1.4. Система обозначений (нумерации) станков

тельств, в числе которых: габариты заготовок и удобство их установки, возможность удаления стружки и т.д. При планировании размещения узлов учитывается также положение рабочего места наладчика или оператора, обслуживающего станок. Можно выделить следующие типовые компоновки однопозиционных станков.

1) Узел инструмента расположен спереди или сзади детали (станки токарные, шлифовальные и др.). Если инструмент перемещается горизонтально, станок имеет вытянутую вдоль оси Z станину. Небольшой по величине узел инструмента размещаются на передней части станины (суппорт токарного станка), а крупногабаритный – выполняется в виде самостоятельной бабки и располагается сзади (шлифовальная бабка). Если деталь неподвижна, а инструмент перемещается вдоль вертикальной оси (например, вер- тикально-протяжные станки), то по горизонтальным осям станок имеет небольшие размеры.

4) Узлы инструмента расположены веерообразно относительно обрабатываемой детали (станки токарно-карусельные, продольно-стро-

гальные, продольно-фрезерные, шлифовальные портального типа). В таких станках основные узлы обычно компонуются вдоль вертикальной оси. Узлы инструмента находятся на жёсткой раме, образованной станиной, стойками и порталом (перекладиной) в двухстоечных станках. Для менее мощных

33

Г л а в а 2 ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ И МЕХАНИЗМЫ СТАНКОВ

2.1.Базовые детали и направляющие

2.1.1.Назначение базовых деталей и направляющих

Базовые детали металлорежущих станков служат для создания требуемого пространственного размещения узлов, несущих инструмент и обрабатываемую деталь, и обеспечивают точность их взаимного расположения под нагрузкой. К базовым деталям относят станины, основания, колонны, стойки, поперечины, ползуны, траверсы, столы, каретки, суппорты, планшайбы, корпуса шпиндельных бабок и т.п.

Направляющие обеспечивают правильность траектории заготовки и (или) инструмента, точность перестановки узлов и восприятие внешних сил. Во многих случаях направляющие выполняют 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 жёсткость, определяемую контактными деформациями подвижных и неподвижных стыков, местными деформациями и деформациями самих базовых деталей;

-высокие демпфирующие свойства, т.е. 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

втечение заданного срока эксплуатации.

Кроме того, базовые детали должны характеризоваться малыми температурными деформациями, из-за которых могут происходить относительные смещения узлов станка, несущих инструмент и заготовку, а в направляющих должны обеспечиваться незначительные и не изменяющиеся силы трения, так как от их величины и постоянства зависит точность позиционирования узлов станка.

Перечисленные основные требования, предъявляемые к базовым деталям и направляющим станков, могут быть удовлетворены при правильном выборе материала и реализации при конструировании общих принципов,

43

независимых от многообразия форм деталей. Конструирование базовых деталей – это поиск компромиссного решения между противоречивыми требованиями при создании конструкций:

-жёстких, 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.

2.1.2. Виды базовых деталей

Основные неподвижные и подвижные узлы станка монтируются и устанавливаются на станине. Станины бывают в зависимости от расположения оси станка горизонтальными и вертикальными. Они имеют, как правило, коробчатую форму с внутренними рёбрами жёсткости и перегородками.

Форма поперечного сечения горизонтальных станин определяется требованиями жёсткости, расположением направляющих, условиями удаления стружки и охлаждающей жидкости, размещением в станинах различных механизмов, агрегатов и резервуаров для масла и охлаждающей жидкости.

Внутренние полости между стенками часто делают замкнутыми и оставляют в них стержневую смесь. Замкнутый профиль имеет более высокую жёсткость (особенно на кручение), чем разомкнутый, а сыпучий материал во внутренней полости повышает демпфирующие свойства станины.

Форма сечений вертикальных станин (стоек) зависит от действующих на них сил. У большинства станков момент сил, действующих на стойку у основания, больше, чем момент сил, действующих сверху, поэтому стойки выполняют расширяющимися книзу хотя бы в одной плоскости.

В станках с вертикальными станинами для повышения их устойчивости и в станках с неподвижной заготовкой для уменьшения их массы и габаритов (станки радиально-сверлильные, консольно-фрезерные, вертикаль- но-сверлильные, тяжелые расточные и др.) применяют плиты. Конструктивно плиты выполняют в виде пластины с системой стенок и рёбер или двух пластин, скрепленных стенками и рёбрами. Высота плит не должна быть меньше 1/10 длины плиты.

Шпиндельные бабки, коробки скоростей и подач, фартуки и т.п.

служат для размещения передач приводов. Чаще они имеют форму параллелепипеда, реже – цилиндра (в частности, в многошпиндельных токарных автоматах). Жёсткость таких деталей увеличивают за счёт увеличения жёсткости стенок непосредственно в месте приложения нагрузки путём выполнения бобышек и рёбер. Диаметр бобышки обычно принимается не более 1,4- 1,6 диаметра отверстия, а её высота – до 2,5-3 толщин стенки. Отверстия в

44

стенках снижают жёсткость коробок пропорционально соотношению площадей отверстия и стенки.

Базовые детали типа суппортов и салазок (кареток) предназначены для перемещения инструмента или заготовки и имеют обычно две системы направляющих. Конструктивные формы суппортов и салазок определяются формой и расположением направляющих, конструкцией регулирующих элементов и механизмов привода, требованиями к размерам по высоте. При конструировании салазок и суппортов учитывают противоречивые требования: уменьшение массы и размеров по высоте, с одной стороны, и увеличение жёсткости, которое достигается увеличением высоты сечения салазок, с другой.

