Качество работы станка и его долговечность в значительной степени зависят от правильной установки его на фундаменте. Фундамент для станка дает возможность равномерно передать на большую площадь грунта нагрузку от веса оборудования и установленной на нем заготовки и позволяет быстро достигнуть при монтаже заданного положения станка. При установке большинства фрезерных, карусельных, сверлильных и других станков нормальной точности с преобладающей статической нагрузкой при весе до 1,5-2 т и достаточно жесткой станине (если отношение ее длины l к высоте h не превышает примерно 2) иных требований к фундаменту обычно не предъявляют. Как правило, фундаментом для таких станков является бетонный пол цеха толщиной 150-250 мм. Если в цехе нет бетонного пола, роль фундамента может выполнить отдельная бетонная плита толщиной до 300 мм и размерами в плане до 4х4 м2. Если вес устанавливаемых станков невелик, а динамические нагрузки во время работы отсутствуют или незначительны, допускается выбирать размеры фундамента по конструктивным соображениям, без предварительного расчета. Довольно часто, особенно в случае установки специальных станков, объединенных в линию, в качестве фундамента можно применять бетонные ленты шириной 1,5-3 м и длиной до 6 м или сплошное бетонное полотно толщиной 300-400 мм. Поверочный расчет таких фундаментов сводится обычно к определению прогибов fi в различных точках при заданной нагрузке на основе теории балок или плит на упругом основании с последующим определением удельного давления на грунт
σ = cfi
где c - коэффициент, зависящий от характера грунта. Станины станков больших размеров и веса нередко бывают недостаточно жесткими. В подобных случаях к фундаменту предъявляется дополнительное требование увеличение жесткости станины станка за счет скрепления ее с фундаментом и образования одного общего с ним замкнутого контура. Скрепление осуществляется чаще всего при помощи различной формы фундаментных болтов.
Наконец, в случае установки прецизионных станков или станков, в которых преобладают динамические нагрузки, фундамент должен выполнять еще одну функцию: защищать станок от внешних вибраций, а вследствие увеличения общей массы снизить частоту собственных колебаний системы, что ведет к уменьшению амплитуд вынужденных колебаний станка. Наиболее типичен в подобных случаях индивидуальный фундамент в виде отдельного монолитного блока высотой 0,6-0,9 м.
Расчет фундамента начинают обычно с составления расчетной схемы и определения величин и координат точек приложения сил, действующих на фундамент. После составления расчетной схемы приступают к определению размеров фундамента. На основании установочного чертежа, на котором указываются общие и монтажные габаритные размеры станка, расстояния между отверстиями под фундаментные болты и прочее, определяются контур и размеры фундамента в плане. При этом контур максимально упрощают, одновременно стремясь к тому, чтобы смещение центра тяжести станка и фундамента относительно центра подошвы фундамента не превышало 0,03-0,05 размера стороны подошвы, в направлении которой происходит это смещение.
Для исключения опасности резонанса, при котором амплитуды колебаний станка могут недопустимо возрасти, должен быть выдержан определенный разрыв между частотами собственных колебаний станка с фундаментом и частотами возмущающих периодических сил.
В качестве основного материала для изготовления фундаментов под станки используют бетон марок не ниже 75 (обычно 75, 90, а для ответственных фундаментов - 110). Цифра, обозначающая марку бетона, характеризует прочность бетона на сжатие в барах в возрасте 28 суток. Бетонные фундаменты под станки весом более 10-12 т, а также под станки с высокими динамическими нагрузками армируют стальной сеткой из круглых прутков, которая укладывается под подошвой станины станка на расстоянии 20-30 мм. При большой протяженности фундамента он может быть армирован сразу двумя сетками (вторая - у подошвы фундамента); бетон для армированного фундамента выбирается марки не ниже 100. Иногда при нагрузке более 0,5 бар бетонный пол цеха тоже армируют сеткой.
В случае изготовления ленточных фундаментов лучше применять более вязкие бетоны, способные к значительным деформациям без разрушения. Другими материалами фундаментов могут быть: бут - дешевый местный камень любых пород с прочностью не ниже 100 бар; хорошо обожженный кирпич. Кирпичные фундаменты боятся действия грунтовых и поэтому в случае заложения такого фундамента ниже уровня грунтовых вод необходима его гидроизоляция (например, гудронирование поверхностей).
Устройство фундаментов под станок с ЧПУ по металлу начинается с рытья котлована; на его дне для выравнивания подошвы устраивают подушку из утрамбованного песка, щебня, шлака или гравия. Вдоль стен котлована делают опалубку из ровных досок, по возможности без щелей. В соответствии с установочным чертежом станка в места расположения фундаментных болтов закладывают деревянные пробки; для удобства извлечения пробок после бетонирования лучше делать их разборными. В котловане, если это предусмотрено заданием, укрепляют арматуру. Укладку бетона ведут с применением вибраторов. Бетон укладывают горизонтальными слоями без перерыва в работе (для получения хорошей монолитности).
