Классификация металлорежущих станков – все об оборудовании для обработки металла
Металлорежущие станки, выпускаемые отечественными производителями, подразделяются на несколько категорий, которые характеризует соответствующая классификация. Определить, к какой категории относится то или иное оборудование, можно по его маркировке, которая о многом говорит тем, кто в ней разбирается. Однако к какой бы категории ни относилось металлорежущее устройство, суть обработки на нем сводится к тому, что режущий инструмент и деталь совершают формообразующие движения, а именно они и определяют конфигурацию и размеры готового изделия.
Металлорежущие станки в зависимости от назначения подразделяются на девять основных групп. К ним относятся следующие устройства:
Группы и типы металлорежущих станков (нажмите, чтобы увеличить)
Кроме того, металлорежущие станки могут относиться к одному из следующих типов:
Вертикально-фрезерный станок — один из представителей обширной фрезерной группы
Классификация металлорежущих станков также осуществляется по следующим параметрам:
Маркировка станков
Классификация оборудования, предназначенного для обработки заготовок из металла, предполагает, что, увидев его маркировку, любой специалист сразу сможет сказать, какой металлорежущий станок перед ним находится. Такая маркировка содержит в себе буквенные и цифровые символы, которые обозначают отдельные характеристики устройства.
Первая цифра — это группа, к которой принадлежит металлорежущий станок, вторая — разновидность устройства, его тип, третья (а в некоторых случаях и четвертая) — основной типоразмер агрегата.
Расшифровка маркировки металлорежущих станков
После цифр, перечисленных в маркировке модели, могут стоять буквы, по которым определяется, обладает ли модель металлорежущего станка особыми характеристиками. К таким характеристикам устройства может относиться уровень его точности или указание на модификацию. Часто в обозначении станка букву можно встретить уже после первой цифры: это свидетельствует о том, что перед вами модернизированная модель, в типовую конструкцию которой были внесены какие-либо изменения.
В качестве примера, можно расшифровать маркировку станка 6М13П. Цифры в данном обозначении свидетельствуют о том, что перед нами фрезерный станок («6») первого типа («1»), который относится к 3-му типоразмеру («3») и позволяет выполнять обработку с повышенной точностью (буква «П»). Литера «М», присутствующая в маркировке данного устройства, свидетельствует о том, что оно прошло модернизацию.
Уровни автоматизации
Виды токарных станков, а также устройства любого другого назначения, которые используются в условиях массового и крупносерийного производства, называют агрегатными. Такое название они получили по причине того, что их комплектуют из однотипных узлов (агрегатов): станин, рабочих головок, столов, шпиндельных узлов и других механизмов. Совершенно другие принципы используются при создании станков, которые необходимы для мелкосерийного и единичного производства. Конструкция таких устройств, отличающихся высокой универсальностью, может быть совершенно уникальной.
Токарный станок с ЧПУ
Классификация токарных станков (а также оборудования любых других категорий) по уровню автоматизации подразумевает их разделение на следующие виды:
Наиболее яркими представителями металлорежущих станков являются устройства с ЧПУ, работой которых управляет специальная компьютерная программа. Такой программой, которую в память станка вводит его оператор, определяются практически все параметры работы агрегата: частота вращения шпинделя, скорость обработки и др.
Системой ЧПУ могут оснащаться даже самые компактные настольные станки
Все виды металлообрабатывающих станков, оснащенные системой ЧПУ, содержат в своей конструкции следующие типовые элементы.
Принцип работы металлообрабатывающих станков, оснащенных системой ЧПУ, несложен. Предварительно пишется программа, учитывающая все требования к обработке конкретной заготовки, затем оператор вводит ее в контроллер станка, используя специальный программатор. Команды, заложенные в такую программу, подаются на рабочие элементы оборудования, а после их выполнения станок автоматически отключается.
Использование металлорежущих станков, оснащенных числовым программным управлением, позволяет выполнять обработку с высокой точностью и производительностью, что и является причиной их активного использования для оснащения промышленных предприятий, выпускающих изделия крупными сериями. Такие агрегаты благодаря высокому уровню своей автоматизации отлично встраиваются в крупные автоматизированные линии.
