Каждый станок имеет определенные выходные параметры. К ним относятся производительность, точность, прочность, жесткость, виброустойчивость, стойкость к тепловым воздействиям, износостойкость, надежность, показатели качества, экономические и энергетические показатели. Все они, вместе взятые, характеризуют технический уровень станка.
Производительность. Это основной критерий количественной оценки станочного оборудования. Производительность станка характеризуется числом деталей, изготовленных на нем в единицу времени. Если, например, на обработку одной детали затрачивается время t, мин, то производительность Q станка будет
Q=1/t, шт./мин, а если N деталей, то Q = N/t.
Для металлорежущих станков различают:
- идеальную (технологическую) производительность Qид = 1/tр, где tр — время резания;
- цикловую производительность Q ц= 1/(tр + t хх), где t х.х — время на холостые ходы;
- фактическую (реальную) производительность Qф = 1/(tр + t хх + tnp),
где tnp - время, затрачиваемое на смену инструмента, его регулирование, ремонт механизмов станка и т.д., этот параметр называют прочими потерями времени, приходящимися на одну обработанную деталь.
|
|
Технологическая производительность с уменьшением времени резания возрастает, чего нельзя сказать о фактической производительности. До некоторого момента значение Qф будет возрастать с увеличением технологической производительности. Но далее с ростом технологической производительности фактическая начнет падать. Это будет происходить, когда скорость резания станет выше рекомендуемой для обработки данного материала, так как станет увеличиваться значение tnp: быстрее будет затупляться режущий инструмент, чаще придется его заменять, а следовательно, переустанавливать и настраивать на размер. Технолог должен помнить об этом всегда и не форсировать режимы резания (т. е. параметры режима не должны превышать рекомендуемые значения), а для повышения производительности применять другие методы: многоинструментальную и многопозиционную обработку, совмещение процесса резания с загрузкой (выгрузкой) заготовок (обработанных деталей), как это имеет место на роторных автоматических линиях.
Прочность. Расчеты на прочность деталей, выполняемые при проектировании станков, осуществляют по величинам допускаемых напряжений, коэффициентам запаса прочности или вероятности безотказной работы.
Расчеты по допускаемым напряжениям наиболее просты и удобны, их используют для станков массового производства, опыт эксплуатации которых значителен. Прочность деталей станков исключает аварийные ремонты из-за их поломки. Поэтому допускаемое напряжение статически нагруженных деталей рассчитывают по пределу текучести (для пластических материалов) [s] = sт/nт (здесь sт — предел текучести; nт = 1,1... 1,4 — коэффициент запаса) и по пределу прочности (для хрупких материалов) [s] = sB/nB в, где sB — предел прочности; nB = 3...4 — коэффициент запаса.
|
|
Точность. Для деталей машин понятие точности включает в себя точность формы и размеров отдельных участков детали, а также точность взаимного положения этих участков.
Точность обработки характеризуется значениями допущенных при обработке погрешностей, т. е. отступлением размеров обработанной детали от заданных по чертежу. Погрешности обработки должны находиться в пределах допусков. Кроме того, необходимо при обработке заготовки получить заданную шероховатость поверхности, которая непосредственно зависит от метода обработки и режимов резания.
Точность обработки на станке будет в первую очередь зависеть от точности и шероховатости поверхностей деталей узлов станка. Однако при проектировании и изготовлении машин нужно учитывать и другие факторы, влияющие на ее точность.
Рассмотрим в качестве примера координатно-расточный станок. Под действием сил, возникающих при резании, узлы станка деформируются и изменяют свое относительное положение. В результате отжатий узлов станка под нагрузкой траектория движения инструмента относительно заготовки искажается. Точность обработки изделия при этом снижается. Следовательно, точность координатно-расточного станка зависит от жесткости его узлов. На конечную точность обработки большое влияние оказывает и точность измерительных и отсчетных устройств этого станка, предназначенных для оценки перемещения стола с изделием относительно инструмента.
Неточность обработки может возникнуть в результате тепловых деформаций узлов и деталей станка, а также вследствие снижения качества зубчатых колес и ходового винта, что влияет на точность кинематической цепи станка. Особенно это актуально для зуборезных, винторезных, зубо- и резьбошлифовальных станков.
Жесткость. Критерий жесткости в станках является одним из важнейших. Например, прецизионные станки проектируют значительно более массивными, чем другое технологическое оборудование для тех же нагрузок и мощности, так как их узлы будут более жесткими, а следовательно, под действием приложенных сил будут давать меньшие отжатия.
Жесткостью узла называется его способность сопротивляться появлению по осям координат упругих смещений под действием нагрузки. Жесткость, Н/мкм, может быть определена как отношение силы F, приложенной к узлу в заданном направлении, к упругому отжатию d этого узла: j = F /d.
Величины упругих отжатий в узлах технологического оборудования связаны с упругими деформациями, возникающими под действием приложенных к ним сил. Например, в металлорежущих станках это деформации следующих видов.
