Станина является основанием станка, от прочности, жёсткости и износостойкости которой зависит качество его работы. Станина должна обеспечивать правильное взаимное расположение узлов и частей станка на его базирующих поверхностях. Последние несут на себе неподвижные и подвижные узлы. Поверхности, несущие подвижные части станка, называются направляющими.
В зависимости от положения оси шпинделя станка и направления перемещения подвижных частей станины делятся на горизонтальные (станины)и вертикальные (стойки).
Рисунок 1 – Сечение горизонтальных (а) и вертикальных (б) станин
Станины большинства станков получают литьем из серого чугуна различных марок (СЧ-32; СЧ-21; СЧ-15). Получает распространение также модифицированный чугун МСЧ-36 и МСЧ-26, более износостойкий, допускающий меньший отбел, что даёт возможность отливать детали с наибольшей толщиной стенок 5-7 мм. Применяют также сварные стальные конструкции станин (в единичном производстве). При равной жесткости с чугунными литыми станинами они имеют меньший вес (до 2 раз), большую износостойкость. Сварные станины дешевле литых. Для сварных станин применяют стали марок Ст 3, Ст 4. Для снятия внутренних напряжений станины перед механической обработкой подвергаются естественному или искусственному старению.
|
|
Направляющие являются наиболее ответственной частью станины и служат для обеспечения прямолинейного или кругового перемещения подвижных элементов станка. Различают направляющие скольжения и качения.
Рисунок 2 – Направляющие качения
Они делятся на охватываемые и охватывающие.
Рисунок 3 – Основные формы поперечных сечений направляющих скольжения:
а- прямоугольная; б – призматическая; в- в форме ласточкина хвоста; г – круглая
Охватываемые направляющие имеют выпуклый профиль, на котором плохо удерживается смазка, но они просты в изготовлении и на них не задерживается стружка. Поэтому их применяют для перемещения со скоростью подачи суппортов, столов, бабок в токарных, фрезерных, сверлильных и других станках. Охватывающие направляющие имеют вогнутый профиль, который хорошо удерживает смазку, но требуют хорошей и надежной защиты от попадания стружки и загрязнений. Их применяют при высоких скоростях скольжения в шлифовальных, карусельных, продольно-строгальных и других станках.
По профилю направляющие делятся на прямоугольные, призматические, типа "ласточкин хвост" и круглые. В станках часто используют комбинированные направляющие.
Все большее распространение находят направляющие качения в средних и легких станках с ЧПУ, в координатно-расточных станках, в шлифовальных, копировальных и др. Основным преимуществом направляющих является малая сила сопротивления движению, в 15-20 раз меньше, чем в направляющих скольжения, отсутствие скачков при скоростях движения менее 12 мм/мин, высокая точность установочных перемещений, беззазорность и долговечность. Однако при изготовлении они требуют значительных затрат, качественной и точной обработки рабочих поверхностей и надёжной их защиты.
|
|
Наибольшее распространение получили закаленные направляющие из цементируемой стали 20Х и хромистых шарикоподшипниковых сталей ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ, с твердостью 60-62 HRC и из чугуна СЧ21 с твердостью 200-250 НВ.
Направляющие, у которых к сопряженным поверхностям в специальной проточке подается масло или воздух под давлением с целью создания постоянного масляного или воздушного слоя по площади контакта, называют гидро- или аэростатическими направляющими.
Гидростатические направляющие преимущественно применяют в тяжелых станках. Для улучшения качества металлорежущих станков необходимы элементы, имеющие высокую жесткость и нагрузочную способность, высокий КПД, минимальный износ при отсутствии зазоров, высокую плавность перемещений и точность позиционирования, а также способность длительного сохранения первоначальной точности. Перечисленным требованиям в наибольшей степени отвечают направляющие передачи с гидростатической смазкой, т.е. гидростатические направляющие. Гидростатические направляющие создают масляную подушку по всей площади контакта направляющих.
Разделения трудящихся поверхностей в аэростатических направляющих добиваются подачей в карманы воздуха под давлением. В результате между сопряженными поверхностями направляющих образуется воздушная подушка. По конструкции аэростатические направляющие напоминают гидростатические.
Недостатки аэростатических опор и направляющих по сравнению с гидростатическими заключаются в малой нагрузочной способности, невысоком демпфировании колебаний, так как вязкость воздуха на четыре порядка меньше вязкости масла, а также в низких динамических характеристиках, склонности к отказам из-за засорения магистрали и рабочего зазора.
