4.7. Строгальные станки и анализ усилий, действующих на основные узлы станков

Усилия, возникающие при обработке деталей и действующие на основные узлы станка, а также размеры обрабатываемых деталей во многом определяют его компоновку.

Для необходимости обработки небольших деталей (длиной строгания до 1000 мм) более простая и компактная конструкция станка получается, когда деталь неподвижна в процессе резания, а резец, закрепленный в ползуне, совершает возвратно-поступательное движение. Это, так называемые поперечно-строгальные станки (рис. 4.22, а), основными узлами которых являются: ползун 1 с резцедержавкой, станина 2, внутри которой находятся основные приводные механизмы, стол 3, на котором закрепляется обрабатываемая деталь.

Сила резания Р, действуя на ползун, изгибает его как консольную балку, а составляющая скручивает его. Эпюра изгибающих моментов зависит от величины вылета ползуна и поэтому в нем возникают переменные напряжения.

На рис. 4.22, б показаны составляющие сил резания, действующие при строгании. Сила резания Р является для станка внутренней силой, действующей одновременно и на узел инструмента, и на узел детали.

В направляющих ползуна возникают реакции и , которые тем больше, чем больше вылет l.

Тяговое усилие на ползуне Q преодолевает составляющую силу резания и силы трения в направляющих, а при неравномерном движении ползуна также силы инерции

, (4.6)

где G — вес ползуна; j — ускорение ползуна;

— коэффициент трения в направляющих;

и — полные реакции по граням направляющих (с учетом пространственной системы сил).

Сила резания, являясь внутренней силой, действует также на стол станка. Это усилие воспринимается направляющими (реакции и ), а также дополнительной опорой (реакция ), которая может отсутствовать у станков малых размеров. При наличии этой опоры получаем статически неопределимую систему сил, действующую на стол, и реакцию можно определить из условия деформации дополнительной опоры и деформации в стыках.

Рис. 4.22. Силы, действующие в поперечно-строгальном станке: а) силы, действующие на основные узлы станка; б)составляющие сил резания

Рассмотренная расчетная схема действующих в поперечно-строгальных станках усилий (рис. 4.22, а) не учитывает колебательных процессов упругой системы станка.

Вместе с тем выяснение условий устойчивости колебательной системы станка и влияния на нее отдельных параметров является необходимой предпосылкой для создания станков с динамическими нагрузками.

Для решения этой задачи в первом приближении можно представить систему станка, как состоящую из сосредоточенных масс (станины, ползуна, стола и т. п.), соединенных упругими связями. Такое допущение возможно потому, что основная деформация узлов происходит в их стыках и соединениях.

Во многих случаях, в том числе для поперечно-строгальных станков, упругую систему станка можно считать как плоскую колебательную систему, что значительно упростит расчеты.

Для поперечно-строгального станка отклонение резца от его нормального положения приводит к изменению толщины среза обрабатываемой поверхности. Это вызывает колебание силы резания, а, следовательно, и изменение степени деформации упругой системы станка и возникновение обратного воздействия системы на процесс резания.

Создают условия, при которых может возникнуть автоколебательный процесс.

Динамической характеристикой упругой системы станка может служить его амплитудно-фазовая частотная характеристика, которая позволяет судить об устойчивости данной системы, о ее поведении при переходных процессах и о влиянии отдельных параметров на динамическое качество станка.

Расчет показателей динамического качества для поперечно-строгального станка, проведенный Б. В. Никитиным, позволил получить амплитудно-фазовые характеристики для стола и ползуна станка, а по ним — суммарную характеристику системы. Эта кривая (рис. 4.23,а) характеризует динамические свойства упругой системы станка и, в частности, движение вершины резца в вертикальном направлении при различных частотах возбуждающей силы.

Анализ амплитудно-частотной характеристики (рис. 4.23,б) (отношение амплитуд колебаний резца и возбудителя вибраций) показывает, что наиболее интенсивные колебания станка возникают при частотах, равных 46; 134 и 320 Гц. На возникновение этих колебаний при низких частотах в основном влияет система стола, а при средних и высоких также и система ползуна.

Анализ амплитудно-фазовой частотной характеристики упругой системы станка (рис. 4.23, а) свидетельствует о ее устойчивости. Однако ввиду близости левой ветви характеристики к отрицательной оси — U запас устойчивости невелик. Небольшое изменение параметров системы или более точный их учет при расчете может сместить левую ветвь характеристики к оси U и сделать систему при определенных условиях резания неустойчивой. В частности, к этому может привести увеличение вылета ползуна станка, если требуется обработка деталей больших размеров.

Поэтому компоновка поперечно-строгального станка целесообразна лишь при обработке сравнительно небольших изделий. При увеличении длины строгания увеличивается вылет ползуна и растут реакции в его направляющих, стол станка испытывает все большие деформации и дополнительная опора должна иметь большую жесткость. Это трудно конструктивно выполнить, так как стол имеет движение подачи в поперечном направлении.

Поэтому при больших длинах обработки переходят к другой компоновке станков — к продольно-строгальным станкам. Примеры их компоновок даны на рис. 4.24.

В обычных конструкциях продольно-строгальных станков (рис. 4.24, а, б) деталь устанавливается на столе, имеющем возвратно-поступательное движение, а суппорты с резцами закрепляются на неподвижных стойках.

Рис. 4.23. Амплитудно-фазовая (а) и амплитудно-частотная (б) характеристики упругой системы поперечно-строгального станка

При такой конструкции длина строгания не оказывает влияния на величину и характер усилий, возникающих в суппортах и стойках станка. Поскольку суппорты имеют только движение подачи, удобно обрабатывать деталь одновременно несколькими инструментами, что очень важно для обработки крупногабаритных деталей. Таким образом, данная компоновка станка более целесообразна для обработки деталей больших размеров.

Если ширина деталей невелика, то применяют одностоечные станки (рис. 4.24, а). В этом случае траверса и стойка работают как незамкнутая (статически определимая) рама. Усилия резания изгибают ее в пространстве и скручивают. Изгибающие и крутящие моменты и соответственно деформации тем больше, чем шире обрабатываемая деталь.

Поэтому большее применение получили двухстоечные продольно-строгальные станки (рис. 4.24, б), в которых суппорты помещены на траверсе и стойках, образующих жесткую рамную конструкцию (портал).

Рис. 4.24. Компоновка продольно-строгальных станков;

а — одностоечный; б — портальный; в — тяжелый

При обработке очень больших изделий для сокращения габаритов станка и упрощения его конструкции целесообразно деталь устанавливать на неподвижной плите, а возвратно-поступательное движение сообщать порталу с закрепленными на нем суппортами (рис. 4.24, в). В этом случае, хотя деталь и неподвижна, усилия, действующие на основные звенья станка, не зависят от длины строгания, а деталь закреплена достаточно жестко.

Таким образом, различные конструктивные формы строгальных станков, прежде всего, зависят от характера усилий, действующих на узлы станка при обработке деталей различных размеров.