Устройство токарно-винторезного станка
Конструкция станков
Все станки, относящиеся к категории металлообрабатывающих, имеют много общих черт в своей конструкции. По сути, устройство и технические характеристики таких агрегатов должны обеспечивать правильность выполнения технологических движений двух типов:
Для выполнения этих движений, а также для обеспечения стабильности функционирования всех остальных элементов оборудования для металлообработки его конструкция включает в себя следующие рабочие органы:
Важным элементом конструкции являются также узлы металлорежущего оборудования, на которых устанавливается и закрепляется режущий инструмент. Именно при помощи таких узлов реализуется основная функция устройства — обработка деталей, изготовленных из металла.
Для обозначения (маркировки) моделей станков используется цифробуквенная система. В данной статье содержится основная информация о том, как обозначаются металлорежущие станки. Получив эту информацию расшифровать маркировку того или иного станка станет гораздо проще.
Все станки по характеру выполняемых на них работ классифицированы на девять групп, каждая из которых подразделяется на девять типов, которые объединены общими технологическими признаками и конструктивными особенностями (приведены в таблице 1). Станки, выпускаемые серийно, в соответствии с этой таблицей получают индекс модели, состоящий из трех или четырех цифр с добавлением в некоторых случаях букв.
Первая цифра в наименовании модели означает номер группы, вторая – номер типа, а третья – (может быть и четвертая) характеризует один из важных параметров станка или заготовки (высота центров, диаметр прутка, размеры стола и т.п.).
Расшифровка обозначения станка на примере модели 16К20
Например, зубофрезерный полуавтомат с комбинированной системой ЧПУ обозначают 53А20Ф4, вертикально-фрезерный станок с крестовым столом и устройством цифровой индикации – 6560Ф1.
Наличие в станке инструментального магазина отображается в обозначении модели буквой М (например, 2350ПМФ2 – сверлильный станок с позиционной системой управления, повышенной точности, с магазином инструментов.
По классификатору станков, принятому в СССР, предусмотрено разделение всех металлорежущих станков на следующие группы: 1 — токарные; 2 — сверлильные и расточные; 3 —шлифовальные, полировальные, доводочные; 4 — комбинированные; 5 — зубообрабатывающие; 6 — фрезерные; 7 — строгальные, долбежные и протяжные; 8— разрезные; 9 — разные. Группы делят на типы, а типы разделяют по размерам станков или размерам обрабатываемых заготовок.
Группа 1. Токарные
1 — Автоматы и полуавтоматы одношпиндельные
2 — Автоматы и полуавтоматы многошпиндельные
6 — Токарные и лобовые
Шифр станков токарной группы
При обозначении шифра станков токарной группы, первая цифра 1 указывает группу станков. Вторая цифра указывает тип токарного станка. Последующие цифры, как правило, показывают технологический параметр станка, а именно: максимальный диаметр обрабатываемой детали, высоту центров и др. Буква после первой или второй шифры может символизировать поколение станка, завод-изготовитель или модификацию. Буква, поставленная в конце цифрового шифра, может указывать на усовершенствование базовой модели или на класс точности станка.
Приведем несколько примеров обозначения моделей токарных станков.
1К62 — цифра 1 — группа токарных станков; 6 — токарно-виноторезный; 2 — высота центров, дм; буква К — поколение.
1A616 — цифра — группа токарных станков; 6 — токарно-винторезный станок; 16 — высота центров, см; А — поколение.
1Б811— цифра 1 — группа токарных станков; 8 — токарно-затыловочный; 1 — технологический параметр, определяющий размеры обрабатываемых заготовок; Б — поколение.
16К20П — цифра 1 — группа токарных станков; 6 — токарно-винторезный; 20 — высота центров, см; К — поколение; П — класс точности — повышенный.