Преимущества аэростатических направляющих состоит в том, что они при движении обеспечивают низкий коэффициент трения, а при отключении подачи воздуха очень быстро создаётся контакт поверхностей с большим трением, обеспечивающий достаточную жесткость фиксации узла станка в заданной позиции. Отпадает необходимость в фиксирующих устройствах, в которых нуждаются гидростатические направляющие.
В аэростатических направляющих воздух подводят под избыточным давлением 0,2 – 0,4 МПа. Аэростатические направляющие используют в прецизионных станках, в которых малы силы резания и необходимо точное позиционирование.
Шпиндельные узлы
Шпиндель - вал металлорежущего станка, передающий вращение режущему инструменту, закрепленному в нем или обрабатываемой заготовке. Средненагруженные шпиндели изготавливают обычно из стали 45 с улучшением (закалка и высокий отпуск); при повышенных силовых нагрузках применяют сталь 45 с низким отпуском. Для шпинделей, требующих высокой поверхностной твердости и вязкой сердцевины, применяют сталь 45 с закалкой ТВЧ и низким отпуском.
Конструктивная форма шпинделей зависит от способа установки на нем зажимных приспособлений, для крепления режущего инструмента или обрабатываемой заготовки, посадок элементов привода и сквозным отверстием для прохода прутка. Передние концы шпинделей станков общего назначения стандартизированы.
Рисунок 4 - Устройство передней опоры шпинделя токарного станка.
|
|
1,2 – гайка; 3 – устройство предварительного натяга упорных подшипников; 4- упорный подшипник; 4 – упорный подшипник; 5 – втулка; 6 – внутреннее кольцо подшипника; 7 – лабиринтные уплотнения; 8 – шпиндель.
В качестве опор шпинделей станков применяют подшипники качения и скольжения. Шпиндельные узлы должны обладать высоким качеством. Поэтому подшипники качения, используемые в опорах шпинделей, должны быть высоких классов точности. Выбор класса точности подшипника определяется допуском на биение исполнительных поверхностей шпинделя (коническое отверстие и базирующие поверхности для установки патронов, для крепления инструмента и заготовок), который зависит от требуемой точности обработки. Обычно в передней опоре используют более точные подшипники, чем в задней.
Подшипники скольжения, применяемые в качестве опор шпинделей, бывают нерегулируемые (применяют их редко), с радиальным, осевым регулированием зазора, гидростатические (в них предусматривают подвод масла под давлением в несколько карманов, из которых оно вытесняется через зазор между шейкой шпинделя и подшипником), гидродинамические и с газовой смазкой.
В прецизионных станках используют гидростатические подшипники, которые создают высокую точность вращения шпинделя. Их несущая способность, жесткость и точность зависят от величины зазоров, давления, схемы опоры.
Гидростатические подшипники стабилизируют режим трения со смазочным материалом при самых малых скоростях вращения.
4 Типовые механизмы станков (опережающее задание)
Механизмы прямолинейного движения
Механизмы, применяемые для преобразования вращательного движения в поступательное, можно разделить на две группы.
Механизмы первой группы обеспечивают прямой и обратный ход за один оборот ведущего звена. К ним относят кривошипно - шатунные, кулисные, кулачковые и др. В механизмах второй группы к которым относят реечные зубчатые передачи, передачу винт-гайка, изменение направления движения достигается изменением направления вращения ведущего звена.
|
|
Кривошипно-шатунные и кулисные механизмы применяют в цепях главного движения быстроходных станков с небольшим ходом инструмента. Настройку хода инструмента в этих механизмах производят изменением радиуса кривошипа R, а зоны работы изменением длины l шатуна или положением инструмента относительно ползуна.
Рисунок 5- Кривошипно-шатунный (а) и кривошипно-кулисный(б) механизм
Кулачковые механизмы, преобразующие вращательное движение в прямолинейное поступательное (непрерывное и прерывистое) применяют главным образом в механизмах подач станков автоматов и полуавтоматов.
Рисунок 6 – Кулачковые механизмы
Прерывистые движения могут быть выполнены с различными периодами остановки, однократного или многократного действия за один цикл. Ведущим звеном кулачкового механизма обычно является дековый или цилиндрический кулачок, который в большинстве случаев совершает непрерывное вращение. Ведомое звено, называемое толкателем, совершает возвратно-поступательное или качательное движение и имеет с кулачком силовое или геометрическое замыкание. Силовое замыкание осуществляется собственным весом звеньев механизма, груза или силой пружины, геометрическое замыкание - двумя поверхностями кулачка, охватывающими ролик толкателя или двумя роликами, охватывающими кулачок.