Для поддержания заготовок при обработке служат столы. Их делят на подвижные (консольно-фрезерные, расточные, поперечно-строгальные станки и др.) и неподвижные (радиально-сверлильные, протяжные и другие станки). Подвижные столы предназначены для поддержания и перемещения заготовок и имеют одну систему направляющих, т.е. перемещаются в одном направлении. Столы обычно имеют коробчатую форму с внутренними перегородками и ребрами, повышающими их жёсткость. Фрезерные, шлифовальные и другие станки имеют подвижные столы плоской прямоугольной формы. Их жёсткость определяется главным образом высотой. В продольнофрезерных станках отношение высоты стола к ширине, равное 0,14-0,16, считается оптимальным. Подвижные столы круглой формы имеют токарнокарусельные, зуборезные и другие станки. Круглые столы (планшайбы) карусельных станков диаметром более 1000 мм выполняют коробчатыми с радиальными и кольцевыми ребрами.

В станинах и других базовых деталях часто выполняют технологические окна и вырезы. Иногда они нужны для размещения внутри деталей ка- ких-либо вспомогательных устройств (элементов систем смазки и охлаждения, противовесов). В некоторых станках стружка отводится через окна в задней стенке станины. Окна и вырезы сильно снижают жёсткость базовых деталей, особенно крутильную жёсткость. Для частичной компенсации потери жёсткости используют дополнительные рёбра и перегородки. Реже встречаются местные утолщения и приливы, так как по литейным соображениям следует стремиться к равной толщине стенок всей конструкции. Толщина стенок литых станин и других корпусных деталей принимается от 4-5 мм в лёгких станках до 16-20 – в тяжёлых.

2.1.3. Материалы базовых деталей

Основными материалами базовых деталей, удовлетворяющими условиям стабильности, жёсткости и виброустойчивости, являются чугун и низкоуглеродистая сталь. Значительно реже применяют бетон, да и то в качестве материала для оснований или станин.

45

Чугун – наиболее распространенный материал для изготовления базовых деталей. При повышенных требованиях к износостойкости направляющих, выполненных как одно целое с базовой деталью, применяют чугун марки СЧ21. Его также широко используют для изготовления станин и других ответственных деталей прецизионных станков. Значительно реже применяют чугуны марок СЧ32 и СЧ36. Обладая высокой прочностью и износостойкостью, они имеют плохие литейные качества, поэтому их не рекомендуют для изготовления базовых деталей сложной формы и крупногабаритных. Эти чугуны применяют для изготовления шпиндельных блоков и плит многошпиндельных станков, станин токарных, револьверных станков, базовых деталей станков-автоматов и других интенсивно нагруженных станков.

Для изготовления базовых деталей станков применяют и легированные чугуны с присадками никеля, хрома, магния, ванадия и других элементов.

В деталях из литых чугунов образуются остаточные напряжения, которые могут привести к короблению базовых деталей и нарушению точности станка. Напряжения снимаются сами через несколько месяцев, в течение которых детали не используют и ничего с ними не делают. Это называют естественным старением. Для сокращения времени изготовления станков применяют более интенсивные методы старения: тепловую обработку, отжиг, вибрационное старение, статическую перегрузку и др.

Чаще всего применяют чугун марки СЧ15. Он обладает хорошими литейными свойствами, мало коробится, но имеет сравнительно низкие механические свойства (модуль продольной упругости Е=80 - 150 кН/мм2). Его применяют для изготовления оснований большинства станков, салазок, столов, корпусов задних бабок, тонкостенных отливок небольшой массы с большими габаритными размерами и других деталей сложной конфигурации при недопустимости большого коробления и невозможности подвергнуть их старению.

Низкоуглеродистую сталь применяют при изготовлении сварных базовых деталей относительно простой формы. Сварными базовые детали делают при мелкосерийном и единичном характере производства. Их также широко применяют в станках, работающих при ударных и при очень больших нагрузках. По сравнению с литыми сварные конструкции значительно легче при той же жёсткости, поскольку модуль упругости стали в 2-2,4 раза выше модуля упругости чугуна. Кроме того, сварным конструкциям легче придать более совершенные формы с точки зрения жёсткости, в них проще исправить дефекты конструкции, механическая обработка их менее трудоёмка. Для сварных конструкций используют в основном листовую сталь марок Ст3 или Ст4 толщиной от 3 (лёгкие станки) до 16 мм (тяжёлые). С целью экономии металла толщина стенок базовых деталей средних и тяжёлых

46

станков может быть уменьшена, но тогда требуется выполнять большее число перегородок и рёбер, что технологически сложнее. Применение конструкционных фасонных профилей в сварных станинах позволяет существенно снизить трудоёмкость их изготовления.

Бетон в качестве материала для станин характеризуется тем, что он хорошо гасит вибрации; это увеличивает динамическую жёсткость станка. Кроме того, большая по сравнению с чугуном тепловая инерция делает бетон менее чувствительным к колебаниям температуры. Модуль упругости бетона меньше, чем чугуна, и ту же жёсткость бетонной станины можно достичь, увеличивая толщину стенок. Вес детали при этом может и не увеличиться, так как удельный вес бетона в три раза меньше, чем у серого чугуна. Существенный недостаток бетона состоит в том, что он поглощает влагу – это влечет за собой объёмные изменения, а попадание масла на бетон повреждает его. Поэтому необходимы мероприятия по защите бетона от влаги и попадания масла.

