Базовые Детали Станков

Базовые детали металлорежущих станков служат для создания требуемого пространственного размещения узлов, несущих инструмент и обрабатываемую деталь, и обеспечивают точность их взаимного расположения под нагрузкой. Совокупность базовых деталей между инструментом и заготовкой образуют несущие системы станков.

По форме они условно могут быть разделены на три группы: брусья - детали, у которых один габаритный размер больше двух других; пластины, у которых один размер значительно меньше двух других; коробки - габаритные размеры одного порядка.

Одними из основных элементов, определяющих пространственное положение и обеспечивающих точность взаимного перемещения всех рабочих органов в пространстве, являются базовые детали металлорежущих станков, к которым относятся станины, основания, стойки, столы, траверсы, каретки и т. п. (рис. 1). Их конструктивное исполнение зависит от назначения и особенностей каждого конкретного станка.

Рис. 1. Характерные базовые детали станка

К базовым деталям станков с ЧПУ предъявляются те же требования, что и к станинам обычных станков, но более жесткие по величинам таких параметров, как виброустойчивость, малая податливость, удобство удаления стружки, термостабильность. С реализацией такого подхода связано появление ряда новых решений при конструировании оборудования с ЧПУ в части использования новых материалов и технических решений.

Основной базовой деталью является станина станка по металлу, в состав которой входят ряд конструктивно-сборочных элементов, обеспечивающих геометрически правильное перемещение подвижных узлов и крепление механизмов для их перемещения.

Основной материал для изготовления базовых деталей в настоящее время серый чугун, а способ - литье. Для средних станков при толщине стенок до 30 мм и выполнении направляющих за одно целое со станиной применяется чугун СЧ20. Для тяжелых станков при толщине стенок более 30 мм рекомендуется чугун СЧ30. Для тяжелых станков с механическим креплением направляющих - СЧ40.

Основные достоинства чугуна, обусловливающие его широкое использование:

• демпфирование колебаний;
• хорошая обрабатываемость;
• низкая стоимость;
• хорошие антифрикционные свойства (наличие в структуре графита).

Однако наличие таких недостатков, как: длинный цикл производства (нужны модели, стержни); необходимость старения; хрупкость, привели к тому, что все чаще в станкостроении применяются сварные станины и другие узлы, особенно в мелкосерийном производстве, с использованием в качестве материала прокатной листовой стали марок Ст3 или Ст4 толщиной 8÷12 мм. Такие базовые детали при сохранении - относительно чугунных - статической жесткости и динамических характеристик обеспечивают снижение на 30% массы. Следует иметь в виду, однако, более высокую стоимость стали, а также существующие ограничения на число сварных швов во избежание возможного увеличения разброса жесткости.

В настоящее время шире применяются конструкционные фасонные профили в сварных станинах, что позволяет существенно снизить трудоемкость их изготовления.

В зависимости от функционального назначения различают следующие поверхности базовых деталей:

• опорная - основание для установки на фундамент. Давление на фундамент при этом не более 1 МПа.
• направляющие - поверхности для обеспечения требуемой геометрии перемещения узлов. После обработки непараллельность их должна быть не более 0,08 мм на 1000 мм.
• установочные - поверхности для крепления приводов, опор, реек и других механизмов, и они должны отвечать требованиям плоскостности и параллельности.
• стыковочные - опорные поверхности для сопряжения с другими базовыми элементами станка.
• вспомогательные - поверхности для крепления, а также такелажно-транспортные.

Рис. 2. Станок на базе станины из железобетона

Все большее распространение в качестве основы для изготовления базовых деталей находят альтернативные материалы. Использование для этих целей железобетона, преимущественно в средних и тяжелых станках, обеспечивает экономию до 40% металла и повышение демпфирующих свойств (рис. 2). Основные характеристики бетона и чугуна приведены на рис. 3.

Рис. 3. Характеристики материалов базовых деталей

Бетон состоит из частиц синтетического камня, связанных водно-цементной смесью. Ввиду низкого σ при растяжении в конструкции применяется арматура, которая устанавливается в зонах растяжения, причем, без предварительного натяга (напряжения). Повышение прочности и жесткости станины достигается за счет коробчатой формы и увеличения толщины стенок до 70÷120 мм. Увеличение массы при этом практически не происходит, т. к. плотность бетона составляет 30% плотности чугуна. Арматура используется в соответствии с рекомендациями, принятыми в строительстве.

Для улучшения характеристик стыков соединений эти зоны делают из мозаичных элементов (во время отливки), после чего их фрезеруют или шлифуют, после чего, например, чугунная бабка может быть установлена непосредственно на такой стык.

Динамическая жесткость станка с бетонной станиной в целом повышается на 40÷60%.

Тепловые деформации железобетонных станин в зависимости от удаления от источника тепла снижаются на 25-90% (чем дальше, тем выше эффект). Учитывая одинаковость коэффициентов линейного расширения это можно объяснить большим различием в теплопроводности, а также в теплоемкости. В результате для станков с железобетонными станинами требуется на 50% меньше времени для стабилизации размеров, что повышает точность обработки на них.

Для изготовления наиболее ответственных деталей, таких как станины координатно-измерительных машин, применяют натуральные граниты, обладающие длительной размерной стабильностью и высокой выброустойчивостью. Их основной недостаток - чрезвычайная трудоемкость изготовления даже простых по форме деталей.

