям следует стремиться к равной толщине стенок всей конструкции. Ориентировочно толщина стенки (по литейным условиям)

 

,

 

где L, В, Н – габаритные размеры деталей, м (причем L – наибольший из них).

При конструировании базовых деталей необходимо учитывать следующее:

1. Детали, работающие на растяжение и сжатие, обладают, как правило, значительно большей жесткостью, чем детали, работающие на изгиб и кручение.

2. Наибольшую жесткость на изгиб обеспечивают сечения с максимально возможным удалением части площади от нейтральной оси, а наибольшую крутильную жесткость – замкнутые кольцевые сечения. Разрез замкнутого контура приводит к уменьшению жесткости при кручении в десятки и сотни раз.

3. Для уменьшения местных деформаций в базовых деталях необходимо применять перегородки, препятствующие искажению контура и обеспечивающие совместную работу стенок. Этой же цели служат отдельные ребра и сетка ребер.

4. Рациональный выбор опорных точек позволяет значительно уменьшить деформацию. Например, при постоянном сечении балки установка опор в точках Бесселя на расстоянии 0,223 L от концов балки уменьшает прогиб от собственной массы в 48 раз по сравнению с прогибом при опорах на концах.

5. Снизить погрешности обработки можно применением конструкций, обеспечивающих наименьшие перемещения между инструментом и заготовкой в направлении, определяющем точность обработки. К ним, в частности, относятся симметричные конструкции.

6. Обработка базовых деталей с начальным деформированием в сторону, противоположную деформациям от массы или рабочей нагрузки, позволяет повысить точность обработки по длине. Этого добиваются также обеспечением малого изменения жесткости по координате обработки.

7. Необходимо стремиться к рациональному балансу жесткости, чтобы жесткие базовые детали имели жесткость неподвижных стыков такого же порядка.

Основными материалами базовых деталей, удовлетворяющими условиям стабильности, жесткости и виброустойчивости, являются чугун и низкоуглеродистая сталь. Значительно реже применяют бетон, да и то в качестве материала для оснований или станин.

Чугун наиболее распространенный материал для изготовления базовых деталей. Чаще всего применяют чугун СЧ 15. Он обладает хорошими литейными свойствами, мало коробится, но имеет сравнительно низкие механические свойства (модуль продольной упругости Е = 80¸150 кН/мм²). Применяют для изготовления оснований большинства станков, салазок, столов, корпусов задних балок, тонкостенных отливок с большими габаритными размерами небольшой массы и других деталей сложной конфигурации при недопустимости большого коробления и невозможности подвергнуть их старению.

При повышенных требованиях к износостойкости направляющих, выполненных как одно целое с базовой деталью, применяют чугун СЧ 20. Его также широко используют при изготовлении станин и других ответственных корпусных деталей прецизионных станков. Значительно реже применяют чугуны     СЧ 30 и СЧ 35. Обладая высокой прочностью и износостойкостью, они имеют плохие литейные качества, поэтому их не рекомендуют для изготовления базовых деталей сложной формы и крупногабаритных. Эти чугуны применяют для изготовления блоков и плит многошпиндельных станков, станин токарных, револьверных станков, базовых деталей станков-автоматов и других интенсивно нагруженных станков. Для изготовления базовых деталей станков применяют легированные чугуны с присадками никеля, хрома, магния, ванадия и других элементов.

В деталях из литых чугунов образуются остаточные напряжения, которые могут привести к короблению базовых деталей и нарушению точности станка. Для снятия этих напряжений в станкостроении применяют различные методы старения: естественное, тепловую обработку, метод термоударов, отжиг, вибрационное старение, статическую перегрузку и др.

Углеродистую сталь используют при изготовлении сварных базовых деталей простой формы. Сварными базовые детали делают при мелкосерийном и единичном характере производства; их широко применяют в станках, работающих при ударных и очень больших нагрузках. По сравнению с литыми, сварные конструкции значительно легче при той же жесткости, поскольку модуль упругости стали в 2-2,4 раза выше модуля упругости чугуна. Кроме того, сварные конструкции имеют более совершенные формы с точки зрения жесткости, возможности исправления дефектов конструкции, менее трудоемки. При этом используют в основном листовую сталь Ст3 или Ст4 сравнительно большой толщины (8-12 мм). Тонкостенные базовые детали имеют толщину стенок 3-6 мм, что позволяет получить максимальную экономию металла, но технологически они сложнее из-за большого числа перегородок и ребер. Широко применяют конструкционные фасонные профили в сварных станинах, что позволяет существенно снизить трудоемкость их изготовления.