Для изготовления станин тяжёлых станков иногда применяют железобетон. Обеспечивая такую же жёсткость, как и чугун, железобетон даёт экономию металла примерно на 40-60 %. Но на этот материал оказывает отрицательное воздействие масло и влага.

Композиционные материалы, называемые полимерными бетонами (полимербетонами), не боятся воздействия масла и влаги. Они состоят из наполнителя (кварц, мраморная или гранитная крошка, другие природные твёрдокаменные породы) и полимерного связующего материала, содержащего смоляную часть и отверждающий агент (эпоксидная, акриловая или метакриловая смола с отвердителем и т.п.). Получает большее распространение полимерный бетон, называемый синтеграном (от слов: синтетический и гранит). Наполнители в синтегране – граниты, габбро, диабазы. Cинтегран по физико-механическими свойствам аналогичен натуральным гранитам, но отличается от них тем, что из него можно формовать детали сложной формы. Базовые детали из синтеграна обладают высокой демпфирующей способностью и низкой теплопроводностью, характеризуются отсутствием усадки при формовке и минимальными внутренними напряжениями. Это способствует повышению точности станков и стойкости режущего инструмента.

2.1.4.Исполнения направляющих

Вметаллорежущих станках применяют направляющие скольжения,

качения и комбинированные. Направляющие скольжения делятся на направляющие полужидкостного трения, жидкостного трения и аэростати-

ческие. Полужидкостное трение имеет место на смазанных направляющих, когда смазка не разделяет полностью контактирующие поверхности. Если смазочный материал разделяет поверхности полностью, трение является

47

жидкостным. Это имеет место в гидростатических и гидродинамических направляющих. В аэростатических направляющих сопряженные поверхности разделяются слоем сжатого воздуха. Направляющие качения по виду тел качения разделяют на шариковые и роликовые. Все типы направляющих имеют свои достоинства и недостатки, что и определяет их целесообразную область применения. Часто делают комбинированные направляющие, используя достоинства разных типов и достигая тем самым суммарного эффекта.

В зависимости от траектории движения подвижного узла различают направляющие прямолинейные и круговые. Их делят также на горизонтальные, вертикальные и наклонные.

Формы поперечного сечения направляющих весьма разнообразны.

Наиболее распространены прямоугольные (плоские), треугольные (призматические), трапециевидные (типа ласточкина хвоста) и круглые (цилиндри-

ческие) направляющие. Часто используют сочетание различных форм, например, одна из направляющих выполняется прямоугольной, а другая треугольной.

Прямоугольные направляющие отличаются технологичностью изготовления и простотой контроля геометрической точности. Они способны воспринимать большие нагрузки и позволяют достаточно просто регулировать зазоры. В этой связи они находят всё большее применение, особенно в станках с программным управлением.

Треугольные направляющие обладают свойством автоматического выбора зазоров под действием собственного веса, но угловое расположение рабочих граней усложняет их изготовление и контроль.

Трапециевидные направляющие отличаются компактностью конструкции, но сложны в изготовлении и контроле. Регулирование зазора у них относительно простое, но не обеспечивает высокой точности сопряжения.

Круглые направляющие применяют редко. В охватываемом варианте они не обеспечивают большой жёсткости из-за прогиба скалок (штанг), закреплённых на концах, поэтому применяют их в основном при малой длине хода перемещаемого по ним узла. В охватывающем варианте у таких направляющих сложно изготовить полукруглые пазы.

Размеры и формы сечений направляющих трения скольжения устанавливаются стандартами, а также нормалями станкостроения. Длину направляющих подвижного узла увязывают с общей шириной направляющих (ширина самих направляющих и расстояние между ними) и принимают её в 1,5-2 больше общей ширины.

Направляющие на одной из двух сопряжённых деталей являются охватывающими, а на другой – охватываемыми. Охватываемые направляющие плохо удерживают смазочный материал, а охватывающие удерживают его хорошо, но нуждаются в надёжной защите от загрязнений.

48

Направляющие могут быть выполнены как одно целое с базовой деталью либо быть накладными. Накладные направляющие крепят к базовой детали по всей их длине. При креплении винтами шаг между ними во избежание искривления и коробления должен быть не больше двукратной высоты накладной планки. При механическом креплении или приклеивании накладных направляющих необходимо предусматривать фиксацию их в поперечном направлении различными центрирующими выступами, поверхностями, фасками. Направляющие необходимо защищать от попадания на рабочие поверхности грязи, мелкой стружки и абразивной пыли. Для этого используются неподвижные и телескопические щитки, защитные ленты, гармоникообразные меха и другие устройства.

2.1.5. Направляющие скольжения

Характер трения определяет область рационального использования тех или иных направляющих скольжения в станках.

Направляющие полужидкостного трения характеризуются высо-

кой контактной жёсткостью и хорошими демпфирующими свойствами. Кроме того, они обеспечивают надёжную фиксацию подвижного узла станка после его перемещения в заданную позицию. Однако непосредственный контакт сопряженных поверхностей в направляющих полужидкостного трения определяет непостоянство и большую величину сил сопротивления. В зависимости от нагрузки, скорости, вида смазочного материала и его количества направляющие могут работать в режиме сухого, граничного и полужидкостного трения. Существенную разницу для этих направляющих составляют силы трения покоя (силы трогания) по сравнению с силами трения движения; последние, в свою очередь, сильно зависят от скорости скольжения. Эта разница приводит к скачкообразному движению узлов при малых скоростях, что крайне нежелательно, особенно для станков с программным управлением. Значительное трение вызывает износ и, следовательно, снижает долговечность направляющих.

