Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 12. Базовые детали и направляющие металлорежущих станков.
12.1 Жёсткость неподвижных соединений
Жёсткость неподвижных соединений базовых деталей существенно влияет на погрешности обработки. В общем балансе упругих перемещений несущей системы станка контактные деформации в стыках составляют от 30 до 70%. Линейная деформация и поворот в плоском стыке при нагружении центральной силой и моментом (рис. 12.1) определяют из выражений
; ,
где - коэффициенты контактной податливости;
- площадь и момент инерции сечения контакта;
- показатель степени, для поверхностей, обработанных чистовыми методами.
Рисунок 12.1 – Деформация плоского стыка при нагружении силой и моментом
Коэффициенты контактной податливости связаны соотношением
И зависят от материала и качества обработки сопрягаемых поверхностей:
- при тонком точении, шлифовании;
- при притирке;
- при фрезеровании.
Неподвижные стыки базовых деталей имеют предварительную затяжку силами, значительно большими, чем силы резания. Это позволяет считать жёсткость стыка в приближённых расчётах близкой к постоянному значению, а деформацию и угол поворота определять по приближённым зависимостям:
; ,
где - первоначальное и текущее давление в стыке.
Касательная жёсткость стыков учитывается при расчёте также на основе линейной зависимости
,
где - коэффициент контактной податливости;
- касательная сила, Н;
- площадь стыка, мм2.
Для затянутых соединений , при отсутствии натяга (направляющие скольжения) .
Точность приближённых расчётов оценивается сравнением результатов расчётов и экспериментов на реальных станках аналогах при статическом нагружении, соответствующем нагружению при резании.
Часто, когда базовые детали из-за сложности формы не поддаются расчёту, проводят исследования жёсткости на моделях, геометрически подобных базовому элементу. Обязательным критерием при этом является равенство критериев подобия модели и базовой детали. Наиболее применяемые материалы при изготовлении моделей – органическое стекло и конструкционная сталь (для сварных моделей).
12.2 Температурные деформации базовых деталей
Рисунок 12.2 – Температурные деформации стойки станка с вертикальной компоновкой
Температурные деформации базовых деталей оказывают суще ственное влияние на точность обработки, особенно в прецизионных станках при окончательных операциях. Основными источниками тепловыделения в станках являются: двигатели, элементы привода и процесс резания. Температурные смещения узлов станка с вертикальной осью шпинделя показаны на рис. 12.2. Теплота, образовавшаяся в шпиндельной бабке, через стыки передается стойке станка. Ближние к источнику тепла стенки будут нагреты выше, чем отдаленные, что вызовет искривление стойки и, как следствие, нарушение заданного углового положения оси шпинделя относительно плоскости стола. Неравномерность на грева отдельных точек стойки сравнительно невелика и лежит в пре делах 5—8 °С при средней избыточной температуре корпуса шпиндельной бабки 12—16 °С. При этом нарушение заданного углового положения плоскости стола и торца шлифовального круга доходит до 0,1—0,15 мм/м.
Расчет и анализ температурных деформаций несущей системы усложняются тем, что тепловое воздействие изменяется во времени по случайному закону, поэтому применяют приближенный метод расчета при наличии предвари тельных данных об источниках тепловыделения и температурном поле.
Температурное поле, т. е. рас пределение температуры в раз ных точках несущей системы после некоторого времени работы станка, определяют по экспери ментальным данным или прибли женным расчетом, например, ме тодом элементарных балансов. При этом все базовые детали раз бивают на элементарные геомет рические фигуры, в пределах которых закон изменения температуры считается линейным. Де тали типа прямоугольных пластин и коробок разбивают на эле ментарные параллелепипеды со сторонами , и , а детали типа тел вращения — на цилиндры постоянного диаметра.
Для каждой элементарной фигуры составляют уравнение теплового
баланса, по которому определяют приращение температуры через
некоторый промежуток времени . Например, для элементарного
параллелепипеда, расположенного в углу стойки и содержащего
источник теплоты малого размера, при условии равномерного тепло-
обмена с окружающей средой уравнение теплового баланса будет
иметь вид
,
где - удельная теплота, кДж/ч;
с - удельная теплоемкость материала, для чугуна с = 50 кДж/(кг);
- плотность мате риала, кг/м3;
- коэффициент теплопроводности, для чугуна = 4758 Вт/(м);
- коэффициент теплопередачи в окружающую среду, при отсутствии вентиляции =57 Вт/(м2);
, - избыточная температура элемента в начальный момент и спустя время ;
, - избыточная температура в начальный момент для центров соседних элементов.
Из вышеприведенного уравнения можно получить выражение для избыточной температуры
,
где - масса рассматриваемого элемента;
- температуропроводность материала, для чугуна м2/ч.
