1.3. Конструирование и расчет базовых деталей металлорежущих станков

1.3.1. Компоновка станка

Компоновку станка следует рассматривать как целесообразное размещение узлов станка по отношению к обрабатываемой детали (рисЛ.10). Если X — главная ось (по длине станка), Y— вспомогательная ось (по ширине станка) и Z - вертикальная ось (по высоте станка), то можно указать на четыре основные компоновки однопозиционных станков.

1. Узел инструмента 1 расположен спереди или сзади детали 2 рис.(1.10а, б) К этой группе относятся токарные, круглошлифовальные, зубофрезерные станки для нарезания реек и др. Для этих станков характерна горизонтальная станина, вытянутая вдоль оси, и компоновка на ней узлов для строгальных, горизонтально-протяжных и других станков. Для этих станков характерна компоновка всех основных узлов, вдоль оси Y и отсутствие выступающих по направлению оси X корпусных деталей. В них достигается хорошая доступность детали и возможность создавать рамные конструкции.

Узел инструмента 1 расположен над деталью 2 (рис. 1.10, в). К этой группе относится большое число станков: горизонтально- и вертикально-фрезерные, плоскошлифовальные, сверлильные, долбежные, зубодолбежные, координатно-расточные, хонинговальные и др. Верхнее расположение инструмента удобно с точки зрения доступности детали, ее транспортабельности и наблюдения за процессом обработки. Для этих станков характерна вертикальная компоновка по оси Z и, соответственно, вертикальная форма станин.

4. Веерообразное расположение узлов инструмента 1 по отношению к детали 2 (рис. 1.10, г). Станки этой группы имеют несколько узлов инструмента, которые одновременно обрабатывают деталь с разных сторон. В группу входят карусельные, продольно-строгальные, продольно-фрезерные и некоторые типы координатно-расточных станков. Для них характерно наличие жесткой рамы (портала), на которой крепятся узлы инструмента (строгальные, суппорты, фрезерные бабки и др.). Для менее мощных станков используется и незамкнутая рама, состоящая из стойки и траверсы (хобота).

Встречаются и другие компоновки станков, не столь распространенные и характерные.

Рис. 1.10. Компоновка станков из корпусных узлов

1.3.2. Расчет станин на жесткость

Технологический критерий, т.е. возможность изготовить несущую систему с заданными требованиями по точности и сохранение во времени значений заданных показателей точности, является определяющим критерием для выбора компоновки несущей системы.

Рис. 1.11. Расчетные схемы станин

Важнейшим проектным критерием является жесткость (податливость) несущей системы во всех точках рабочего пространства. Рабочим пространством называется область, образуемая максимальным относительным перемещением инструмента и заготовки в направлении координат станка. Чаще всего оно является параллелепипедом (фрезерные и др. станки) или цилиндром (токарные станки).

Расчет станин на жёсткость складывается из следующих этапов: выбор расчетной схемы станины и определение действующих на нее сил;, расчет деформаций станины под действием этих сил; сравнение величины полученных деформаций с допустимыми и уточнение конструктивных параметров станины для повышения ее жесткости.

Расчетную схему станин выбирают обычно как для балок или рам. Для простых станин — это двухопорные балки с расчетной длиной (рис. 1.11, а), равной расстоянию между ножками станины или между опорными точками, на которые устанавливается станок с горизонтальной станиной. Вертикальные станины (стойки) заменяют консольными балками или открытыми рамами (рис. 1.11,6) с расчетной длиной деформируемой части. Для портальных станков расчетной схемой будет жесткая статическая неопределенная рама. Силы, действующие на станину, определяются силами резания, весом узлов и обрабатываемых заготовок, инерциальными нагрузками.