Следует отметить, что в шестой тип станков входят токарно-винторезные, в восьмой— токарно-затыловочные станки. В станкостроении больщинство изготовляемых металлорежущих станков, в том числе и токарных, выпускается по государственным стандартам; в которых главные параметры отвечают нормальным или размерным рядам. Под размерным или нормальным рядом понимают группу однотипных станков, состоящих в основном из унифицированных узлов и деталей, каждый из которых предназначен для обработки деталей определенных размеров,
Размерные ряды (типоразмеры) универсальных токарно-винторезных станков и двухстоечных токарно-карусельных станков приведены в табл. 1.
Наибольшая высота устанавливаемой детали у карусельных станков изменяется также по закону геометрической прогрессии со знаменателем равным — 1,26: 2000, 2500, 3200. Наличие двух закономерно изменяющихся основных параметров: наибольшего диаметра устанавливаемой детали и ее высот дает возможность также закономерно изменять и другие технические характеристики станка: мощность главного привода, масса устанавливаемой детали и др..
По степени специализации все станки подразделяют на универсальные, специализированные и специальные.
Универсальные — это станки, на которых возможно выполнение различных операций на деталях широкой номенклатуры.
Специализированные — это станки, на которых возможно выполнение ограниченного числа операций на деталях одного наименования.
Специальные это станки, предназначенные для выполнения ограниченного числа операций на детали, одного типоразмера.
Классификация токарных станков по точности
От точности станка в конечном результате зависит точность изготовления деталей. Под точностью станка следует понимать соответствие разработанным нормам взаиморасположения рабочих органов станка, перемещения и соотношения их движений как без нагрузки, так и при резании.
Точность токарного станка зависит от точности изготовления ответственных деталей станка (шпинделя, его опор, направляющих, корпусных деталей и т. д.), качества сборки и регулировки, жесткости и виброустойчивости несущих нагрузку деталей и узлов. Особое значение для точности станка имеют прямолинейность направляющих станин и биение шпинделей (планшайб).
На прямолинейность направляющих станин влияют следующие факторы: жесткость и коробление станин, тумб и плит; шероховатость направляющих; неплоскостность, выпучивание станины в местах крепления к ней других корпусных деталей; ударное действие во время обработки и монтажа; установка станка на фундамент.
Биение шпинделя (радиальное и осевое) зависит от точности изготовления отверстий в корпусе под опоры, качества изготовления подшипников и их регулировки, качества сборки шпиндельного узла, от материала шпинделя. Для повышения долговечности станков, более длительного сохранения точности, увеличения гарантийных сроков службы на заводах проводится ужесточение сдаточных норм по сравнению с нормами ГОСТов от 20 до 40%.
Отечественная станкостроительная промышленность выпускает металлорежущие станки пяти классов точности.
Класс Н. Станки нормальной точности. К ним относят большинство универсальных станков, например токарно-винторезные станки мод. 1К62, 16К20 и т. д..
Класс С. Станки особо точные или мастер-станки, изготовляемые с максимально возможной степенью точности детали и с повышенными требованиями к сборке и регулировке узлов.
Станки классов В и А устанавливаются в помещениях с автоматически регулируемой температурой и влажностью.
Станки по металлу: группы и характеристики станков
Металлорежущий станок — это технологическая машина, предназначенная для обработки материалов резанием с целью получения деталей заданной формы и размеров (с требуемыми точностью и качеством обработанной поверхности). На станках обрабатывают заготовки не только из металла, но и из других материалов, поэтому термин «металлорежущий станок» является условным.
Станки классифицируют по различным признакам, основные из которых приведены ниже.
По виду выполняемых работ металлорежущие станки (в соответствии с классификацией ЭНИМСа) распределены по девяти группам, каждая из которых подразделяется на девять типов, объединенных общими технологическими признаками и конструктивными особенностями.
Моделям станков, выпускаемых серийно, присваивают цифровое или цифробуквенное обозначение. Как правило, обозначение состоит из трех-четырех цифр и одной-двух букв.
