2. Обеспечение жесткости

Жесткость станка - это его свойство сопротивляться появлению смещений под действием постоянных или медленно изменяющихся во времени сил, В об­щее смещение входят деформации тела деталей (станины, шпинделя, суппор­та и др,); контактные деформации, характерные для механизмов, в которых начальное касание деталей происходит в точке или по линии (подшипники ка­чения, кулачковые механизмы); деформации стыков между деталями. С жесткостью станка непосредственно или через технологическую наследствен­ность связана точность обработанных деталей. Кроме того, деформации отдельных деталей станка и стыков между ними приводят к повышению кон­центрации напряжений, перекосам, нарушению жидкостного трения в парах скольжения. Поэтому размеры и параметры многих узлов и деталей опреде­ляют по критерию жесткости.

Жесткость станка связана с его компоновкой. Применяют жесткие замкнутые рамные конструкции; двухстоечные вертикальные станки, более жесткие, чем одностоечные; симметричные конструкции, в которых упругие смещения в направлении, влияющем на точность обработки, меньше смеще­ний, появляющихся в несимметричных конструкциях. Осесимметричными де­лают, например, шпиндельные бабки (рис. 22,а), столы вертикально-протяж­ных станков (рис. 22,6),

Высокой точности формы обработанных деталей можно достичь, когда при относительном перемещении инструмента и детали жесткость технологи­ческой системы остается практически постоянной. Поэтому обеспечивают по­стоянство жесткости шпинделя по углу поворота, рационально располагают опоры станка (например, одностоечные станки устанавливают на трех опорах: две - в средней плоскости стола, третья - под стойкой).

Детали, оказывающие существенное влияние на жесткость, целесообразно размещать так, чтобы они работали на растяжение-сжатие, В этом случае жест­кость выше по сравнению с конструкцией, в которой детали работают на изгиб и кручение.

Для уменьшения деформаций тела деталей их изготовляют из материа­лов с высоким модулем упругости, их поперечному сечению придают рацио­нальную форму, например кольцевую вместо круговой (рис, 2,2, в). В кор­пусных деталях типа стоек делают перегородки (рис, 12,г),благодаря кото­рым стенки нагруженной детали работают совместно и искажение ее контура значительно уменьшается. Для снижения местных деформаций плоские стенки снабжают ребрами.

Для повышения контактной жесткости узлов и станка в целом уменьшают число стыков; улучшают качество обработки контактирующих поверхностей; в подшипниках, направляющих качения, передачах винт-гайка качения и дру­гих узлах создают предварительный натяг.

2.3. Обеспечение теплостойкости

Нагрев станка сопровождается температурными деформациями его дета­лей, изменением формы их поверхностей, нарушением точности взаимного положения узлов. Температурные деформации оказывают влияние не только на точность, но и на долговечность станка, так как приводят к изменению зазо­ров и натягов, ухудшению смазывания, снижению контактной жесткости сопряжений, возникновению дополнительных колебаний.

Источники теплоты делятся на внешние и внутренние. Внешними являют­ся солнечные лучи, падающие непосредственно на станок, близко от него рас­положенное оборудование с мощными системами нагрева или охлаждения, воздушные потоки, фундамент станка, К внутренним источникам относятся процесс резания, электродвигатели, гидроагрегаты, пары трения.

При разработке конструкции станка следует применять такие методы сни­жения температурных деформаций, как выбор рациональной его компоновки, уменьшение теплообразования в передачах и опорах, интенсивный отвод теп­лоты из зоны образования, искусственное выравнивание температурного поля, взаимная компенсация температурных деформаций ответственных узлов.