Для уменьшения недостатков направляющих полужидкостного трения используют специальные антискачковые масла, применяют накладки из антифрикционных материалов. Если коэффициент трения покоя в паре чу- гун-чугун при обычных маслах равен 0,21-0,28, то применение антискачкового масла снижает его до 0,075-0,09.

Применение накладок из полимерных материалов на основе фторопласта снижает коэффициент трения покоя до 0,04-0,06.

Материал направляющих в значительной мере определяет износостойкость и плавность движения узлов. Направляющие из серого чугуна, выполненные как одно целое с базовой деталью, наиболее просты и дешевы, но при интенсивной работе не обеспечивают необходимой долговечности.

49

Их износостойкость повышают закалкой с нагревом токами высокой частоты или газопламенным методом. Закалкой одной из сопряженных поверхностей до HRC 48-53 можно повысить износостойкость более чем в 2 раза. Легирующие присадки к чугунным направляющим дают повышение износостойкости только при последующей закалке до высокой твёрдости. Значительного повышения износостойкости чугунных направляющих можно добиться применением специальных покрытий. Хромирование направляющих слоем толщиной 25-50 мкм обеспечивает твёрдость до HRC 68-72, в 4-5 раз повышает износостойкость и существенно уменьшает коэффициенты трения покоя и трения движения. Аналогичный эффект даёт напыление направляющих слоем молибдена или сплавами с содержанием хрома. Хромируют только одну из сопряженных поверхностей, обычно неподвижную, так как пара хром по хрому склонна к схватыванию, хотя и имеет минимальный коэффициент трения.

Направляющие из стали выполняют в виде отдельных планок, которые приваривают к сварным станинам, а к чугунным станинам крепят винтами или приклеивают. Материал накладных направляющих – низкоуглеродистые стали 20, 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ с цементацией и закалкой до высокой твёрдости (HRC 60-65), азотируемые стали 38ХМЮА, 40ХФ, 3ОХН2МА с глубиной азотирования 0,5 мм и закалкой до очень высокой твёрдости (HV 800-1000). Реже применяют легированные высокоуглеродистые стали ШХ15, ХВГ, 9ХС с объёмной закалкой и отпуском (HRC 58-62). Стальные закалённые направляющие обеспечивают наивысшую износостойкость в паре с закалённым чугуном.

Наилучшие результаты по износостойкости, отсутствию задиров и равномерности подачи обеспечивают цветные сплавы, такие, как алюминиевая бронза БрАМц9-2, оловянистая бронза БрОФ10-1, сплав на цинковой основе ЦАМ10-5 в паре со сталью или чугуном, но высокая стоимость сплавов сдерживает их широкое применение. Их используют главным образом при изготовлении накладных направляющих для тяжёлых станков.

Во избежание крайне нежелательного явления – схватывания,* пару трения комплектуют из разнородных материалов, имеющих различные состав, структуру и твёрдость. Направляющие, по которым перемещаются подвижные узлы, делают более твёрдыми и износостойкими. Этим обеспечивается длительное сохранение точности, так как при движении копируется форма неподвижных направляющих.

* Схватывание – соединение плотно прижатых одна к другой поверхностей в результате действия молекулярных сил. Происходит при недостаточном смазывании сопряжённых поверхностей и большом давлении; опасность схватывания возрастает при высоких скоростях скольжения, когда температура трущихся поверхностей значительно повышается. Из-за схватывания трущихся поверхностей происходит т.н. молекулярномеханический износ.

50

Обладают хорошими характеристиками трения и антизадирными свойствами пластмассы. Они обеспечивают равномерность движения при малых скоростях и не дают схватывания, однако низкая износостойкость при абразивном загрязнении, влияние тепловых воздействий, влаги, масла, слабых щелочей и кислот ограничивают их применение. Используют пластмассы в основном в комбинированных направляющих, когда основную нагрузку несут, например, роликовые опоры, а слой пластмассы на вспомогательных гранях обеспечивает необходимые характеристики трения. Из пластмасс в станках используют фторопласт (в виде ленты, наклеиваемой на направляющие), фторопласт с бронзовым наполнителем, композиционные материалы на основе эпоксидных смол с присадками дисульфида молибдена, графита и неметаллических наполнителей, материалы на основе ацетатных смол.

Для обеспечения износостойкости направляющих ограничивают допустимые давления на их рабочих гранях. Рекомендуемые максимальные давления на направляющих при малых скоростях равны 2,5-3,0 МПа; при больших скоростях – не более 1,0-1,2 МПа. Средние давления должны быть вдвое меньше максимальных. В прецизионных и тяжёлых станках средние давления не должны превышать 0,1-0,2 МПа.

Жидкостное трение между направляющими можно обеспечить за счёт гидродинамического эффекта либо подачей смазочного материала между трущимися поверхностями под давлением (т.н. гидростатические направляющие). Достоинство жидкостного трения в том, что отсутствует износ направляющих, обеспечиваются высокие демпфирующие свойства и плавность движения.

Гидродинамический эффект, т.е. эффект всплывания узла при высокой скорости его движения, создаётся пологими клиновыми скосами между смазочными канавками, выполненными на рабочей поверхности неподвижных направляющих перпендикулярно их длине. В образованные таким образом сужающиеся зазоры при движении узла затягивается смазочный материал, и обеспечивается разделение трущихся поверхностей слоем жидкости. Для различных скоростей движения и нагрузки на таких направляющих

– их называют гидродинамическими – существуют свои оптимальные геометрические параметры клинового скоса. Гидродинамические направляющие хорошо работают лишь при достаточно больших скоростях скольжения, которым соответствуют скорости главного движения (в станках про- дольно-строгальных, карусельных). Существенным недостатком направляющих является нарушение жидкостной смазки в периоды разгона и торможения подвижного узла, в результате имеет место износ поверхностей.