Первая цифра — это номер группы, к которой относится станок, вторая — номер типа станка, третья и четвертая характеризуют один из главных параметров станка или обрабатываемой на нем детали (например, высоту центров, диаметр прутка, размеры стола и т.п.). Буква после первой или второй цифры указывает, что станок модернизирован, буква, стоящая после цифр, обозначает модификацию (видоизменение) базовой модели станка. Например, модель 7А36 означает: 7 — строгально-протяжная группа, 3 — поперечно-строгальный, 6 — максимальная длина обрабатываемой детали 600 мм, буква А указывает на модернизацию станка базовой модели 736.
Если буква стоит в конце обозначения модели, то она указывает на класс точности станка, например 16К20П — это станок повышенного класса точности; нормальный класс точности в наименовании модели не указывается.
В моделях станков с ЧПУ последние два знака — буква Ф с цифрой (1 — станок с цифровой индикацией и предварительным набором координат; 2-е позиционной системой управления; 3 — с контурной системой управления; 4 — с комбинированной системой управления для позиционной и контурной обработки). Например, зубофрезерный полуавтомат с комбинированной системой ЧПУ — модель 53А20Ф4, вертикально-фрезерный станок с крестовым столом и устройством цифровой индикации — модель 6560Ф1.
В конце обозначения модели станков с цикловыми системами управления ставят букву Ц, а с оперативной системой управления — букву Т. Например: токарный многорезцово-копировальный полуавтомат с цикловым программным управлением — модель 1713Ц; токарный станок с оперативной системой управления — модель 16К20Т1.
Наличие в станке инструментального магазина отображается в обозначении модели буквой М; например, сверлильный станок с позиционной системой программного управления повышенной точности с инструментальным магазином — модель 2350ПМФ2.
По степени универсальности станки подразделяют на универсальные, специализированные и специальные.
Универсальные станки предназначены для обработки деталей широкой номенклатуры в индивидуальном и мелкосерийном производствах. Для этих станков характерен широкий диапазон регулирования скоростей и подач. К универсальным станкам относятся токарные, токарно-винторезные, токарно-револьверные, сверлильные, фрезерные, строгальные и др. (как с ручным управлением, так и с ЧПУ).
Специализированные станки используют для обработки деталей одного наименования, но разных размеров. К ним относятся станки для обработки труб, муфт, коленчатых валов, а также зубо- и резьбообрабатывающие, токарно-затыловочные и др. Для специализированных станков характерна быстрая переналадка сменных устройств и приспособлений; они применяются в серийном и крупносерийном производствах.
Специальные станки служат для обработки детали одного наименования и размера; их применяют в крупносерийном и массовом производствах.
В обозначение специализированных и специальных станков перед номером модели вводят индекс завода-изготовителя из одной или двух букв. Так, Егорьевский станкостроительный завод имеет индекс ЕЗ, Московское станкостроительное ОАО «Красный пролетарий» — МК, например специализированный токарный станок для обработки дисков памяти ЭВМ — модель МК 65-11.
По степени точности обработки станки делят на пять классов:
Станки классов точности В, А и С называют прецизионными (от фр. precision — точность). Эти станки желательно эксплуатировать в термоконстантных цехах, температура и влажность в которых регулируется автоматически.
В зависимости от массы станки подразделяют на легкие — массой до 1 т, средние — до 10-ти тяжелые — свыше 10 т. В свою очередь тяжелые станки делят на крупные (до 30 т), собственно тяжелые (до 100 т) и уникальные (свыше 100 т).
По степени автоматизации различают станки с ручным управлением, полуавтоматы и автоматы. В станках с ручным управлением пуск и останов станка, переключение скоростей и подач, подвод и отвод инструментов, загрузку станка заготовками и разгрузку обработанных деталей и другие вспомогательные операции выполняет рабочий.
Полуавтомат — станок, работающий по автоматическому циклу, для повторения которого требуется вмешательство рабочего. Так, рабочий вручную устанавливает на станок заготовку и снимает обработанную деталь, после чего включает станок для повторения цикла. (Под циклом понимают промежуток времени от начала до конца периодически повторяющейся операции независимо от числа одновременно обрабатываемых заготовок.)