Разрабатывая компоновку станка, наиболее интенсивные источники теп­лоты (электродвигатель главного привода, гидроагрегаты, резервуары с ох­лаждающей и рабочей жидкостями) располагают вне станка на достаточном удалении от него. Источники теплоты целесообразно размешать в верхней час­ти станка. Интенсивные источники могут быть изолированы от несущей систе­мы. С этой целью электродвигатель 2 главного привода ограждают теплоизо­лирующим кожухом 2 (рис, 2.3, в) и снабжают вентилятором, направляющим воздушный поток снизу вверх; между шпиндельной бабкой и стойкой станка помешают планки, изготовленные из материала с низкой теплопроводностью; для отвода смазочно-охлаждающей жидкости предусматривают каналы из ма­териала с аналогичными свойствами. Проектируя узел, интенсивные источники теплоты располагают на большом расстоянии от ответственных поверхностей и симметрично относительно них. Последнее приводит к образованию в ответственных деталях симметричного температурного поля и к минимальным деформациям

.Снижения теплообразования в приводах, передачах и опорах достигают следующими способами. Применяя регулируемые электродвигатели с высо­ким коэффициентом полезного действия, уменьшают кинематические цепи. Используют механизмы качения, гидростатические, гидродинамические. Оптимизируют предварительный натяг. Встраивают в станки эффективные системы смазывания масляным туманом, масловоздушной смесью, циркуляционные с дозированной подачей масла.

Интенсивный отвод теплоты из зоны ее образования позволяет предохра­нять ответственные детали от значительного нагревания, Теплоту из зоны реза­ния отводят с помощью смазочно-охлаждающей жидкости, подаваемой не только поливом, но и в виде высоконапорной струи, через тело инструмента, Наружные поверхности корпусных деталей снабжают ребрами. Обеспечивают разбрызгивание масла на их внутренние поверхности. Большую долю теплоты, выделяющейся в опорах качения прецизионных шпинделей, отводят с по­мощью, тепловых труб, циркулирующего охлажденного масла или воздуха.

Решающее влияние на температурные деформации станка оказывает пере­менность в пространстве его температурного поля. Поэтому бывает эффектив­ным выравнивание его с помощью холодильной установки или нагревательно­го устройства, установленных в несущей системе, С этой же целью используют теплоту воздуха, нагретого электродвигателем. Например, благодаря пропусканию теплого воздуха по задней стенке стойки 3, которая при работе стан­ка нагревателя значительно меньше передней, удалось снизить температурные деформации координатно-расточного станка (рис.23,6),

Подбор материалов с оптимальными теплофизическими характеристика­ми позволяет свести к минимуму температурные деформации ответственных деталей. Из сплавов, подобных инвару (с коэффициентом линейного расшире­ния, составляющим одну десятую коэффициента расширения стали или чугу­на) , изготовляют ряд деталей несущей системы прецизионных станков, шка­лы измерительных систем. Для фундаментов станков иногда применяют материалы с коэффициентом линейного расширения, близким к тому, который имеет материал станины. Детали, находящиеся в непосредственной близости от интенсивных источников теплоты, для улучшения теплоотвода изготовляют из материалов с высокой теплопроводностью. Детали, предназначенные для за­щиты от нагрева других деталей, делают из пластмасс, порошковых и других материалов с малой теплопроводностью.

Теплостойкость станков можно улучшить использованием принципа взаимной компенсации температурных смешений ответственных узлов. Так, благодаря обратной базе 4 шпиндельной бабки 5 (рис, 2,3, в) ее температур­ное расширение Δ₁ компенсируется противоположным смещением . Δ ₂. базы. Управление базой инструмента реализуется, например, когда удлинение спе­циально нагреваемого стержня 6 (рис, 2.3, г), соединенного со шлифовальной бабкой, и температурное удлинение ходового винта направлены в противоположные стороны.

С этой же целью опору ходового винта соединяют с крышкой гидравли­ческой полости 7, выполненной в виде мембраны. Давление в полости регули­руется (рис, 2.3,д).

Методы автоматической компенсации температурных смещений позво­ляют производить коррекцию положения инструмента или заготовки на осно­ве измерения смещений или температуры в точке, найденной опытным путем, или исходя из теоретических предпосылок. Например, автоматическая система 8 выполняет коррекцию координатных перемещений стола по сигналам о температуре в передней опоры шпинделя (рис, 2,3, е),