Гидростатические направляющие более широко распространены в металлорежущих станках, чем гидродинамические. Они обеспечивают жид-

51

костную смазку при любых скоростях скольжения, а значит, и равномерность, и высокую чувствительность точных исполнительных движений. Недостатком гидростатических направляющих является сложность системы смазки и необходимость в специальных устройствах для фиксации перемещаемого узла в заданной позиции. На направляющих подвижного узла параллельно их длине выполняют карманы (углубления), в которые под давлением подаётся масло. Вытекая наружу, масло приподнимает подвижной узел и создает масляную подушку по всей площади контакта.

По характеру восприятия нагрузки гидростатические направляющие делятся на открытые и замкнутые. Открытые направляющие предназначены для восприятия прижимающих нагрузок, а замкнутые (закрытые) могут воспринимать, кроме того, и значительные опрокидывающие моменты.

Гидростатические направляющие чувствительны к деформациям и погрешностям изготовления и монтажа, суммарная величина которых для сопряжённых деталей не должна превышать примерно одной трети минимальной расчётной толщины щели между деталями. Положительным свойством гидростатических опор является способность их в значительной мере усреднять исходные геометрические погрешности сопряженных поверхностей.

Аэростатические направляющие конструктивно подобны гидро-

статическим. Разделение трущихся поверхностей в аэростатических направляющих обеспечивают подачей в карманы воздуха под давлением. Недостатки аэростатических направляющих, по сравнению с гидростатическими, заключаются в малой нагрузочной способности, невысоком демпфировании колебаний (так как вязкость воздуха на четыре порядка меньше вязкости масла), низкими динамическими характеристиками, склонностью к отказам из-за засорения магистралей и рабочего зазора. Преимущества аэростатических направляющих состоят в том, что они при движении обеспечивают низкий коэффициент трения, а при отключении подачи воздуха очень быстро создаётся контакт поверхностей с большим трением, обеспечивающим достаточную жёсткость фиксации узла станка в заданной позиции. Отпадает необходимость в фиксирующих устройствах, в которых нуждаются гидростатические направляющие. Аэростатические направляющие используют в прецизионных станках, в которых силы резания малы и необходимо точное позиционирование.

2.1.6. Направляющие качения

Направляющие качения обладают хорошими характеристиками трения, равномерностью и плавностью движения на малых скоростях, высокой точностью установочных перемещений при длительном сохранении точно-

52

сти; малым тепловыделением, простотой системы смазывания. Трение в направляющих качения практически не зависит от скорости движения.

Недостатками направляющих качения по сравнению с направляющими скольжения являются высокие трудоёмкость изготовления и стоимость, низкое демпфирование колебаний, повышенная чувствительность к загрязнениям.

Наибольшее распространение в металлорежущих станках имеют направляющие, в которых трение качения создаётся при свободном прокатывании тел качения (шариков или роликов) между движущимися поверхностями. В такой конструкции есть возможность разместить значительное число тел качения в зоне контакта и обеспечить необходимые жёсткость и точность движения. При большой длине хода используют направляющие с циркуляцией тел качения, которые свободно возвращаются на рабочую дорожку по каналу возврата.

Материал и конструктивные формы направляющих качения сходны с направляющими скольжения. Однако для направляющих качения необходимы твёрдые и однородные рабочие поверхности. Чугун применяют сравнительно редко лишь при небольших нагрузках. В основном используют стальные закалённые направляющие.

2.1.7. Комбинированные направляющие

Сочетание направляющих различных типов в одной конструкции даёт возможность использовать положительные свойства различных видов трения.

В направляющих качения-скольжения элементы качения могут на-

ходиться на основных, боковых или вспомогательных гранях направляющих. Остальные грани выполняют как поверхности полужидкостного трения. Роликовые опоры на основных горизонтальных гранях применяются в направляющих тяжёлых перемещающихся узлов (столы тяжёлых фрезерных станков, подвижные стойки тяжёлых расточных станков, суппорты тяжёлых токарных станков и т.п.). Направляющие с боковыми гранями качения используют в станках, где в первую очередь необходимо устранить переориентацию узлов при реверсах (расточные, многооперационные, токарные, бесконсольно- и вертикально-фрезерные станки и др.).

Направляющие качения-скольжения с облицовкой граней скольжения полимерными материалами обладают хорошими свойствами как направляющих качения, так и направляющих скольжения, и не имеют их недостатков, т.е. обладают одновременно удовлетворительными характеристиками трения, высокими жёсткостью и демпфированием колебаний, являются беззазорными в наиболее важном направлении и имеют значительно меньшую стоимость, чем направляющие качения.

53

Направляющие полужидкостного трения могут быть дополнены элементами гидростатических направляющих. Для этого на поверхностях направляющих выполняются углубления – разгружающие карманы, в которые подводится масло под давлением. Такое конструктивное решение называют гидроразгрузкой направляющих полужидкостного трения. Подобрав соответствующее давление масла в карманах, можно резко уменьшить коэффициент трения в направляющих, но не допустить всплывания перемещаемого узла, имеющее место в гидростатических направляющих. В результате повышается долговечность направляющих, а отсутствие всплывания обеспечивает высокую контактную жёсткость и надёжную фиксацию узла после его перемещения.