Достижения химической промышленности позволили создать новый класс материалов для базовых деталей полимербетоны, которые представляют собой композиционные материалы на основе камней (галька, гранит, известняк) и связки в виде синтетической смолы. По своим характеристикам полимербетоны приближаются к натуральным гранитам, но из них достаточно просто можно изготавливать детали весьма сложной конфигурации.

В состав полимербетонов входят:

• наполнители - мелкозернистые минеральные порошки с частицами, размер которых не более 60 мкм;
• заполнители - фракции щебня, включающие в себя частицы размером 0,2-40 мм;
• связка - представляющая собой синтетические смолы по количеству не более 8% общей массы.

От правильного сочетания матрицы (смола + наполнитель) и заполнителя зависят все физико-механические характеристики материала.

Способствуют расширению объемов применения полимербетонов не столько экономия металла, сколько повышение общего технического уровня станков. Пример исполнения станины станка, изготовленной из полимербетона приведен на рис. 4.

Рис. 4. Станина, изготовленная из полимербетона

• получение точных деталей без последующей обработки (коэффициент использования материала - 0,95, для сравнения у чугуна - 0,7);
  меньше время изготовления детали;
• в 2-3 раза меньше трудоемкость изготовления;
• меньше энергозатраты (на 1 т полимербетона надо 650 кВт- час электроэнергии, а на 1 т чугуна - около 1000 кВт-час);
• улучшение условий труда.

Кроме того, применение полимербетона дает повышение качества изделий по следующим показателям:

• в 5-6 раз повышается демпфирующая способность;
• отсутствуют внутренние напряжения и стабильность размеров;
• нечувствительность к кратковременным перепадам температур, что ведет в конечном итоге к повышению точности обработки на станке.

По экспертным оценкам в недалеком будущем ожидается замена 20% литья на полимербетон, что сэкономит 32 млн кВт-час электроэнергии.

Заслуживает внимания также технология применения клееных конструкций. Так, в Японии изготавливаются станки фрезерной группы, у которых станина выполнена из клееных панелей: стержни в виде параллельных стальных труб расположены между стальными плитами и склеены с ними эпоксидно-полиамидным клеем. Жесткость такой станины равна литой, но масса меньше на 40%. Кроме того, через трубы может пропускаться масло определенной температуры, что повышает термостабильность станка. Имеется опыт выполнения станины и из стеклопластика. Масса уменьшается на 65% при сохранении статической жесткости и значительном увеличении динамической, что ведет к уменьшению вибраций при обработке. Последние варианты будут, по-видимому, весьма распространены в перспективе.

Направляющие обеспечивают правильность траектории движения заготовки и (или) инструмента и точность перестановки узлов. Во многих случаях направляющие скольжения выполняются как одно целое с базовыми деталями. Базовые детали и направляющие должны иметь:

• первоначальную точность изготовления всех ответственных поверхностей для обеспечения требуемой геометрической точности станка;
• высокую жесткость, определяемую контактными деформациями подвижных и неподвижных стыков, местными деформациями и деформациями самих базовых деталей;
• высокие демпфирующие свойства, то есть способность гасить колебания между инструментом и заготовкой от действия различных источников вибраций;
• долговечность, которая выражается в стабильности формы базовых деталей и способности направляющих сохранять первоначальную точность в течение заданного срока эксплуатации.

Кроме того, базовые детали должны иметь малые температурные деформации, из-за которых могут произойти относительные смещения между инструментом и заготовкой. Направляющие должны обладать малой величиной и постоянством сил трения, так как от этого зависит точность позиционирования узлов станка. Перечисленные основные требования к базовым деталям и направляющим могут быть удовлетворены при правильном выборе материала и конструктивных принципах, которые являются общими несмотря на многообразие форм.

Конструирование базовых деталей - это поиск компромиссного решения между противоречивыми требованиями: создание конструкций жестких, но имеющих малую массу; простых по конфигурации, но обеспечивающих высокую точность; дающих экономию металла, но учитывающих возможности литейной технологии при проектировании литых конструкций и возможности технологии сварных конструкций. Конструирование базовых деталей во многом опирается на богатый опыт, накопленный за долгие годы как в нашей стране, так и за рубежом.

Плиты служат для повышения устойчивости станков с вертикальными станинами; их применяют в машинах с неподвижной заготовкой (тяжелые расточные, радиально-сверлильные, консольно-фрезерные, вертикально-обрабатывающие и прочие типы станков). Конструктивно плиты изготавливаются в виде пластины с системой стенок и ребер или двух пластин, соединенных стенками и ребрами. Высота плит должна быть не менее 1/10 их длины.

Коробчатые базовые элементы (шпиндельные головки, коробки передач, подачи, фартуки и т.д.) обычно имеют форму параллелепипеда, реже - цилиндрическую (многошпиндельные токарные автоматы). Жесткость этих элементов увеличивают за счет усиления стенок в местах приложения нагрузки с помощью бобышек и ребер. Однако увеличение диаметра бобышек свыше 1,4-1,6 диаметра отверстия и высоты бобышки более чем в 2,5-3 раза толщины стенки не приносит значительного эффекта. Отверстия в стенках уменьшают жесткость пропорционально отношению площадей отверстий к площади стенок.

Базовые детали типа суппортов и салазок предназначены для перемещения заготовок или инструментов и оснащаются двумя системами направляющих. Конструкция суппортов и салазок зависит от формы и расположения направляющих, конструкции регулирующих элементов и привода, а также требований к габаритам по высоте. При их проектировании необходимо учитывать противоречие между уменьшением массы и размеров по высоте и увеличением жесткости, что достигается за счет повышения высоты сечения салазок.