§2. Критерии работоспособности металлорежущих станков

В процессе эксплуатации станочное оборудование подвергается разнообразным внешним и внутренним воздействиям, которые делят на следующие группы:

- движущие силы и моменты, вызванные работой двигателей и приложенные к ведущим звеньям приводов станка;

- силы и моменты полезного сопротивления – силы резания и другие силовые факторы рабочих процессов. Приложены в зоне резания или в рабочей зоне к инструменту и заготовке, а через них – к звеньям станка, которые называют ведомыми (шпиндель, суппорт, стол и т.д.);

- силы и моменты вредных сопротивлений – силы трения, сопротивление среды. Приложены в местах контакта звеньев станка со средой или другими звеньями и направлены против движущих сил. Оказывают решающее воздействие на тепловой режим станка;

- силы тяжести (вес) действуют на все детали станка;

- силы упругости деформируемых звеньев станка;

- силы взаимодействия между звеньями станка или механизма (в кинематических парах).

- динамические силы, в том числе силы инерции, и моменты инерционных сил. Роль этих сил возрастает с ростом ускорений.

Станки подвергаются также воздействиями химической и электромагнитной энергии.

Основной задачей при проектировании станка является создание работоспособной конструкции с высокой сопротивляемостью по отношению к воздействию различных процессов, изменяющих его выходные параметры.

Основными критериями работоспособности станка являются: геометрическая и кинематическая точность; жесткость; теплостойкость (сопротивляемость температурным деформациям); виброустойчивость; износостойкость; коррозионная стойкость; сопротивляемость усталости; сопротивление короблению.

1. Геометрическая и кинематическая точность станка характеризует точность перемещения его формообразующих узлов без силовых и тепловых воздействий. Поэтому эти характеристики, как упоминалось ранее, связаны в основном с точностью изготовления и сборки станка, то есть с технологическими факторами.

2. Жесткость – способность системы сопротивляться появлению упругих перемещений δ (деформаций) под действием внешних силовых факторов F и определяется как отношение приращения силы dF к приращению перемещения dδ

. (5)

Угловая жесткость – это отношение приращения момента dM к приращению угловой деформации dφ, вызванной действием момента

. (6)

Одним из основных методов улучшения динамических характеристик является повышение жесткости конструкции. Это реализуется путем: применения рациональных сечений деталей; создания предварительного натяга (в направляющих трения качения и подшипниках); уменьшения числа элементов и стыков.

3. Теплостойкость – способность станка сохранять значения выходных параметров в заданных пределах в результате температурных деформаций. Можно отметить следующие способы повышения теплостойкости (компенсации тепловых деформаций).

а ) Использование систем охлаждения, стабилизация температуры масла и охлаждения наиболее важных узлов станка, например, шпинделя наиболее распространено в точных станках.

б) Теплоизоляция характерна для энергоемких узлов, например, коробок скоростей 1 (рис. 3).

в) Выбор материала деталей с низким коэффициентом теплопроводности, например, полимер-бетона при изготовлении станин.

г ) Применение статически определимых систем (рис. 4). Избыточные связи при температурных деформациях (штриховая линия) возникают по граням 1 и 2 (рис. 4, а), что исключено во второй схеме (рис. 4, б).

д) Создание термосимметричных конструкций (рис. 5, а, б) или применения тепловых щитов 4 (рис. 5, в) (характерно для крупных деталей).

Термосимметричность означает равенство условий протекания теплового деформирования станины (рис. 5, а) за счет толщин стенок t₁≈t₂. Во втором случае (рис. 5, б) равенство теплового деформирования слева и справа от оси шпинделя достигается за счет геометрических параметров конструкции (А≈В), мощности и места расположения источников тепловыделения 2 и 3.

ж) Рациональное закрепление деталей. На рис. 6 показаны примеры различной фиксации в осевом направлении ходового винта 1 привода подачи суппорта.

В варианте на рис.6, а в отличие от варианта, представленного на рис. 6, б, направление тепловых смещений шпинделя Δ_Ш и инструмента Δ_И совпадают, что способствует повышению точности вследствие их взаимной компенсации.

з ) Существенным шагом в развитии методов компенсации является использование «тепловых труб». Действие основано на перекачивании теплоты от сильно нагретых узлов (деталей) к менее нагретым.

На рис. 7, а приведена схема вертикального плоскошлифовального станка, у которого в станине расположен сильно действующий источник 1 тепловых возмущений. Действие источника таково, что тепловой поток подогревает переднюю стенку стойки. В результате разницы температур передней и задней стенок возникают деформации, изменяющие точность взаимного расположения формообразующих узлов (рис. 7, б). Для уменьшения разности температур стенок создают тепловой канал 2, по которому нагретый воздух отводится наружу, при этом нагревая заднюю стенку.

М ожно отметить, что выше перечисленные методы не являются единственными.

4. Виброустойчивостью понимается способность станка работать в требуемом диапазоне режимов без недопустимых колебаний.

Повысить виброустойчивость можно путем перераспределения масс внутри станка. Следует уменьшить массу тех узлов, в которых ожидаются максимальные амплитуды. Эффективным способом улучшения виброустойчивости является повышение демпфирования. Оно достигается применением гидростатических направляющих и направляющих скольжения, расположением стыков и направляющих перпендикулярно основным формам колебаний, за счет использования новых материалов.

5. Износостойкость. Большое число станков и их деталей выходят из строя вследствие износа.

Изнашивание – процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела.

Приведем некоторые примеры методов уменьшения влияния износа на работоспособность станка.

а) Применение бесконтактных передач, например, электромагнитной передачи винт-гайка.

б) Создание конструкций, износ которых минимально влияет на выходные характеристики. На рис. 8 показаны различные схемы расположения направляющих токарного станка. Учитывая, что износ направляющих скольжения линейно возрастает от удельного давления, наиболее надежными оказываются направляющие, у которых широкая грань перпендикулярна результирующей силе F_, которая складывается из веса G узла и радиальной составляющей силы резания. При воздействии результирующей силы F_ грани направляющей по-разному влияют на точность размера d. В первой схеме (рис. 8, а) износ ₁ узкой грани 1 оказывает большее влияние на точность, чем износ ₂ во второй схеме (рис. 8, б), где сказывается, в основном, износ широкой грани 2.

в ) Правильный выбор трущихся пар – сочетать твердый материал с мягким (сталь-бронза, сталь-пластмасса) или твердый с твердым (азотированные с закаленными сталями и т.п.). Избегать сочетания мягких и одинаковых материалов (сталь-сталь, пластмасса-пластмасса).

г) Защита рабочих поверхностей пар трения от загрязнения.

д) Своевременная замена масла.

е) Правильное назначение шероховатостей.

з) Обеспечение совершенного трения – применение гидростатических и аэростатических направляющих, направляющих трения качения. На рис. 9 показаны гидростатические направляющие, в которых разделение соприкасающихся поверхностей подвижного 1 и неподвижного узлов 2 достигается за счет подачи в канавки I и II масла под давлением.

6. Коррозионная стойкость к внешним воздействиям. Данный критерий связан главным образом с недопустимыми методами эксплуатации, транспортирования и хранения станков. Коррозия может появляться также при плохом составе СОЖ.

7. Сопротивление усталости. Усталостные разрушения возникают при переменных нагрузках (например, при прерывистости резания) и характерны для условий работы валов, подшипников и направляющих качения, зубчатых передач.

8. Коробление характерно для станин и крупных корпусных деталей.

11