Критерии количественной оценки станочного оборудования

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 Q_ид = 1/t_р, где t_р — время резания;

- цикловую производительность Q _ц= 1/(t_р + t _хх), где t _х.х — время на холостые ходы;

- фактическую (реальную) производительность Q_ф = 1/(t_р + t _хх + t_np),

 где t_np - 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 Q_ф 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 t_np:  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] = s_т/n_т (здесь s_т — предел текучести; n_т = 1,1... 1,4 — коэффициент запаса) и по пределу прочности (для хрупких материалов) [s] = s_B/n_B в, где s_B — предел прочности; n_B = 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 · v_отн · t, где k - коэффициент, зависящий от материала пар тре­ния, смазочного материала, микронеровностей трущихся поверх­ностей и других факторов; р - удельное давление; v_отн - 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 h_гп и КПД станка в целом h _с.

Коэффициент h_гп рассчитывают по формуле

h_гп = N_п/N_с = N_п/(N_п + N_тр),

где N_п - полезная мощность; N_с - общая затраченная мощность; N_тр - мощность, идущая на преодоление трения во время рабочих ходов.

Для станков с главным вращательным движением, например токарных, h_гп = 0,7... 0,85, для станков с возвратно-поступательным главным движением, например поперечно-строгальных, h_гп =  0,6... 0,7.

КПД станка в целом определяют, пользуясь выражением

h_c = А_п/ (А_п + А_тр + А_{х х}),

где А_п - полезная работа; А_тр - работа, идущая на преодоление трения при рабочих ходах; А_хх - работа, идущая на осуществле­ние холостых ходов.

Для металлорежущего станка его КПД с учетом, что полезная работа определится через эффективную мощность резания N_э и время резания t_р, рассчитывают с помощью выражения

h_c = N_э · t_р / ((N_э + N_тр) · t_р + N_{х х} · t_xx),

где N_{х х}  и t_xx — мощность и время холостого хода.

Полученная зависимость показывает, что h_гп = h_c  только в том случае, когда t_xx = 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.