Проектирование инструментов и оборудования. Учебное пособие, Часть 3. Корнеев В.И., Пачевский В.М

Впоследнее время при расчетах конструкций корпусных деталей сложных металлорежущих систем все шире используют ЭВМ. Для выбора оптимальной несущей системы станка составляют oценочные математические модели. Количественными — оценочными критериями при этом служат определенные значения параметров точности, жесткости, виброустойчивости.

7.НАПРАВЛЯЮЩИЕ СТАНКОВ

Вметаллорежущих станках для прямолинейного и кругового перемещения узлов используют направляющие скольжения и качения. Направляющие должны обеспечивать прямолинейность и точность перемещений узлов и поэтому к ним предъявляют следующие требования; низкий коэффициент трения, не зависящий существенно от скорости; высокая жесткость в направлении, перпендикулярном подаче; высокая способность демпфирования; высокая износостойкость. Точность направляющих достигается соответствующей технологией обработки, а длительное сохранение ее — правильным выбором металла, конструкции и условиями эксплуатации.

Всоответствии с ОСТ-2 Н20—73 установлены следую-

щие типы направляющих скольжения: треугольные симметричные (рис. 23, а), треугольные несимметричные (рис. 23,6), прямоугольные (рис. 23, в) и остроугольные (рис. 23, г). Регулировка зазоров в направляющих скольжения может производиться регулировочными клиньями А, прокладками Б, передвижными планками В (рис. 24). Равномерность смазки направляющих достигается за счет выполнения на их рабочей поверхности специальных смазочных канавок. Направляющие скольжения, несмотря на простоту обычных конструкций (традиционное исполнение), имеют ряд существенных недостатков: невысокую износостойкость, низкую точность установочных перемещений, большие силы трения. Поэтому в станках с ЧПУ все чаще применяют направляющие с пластмассовыми накладками на подвижных узлах, которые характеризу-

101

ются минимальными коэффициентами трения, высокой износостойкостью, низкими температурами в зоне контактирования трущихся поверхностей, высокой жесткостью и хорошей демпфирующей способностью.

Рис. 23

Рис. 24

Пластмассовые направляющие обычно располагают на более короткой из сопрягаемых поверхностей, например на столах, салазках и т. п. Толщина пластмассового слоя 1,5…3 мм. Он наносится методом заливки или приклеиванием накладок в виде ленты. Широкое распространение в станках с ЧПУ получили пластмассовые направляющие из фторопласта. В качестве материала для накладок направляющих используют фторопласт, основным компонентом которого является политетрафторэтилен. Достоинство фторопластовых направляющих — малый коэффициент трения, что исключает скачкообразное перемещение рабочего узла при замедленных скоростях подачи. Кроме того, фторопластовые направляющие характеризуются равномерностью износа, высокой долговечностью и постоянством коэффициента трения. В паре с пластмассовыми

102

направляющими, как правило, применяют закаленные стальные планки твердостью не менее HRCэ 55.

В тех случаях, когда необходимо значительно снизить коэффициент трения и обеспечить его независимость от скорости перемещения, применяют направляющие качения без предварительного регулирования — незамкнутые (рис. 25, а, б) и с предварительным регулированием — замкнутые (рис. 25, в). Тела качения (цилиндрические ролики или шарики) изготавливают с допуском порядка 1 мкм.

Рис. 25

Для смазки роликовых направляющих используют как обычные масла, так и пластичные смазочные материалы, а для защиты от попадания пыли и стружки применяют различные ограждающие устройства, телескопические щитки, гофрированные экраны и т. д.

В станках с ЧПУ нашли применение направляющие качения, изготовленные в виде отдельного узла — так называемых «танкеток», в которых тела качения циркулируют по замкнутой траектории. Такие опоры могут быть использованы в узлах с большой длиной хода. В настоящее время их изготавливают централизованно с унифицированными присоединительными и габаритными размерами.

На рис. 26 приведена конструкция роликовой опоры, которая состоит из корпуса 1, роликов 2 и обойм 3. Крепление опор к привалочным плоскостям узлов осуществляется винтами 4. Для возврата роликов при их обкатке по корпусу 1 в верхней части конструкции предусмотрен зазор h между роликами и корпусом перемещающегося узла. Роликовые опоры

103

применяют в паре с закаленными стальными направляющими, имеющими твердость не менее HRCэ 60...61.