Через 3-5 суток после бетонирования, когда прочность бетона будет составлять не ниже 50% проектной, можно приступать к монтажу станка на фундаменте. Установка станка с достаточной точностью непосредственно на фундаменте практически невозможна, так как отклонение поверхности фундамента от горизонтальности - обычно не меньше (0,25-0,5) мм/1000 мм. Поэтому для возможности выверки при установке станка на фундаменте применяют:
отдельные подкладки толщиной от 0,3 до 3,0 мм и установочные клинья - для легких и средних станков нормальной точности;
установочные башмаки и массивные чугунные фундаментные плиты - для крупных и для прецизионных станков.
После установки и выверки станка по уровню оставшийся между фундаментом и станком зазор (минимум 50-70 мм) подливают пластичным бетоном или цементным раствором. Такая подливка является простейшим видом соединения станка с фундаментом и широко применяется при установке большинства средних станков на бетонном полу цеха. До подливки по периметру фундамента устанавливают опалубку из досок, высота которой на 20-30 мм выше уровня подливки. Для более надежного крепления применяют фундаментные болты. Фундаментные болты вставляют в отверстия станины так, что при монтаже станка их головки попадают в предварительно подготовленные колодцы в теле фундамента. Во время подливки цементным раствором колодцы тоже оказываются залитыми, и после затвердевания бетона и затяжки болтов станок оказывается достаточно жестко соединенным с фундаментом. При использовании анкерных болтов в нижней части колодцев нужно предусмотреть анкерные плиты.
В случае установки станков на бетонных лентах толщиной 200-300 мм, на перекрытиях и т. п., когда невозможно применить фундаментные болты, основным видом крепления станков (кроме подливки) являются монтажные полы, называемые еще лагами и стелюгами. Для изготовления монтажного пола в толщу бетона устанавливают несколько рядов швеллеров или балок других профилей так, чтобы они образовали Т-образные пазы.
Работу на станке, установленном на фундамент, рекомендуется начинать не раньше, чем бетон затвердеет до прочности не менее 70% проектной (примерно 7 дней).
Для установки станков, оказывающих динамическое воздействие на окружающую среду, для установки высокоточных, чувствительных к колебаниям оснований станков, а также многих станков общего назначения необходимо применять упругие виброизолирующие опоры. При таком способе установки монтаж станка производится во много раз быстрее, повышается качество обработанных поверхностей на прецизионных станках, снижается шум и запыленность воздуха в цехах. Такие опоры очень удобны при установке станков на перекрытиях верхних этажей зданий, при перестановке станков в связи с изменением технологического процесса и т. п. Опоры различных конструкций выпускаются многими компаниями. Эти опоры можно классифицировать по типу материала упругого элемента:
- резиновые (прокладки, ковры) и резинометаллические опоры;
- цельнометаллические опоры (опоры со спиральными, листовыми, тарельчатыми пружинами или из объемной металлической сетки);
- фетровые прокладки (применяются, как правило, при сжимающей нагрузке, обладают большим демпфированием);
- пробковые прокладки (из-за сравнительно высокой жесткости применяются главным образом для звукоизоляции);
- пластмассовые прокладки (слоеные, пропитанные виниловой пластмассой, допускают регулирование по высоте);
- пневматические опоры.
Исследования различных образцов упругих опор, проведенные в ЭНИМСе Е. И. Ривиным, показали, что для установки станков целесообразнее применять резинометаллические опоры с резиной, работающей на сжатие. В качестве примера на рис. 1, показана эффективная резинометаллическая опора. Станина станка устанавливается непосредственно на крышку опоры. Последняя допускает регулирование по высоте за счет деформации резинового ободка при вращении регулировочного винта, упирающегося в металлический упорный фланец.
Рис. 1. Резинометаллическая опора станка
В зависимости от материала резины и размера опоры она выдерживает нагрузку от 600 до 27 000 н. Арматура опоры защищает резину от воздействия масел, растворителей, солнечного света и способствует увеличению срока службы опоры. Резинометаллические опоры, в которых резина работает на сжатие, обеспечивают виброизоляцию и в горизонтальном направлении, притом более совершенную, чем в вертикальном. Это объясняется меньшей жесткостью опоры на сдвиг и, следовательно, значительно более низкими частотами собственных колебаний станка на опорах в горизонтальном направлении, что как раз соответствует требованиям, предъявляемым к виброизоляции станков.
Применяя различные упругие опоры, можно получать различные собственные частоты вертикальных колебаний станка fo:
- для fo ≥ 25 гц - прокладки из резины, пробки, фетра, пластмасс и т. п.;
- для 25 гц ≥ fo ≥ 10 гц - резиновые и резинометаллические опоры, в которых резина работает на сжатие;
- для 10 гц ≥ fo ≥ 5 гц - резинометаллические опоры, в которых резина работает на сдвиг, опоры из объемной металлической сетки;
- для fo ≤ 5 гц наиболее целесообразны спиральные или листовые стальные пружины.
Неправильный выбор упругих опор может привести к усилению вибраций, если окажется, что fo и частота возмущающей силы f близки.
Для активной виброизоляции, когда нетрудно определить частоту возмущающей силы f, используется обычно область частот f/fo>2, достаточно удаленная от резонанса; при этом колебания ослабляются в 3-4 раза. При пассивной виброизоляции высокоточных станков значения fo определяются специальными исследованиями.
