3595

ляющие , , ), вес изделия и планшайбы, усилия, возникающие при зажиме кулачками изделия.

Деформации планшайб можно подсчитать по формулам, применяемым для круглых пластин, если в них вместо цилиндрической жесткости подставить ее приведенное значение.

Оптимальная высота планшайбы, с точки зрения жесткости, должна быть не менее 0,12—0,16 диаметра. Длинные двухопорные шпиндели воспринимают некоторую долю опрокидывающего момента и тем самым увеличивают жесткость планшайбы.

На правильную работу планшайбы влияют ее температурные деформации, особенно при работе быстроходных станков. Основным источником теплообразования является трение в направляющих. Работоспособность планшайб, суппортов и столов во многом определяется качеством их направляющих.

Если же рассмотреть целевые узлы станка, которые определяют его конфигурацию, то можно выделить следующие три основные группы.

Корпусные узлы — станина, стойки, траверсы, колонны,— которые создают основу станка и определяют взаимное расположение всех узлов.

Узел детали (изделия) — стол, передняя и задняя бабки,— который определяет положение и характер движения обрабатываемой детали.

Узел инструмента — суппорт, револьверная головка, бабка инструментального шпинделя,— который определяет расположение и характер движения инструмента по отношению к детали. В станке может быть несколько узлов инструмента.

Некоторые приводные механизмы, механизмы холостых ходов и др. могут по-разному компоноваться по отношению к указанным основным целевым узлам станка. Но это не сильно влияет на компоновку станка. Так, например, привод подач токарного станка частично расположен в самостоятельном корпусе, присоединенном к станине станка (коробке подач), частично включен в узел инструмента (фартук суппорта).

Взаимное расположение и характер перемещения узла детали и узла инструмента и определяют основную компоновку станка.

2. Основные принципы компоновки однопозиционных станков

141

Расположение основных узлов станка должно не только способствовать получению заданных технических характеристик, но и быть удобным для управления, обслуживания и наблюдения за станком. Поэтому все узлы станка располагают с учетом положения рабочего места оператроа или наладчика,

Если рабочий стоит перед станком, то примем следующие оси координат, по отношению к которым компонуются узлы станка (рис.

172):

х — главная ось (по длине станка); у — вспомогательная ось (по ширине станка);

z — вертикальная ось (по высоте станка).

Начало координат следует располагать в средней части (в центре) детали.

Объект обработки — деталь — является тем главным элементом, для изменения формы которого создан данный станок. Деталь всегда находится в центре внимания рабочего (оператора) в процессе обработки. Поэтому компоновку станка следует рассматривать как целесообразное размещение узлов станка по отношению к обрабатываемой детали, а положение обрабатываемой детали в пространстве определяют по положению оператора и наладчика или, исходя из удобства установки детали на станок.

В основу компоновки однопозиционных станков положено, вопервых, расположение узла инструмента по отношению к обрабатываемой детали и, во-вторых, характер перемещения детали в период обработки (вращение, поступательное перемещение, деталь неподвижна). В результате имеются следующие четыре типовые компоновки станков.

1. Узел инструмента И расположен спереди или сзади детали Д (рис. 53, а). К этой группе относятся токарные, круглошлифовальные станки, зубофрезерные станки для нарезания реек и др.

Для этих станков, несмотря на различие их конструкции, характерна горизонтальная станина, вытянутая вдоль оси х, и компоновка на этой станине узлов для привода детали (бабок или стола). Если узел инструмента невелик, он крепится на станине обычно спереди (суппорт токарного станка). Если узел инструмента более мощный, то он представляет собой самостоятельную бабку, расположенную сзади

142

(шпиндельная бабка круглошлифовального станка, фрезерная бабка станка для нарезания реек).

Если деталь неподвижна, а инструмент перемещается по оси г, как, например, в вертикально-протяжных станках, то станок имеет небольшие размеры по оси х.

2.Узел инструмента расположен сбоку (с торца изделия) (рис. 173, б). К этой группе относятся зубофрезерные, горизонтальнорасточные, зубострогальные, горизонтально-протяжные и другие станки.

Для этих станков характерна компоновка всех основных узлов вдоль оси х и отсутствие выступающих в направлении оси у корпусных деталей. В них достигается хорошая обозримость детали спереди

исзади и возможность создавать рамные конструкции.

3.Узел инструмента расположен над деталью (рис. 173, в). К этой группе относится большое число типов станков: горизонтально-

ивертикально-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, несмотря на разнообразие конструктивных форм, характерна вертикальная компоновка по оси z и соответственно вертикальная форма станин. Исключение составляют станки для обработки сравнительно длинных деталей (специальные токарные, плоскошлифовальные для длинных деталей, поперечно-строгальные).