Рис. 26

Направляющие с роликовыми опорами, так же как и направляющие скольжения, могут быть замкнутыми и незамкнутыми. При исполнении замкнутой конструкции (рис. 27) для уменьшения деформаций и обеспечения равномерности распределения действующих нагрузок, каждая роликовая опора 1-

— 6 должна взаимодействовать с противостоящей опорой. Для повышения статической и динамической жесткости и точности перемещений в опорах создается предварительный натяг с помощью клиньев 7 — 9 или мерных прокладок (рис. 27). Сопротивление движению при использовании узлов качения типа «танкеток» определяется силой Q, необходимой для перемещения опоры.

При этом учитывается трение качения, диаметр роликов. Величины Q и коэффициент, учитывающий трение качения, зависят от качества изготовления и монтажа опор. В нормальных условиях Q = 5...15 Н.

В ряде станков с ЧПУ, особенно крупногабаритных, применяют плоские и цилиндрические гидростатические направляющие, работающие в условиях жидкостного трения. Их достоинства: стабильность толщины масляного слоя, низкий

104

коэффициент трения, плавность движения, высокая точность перемещений, пренебрежимо малый износ и нечувствительность к деформации станины. Демпфирующие свойства этих направляющих определяются вязкостью применяемого масла. Гидростатические направляющие, могут быть замкнутого и незамкнутого типа. В замкнутых гидростатических направляющих (рис. 28) нижняя опора 2 выполняется плавающей. Масло от насоса 1 подается под постоянным давлением через дроссели 3 в карманы верхних и нижних поверхностей. Из карманов масло вытекает наружу через зазоры в направляющих. Станки с гидростатическими направляющими снабжены устройствами сбора масла и его очистки,

В станках, где нагрузки относительно невелики, можно использовать аэростатические направляющие. В отличие от гидростатических направляющих в аэростатических вместо масляной подушки создается воздушная. Станки с аэростатическими направляющими снабжены устройствами очистки, охлаждения и сушки воздуха. К качеству изготовления аэростатических опор предъявляют высокие требования, так как от этого в значительной степени зависит устойчивость их работы. Зазор в направляющих должен быть минимальным — 10...15 мкм.

105

7.ХОДОВЫЕ ВИНТЫ И ГАЙКИ

Вметаллорежущих станках наиболее распространенными исполнительными механизмами подач прямолинейного перемещения являются передачи винт—гайка. В универсальных станках широкое применение получила передача винт—гайка скольжения (рис. 29) с трапецеидальным профилем резьбы (а),

адля точных перемещений — с прямоугольным профилем (б). Трапецеидальный профиль более технологичен и обеспечивает удобство регулировки зазоров в передаче. Основные технические требования передач винт—гайка: точность резьбы соединяемых деталей; отсутствие зазора между поверхностями соприкосновения резьб; отсутствие осевых смещений винта и гайки во время работы передачи.

Отраслевым стандартом ОСТ Н33-2-74 установлены шесть классов точности ходовых винтов скольжения: 0, 1, 2, 3, 4, 5, которые расположены в порядке понижения точности. Стандарт дает следующие рекомендации по выбору классов точности ходовых винтов:

а) станки класса С и винтовые пары к ним — 0 класс; б) резьбошлифовальные, червячно-шлифовальные, коор-

динатно-расточные, зубофрезерные, зубо- и круглошлифовальные станки классов А, В, П — 1 и 2-й классы;

в) токарно-винторезные, универсально-фрезерные станки классов В и П и затыловочные класса Н — 3-й класс:

Рис. 29. Передача винт-гайка скольжения

106

г) горизонтально- и координатно-расточные, токарнокарусельные, фрезерные, долбежные и строгальные станки классов П и Н — 4-й класс;

д) горизонтально-расточные станки класса Н — 5-й класс.

Для обеспечения высокой износостойкости пару винт— гайка скольжения рассчитывают на допускаемое давление, которое для точных винтов равно 2...3 МПа, а для обычных—до 8...12 МПа. Кроме того, механизм винтовой передачи рассчитывается на прочность, жесткость и устойчивость ходового винта.

Передача винт—гайка скольжения, обладая определенными достоинствами и прежде всего простотой конструкции, имеет ряд существенных недостатков: невысокую точность позиционирования перемещаемых узлов из-за зазоров в паре; низкий КПД (0,2...0,4) вследствие значительного трения; малые скорости перемещения; невысокую износостойкость и др. Поэтому в современных станках все более широкое применение находят передачи винт—гайка качения, которые лишены многих недостатков, присущих передачам винт—гайка скольжения.