1 Деформация деталей узла под действием приложенных к ним сил (растягивающих, сжимающих, изгибающих и т.д.). Величину упругих смещений можно подсчитать по формулам, известным из курса сопротивления материалов. При расчетах следует учитывать жесткость опор, так как под действием приложенных к ним сил они деформируются.
2 Контактная деформация, обусловленная действием сил, приложенных к узлам, опирающимся на тела качения. Начальное касание деталей происходит в точке или по линии (в подшипниках качения, кулачковых механизмах, направляющих качения). Величину контактной деформации можно рассчитать по методике, изложенной в курсе «Сопротивление материалов».
3 Деформация стыков. На величину отжатия узла деформация стыков влияет в большей степени, чем деформация его деталей и контактная деформация.
|
|
Жесткость стыка зависит не только от величины микронеровностей обработанной поверхности стыка, но и от метода обработки (строгание, фрезерование и т.п.)
4 Деформация тонких тел (при неполном касании по их поверхностям). Такие детали, как клинья и планки, применяемые для компенсации износа соприкасающихся поверхностей, находясь между двумя плоскостями, не обеспечивают их полного касания по всей поверхности. Длинная тонкая планка будет иметь лишь отдельные зоны микроконтакта, в результате чего при действии силы происходит «распрямление» тонких тел и деформация увеличивается. Поэтому наличие в узле планок и клиньев снижает его жесткость.
Таким образом, при расчете узла на жесткость необходимо учитывать суммарную величину упругих отжатий, вызванных упругими деформациями всех видов.
Меры по повышению жесткости станков направлены на создание таких конструкций, которые могли бы воспринимать большие силы резания при малой деформации узлов. К таким мерам относятся повышение качества поверхностей стыков (сопряжений) и сборки; уменьшение числа стыков и сокращение кинематических цепей; создание жестких рамных конструкций базовых узлов (например, координатно-расточные станки рамной конструкции имеют большую жесткость, чем вертикальные одностоечные, а следовательно, и большую точность обработки); повышение жесткости слабых звеньев (планок, клиньев, цанг); расположение клиньев и планок в узлах со стороны, противоположной действию сил; создание в конструкциях с опорами и направляющими качения предварительного натяга.
Износостойкость. В результате постепенного изменения поверхностей трения при взаимодействии двух сопряженных деталей происходит их изнашивание, т.е. уменьшение размеров и изменение формы деталей. По статистике большинство деталей машин выходит из строя из-за износа. При изнашивании в миниатюре происходят пластические и упругие деформации, сдвиг, усталостные разрушения материала деталей.
|
|
Для большинства деталей наиболее характерен абразивный износ. Абразивные частицы, образующиеся при резании или царапании с отделением микростружки, попадая в смазочный материал или непосредственно на трущиеся поверхности, разрушают эти поверхности. Кроме того, при относительном перемещении двух поверхностей микровыступы испытывают переменные напряжения, вследствие чего в дальнейшем наступает усталостное разрушение. Появляются микротрещины, что также способствует отделению частиц материала.
В большинстве случаев можно наблюдать три стадии изнашивания (рис. 1):
Рисунок 1 – Стадии изнашивания трущихся поверхностей
I - период приработки; II - установившийся (или нормальный) износ; III - катастрофический износ.
Период нормальной эксплуатации (II стадия) характеризуется линейной зависимостью между временем изнашивания I и величиной износа II (мкм). Скорость у изнашивания на этой стадии остается постоянной: g = U /t.
Для абразивного и усталостного изнашивания U = k · p · vотн · t, где k - коэффициент, зависящий от материала пар трения, смазочного материала, микронеровностей трущихся поверхностей и других факторов; р - удельное давление; vотн - скорость относительного скольжения. Для конкретных пар можно экспериментально определить значения k и в дальнейшем прогнозировать долговечность работы многих типовых деталей и узлов станков: направляющих скольжения, кулисных механизмов, дисков фрикционных муфт, ходовых винтов и гаек скольжения.
Износ резко удорожает эксплуатацию машин в связи с необходимостью периодической проверки их технического состояния и ремонта, что связано с простоями и сокращением выпуска продукции.
Существуют следующие мероприятия по повышению износостойкости: смазывание трущихся поверхностей; применение износостойких материалов; защита поверхностей от загрязнения; перенос усилий с ответственных механизмов на менее ответственные (например, обтачивание наружной поверхности на токарном станке производят при включенном ходовом вале, а ходовой винт в это время отключают); разгрузка изнашиваемых поверхностей и др.
Стойкость к тепловым воздействиям. Работа станка сопровождается тепловыделением, вызываемым процессом резания и трением в механизмах.
Тепловые деформации узлов станка могут возникать в результате изменения температуры окружающей среды, поэтому в отделениях цеха, где размещены прецизионные станки, должны отсутствовать окна.
В результате теплового воздействия возникают тепловые деформации, отрицательно влияющие на работоспособность станка. Так, понижается защитная способность масляного слоя в трущихcя поверхностях и, следовательно, увеличивается их износ или происходит заедание; изменяются зазоры в подвижных соединениях; нарушается точность обработки, например в результате нагрева передней опоры шпинделя его ось может отклониться, что приведет к снижению точности.