2.2.Приводы металлорежущих станков

2.2.1.Общие сведения о приводах. Кинематические пары, цепи, схемы

1.Под словом привод подразумевают, от чего и через что передаётся движение механизмам станка или иной технологической машины в целом (это значение слова в широком смысле) либо конкретному рабочему органу станка (это значение в узком смысле). При этом возможны смысловые нюансы, зависящие от того, на какой из частей привода акцентируется внимание, или какой направленности специалисты анализируют привод.

Начнём с рассмотрения приводов в широком смысле. В историче-

ском обзоре упоминалось о приводе станков ручном, ножном, механическом от водяных колёс,* от паровых машин. При механическом приводе от каждого водяного колеса или паровой машины, а при появлении в XIX в. электродвигателей – от одного мощного двигателя, приводились в движение несколько технологических машин через общий вал или трансмиссию (рис. 2.1,а). Такое устройство передачи движения от его источника группе рабо-

чих машин назвали групповым или трансмиссионным приводом.

С развитием и совершенствованием электродвигателей появилась возможность оснащения каждого отдельного станка одним индивидуальным двигателем (рис. 2.1,б) или несколькими. Это стали именовать индивидуальным приводом, однодвигательным или многодвигательным.

В современных станках используются различные электродвигатели: нерегулируемые асинхронные односкоростные и многоскоростные; асинхронные и синхронные с частотным регулированием (т.е. изменяющие час-

*Когда-то целые заводы приводились от нескольких водяных колёс. Такие системы применялись в своё время и на ТОЗе, их остатки (русла, плотина, подвалы) сохранились. Изображения некоторых вододействующих машин, построенных на ТОЗе Я.М. Батищевым, с их приводом можно увидеть во 2 томе источника [6].

54

тоту вращения при изменении частоты питающего их напряжения); регулируемые двигатели постоянного тока (ДПТ) с электромагнитным возбуждением; регулируемые ДПТ с возбуждением от постоянных магнитов (высокомоментные, малоинерционные и др.).

Однако для приводов станков и других машин применяются не только электродвигатели. В зависимости от того, какая энергия преобразуется в механическую энергию перемещающегося рабочего органа, приводы разделяют на электрические, гидравлические, пневматические.

Рис. 2.1. Варианты приводов станков: а – групповой; б – индивидуальный; 1 – электродвигатель для группы станков; 2 – трансмиссия; 3 – ременные передачи; 4 – станки; 5 – индивидуальный электродвигатель станка

Электроприводами называют приводы с электродвигателями и механическими устройствами для передачи движения. Электродвигатели обеспечивают преобразование электрической энергии в механическую энергию и работу. Электропривод считают нерегулируемым, если скорость рабочего органа не регулируется или регулируется посредством механических устройств, и регулируемым, если это обеспечивается только или главным образом с помощью электродвигателя.

Приводы гидрофицированных и пневмофицированных станков, в которых перемещение рабочих органов или других устройств обеспечивается посредством гидро- и пневмодвигателей (моторов, поворотных двигателей, цилиндров), называют гидроприводами и пневмоприводами. В гидроприводе в механическую энергию преобразуется энергия потока жидкости (обычно минерального масла), находящейся под давлением, а в пневмоприводе – сжатого воздуха. Естественно, и в этих приводах используется электрическая энергия, но не для непосредственного превращения вмеханическую, а для обеспечения нагнетания рабочей жидкости или сжатия воздуха (электродвигатели приводят гидронасосы, воздушные компрессоры и т.п.).

55

Каждый вид привода имеет свои достоинства и недостатки. Так, электроприводы характеризуются удобством подведения и использования электрической энергии, высоким КПД. С другой стороны, их инерционность весьма высока, электродвигатели имеют бóльшие габариты, чем гидродвигатели такой же мощности. Гидроприводы позволяют осуществлять бесступенчатое регулирование скорости в широких пределах с помощью достаточно простых средств, длительное время развивать большие статические усилия, обладают высоким быстродействием, обеспечивают предохранение системы от перегрузки за счёт ограничения давления и т.д. В числе их недостатков – утечки рабочей жидкости, снижающие КПД и ухудшающие характеристики работы, потери мощности из-за трения жидкости в трубопроводах и аппаратуре. Пневмоприводы характеризуются относительной простотой конструкции и обслуживания, не требуют возвратных линий (что обязательно для гидропривода), т.к. отработавший воздух из системы выпускается в окружающую среду, имеют большой срок службы, пожаро- и взрывобезопасны, практически нечувствительны к колебаниям температуры и т.п. Но КПД их очень низок, а из-за высокой сжимаемости воздуха они имеют невысокую жёсткость и не позволяют развивать больших усилий.

Несмотря на отмеченные и другие недостатки, гидро- и пневмоприводы достаточно широко применяются в станках, но уступают в этом плане электроприводам. При выборе типа привода отдают предпочтение электрическому, если разные приводы одинаково удовлетворяют предъявляемым к разрабатываемой машине требованиям.

2. Металлорежущие станки – это технологические машины с очень сложным устройством и большим числом различных механизмов. Они имеют по несколько рабочих органов и вспомогательных приспособлений, которым сообщаются движения с регулируемыми или нерегулируемыми скоростями. Во многих случаях эти движения независимы друг от друга и лишь должны выполняться в определённой последовательности. В других случаях для формообразования поверхностей на обрабатываемых деталях движения некоторых рабочих органов станка должны быть строго взаимоувязанными. Например, для получения винтовой поверхности на цилиндрической заготовке режущий инструмент должен перемещаться вдоль её оси на шаг винтовой линии за один оборот заготовки.