Уравнения, подобные последнему, составляют для всех элементарных фигур базовой детали. По ним можно проследить изменение избы точной температуры с течением времени. При большом числе эле ментов расчет целесообразно проводить на ЭВМ.
Температурные деформации отдельных элементов и всей детали определяют при допущении, что эти смещения пропорциональны средней температуре:
,
где - коэффициент линейного расширения, для чугуна .
Общее температурное перемещение рабочих органов станка по лучают суммированием отдельных температурных деформаций. Сум марные температурные смещения необходимо ограничивать исходя из допустимых погрешностей обработки.
Основные способы уменьшения температурных деформаций сво дятся к следующему.
1. Уменьшение теплообразования в двигателях, опорах и пере дачах в результате применения жидкостной смазки и трения качения. Совершенствование системы смазывания строгим нормированием количества подаваемого смазочного материала, что способствует уменьшению тепловыделения и сокращению потерь.
12.3 Классификация направляющих
В металлорежущих станках применяют направляющие скольжения, качения и комбинированные. Направляющие скольже ния могут быть с полужидкостной, жидкостной и газовой смазкой. При полужидкостной смазке суммируется сила взаимодействия контактирующих поверхностей деталей и сила вязкого сопротивле ния смазочного материала, не разделяющего полностью эти поверх ности. Если смазочный материал разделяет поверхности полностью, то возникает жидкостная смазка, что имеет место в гидростатических и гидродинамических направляющих. Направляющие качения раз личают по виду тел качения на шариковые и роликовые.
Все типы направляющих имеют свои достоинства и недостатки, что и определяет их целесообразную область применения. Часто делают комбинированные направляющие, используя достоинства разных типов и достигая тем самым суммарного эффекта.
В зависимости от траектории движения подвижного узла направ ляющие могут быть прямолинейного и кругового движения. Их делят также на горизонтальные, вертикальные и наклонные. По форме поперечного сечения наиболее распространены прямоуголь ные (плоские), треугольные (призматические), трапециевидные (типа ласточкина хвоста) и круглые направляющие. Часто используют сочетание различных форм, когда одна из направляющих выполнена прямоугольной, а другая треугольной или в виде половины трапе циевидной формы. Каждую из форм можно применять в виде охваты вающих и охватываемых направляющих. Охватываемые направля ющие плохо удерживают смазочный материал, а охватывающие удерживают его хороню, но нуждаются в надежной защите от за грязнений.
Прямоугольные направляющие отличаются технологичностью изготовления и простотой контроля геометрической точности. Их все чаще применяют в станках с программным управлением, так как они отличаются простотой н надежностью регулировки зазоров и способны воспринимать большие нагрузки. Треугольные направляющие обла дают свойством автоматического выбора зазоров под действием соб ственного веса, но угловое расположение рабочих граней усложняет их изготовление и контроль. Трапециевидные направляющие отли чаются компактностью конструкции, но сложны в изготовлении и контроле. Регулирование зазора у них относительно простое, но не обеспечивает высокой точности сопряжений. Круглые направляющие применяют редко. В охватываемом варианте они не обеспечивают большой жесткости из-за прогиба скалок (штанг), закрепленных на концах, поэтому применяют их в основном при малой длине хода. В охватывающем варианте у цилиндрических направляющих сложно изготовить полукруглые пазы.
12.4 Направляющие скольжения
Непосредственный контакт сопряженных поверхностей в направляющих скольжения определяет непостоянство и большие силы сопротивления. В зависимости от нагрузки, скорости, вида смазочного материала и его количества направляющие могут рабо тать в режимах трения без смазочного материала и с ним. Существен ную разницу для этих направляющих составляют силы трения покоя (силы трогания) по сравнению с силами трения движения; послед ние, в свою очередь, сильно зависят от скорости скольжения. Эта разница приводит к скачкообразному движению узлов при малых скоростях, что крайне нежелательно, особенно для станков с про граммным управлением. Значительное трение вызывает изнашива ние и, следовательно, снижает долговечность направляющих.
Для уменьшения недостатков направляющих с полужидкостной смазкой внедряют специальные антискачковые масла, применяют накладки из антифрикционных материалов. Если коэффициент тре ния покоя в паре чугун—чугун при обычных маслах равен 0,21— 0,28, то применение аитнекачкового масла ИНСП снижает его до 0,075—0,09. Применение накладок из полимерных материалов на основе фторопласта снижает коэффициент трения покоя до 0,04— 0,06.
Достоинства направляющих с полужидкостной смазкой — высо кая контактная жесткость и хорошие демпфирующие свойства. Кроме того, они обеспечивают надежную фиксацию подвижного узла станка после его перемещения в заданную позицию.