Рассмотрим в качестве примера расчета сил, действующих на корпусные детали токарного станка (рис. 1.12, а). Силы резания действуют на переднюю и заднюю бабки и на суппорт. При обтачивании в центрах силы, действующие на передний и задний центры, будут изменяться в процессе резания. Подсчитаем реакции А и B возникающие в плоскости, перпендикулярной к оси детали. Если G - вес детали, ad- диаметр, то на передней опоре

на задней опоре

Рис.1.12. Схема сил, действующих на корпусные детали токарного станка

Осевая сила , действующая на переднюю бабку, слагается из составляющей силы резания из осевой составляющей полной реакции на центре (рис. 1.12, б) равной и из силы

предварительной затяжки , т.е.

Осевая сила , действующая на заднюю бабку, изменяется в процессе резания, так как сила разгружает задний центр, ослабляя предварительную затяжку . Для расчета можно принять максимально возможное значение осевой силы

Силы резания, действующие на суппорт, передаются на станину и создают относительно ее оси изгибающие и крутящие моменты. В вертикальной плоскости станины приложен внешний изгибающий момент

где с — расстояние от оси центров станка до оси станины. Максимальный скручивающий момент

На рис. 1.12, а показаны эпюры изгибающих моментов в вертикальной горизонтальной плоскостях и

эпюра крутящих моментов Эти эпюры необходимы для расчета деформации станины и других узлов.

Расчет деформаций станины под действием внешних сил является .сложной задачей. В случае замкнутого профиля (рис. 1.12, а) деформации могут быть рассчитаны обычными методами сопротивления материалов на основании расчета соответствующих моментов инерции сечения. Если по длине L балка имеет переменное сечение, то за расчетное берут сечение, находящееся на расстоянии 1/31 от наибольшего. Влияние поперечных ребер и перегородок на жесткость изгиба и кручение при замкнутом контуре сечения невелико и может не учитываться.

Окна в стенках станин и стоек, необходимые для размещения механизмов и аппаратуры, снижают жесткость станины. При изгибе наибольшее влияние оказывают окна, расположенные в стенках, перпендикулярных к плоскости изгиба и максимально удалённых от нейтральной оси сечения. При кручении больше ослабляют сечение окна, расположенные в узкой стенке. Влияние окон при большой их длине весьма значительно и может понижать жесткость на кручение в 2-10 раз. Коэффициент понижения жесткости определяют расчетом или по графикам.

При расчете деформаций станин незамкнутого профиля (рис. 1.2, б) необходимо учитывать влияние ребер, соединяющих стенки станины. Как показали экспериментальные исследования ЭНИМСа, наличие ребер не оказывает существенного влияния при изгибе станины в вертикальной плоскости, и при определении деформации можно брать момент инерции сечения относительно нейтральной оси (рис.1.13, а). При необходимости увеличения жесткости в

вертикальной плоскости следует выполнять приливы (ребра) на внутренней стенке станины либо ее стенки делать двойными.

При изгибе станины в горизонтальной плоскости наличие ребер существенно отражается на жесткости. Если бы ребер не было, то изгиб стенок происходил бы относительно нейтральной оси сечения каждой стенки Z и жесткость была бы очень низкой. Наоборот, при абсолютно жестких ребрах обе стенки будут работать за одно целое, и момент инерции должен быть подсчитан относительно оси Z. В действительности ребра, соединяющие стенки станины, не обеспечивают работы двух стенок как одного сечения, и расчетный момент инерции может бать в первом приближении получен с использованием экспериментального коэффициента к_тг, оценивающего жесткость ребер при работе на изгиб Для прямоугольных (поперечных) ребер (рис.1.13,в), для П-образных ребер (рис. 1.13, б) и для диагональных ребер (рис.1.13, в). Из этих данных, полученных для станин токарных станков, видно существенное влияние типа ребер на жесткость станины при изгибе.

При уточненных расчетах станины рассматриваются как плоские рамы (поперечные ребра) или фермы (диагональные ребра).