Чтобы разобраться с тем, как обеспечиваются движения органов станка и отсутствуют или имеются взаимосвязи между ними, как оценивать перемещение того или иного органа – по скорости, расстоянию или каклибо ещё и т.д., используют особый методический подход. Он заключается в том, что рассматривают по отдельности, каким образом передаётся движение каждому органу станка, и определяются, что следует считать источником движения в том комплексе устройств, посредством которых осуществляется перемещение рассматриваемого органа. Источник движения

56

при таком условном подходе – это не во всех случаях приводной электрический или иной двигатель станка (хотя и ясно, что без работы двигателя никакие движения осуществляться не могут).

Источник движения, вся совокупность устройств, обеспечивающих передачу движения от него рабочему органу, сам рабочий орган и систему управления ими называют приводом. Здесь и далее знакомый термин (привод) используется в узком смысле, подразумевающем передачу движения конкретному рабочему органу.

Взависимости от назначения передаваемых движений будем рас-

сматривать приводы главного движения, подачи, установочных перемеще-

ний и др. Приводы могут обеспечивать ступенчатое или бесступенчатое (плавное) регулирование скорости передаваемого движения, либо быть нерегулируемыми.

Встанке с электродвигателем и механическими передающими устройствами источником движения в приводе главного движения всегда является электродвигатель (двигатель большей мощности, если их несколько). Тот же электродвигатель, если он в станке один, или отдельный, если их несколько, является источником движения в другом независимом приводе. В случае, когда движение одного органа строго увязывается с движением другого, этот другой принимается в качестве источника движения в приводе первого. Так, в примере с формированием винтовой поверхности источником движения считают заготовку, расчётное перемещения которой – один оборот. Конечное звено этого привода – орган, несущий инструмент, который должен переместиться на шаг винтовой линии за оборот заготовки.

Источник движения в приводе – это его начальное звено, а рабочий орган – конечное. Поскольку начальное и конечное звенья располагаются по "концам" привода, их вместе часто называют конечными звеньями.

3. К числу устройств привода, необходимых для обеспечения передачи движения от его начального звена к конечному, относятся собственно передачи (они могут быть ременными, зубчатыми, цепными, винтовыми, фрикционными и др.), валы и их опоры, муфты, какие-либо механизмы и пр. Простейшие механические передачи привода иногда называют элементарными кинематическими парами.

При условном изображении передач характер соединения детали (шестерни, шкива и т.д.) с валом показывают так, как представлено на рис. 2.2. При соединении "свободном при вращении" (см. рис. 2.2,а) вращательное движение детали не зависит от движения вала и наоборот. При "подвижном без вращения" и "глухом" соединении оба элемента вращаются или не вращаются обязательно вместе (это обеспечивается их шлицевым сопряжением или гладким с применением шпонки), только в первом случае (см. рис. 2.2,б) деталь можно переместить вдоль оси вала, не разрывая их связи, а во втором (см. рис. 2.2,в) осевое перемещение невозможно.

57

В ременных передачах движение от ведущего шкива к ведомому может передаваться плоским ремнём, одним или несколькими клиновыми, поликлиновым, зубчатым, круглым. Ременные передачи часто применяются для соединения электродвигателя с входным валом станка, а также в качестве шпиндельной передачи для обеспечения высоких частот вращения шпинделя и безвибрационной работы станка.

Из числа зубчатых в станках широко используются передачи цилиндрические с прямыми, винтовыми (косыми) и шевронными зубьями; конические разных типов; червячные; реечные.

Рис. 2.2. Характер соединения детали с валом: а – свободное при вращении; б – подвижное без вращения; в – глухое; 1 – деталь; 2 – вал

Кинематическая пара, передающая вращательное движение, харак-

теризуется передаточным отношением.

Если, к примеру, частоты вращения валов I (ведущего – ВЩ) и II (ведомого – ВМ) цилиндрической или конической зубчатой передачи (рис. 2.3,а,б) равны n1 и n2 об/мин, а числа зубьев шестерён – Z1 и Z2, соответственно, то передаточное отношение i пары и частота вращения ведомого вала будут

Для червячной передачи (рис. 2.3,в), червяк которой имеет K заходов, а червячное колесо – Z зубьев:

В ременных передачах (рис. 2.3,г), кроме передач с зубчатым ремнём, имеет место проскальзывание, и это учитывают соответствующим коэффициентом (ηр*):

Передачи, преобразующие вращательное движение в прямолинейное,

характеризуются величиной перемещения поступательно движущегося элемента за один оборот приводного вала.

* Не путать с КПД!

58

Для таких передач часто увязывают скорость прямолинейного перемещения ведомого звена (v, S) с частотой вращения (n) ведущего.

Эта зависимость будет:

- для винтовой передачи с винтом однозаходным (рис. 2.4,а) S = t n и многозаходным S = Н n = K t n, где t и Н – шаг и ход винта; K – число его заходов;

- для зубчато-реечной и червячно-реечной передач (рис. 2.4,б,в), со-

Рис. 2.3. Кинематические пары для передачи вращательного движения: а, б, в – зубчатые цилиндрическая, коническая, червячная; г – ременная

Вращательное движение можно преобразовывать в прямолинейное также с помощью кривошипно-шатунных, кривошипно-кулисных, кулачковых и других механизмов.