12.5 Материал направляющих
Материал направляющих в значительной мере определяет из носостойкость и плавность движения узлов. Во избежание крайне нежелательного явления — схватывания, пару трения комплектуют из разнородных материалов, имеющих различные состав, структуру и твердость. Направляющие, относительно которых перемещаются подвижные детали, делают более твердыми и износостойкими. Этим обеспечивается длительное сохранение точности, так как при дви жении копируется форма неподвижных направляющих.
Направляющие из серого чугуна, выполненные как одно целое с базовой деталью, наиболее просты, но при интенсивной работе не обеспечивают необходимой долговечности. Их износостойкость повы шают закалкой с нагревом токами высокой частоты или газопламен ным методом. Закалкой одной из сопряженных поверхностей до НRСЭ 48—53 можно повысить износостойкость более чем в 2 раза. Легирующие присадки к чугунным направляющим дают повышение износостойкости только при последующей закалке. Значительного повышения износостойкости чугунных направляющих можно до биться применением специальных покрытий. Хромирование направ ляющих слоем толщиной 25—50 мкм обеспечивает твердость до НRСЭ 68—72, в 4—5 раз повышает износостойкость и существенно уменьшает коэффициенты трения покоя и трения движения. Анало гичный эффект дает напыление направляющих слоем молибдена или сплавами с содержанием хрома. Хромируют только одну из сопряженных поверхностей, обычно неподвижную, так как пара хром по хрому склонна к схватыванию, хотя и имеет минимальный коэффициент трения.
Направляющие из стали выполняют в виде отдельных планок, которые приваривают к сварным станинам, а к чугунным станинам крепят винтами или приклеивают. Материал накладных направля ющих — низкоуглеродистые стали 20, 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ с це ментацией и закалкой до высокой твердости (НRСЭ 60—65), азоти руемые стали 38Х2МЮА, 40ХФ, 30ХН2МА с глубиной азотирования 0,5 мм и закалкой до очень высокой твердости (800—1000HV). Реже применяют легированные высокоуглероднетые стали ШХ15, ХВГ, 9ХС с объемной закалкой и отпуском (НRСЭ 58—62). Стальные за каленные направляющие обеспечивают наивысшую износостойкость в паре с закаленным чугуном.
Цветные сплавы, такие как безоловянная бронза Бр АМц9-2, оловянная бронза БрОФ10-1, сплав на цинковой основе ЦАМ 10-5 в паре со сталью и чугуном, дают наилучшие результаты по изно состойкости, отсутствию задиров и равномерности подачи, но высо кая стоимость сдерживает их широкое применение при изготовлении направляющих. Их используют главным образом в тяжелых станках, делая накладные направляющие или для заливки.
Пластмассы обладают хорошими характеристиками трения и антизадирными свойствами, обеспечивают равномерность движения при малых скоростях и не дают схватывания. Однако малая жёст кость, низкая износостойкость при абразивном загрязнении, влия ние тепловых воздействий, влаги, масла, слабых щелочей и кислот ограничивают их применение. Используют пластмассы в основном в комбинированных направляющих, когда основную нагрузку несут, например, роликовые опоры, а слой пластмассы на вспомогательных гранях обеспечивает необходимые характеристики трения. В стан ках используют фторопласт в виде ленты, наклеиваемой на направ ляющие, фторопласт с бронзовым наполнителем, композиционные материалы на основе эпоксидных смол с присадками дисульфида молибдена, графита и неметаллических наполнителей, материалы на основе ацетальных смол (дельрин).
Композиционные материалы на основе эпоксидных смол очень технологичны. На подготовленные поверхности направляющих пе ремещаемой детали наносят слой только что приготовленной эпоксид ной композиции (смола, пластификатор, отвердитель и наполнители). Поверхности направляющих неподвижной базовой детали покры вают тонким слоем смазочного материала или воска во избежание прилипания смолы и на них устанавливают подвижную базовую деталь. После затвердевания профиль направляющих подвижной детали полностью копирует профиль направляющих, по которым деталь перемещается. При необходимости такие покрытия можно обрабатывать строганием, фрезерованием, шабрением.
Конструктивные формы направляющих скольжения разнообразны. Основные формы представлены на рис. 12.3
Очень часто используют сочетание направляющих различной формы.
Треугольные направляющие (рис. 12.3,а) обеспечивают автоматический выбор зазоров под собственным весом узла, но сложны в изготовлении и контроле.
Прямоугольные направляющие (рис. 12.3,б) просты в изготовлении и контроле геометрической точности, надежны, удобны в регулировании зазоров - натягов, хорошо удерживают смазку, но требуют защиты от загрязнения. Они нашли применение в станках с ЧПУ.
Трапециевидные (ласточкин хвост) (рис. 12.3,в) контактны, но очень сложны в изготовлении и контроле. Имеют простые устройства регулирования зазора, но они не обеспечивают высокой точности сопряжения.
