Станины и направляющие

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