Тепловые деформации узлов станка могут быть рассчитаны, если известны их температурные поля.
Применяют следующие методы борьбы с тепловыми деформациями технологического оборудования:
- вынос узлов и механизмов с повышенным тепловыделением (например, гидростанций и гидросистем) за пределы станка;
- использование в зоне резания смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ);
- принудительное охлаждение узлов;
- создание термоконстантных цехов, в которых поддерживается постоянная температура;
- выравнивание температурного поля путем искусственного подогрева или охлаждения отдельных узлов;
- автоматическая компенсация тепловых деформаций — применение коррекционных линеек в станках с ручным управлением и использование предыскажения программы в станках с ЧПУ.
Виброустойчивость. Под виброустойчивостью понимают способность конструкций работать в заданном диапазоне режимов обработки без недопустимых колебаний отдельных узлов и станка в целом. В связи с увеличением скоростей резания и быстрых ходов колебания становятся все более опасными. Если частота собственных колебаний узлов станка совпадет с частотой вынужденных колебаний, наступает резонанс и станок может разрушиться.
Вибрации (колебания с малой амплитудой) также нежелательны. В металлорежущем станке вибрации, например, ухудшают качество обрабатываемой поверхности, уменьшают долговечность оборудования, ограничивают его технологические возможности.
Основное распространение в машинах имеют вынужденные, параметрические колебания и автоколебания.
Вынужденные колебания возникают под действием внешней периодически изменяющейся силы по следующим причинам:
- дисбаланс вращающихся деталей (ротора электродвигателя, шпинделя с расточным резцом, абразивного круга);
- ошибки в изготовлении зубчатых передач (вход в зацепление будет сопровождаться ударом);
- прерывистое резание при фрезеровании, долблении, затыловании, протягивании;
- внешние источники колебаний.
Параметрические колебания возникают при наличии какого-либо переменного параметра, например момента инерции поперечного сечения вала. Предположим, что на вращающийся вал действует постоянная сила. Если его поперечное сечение - окружность, у которой моменты инерции относительно всех осей одинаковые, то никаких колебаний не возникает. Если же у вала есть прямоугольное отверстие (в поперечном сечении - прямоугольник), то под действием постоянной силы вал будет прогибаться по-разному, так как моменты инерции у прямоугольника относительно взаимно перпендикулярных осей различны.
Автоколебания, или незатухающие самоподдерживающие колебания, характеризуются тем, что их источник находится в самой колебательной системе. При автоколебательном процессе в случае прекращения колебаний системы перестают существовать и переменные силы, поддерживающие эти колебания.
Примером могут служить автоколебания при трении (фрикционные колебания при медленном перемещении столов, суппортов станка по направляющим скольжения). Причиной этих колебаний является переменность силы трения в зависимости от скорости. Другим примером автоколебаний являются самовозбуждающиеся колебания в металлорежущих станках при резании. Повышение жесткости узлов машины способствует снижению автоколебаний.
Наличие колебаний в станках чаще всего сопровождается шумом. Шум связан с соударением движущихся деталей. Так, погрешности шага и профиля зубьев зубчатых колес приводят к соударению при входе в зацепление. Повышенный уровень шума сказывается на утомляемости персонала и, следовательно, вреден для здоровья. Уровень шума измеряется в децибелах (дБ), его предельное значение ограничивается санитарными нормами. Основные меры борьбы с шумом: повышение точности и снижение шероховатости при обработке, применение демпферов и материалов с повышенным внутренним трением.
Энергетическая характеристика. Одним из параметров, определяющих данную характеристику технологического оборудования, является коэффициент полезного действия (КПД). Для станков определяют КПД главного привода hгп и КПД станка в целом h с.
Коэффициент hгп рассчитывают по формуле
hгп = Nп/Nс = Nп/(Nп + Nтр),
где Nп - полезная мощность; Nс - общая затраченная мощность; Nтр - мощность, идущая на преодоление трения во время рабочих ходов.
Для станков с главным вращательным движением, например токарных, hгп = 0,7... 0,85, для станков с возвратно-поступательным главным движением, например поперечно-строгальных, hгп = 0,6... 0,7.
КПД станка в целом определяют, пользуясь выражением
hc = Ап/ (Ап + Атр + Ах х),
где Ап - полезная работа; Атр - работа, идущая на преодоление трения при рабочих ходах; Ахх - работа, идущая на осуществление холостых ходов.
Для металлорежущего станка его КПД с учетом, что полезная работа определится через эффективную мощность резания Nэ и время резания tр, рассчитывают с помощью выражения
hc = Nэ · tр / ((Nэ + Nтр) · tр + Nх х · txx),
где Nх х и txx — мощность и время холостого хода.
Полученная зависимость показывает, что hгп = hc только в том случае, когда txx = 0, например в бесцентрово-шлифовальных станках.
Возможны два метода повышения КПД станка:
1) повышение КПД главного привода благодаря сокращению кинематических цепей, повышению качества изготовления отдельных пар, улучшению условий смазывания;
2) сокращение длительности холостых ходов, уменьшение массы узлов, уменьшение инерционных усилий, замена трения скольжения на трение качения.