При расчете на кручение замкнутых профилей станины можно пользоваться соответствующими формулами для тонкостенных профилей (рис. 1.14, я), например

где - угол закручивания, рад; - расчетная длина станины, м; - модуль упругости второго рода, Па; - крутящий момент, Н-м; - площадь, ограниченная средней линией стенок, длина участка контура, м; - толщина участка контура, м.

При одинаковой толщине стенок, где П - параметр профиля по средней линии.

Незамкнутые профили имеют более низкую жесткость на кручение, чем замкнутые. Если сравнить жесткость на кручение двух профилей одинакового размера - замкнутого и состоящего из двух стенок, соединенных ребрами, то получим следующие коэффициенты понижения жесткости на кручении к_кр (для токарных станков): для прямоугольных (поперечных) ребер; к_кр = 0,15-5- 0,3 для П-образных ребер; для диагональных, ребер.

Допустимые значения деформаций станины должны определяться в первую очередь из условия высокой точности обработки. Поэтому рассчитывают перемещение -инструмента (или детали) в направлении, влияющем на точность обработки. Так, для токарных станков следует подсчитать суммарное перемещение резца (м) в радиальном направлении в результате деформаций станины:

где - деформация станины от изгиба в горизонтальной плоскости под резцом, м; φ- угол закручивания станины в сечении под резцом, рад; с - расстояние от оси станины до линии центров станка, м (см. рис. 1.12).

Деформация станины должна составлять лишь часть допустимых деформаций инструмента (не более 10%). Для токарных станков средних размеров суммарная деформация станин, приведенная к инструменту, Деформация (мм)

пропорциональна радиальной составляющей силы резания

Для токарных станков коэффициент имеет следующие значения: для мод. для мод. для мод. 1620. Как видно, станины станков более новых моделей и прецизионных станков имеют повышенную жесткость.

Расчеты и анализ жесткости станин позволяют сделать выводы о выборе их рациональных конструктивных параметров. Так, на жесткость станин токарных станков существенно влияет ширина станины В, которую следует выбирать примерно равной высоте Н (рис. 1.14, б). Для коротких станин влияние конструкции ребер невелико, а для длинных станин лучшие показатели имеют диагональные ребра. При любом типе ребер жесткость станин с замкнутым профилем всегда выше жесткости станин с незамкнутым профилем.

Необходимо отметить, что при упрощенных расчетах станин можно вместо деформаций определить наибольшие напряжения, которые не должны превышать 10 - 20 МПа. Такие низкие значения допустимых напряжений диктуются условием длительного сохранения точности станин и косвенно учитывают условие жесткости.

Перекладины и траверсы как элементы портальной (рамной) конструкции также рассчитывают из условия их жесткости. При этом следует выявить то направление деформаций элементов портала, которое более всего влияет на точность обработки.

Исследование баланса упругих перемещений в портальных станках показало, что жесткость портала оказывает существенное влияние на точность обработки в основном при перемещении оси X (рис. 1.15). При выборе расчетной схемы соединения поперечины со стойками должно быть шарнирным, а портал рассматривается как симметричная рама. Жесткость станков портального типа рекомендуется рассчитывать при таком положении верхнего суппорта, когда точка приложения силы расположена на оси стола или планшайбы.

При нагружении системы силой Р_х стойки портала будут испытывать изгиб в плоскости меньшей жесткости под действием силы и кручение под действием момента где Ъ

— расстояние от оси, проходящей через центры тяжести сечений стойки, до плоскости направляющих стойки. Под действием этой нагрузки и определяют перемещения стоек в месте соединения с траверсой (поперечиной), характеризующие жесткость портала.

Жесткость перекладины 1 оценивают совместно с работой всей рамы. Для повышения жесткости перекладины можно применять более развитую верхнюю стенку, как это принято в продольно-фрезерных станках. Жесткость траверсы 2 (поперечины) можно в первом приближении рассматривать как для балки на двух шарнирных опорах.