Рис. 2.4. Кинематические пары для преобразования вращательного движения в прямолинейное:

а – винтовая; б – зубчато-реечная; в – червячно-реечная

4. Совокупность передач привода определяет движение рабочих органов, т.е. кинематику их, и её называют кинематической цепью.

59

В кинематические цепи могут входить как отдельные передачи, так и

группы передач (групповые передачи).

Произвольный пример кинематической цепи, состоящей из клиноременной (d1:d2) , четырёх зубчатых (Z1:Z2, Z3:Z4, Z5:Z6, K:Z7) и цепной (Z8:Z9) передач, приведён на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Пример кинематической цепи

Полное передаточное отношение кинематической цепи равно про-

изведению передаточных отношений всех кинематических пар, составляющих цепь.

Полное передаточное отношение I кинематической цепи, показанной в качестве примера на рис. 2.5,

здесь Z8 и Z9 – числа зубьев звёздочек цепной передачи.

Перемещения конечных звеньев кинематической цепи и направление передачи движения записывается в виде т.н. расчётных перемещений ко-

нечных звеньев (или, упрощенно: расчётного перемещения).

Так, если nо и n – частоты вращения ведущего и ведомого валов или начального и конечного звеньев кинематической цепи, то расчётное перемещение представляют в виде nо→n.

Если nо и S – частота вращения ведущего вала кинематической цепи и скорость перемещения ведомого звена – гайки винтовой передачи шага t, то расчётное перемещение будет: nо→S (подробнее см. п. 3.2).

Очевидно, в первом случае n = nо I, а во втором S = nо I t.

60

То или иное из этих или им подобных выражений с подробно расписанной правой частью (т.е. вместо I – произведение передаточных отношений всех кинематических пар, составляющих цепь, в виде обозначений шестерён, шкивов или конкретных чисел зубьев шестерён, диаметров шкивов, в последнем случае – и конкретных значений частот вращения, шагов резьб и т.д.) называют уравнением кинематического баланса.

Для приведённой выше кинематической цепи уравнение кинематического баланса в общем виде и в предположительно возможном числовом соответственно будет:

и n =1000 12090 0,98 3524 3030 2545 401 5427 .

Уравнение кинематического баланса позволяет определить перемещение конечного звена в зависимости от перемещения начального звена и полного передаточного отношения кинематической цепи, связывающей эти звенья, а при наличии передач, преобразующих вращательное движение в прямолинейное, – и их параметров.

5. Изображение кинематических цепей всех механизмов станка на-

зывают кинематической схемой данного станка.

Кинематические схемы могут быть пространственными и плоскими; первые (см. рис. В.2,а,б) более наглядны, вторые – проще в исполнении и встречаются чаще. Плоские схемы, однако, могут быть недостаточно понятными, поскольку в плоскости схемы условно изображаются валы, передачи и узлы, расположенные на самом деле объёмно и в разных плоскостях, в т.ч. перпендикулярных к плоскости изображения. Повышение наглядности плоских схем может быть достигнуто при продуманном их исполнении. При составлении схемы применяют условные графические обозначения, установленные в стандартах Единой системы конструкторской документации (ЕСКД) и построенные на их основе.

Кинематическую схему следует вписывать в примерные контуры важнейшей проекции станка, сохраняя, по возможности, относительное расположение его отдельных механизмов. Главная цель кинематической схемы – создание ясного представления о том, как обеспечиваются движения рабочих органов и других элементов станка. Этой цели подчинено всё остальное, поэтому при вычерчивании плоской схемы допускаются такие условности, которые, позволяя понять кинематику станка, не вполне согла-

61

суются с реальной конструкцией его частей. К примеру, вал, изображаемый обычно прямой линией, может быть показан изогнутым; элементы кинематических пар могут быть разнесены, а пунктирная линия между ними указывает на их сцепление. При необходимости выполняют упрощенные внешние очертания каких-либо узлов и полуконструктивные изображения отдельных механизмов станка, применяют нестандартизованные условные обозначения, приводя необходимые пояснения. Такие подходы проявлены при выполнении кинематических схем данного пособия.

Кинематические схемы станков, несмотря на ряд упрощений и условностей при составлении их, дают простое и наглядное представление не только о кинематике станков, но в некоторой степени и об их конструкции. При соблюдении определённых правил и при внимательном отношении к составлению кинематической схемы она может быть понятна почти без всяких дополнительных пояснений, если известен принцип работы станка.

Если в станке наряду с механическими передачами и устройствами имеются гидравлические или (и) пневматические устройства и системы, наилучшее представление о нём даёт комбинированная схема – гидрокинематическая или пневмокинематическая (гидропневмокинематическая).

2.2.2. Зубчатые механизмы ступенчатого изменения скорости главного движения

В станочных приводах со ступенчатым регулированием часто применяются зубчатые механизмы (далее: механизмы, группы передач или групповые передачи) на 2, 3, 4 скорости с передвижными (подвижными) блоками шестерён и с муфтами.

1. Некоторые варианты групповых передач с передвижными блоками шестерён показаны на рис. 2.6:

- механизм на 2 скорости c узким передвижным блоком шестерён

(см. рис. 2.6,а) обеспечивает следующие передаточные отношения:

Примечание. Здесь и далее шестерни в групповых передачах обозначаются буквами с цифровым индексом, при этом наименьшее колесо на ведущем валу обозначается Z1, связанное с ним – Z2, следующее по величине на ведущем валу – Z3, связанное ним – Z4 и т.д.

В группе передач шестерни Z1 и Z3 составляют передвижной двухвенцовый зубчатый блок (или блок-двойку).

62