Бетон хорошо гасит вибрации, что увеличивает динамическую жесткость станка. Кроме того, большая, по сравнению с чугуном, тепловая инерция делает бетон менее чувствительным к колебаниям температуры. Модуль упругости бетона меньше, чем чугуна; и ту же жесткость бетонной станины можно достичь, увеличивая толщину стенок. Увеличение массы детали при этом остается в допустимых пределах, так как удельный вес бетона составляет только треть удельного веса серого чугуна.

Вместе с тем необходимо учитывать, что бетон после схватывания поглощает влагу, что влечет за собой объемные изменения, а попадание масла на бетон повреждает его. Необходимы меры по защите бетона от влаги и попадания масла. В бетонной станине станка (рис. 7.3)силовое замыкание между направляющими станка и деталями крепления передней бабки проходит непосредственно через бетон, обеспечивая эффективное гашение вибраций.

 

 

Рис. 7.3. Бетонная станина токарного станка с числовым управлением

 

Для изготовления станин тяжелых станков иногда применяют железобетон. Обеспечивая такую же жесткость, как и чугунная станина, железобетон дает экономию металла примерно на 40-60 %.

Как у нас в стране, так и за рубежом разрабатывают новые материалы для базовых деталей. Перспективным считают применение полимербетона для станин и оснований станков (рис. 7.4).Обладая сравнительно высоким модулем упругости (Е» 40 кН/мм²), полимербетон лишен недостатков обычного бетона.

Рис. 7.4. Станина из полимербетона

Расчет базовых деталей

Базовые детали станков рассчитывают на жесткость и температурные деформации с точки зрения точности [10].

Жесткость базовых деталей во многом определяет погрешности обработки и характеризуется величиной смещения инструмента относительно заготовки из-за деформаций базовых деталей. Она определяет также работоспособность механизмов станка, которая зависит от распределения давлений в сопряжениях. Жесткость отдельных базовых деталей определяется собственной их жесткостью на изгиб, кручение, сдвиг и т.п., а жесткость соединений элементов характеризуется отношением нагрузки Р к соответствующему относительному перемещению d в стыке:

 

;

 

изгибная и крутильная жесткость

 

; ,

 

где f – вызываемая силой деформация; М– крутящий момент; q₁ – угол закручивания на единицу длины.

Приближенный технический расчет на жесткость в своей основе имеет следующие допущения: все силовые факторы сводятся к сосредоточенным силам, т.е. распределенные нагрузки заменяют равнодействующими силами; базовые детали имеют стенки постоянного сечения; все рассчитываемые детали рассматривают как брусья, пластины или коробки соответствующей приведенной жесткости.

Нагрузку, действующую на элементы базовых деталей, представляют в виде составляющих, действующих в плоскости стенок, образующих основной контур сечения элемента, и в перпендикулярной к ним плоскости. Деформации элементов с жестким контуром сечения от нагрузки, действующей в плоскости стенок, относятся к так называемым общим деформациям, а от нагрузки, действующей в плоскости, перпендикулярной к стенкам – к местной. При рассмотрении деформаций деталей типа станин, стоек, поперечин, рукавов, хоботов и т.п. учитывают общие деформации изгиба, сдвига и кручения, как для сплошных брусьев, или, в случае необходимости, деформации, связанные с искажением контура сечения, а также местные деформации направляющих или фланцев. Для деталей типа плоских столов, плит, суппортов и т.п. определяют, главным образом, деформации от нагрузки, действующей перпендикулярно их плоскости, рассматривая детали как однородные пластины (если в деталях коробчатой формы нагрузка приложена в плоскости перегородок). Для деталей типа коробок рассматривают, главным образом, деформации стенок коробки в плоскости меньшей жесткости. При определении деформаций деталей, перемещаемых по направляющим (суппортов, столов, ползунов и т.п.), их рассматривают как балки на упругом основании, которым являются поверхностные слои направляющих.