В автомате все рабочие и вспомогательные движения, необходимые для выполнения цикла технологической операции, осуществляются без участия рабочего, который лишь наблюдает за тем, как функционирует станок, контролирует качество обработки и при необходимости подналаживает станок, т.е. регулирует его для восстановления достигнутых при первоначальной наладке точности взаимного расположения инструмента и заготовки, а также качества обрабатываемой детали.
По расположению шпинделя станки делят на горизонтальные, вертикальные и наклонные.
По степени концентрации операций станки подразделяют на одно- и многопозиционные. Концентрация операции — это возможность одновременной обработки на станке различных поверхностей заготовки многими инструментами. На однопозиционных многоинструментальных станках несколько режущих инструментов одновременно обрабатывают различные поверхности одной заготовки, на многопозиционных одновременно обрабатывают от двух и более заготовок.
Особую группу составляют комбинированные станки, например токарно-шлифовальные, строгально-фрезерные, строгаль-но-шлифовальные.
Размерные ряды станков
Для большинства станков стандартами установлены основные (главные) параметры, характеризующие размеры обрабатываемых деталей или размеры самого станка. Совокупность численных значений этих параметров (от наименьшего до наибольшего) образует размерный ряд станков одного типа, т.е. подобных по конструкции, кинематической схеме и внешнему виду.
Конструкция станков размерного ряда состоит в основном из унифицированных узлов, одинаковых или подобных, что облегчает конструирование, изготовление и эксплуатацию станков, а также способствует удешевлению их производства.
Размерные ряды станков строят по принципу геометрической прогрессии, в которой главный параметр станка является членом ряда. В таблице представлены размерные ряды металлорежущих станков основных технологических групп.
Размерные ряды металлорежущих станков основных технологических групп
Технологическая группа металлорежущих станков
Главный параметр
Пределы изменения главного Параметра станка, мм
Знаменатель размерного ряда
Токарно-винторезные, токарные патронно-центровые и патронные станки
Под управлением станком понимают совокупность воздействий на его механизмы, обеспечивающих выполнение технологического цикла обработки, а под системой управления — устройство или совокупность устройств, реализующих эти воздействия.
Цикл работы станка — это совокупность всех движений, необходимых для обработки заготовок и выполняемых в определенной последовательности.
Циклы, осуществляемые при работе станочного оборудования, делят на две группы.
Первую группу образуют циклы, которые остаются неизменными и повторяются многократно в процессе эксплуатации оборудования, например циклы работы автоматических линий и агрегатных станков.
Ко второй группе относятся циклы, совершаемые однократно в определенные моменты. Эти циклы инициируются специальной командой. Примерами таких циклов являются циклы движений вспомогательных механизмов в станках: поиск и смена инструмента, зажим и освобождение подвижных узлов, загрузка и зажим заготовок, выгрузка обработанных деталей и т.д.
Управление станком может быть ручным или автоматическим. Примером системы ручного управления является многорукояточное устройство, в котором для перемещения каждого блока зубчатых колес предусмотрена рукоятка. Ручное управление может быть селективным (избирательным), преселективным (с предварительным набором скоростей) и дистанционным (кнопочным).
Автоматическое управление подразделяется на кулачковое; с помощью регулируемых упоров; программное и адаптивное.
По виду различают цикловое и числовое программное управление.
Цикловым программным управлением (ЦПУ) называют управление, при котором полностью или частично программируется цикл работы станка, режимы обработки и смена инструмента, а размерная информация (перемещения рабочих органов станка) задается с помощью путевых упоров, устанавливаемых на специальных линейках или барабанах.
В автоматическом оборудовании с ЦПУ цикл работы является замкнутым, т.е. положения механизмов в начальной и конечной фазах цикла совпадают.