4.Веерообразное расположение узлов инструмента по отношению к изделию (рис. 53, г). Для станков этой группы характерно наличие нескольких узлов инструмента, которые одновременно обрабатывают деталь с разных сторон. К ним относятся карусельные, про- дольно-строгальные, продольно-фрезерные станки, некоторые типы координатно-расточных станков.

Для всех типов характерно наличие жесткой рамы (портала), на которой крепятся узлы инструмента (строгальные суппорты, фрезерные бабки и др.). Для менее мощных станков допускается и незамкнутая рама, состоящая из стойки и траверсы (хобота).

143

В практике станкостроения возможны и другие компоновки, но приведенная классификация включает наиболее распространенные и характерные типы станков.

5.4.3. Основные принципы компоновки многопозиционных станков

Большое влияние на компоновку станков оказывает применение принципа многопозиционной обработки. Для одновременной обработки нескольких деталей станок имеет поворотный стол, барабан или шпиндельный блок, вокруг которого компонуются остальные узлы станка.

Ось стола х—х определяет вертикальную или горизонтальную компоновку всего станка. Кроме того, расположение на столе деталей и характер их движения во время обработки определяют характер компоновки узлов инструмента.

На рис. 54 приведены типовые случаи компоновки многопозиционных станков.

Для сокращения площадей и удобства обслуживания в многопозиционных станках широко применяют вертикальную компоновку. Если деталь в период обработки вращается, то ось вращения детали г удобнее располагать параллельно оси стола а. К этой группе относят многошпиндельные автоматы и полуавтоматы последовательного и параллельного действия для токарной обработки и сверлильнорасточных работ. Расположение оси вращения инструмента перпендикулярно оси стола б — более редкий случай. Обработка неподвижных деталей характерна для агрегатных сверлильно-расточных станков с поворотным столом в.

Горизонтальная ось стола, когда стол превращается в шпиндельный барабан, характерна для большой группы многошпиндельных токарных автоматов и полуавтоматов г, а обработка неподвижных изделий на барабане с горизонтальной осью вращения производится, например, на барабанно-фрезерных станках е с непрерывным вращением барабана или на многопозиционных станках с компоновкой, подобной типу г. Возможна также компоновка станка по схеме (рис. 174, д). Большинство многопозиционных станков работает по автоматическому или полуавтоматическому циклу, и поэтому более

144

подробно они рассматриваются в курсе «Автоматы». Как показывают рассмотренные типовые компоновки для однопозиционных и многопозиционных станков, возможны различные варианты компоновок.

Рис. 58. Типовые компоновки многопозиционных станков

Для выбора наиболее целесообразного варианта и уточнения взаимного расположения отдельных узлов станка необходимо проанализировать усилия, действующие на основные узлы станка, а также учитывать факторы, обеспечивающие высокие техникоэкономические и эксплуатационные характеристики станка (см. гл. 1, § 2).

145

5. Примеры компоновки и анализ усилий, действующих на основные узлы станков

5.1. Строгальные станки

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

На рис. 57, 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.

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. 175, 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.

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

, (1)

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

146

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. 57. Силы, действующие в поперечно-строгальном станке: а — силы, действующие на основные узлы станка; б—

составляющие сил резания

Рассмотренная расчетная схема действующих в поперечнострогальных станках усилий (рис. 175, 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.

147

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 [46], позволил получить амплитудно-фазовые характеристики для стола и ползуна станка, а по ним — суммарную характеристику системы. Эта кривая (рис. 176, 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. 176, 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. 176, а) свидетельствует о ее устойчивости. Однако ввиду близости левой ветви характеристики к отрицательной

148

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.

Рис. 58. Амплитудно-фазовая (а) и амплитудно-частотная (б) характеристики упругой системы поперечно-строгального станка

Поэтому при больших длинах обработки переходят к другой компоновке станков — к продольно-строгальным станкам (рис. 177),

В обычных конструкциях продольно-строгальных станков (рис. 177, а, б) деталь устанавливается на столе, имеющем возвратнопоступательное движение, а суппорты с резцами закрепляются на неподвижных стойках.

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

149

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. 177, 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 про- дольно-строгальные станки (рис. 177, б), в которых суппорты помещены на траверсе и стойках, образующих жесткую рамную конструкцию (портал).

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. 177, в). В этом случае, хотя деталь и неподвижна, усилия, действующие на основные звенья станка, не зависят от длины строгания, а деталь закреплена достаточно жестко.

150