Для расчета базовых деталей составляют расчетную схему (рис. 7.5) сдействующими нагрузками. Определяют деформации с использованием приближенных формул. Например, прогиб в середине пролета двухопорной балки

 

,

 

а прогиб свободного конца балки с заделанным концом

,

где Р – поперечная сила соответственно в середине пролета или на конце заделанной балки, Н; L – длина рабочего участка балки, см;   – приведенная жесткость балки на изгиб.

Угол закручивания балки от действия крутящего момента

,

где М_к– крутящий момент, Н∙см;  – приведенная крутильная жесткость.

                                а)                                          б)                               в)

 

Рис. 7.5. Расчетные схемы базовых деталей станков:

а – токарного; б – многооперационного; в – сверлильного

Приведенную жесткость элемента на изгиб или кручение определяют из условия равенства перемещений элемента, рассматриваемого как брус или пластина и как пространственная система, при выбранном частном виде нагружения только изгибающими силами или только крутящими моментами. Она зависит от конструктивного оформления базовой детали, расположения перегородок, толщины стенок и т.п.

Приведенная жесткость на изгиб станины из двух основных боковых стенок и перпендикулярных связующих перегородок в направлении, перпендикулярном боковым стенкам (рис. 7.6, а),

 

,

 

а при диагональных перегородках (рис. 7.6, б)

 

,

 

где k ₁ и k ₂ – коэффициенты, зависящие от числа n и расположения перегородок (табл. 7.1); J _ст – момент инерции сечения боковой стенки, см⁴; Е – модуль упругости материала станины, Н/см²; S _ст – площадь сечения боковой стенки, см².

 

 

                                                           а)                                  б)

Рис. 7.6. Формы станин

 

Перегородки практически не оказывают влияния на жесткость при изгибе в плоскости боковых стенок, и в этом случае момент инерции в выражении  берут относительно нейтральной линии Y - Y.

Таблица 7.1

 

Значения коэффициентов k ₁ и k ₂ в зависимости от расположения перегородок в станине

 

Схема базовой детали	n	k 1	Схема базовой детали	n	k 2
	1			2
	2			4
	3			6

 

Примечание. Обозначения: ; ; ; ; ; , где F_n,  – площадь поперечного сечения и момент инерции на изгиб в плоскости меньшей жесткости перегородок; a – половина угла между диагональными перегородками.

 

Приведенная крутильная жесткость этой же базовой детали с перпендикулярными перегородками

 

,

 

где В – ширина детали (расстояние между боковыми стенками), см;  – момент инерции сечения боковой стенки на изгиб в вертикальной плоскости; G – модуль сдвига материала базовой детали, Н/см².

При наличии диагональных перегородок

 

,

 

где k ₃ – коэффициент, учитывающий форму и число перегородок.

Для станин с замкнутым контуром сечения приведенную крутильную жесткость определяют, как для полых труб:

 

,

 

где S – площадь замкнутого сечения по осевым линиям стенок, см²; d – толщина стенок, мм; L – периметр сечения, см.

Базовые детали типа пластин (основания, плоские столы, суппорты, салазки) рассчитываются на перекос при изгибе пластины под действием внешних нагрузок (см. рис. 7.5, б):

 

.

 

Рассматривая пластину как балку на упругом основании, каждую составляющую угла перекоса можно представить в следующем виде:

 

; ; ,

 

где b – ширина плиты, мм;  – коэффициент жесткости плиты; k – коэффициент жесткости упругого основания, приблизительно  Н/см²;        J – момент инерции поперечного сечения; k_{q 1}, k_{q 2}, k _М – коэффициенты, определяемые в зависимости от геометрических параметров плиты и длины приложения распределенной нагрузки.

Расчет на жесткость базовых деталей типа коробок сводится к определению перемещения стенки в точках приложения внешних сил в направлении, перпендикулярном к плоскости стенки,

 

,

 

где n ₁, n ₂, n ₃, n ₄ – коэффициенты, учитывающие связь рабочей стенки с остальным корпусом, влияние ребер, бобышки, отверстий; а – половина наибольшего габаритного размера стенки; m – коэффициент Пуассона.