Числовым программным управлением (ЧПУ) называют управление обработкой заготовки на станке по управляющей программе (УП), в которой данные представлены в цифровой форме. ЧПУ обеспечивает управление движениями рабочих органов станка, скоростью их перемещения при формообразовании, последовательностью обработки, режимами резания, а также различными вспомогательными функциями.
Система числового программного управления (СЧПУ) — это совокупность функционально взаимосвязанных и взаимодействующих технических и программных средств, которые обеспечивают управление станком. Основой СЧПУ является устройство числового программного управления (УЧПУ), которое выдает управляющее воздействие на рабочие органы станка в реальном масштабе времени в соответствии с УП и информацией о состоянии управляемого объекта. Вся информация УП (размерная, технологическая и вспомогательная), необходимая для управления обработкой, вводится в память системы управления. УЧПУ преобразует эту информацию в управляющие команды для рабочих органов станка и контролирует их выполнение.
При составлении программ для обработки изделий на станках с ЧПУ необходимо правильно выбрать положительное направление осей координат станка и заготовки.
В соответствии с ГОСТ 23597 — 79* на станках с ЧПУ принята правая система отсчета координат (рис. 1. а). Начало сис¬темы координат выбирают произвольно. Обозначение координатных осей стандартизовано, чтобы программирование операций обработки не зависело от того, перемещается ли инструмент или заготовка.
Положительное направление движения рабочего органа станка соответствует направлению отвода инструмента от заготовки. Например, при сверлении на вертикально-сверлильном станке или при обтачивании заготовки на токарном станке обработка заготовки осуществляется при перемещении инструмента в отрицательном направлении оси Z.
Положительные направления движений рабочих органов, несущих инструмент, обозначают без штрихов (рис. 1 б). Буквами А, В и С обозначают вращательные движения соответственно вокруг осей X, Y и Z, причем положительным направлением считается направление вращения против часовой стрелки, если смотреть с конца положительного направления осей, как это указано на рис. 1 а.
Направление движений рабочих органов, несущих заготовку, обозначается буквами со штрихами, при этом положительное направление должно быть противоположно соответствующему движению, обозначаемому той же буквой без штриха.
Рис. 1. Системы координат в станках с ЧПУ:
а — правило определения правой прямоугольной системы координат XYZ станка; б — левая прямоугольная система координат XYZ на узлах, несущих заготовку (А, В, С, А*, В*, С* — вращательные движения вокруг осей)
Рис. 2. Оси координат в одностоечном (а) и двухстоечном (б) продольно-фрезерных станках
В станках ось Z определяется по отношению к шпинделю, обеспечивающему главное вращательное движение; при отсутствии шпинделя ось Z перпендикулярна к рабочей поверхности стола. Положительное направление оси Z должно совпадать с направлением отвода инструмента от заготовки.
Ось X располагается горизонтально, параллельно поверхности крепления заготовки. В станках с невращающимся режущим инструментом и заготовкой положительное направление оси X совпадает с положительным направлением главного движения и параллельно ему; примерами являются поперечно-строгальные и продольно-строгальные станки.
На станках с вращающейся заготовкой, например в токарных, ось X направлена по радиусу заготовки параллельно поперечным направляющим; положительное направление оси X совпадает с направлением отхода поперечных салазок с режущим инструментом.
На станках с вращающимся режущим инструментом (сверлильных, фрезерных) при вертикальной оси Z положительное направление оси X для одностоечных станков отсчитывают вправо, если смотреть от основного инструментального шпинделя на стойку (рис. 2, а); для двухстоечных станков положительное перемещение по оси X направлено также вправо, если смотреть от основного инструментального шпинделя на левую стойку (рис. 2, б).
После выбора осей Х и Z ось Y проставляется таким образом, чтобы образовалась правая система координат. Для этого, глядя на конец оси Z, необходимо повернуть ось X против часовой стрелки.
Вторичные прямолинейные движения узлов, параллельные движениям по осям X, У и Z, осуществляются соответственно по осям U, V и W. Если имеются третичные дополнительные движения, параллельные им, то оси, по которым они выполняются, обозначают соответственно Р, Q и R. Оси, по которым осуществляются вторичные вращательные движения, обозначают D и Е. Кодирование УП стандартизовано. Например, информацию УП для станков кодируют по ГОСТ 20999 — 83, а для промышленных роботов — по ГОСТ 24836 — 81.
