Одной из наиболее ответственных неподвижных корпусных деталей является станина станка по металлу, которая определяет многие его эксплуатационные качества. Станины могут быть горизонтальными и вертикальными (стойки). Горизонтальные станины тяжелого оборудования устанавливают непосредственно на фундамент для станка по всей опорной поверхности. Станины легких станков устанавливают на ножки, как, например, у токарных, револьверных, многих инструментальных и других станков, или на небольшую опорную поверхность основания станины (фрезерные, шлифовальные, сверлильные и другие станки).
Сложные станины обычно состоят из отдельных частей (секций горизонтальной станины, стоек). По своей конфигурации станина с корпусными деталями может образовать незамкнутый (открытый) контур станка или, для повышения жесткости, совместно с перекладинами, траверсами и другими деталями иметь замкнутый контур (портальные фрезерные станки с ЧПУ). Форма станины обычно приближается к коробчатой с внутренними стенками и перегородками для повышения жесткости и образования полостей и отсеков.
В поперечном сечении станины и стойки могут иметь различный профиль. Замкнутый профиль (рис. 1, а) характерен для стоек фрезерных (см. Станина фрезерного станка), сверлильных и других, станков. Для горизонтальных станин применяют либо открытый профиль (рис. 1, б), когда две стенки соединены ребрами той или иной формы (токарные, револьверные, расточные и другие станки), либо полуоткрытый (строгальные, фрезерные и другие станки), когда у станины имеется верхняя или нижняя стенка (рис. 1, в). При необходимости отводить большое количество стружки станине придают специальную форму, например с наклонной стенкой и окнами в боковой стенке (рис. 1, г).
Рис. 1. Профили поперечного сечения станин
Большинство неподвижных корпусных деталей выполняют литыми из чугуна СЧ 21-40 и СЧ 32-52. В особо ответственных случаях применяют высокопрочный чугун с шаровидным графитом. Литые станины при прочих равных условиях более виброустойчивы, так как чугун имеет большой коэффициент внутреннего трения и обладает способностью гасить возникающие колебания. Однако для того, чтобы снизить массу станины, достигающую в литых конструкциях 30% массы станка, применяют сварные станины. Такие корпусные детали могут быть изготовлены в более короткие сроки, поддаются модернизации и исправлению путем приварки дополнительных ребер и допускают использование для направляющих более качественных материалов, чем для всей станины (см. Изготовление станин для фрезерных станков). Для тяжелых уникальных станков иногда делают железобетонные станины.
Главным критерием оценки работоспособности станины является ее жесткость. Основные расчеты станин относятся к оценке деформаций при действии на нее рабочих нагрузок. Из-за сложности конструктивных форм станин аналитическое решение этой задачи затруднительно и возможно лишь при определенных предпосылках и упрощениях.
Расчет станин на жесткость 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 1 (рис. 2, 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. 2, б) с расчетной длиной lр = lр1 + lр2 деформируемой части. Для портальных станин расчетной схемой будет жесткая статически неопределимая рама. Силы, действующие на станину, определяются силами резания, весом узлов и обрабатываемых заготовок, инерционными нагрузками.
Рис. 2. Расчетные схемы станин
Расчет деформаций станины под действием внешних сил является сложной задачей. В случае замкнутого профиля (рис. 1, 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 1/3 L от наибольшего. Влияние поперечных ребер и перегородок на жесткость изгиба и кручение при замкнутом контуре сечения невелико и может не учитываться.
Окна в стенках неподвижных корпусных деталей, необходимые для размещения механизмов и аппаратуры, снижают жесткость станины. При изгибе наибольшее влияние оказывают окна, расположенные в стенках, перпендикулярных к плоскости изгиба и максимально удаленных 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 (см. рис. 1, 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 Jу относительно нейтральной оси Y-Y (рис. 3, 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 корпусных деталей происходил бы относительно нейтральной оси сечения каждой стенки Z1 и жесткость была бы очень низкой. Наоборот, при абсолютно жестких ребрах обе стенки станины будут работать за одно целое, и момент инерции J. должен быть подсчитан относительно оси Z. В действительности ребра, соединяющие стенки станины, не обеспечивают работы двух стенок как одного сечения, и расчетный момент инерции Jр может быть в первом приближении получен с использованием экспериментального коэффициента kизг, оценивающего жесткость ребер при работе на изгиб Jр = kизгJz. Для прямоугольных (поперечных) ребер kизг=0,1÷0,2 (рис. 3, в), для П-образных ребер kизг=0,3÷0,45 (рис. 3, б) и для диагональных ребер kизг=0,4÷0,5 (рис. 3, в). Из этих данных, полученных для станин токарных станков, видно существенное влияние типа ребер на жесткость станины при изгибе.
Рис. 3. Формы ребер станин
При уточненных расчетах неподвижных корпусных деталей рассматриваются как плоские рамы (поперечные ребра) или фермы (диагональные ребра).
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 кручение kкр (для токарных станков): kкp=0,1÷0,2 для прямоугольных (поперечных) ребер; kкр=0,15÷0,3 для П-образных ребер; kкр=0,25÷0,4 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 fc (м) в радиальном направлении в результате деформации станины:
fc = fг + φс,
где fг - 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.
Деформация станины должна составлять лишь часть допустимых деформаций инструмента (не более 10%). Для токарных станков средних размеров суммарная деформация станин, приведенная к инструменту, fс=(0,04÷0,07) м. Деформация (мм) пропорциональна радиальной составляющей силы резания Ру:
fc = k(Ру/Ee).
Для точных токарных станков коэффициент k имеет следующие значения: k=105 для модели станка 1А62; k=84 для модели 1К62 и k=68 для модели 1620. Как видно, станины станков более новых моделей и прецизионных станков имели повышенную жесткость.
Расчеты и анализ жесткости неподвижных корпусных деталей 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. 4, 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.
Рис. 4. Схема для расчета станины на кручение
Необходимо отметить, что при упрощенных расчетах станин можно вместо деформаций определить наибольшие напряжения, которые не должны превышать 10-12 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 инструмента в направлении оси X (рис. 5). При выборе расчетной схемы соединение 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 Pх, стойки портала будут испытывать изгиб в плоскости меньшей жесткости под действием силы P=Px/2 и кручение под действием момента M=Pхb/2, где b - 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.
Рис. 5. Расчетная схема портала
К неподвижным корпусным деталям относятся станины и основания, качество которых определяет в значительной мере эксплуатационные характеристики станков и машин. Станины, состоящие в зависимости от массы и габарита из одной или нескольких частей, выполняют коробчатой формы с внутренними ребрами жесткости (образующими полости и отсеки); варианты профиля сечения - замкнутый, открытый и полуоткрытый.
Неподвижные корпусные детали, как правило, отливают из чугуна или стали или выполняют сварными. Литые станины более виброустойчивы; для них характерно отсутствие остаточной деформации после прекращения действия внешних сил. Сварные станины по сравнению с литыми имеют меньшую (примерно на 30%) массу, менее трудоемки в изготовлении, допускают внесение некоторых конструктивных изменений в процессе эксплуатации.