Реечные зубчатые передачи обеспечивают значительные перемещения ведомого звена на один оборот ведущего звена и высокий коэффициент полезного действия (КПД). По конструктивному исполнению они бывают зубчато-реечными и червячно-реечными (червяк и червячная рейка, червяк и зубчатая рейка).
Зубчато-реечную передачу широко применяют в приводах подач токарных, сверлильных, расточных, продольно-строгальных, протяжных и др. станках.
Червячно-реечные передачи - самотормозящие передачи, передающие движение только от червяка к рейке и обладающие большей жёсткостью и плавностью в работе, чем зубчатое колесо и рейка, благодаря тому, что в зацеплении с червяком находится одновременно несколько зубьев рейки. Расположение червяка под углом к рейке позволяет иметь вынесенный за размеры стола привод, что упрощает компоновку станка.
Передача винт-гайка обладает самоторможением, высокой точностью и плавностью движения ведомого звена при больших и малых перемещениях. В станках они применяются трёх типов: скольжения, качения и гидростатические. Передачи винт-гайка скольжения просты по конструкции и технологичны в изготовлении, имеют малые потери на трение, высокий КПД. Они имеют, как правило, резьбу трапецеидального профиля с углом 300, что допускает применение разъёмных гаек. В высокоточных резбонарезных станках применяют передачи с прямоугольным профилем резьбы или трапецеидальным с уменьшенным углом профиля (10 – 150). В качестве опор ходовых винтов чаще применяют подшипники скольжения в виде втулок из бронзы или антифрикционного чугуна, т.к. они имеют малые размеры, просты по конструкции и обеспечивают необходимую точность положения винта. Для восприятия осевых нагрузок применяют упорные подшипники повышенной точности или подпятники скольжения.
Рисунок 7 – Механизмы преобразования вращательного движения в поступательное.
а – реечная передача; б- червячно-реечная передача; в – гидростатическая передача червяк-рейка; г,д – винтовая пара скольжения; е – шариковая винтовая передача;
1 – червяк; 2 – гидрораспределитель; 3- рейка; 4,5 – насосы;6 – суппорт; 7 – контргайки; 8,10 – гайки; 9 – корпус; 11 – ходовой винт; 12 – тела качения; 13 – канал возврата; М – электродвигатель
Для перемещения узлов тяжёлых станков применяют гидростатические передачи винт-гайка. Между витками создаётся масляный слой. Этим снижается изнашивание пары, повышается КПД передачи до 0,98 -0,99. Жёсткость масляного слоя при определённых условиях может превышать контактную жёсткость обычной передачи более чем в 5 раз. Гидростатическая передача винт-гайка является беззазорной, т.к. давление осуществляется с обеих сторон витков, что обеспечивает высокую равномерность и плавность движения.
Механизмы прерывистого движения
Для преобразования вращательного движения и качательного в прерывистое (периодическое) применяют храповые, мальтийские, кулачковые и другие механизмы.
Храповые механизмы могут быть с наружным и внутренним зацеплением. В механизме с наружным зацеплением собачка получает качательное движение. При прямом ходе собачка через зубья храпового колеса поворачивает его на некоторый угол. При обратном ходе собачка проскальзывает по зубьям храпового колеса не вращая его. Качательное движение собачки храпового механизма чаще осуществляют с помощью кривошипно-шатунного механизма.
Мальтийские механизмы чаще всего применяют для периодического поворота на постоянный угол револьверных головок, шпиндельных блоков, столов многошпиндельных автоматов и т.д.
Мальтийские механизмы бывают правильные и неправильные. У правильных механизмов крест имеет пазы с равномерным шагом; у неправильных углы между смежными пазами креста различные. В станках применяют, как правило, правильные мальтийские механизмы с внешним зацеплением и радиальными пазами.
В мальтийском механизме при вращении кривошипа цевка или ролик его заходит в паз креста и за каждый оборот поворачивает его на 1/z часть (z - число пазов), т.е. передаточное отношение мальтийского механизма i = 1/z.
Для того, чтобы в начале поворота креста, когда цевка входит в зацепление не было жёсткого удара, начальная угловая скорость креста должна быть равна нулю. Иначе необходимо, чтобы цевка входила в паз креста в радиальном направлении.
Рисунок 8 – Храповые механизмы с несимметричным (а), симметричным (б) профилем зуба и плоский мальтийский механизм.
1- храповое колесо; 2 – собачка; 3 – рычаг; 4 – кривошипно-шатунный механизм; 5 – кривошипный диск; 6 – палец; 7 – винт; 8 – штифт; 9 – щиток; 10- мальтийский крест; 11 – ролик; 12 – кривошип; α – угол, определяющий положение пазов мальтийского креста; β – угол между осями кривошипа и мальтийского креста