Показатели технического уровня и надежности станков
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 = 1/7, шт./мин, а если TV деталей, то Q = N/t.
Для металлорежущих станков различают:
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 tпр: 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.
Точность. Для деталей машин понятие точности включает 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.
Кинематическая точность в зуборезных станках существенно зависит от точности изготовления и монтажа червяка и червячного колеса в делительной цепи.
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, может быть определена как отношение силы, приложенной к узлу в заданном направлении, к упругому отжатию 5 этого узла.
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.
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. Для конкретных пар можно экспериментально определить значения к 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. В результате теплового воздействия возникают тепловые деформации, отрицательно влияющие на работоспособность станка. Так, понижается защитная способность масляного слоя в трущихся 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:
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:
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.
Показатели качества станочного оборудования. Номенклатура показателей качества определяется стандартами: для металлообрабатывающих станков — ГОСТ 4.93 — 86, для УЧПУ — ГОСТ 4.405 — 85 и т.д. В качестве примера ниже приведены некоторые показатели качества металлообрабатывающих станков:
В последнее время при выборе станочного оборудования часто пользуются понятием «цена —качество», что позволяет оценивать конкретную модель в сравнении с другой, имеющей аналогичные параметры.
Надежность. Проблема Надежности оборудования является одной из основных проблем в машиностроении. Свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение заданного промежутка времени, обусловленное безотказностью и долговечностью изделий, называется надежностью.
Работоспособность — это состояние изделия, при котором оно способно выполнять свои функции, сохраняя значения заданных выходных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией (НТД).
Известный авиаконструктор А.Н.Туполев говорил: «Чем дальше от доски конструктора обнаруживается ненадежность, тем она дороже обходится». Ненадежная машина не сможет эффективно функционировать, так как каждая ее остановка из-за повреждения отдельных элементов или ухудшения технических характеристик влечет за собой материальные убытки, а в отдельных случаях и катастрофические последствия.
Из-за недостаточной надежности оборудования промышленность несет огромные потери. Так, за весь период эксплуатации затраты на ремонт и техническое обслуживание станка в 8 раз превышают его первоначальную стоимость.
Надежность закладывается при проектировании и расчете станка, а обеспечивается при его изготовлении. Надежность зависит от качества изготовленных деталей, качества сборки узлов и станка в целом, методов контроля и испытания готовой продукции. Надежность станка реализуется в процессе его эксплуатации.
Показатели безотказности и долговечности проявляются только при эксплуатации станка, зависят от качества его изготовления, условий эксплуатации, системы его ремонта и технического обслуживания, квалификации обслуживающего персонала.
Безотказность — это свойство изделия непрерывно сохранять свою работоспособность в течение заданного периода времени. В это понятие не включаются техническое обслуживание, ремонт, подналадка. Изделие должно сохранять свои начальные параметры в заданных пределах.
Долговечность — свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение гарантированного периода эксплуатации. Здесь учитываются техническое обслуживание и ремонты всех видов.
Полная или частичная утрата работоспособности изделий называется отказом. По своей природе отказы могут быть связаны с повреждением поверхностей или с разрушением деталей (выкрашивание, изнашивание, коррозия, поломки) или не связаны с разрушением (ослабление предварительного натяга подшипников, засорение каналов). Отказы бывают полные или частичные, внезапные (поломки) или постепенные (изнашивание, коррозия), опасные для жизни человека или нет, устранимые и неустранимые.
Показатели безотказности и долговечности изделия определяются в соответствии с теорией вероятности.
При оценке надежности изделия очень важны экономические показатели. Повышение безотказности и долговечности станков при их создании связано с дополнительными материальными затратами.
Другие статьи по сходной тематике
Правила нанесения обозначений шероховатости поверхностей на чертежах