Цилиндрические направляющие (круглые) (рис. 12.3,г) не обеспечивают высокой жесткости, сложны в изготовлении и применяют их обычно при малых длинах хода.
Сечения направляющих скольжения нормализованы и соотношение размеров зависит от высоты направляющих.
Отношение длины подвижной детали к габаритной ширине направляющих должно быть в пределах 1,5...2. Длина неподвижных направляющих принимается такой, чтобы не было провисания подвижной детали.
Механическое крепление обеспечивается как правило винтами по всей длине с шагом не более 2-х кратной высоты накладной планки и обеспечивается при этом фиксация планок в поперечном направлении выступами, фасками и т.д.
Жидкостное трение между направляющими обеспечивается подачей под давлением смазки между трущимися поверхностями или за счет гидродинамического эффекта. При жидкостном трении практически исключается износ направляющих, обеспечиваются высокие демпфирующие свойства и плавность движения, защита от коррозии, отвод тепла, удаление продуктов износа из зоны контакта.
Рисунок 12.3 - Конструктивные формы направляющих скольжения: а- треугольные, б- прямоугольные, в- трапециевидные, г- круглые.
12.7 Расчёт направляющих трения скольжения
Расчёт направляющих трения скольжения ведут исходя из обеспечения необходимой жёсткости и износостойкости. Для обеспечения износостойкости ограничивают допустимые давления на рабочих гранях направляющих, а требования к жесткости лимитируют до пустимые контактные перемещения.
Если собственная жесткость сопряженных базовых деталей су щественно больше контактной жесткости направляющих, то давле ния на рабочих поверхностях определяют приближенным методом. При этом пренебрегают собственными деформациями деталей и рас сматривают относительный поворот и смещение деталей как твердых тел вследствие деформаций поверхностных слоев. К таким деталям относят суппорты токарных, карусельных, зубофрезерных и других станков, консоли и шпиндельные головки фрезерных станков, стойки, короткие столы и т. п.
В противном случае, т. е. когда собственная жесткость базовых деталей соизмерима с контактной жесткостью направляющих, рас чет производят с использованием теории балок н плит на упругом основании. К этой группе деталей относят ползуны карусельных и долбежных станков, суппорта и длинные столы фрезерных, про дольно-строгальных станков и т. д.
Рассмотрим первый случай на примере расчета направляющих токарного станка с ЧПУ. Допускаем, что по длине направляющих давления изменяются по линейному закону, а по ширине направля ющих из-за ее малости по сравнению с длиной давления будем счи тать постоянными. Составляем расчетную схему для подвижного узла при действии на него всех сил: составляющих силы резания, массы узла, тяговой силы, реакций на рабочих гранях направля ющих и соответствующих сил трения (рис. 12.4). Принимаем систему
Рисунок 12.4 - Расчетная схема направляющих скольжения
координат и по расчетной схеме составляем уравнения равновесия подвижного узла:
;
; ;
; ;
; ;
; ;
; .
В системе уравнений (17.18) семь неизвестных А, В, С, , , , , но первые четыре уравнения позволяют определить реакции на гранях направляющих и тяговую силу:
(12.1)
По реакциям на гранях можно оценить величины средних давлений
; . (12.2)
Определить максимальные значения давлений можно после на хождения координат равнодействующих реакций , , . Для этого к оставшимся двум уравнениям равновесия составляют допол нительное уравнение перемещений, предполагая, что момент внеш них сил относительно оси , равный моменту от реакций в на правляющих
,
распределяется между двумя направляющими пропорционально их жесткости, т. е. пропорционально их ширине,
. (12.3)
Теперь координаты , , находятся из уравнения (12.3) и оставшихся двух уравнений равновесия:
(12.4)
Когда форма одной из направляющих треугольная, её заменяют призматической направляющей плоской формы с приведенной шириной
,
где - углы наклона рабочих граней треугольной направляющей.
Последними в расчёте определяют максимальные давления на рабочих гранях направляющих по формуле, связывающей давления с равнодействующей и координатой её приложения
. (12.5)
Если в формуле (12.5) =0, то распределение давлений вдоль направляющей равномерное; при 0<< получается трапецеидальный закон распределения давлений, а при = - треугольный. Если >, это свидетельствует о том, что давления приложены не по всей длине направляющей, и в работу может вступить нижняя планка, препятствующая отрыву подвижного узла.
Рекомендуемые максимальные давления на направляющих при малых скоростях равны 2,5-3,0 МПа; при больших скоростях – не более 1,0 – 1,2 МПа. Средние давления должны быть вдвое меньше максимальных. В прецизионных и тяжёлых станках средние давления не превышают 0,1 – 0,2 МПа.