Передачи винт—гайка качения могут работать в широком диапазоне температур и скоростей и обеспечивают хорошую равномерность движения, высокий КПД (0,9...0,95), удобны в эксплуатации и не требуют циркулярной системы смазки. Типовая передача винт—гайка качения (рис. 30) состоит из винта 1, гайки 2, комплекта шариков 3 и устройства 4, служащего для возврата (циркуляции) шариков. При вращении винта шарики катятся по впадинам канавок ходового винта и гайки, перемещаясь в направлении канала устройства 4, которое соединяет начало и конец витков резьбы гайки. Существуют различные устройства возврата шариков, наиболее распространенные: канал возврата шариков представляет собой изогнутую трубку (рис. 30); канал возврата шариков фрезеруется непосредственно в гайке с наружной ее стороны, а сверху закрывается крышкой; канал возврата сверлится вдоль гайки и

107

соединяется с началом и концом витков резьбы дополнительными каналами, расположенными в торцовых шайбах; канал возврата шариков выполнен в специальных вкладышах, которые вставляются в окна гайки и соединяют соседние витки. С целью облегчения циркуляции шариков, особенно в случае длинных гаек, они могут быть снабжены несколькими устройствами возврата шариков.

Для устранения зазоров и повышения осевой жесткости в передачах винт—гайка качения создается предварительный натяг посредством сближения или раздвижения гаек. Существуют различные способы регулировки натяга. Наиболее простой, но менее точный — регулировка с помощью набора тонких прокладок (компенсаторов), устанавливаемых между гайками. Широкое распространение получила конструкция, в которой гайки снабжены зубчатыми венцами. Венцы гаек входят во внутренние зубцы стакана. Число зубьев на одной гайке отличается от числа зубьев на другой на единицу, например 100 и 101. Число зубьев на венцах стакана также имеет соответствующие значения — 100 и 101. Регулировка натяга обеспечивается поворотом одной из гаек относительно другой в процессе вывода ее из зацепления со стаканом. Эта конструкция

108

позволяет производить весьма тонкую регулировку осевого перемещения гаек. Так, при приведенных выше значениях чисел зубьев и шаге резьбы 10 мм перестановка гайки на один зуб будет соответствовать относительному осевому перемещению гаек порядка 1 мкм.

На рис. 31 приведена конструкция, позволяющая производить регулировку натяга в передаче винт—гайка качения непосредственно на станке. Обе гайки 1 и 4 посажены в корпусе 2 на общую шпонку 3 и имеют возможность осевого перемещения. Натяг и стопорение осуществляются гайками 5 и 6.

Расчет шариковой передачи винт—гайка проводится так же, как и подшипников качения, на контактную усталость. При этом ориентировочные значения расчетной долговечности можно принимать 5 103…104 ч.

Кроме расчета на контактную усталость винты проверяют на устойчивость от действия осевой силы Ро Критическое значение осевой силы Ро.кр зависит от модуля упругости материала винта; момента инерции сечения винта, приведенной длины винта, коэффициент запаса, способа закрепления концов винта.

Другим параметром, определяющим работоспособность передач винт—гайка качения, является осевая жесткость.

В ряде случаев для точных передач винт—гайка качения необходимо производить расчеты нa нагрев от внутренних и внешних источников теплоты.

Для перемещения продольных столов тяжелых станков и в приводах подач крупногабаритных станков с ЧПУ применяют гидростатические червячно-реечные передачи и гидростатические передачи винт—гайка. Достоинства гидростатических передач: высокий КПД (0,95...0,99); отсутствие износа и люфта; плавность перемещения; высокая жесткость.

На рис. 32 приведена схема гидростатической червячнореечной передачи, состоящей из рейки 3, червяка 4, упорных подшипников скольжения 1 и 8, имеющих маслораспределители 2. Смазка к карманам 7 червяка 4 подается через систему

109

каналов 5, 6, 9, выполненных в его корпусе. Принципиальная схема подачи смазки имеет тот же вид, что на рис. 28.

Рис. 32. Схема гидростатической червячно-реечной передачи

8.СТАНОЧНЫЕ СИСТЕМЫ

8.1.Классификация и основные типы

станочных систем

В обобщенном виде под станочной системой понимают совокупность технологического (металлорежущего) и вспомогательного (установленного в порядке реализации технологического процесса или произвольно,) оборудования, объединенного системой управления, автоматическими механизмами и устройствами для транспортирования заготовок, изделий, разделения и соединения их потоков, накопления заделов, изменения ориентации и удаления отходов, предназначенную для изготовления (сборки) заданной номенклатуры изделий.

Станочные системы широко применяют в различных отраслях машиностроения и приборостроения для механической обработки, термообработки, контроля, мойки, сборки, упаковки и др.

110