2. Обработка станин металлообрабатывающих станков

Станины станков являются типовыми представителями базовых деталей. Особенностью станин является наличие направляющих, которые являются самыми точными поверхностями, и многие другие поверхности должны лежать относительно них в правильном положении.

Рассмотрим технологию обработки станины, заготовкой которой является чугунная отливка.

Вначале фрезеруют основание заготовки. При выполнении этой операции заготовка должна в обязательном порядке быть выверена в «нейтральном» положении. В разделе обработки корпусных деталей процедура такой выверки была описана. Заготовка должна быть установлена на три жесткие и одну регулируемую опору. Базовые детали более протяженны по своим габаритным размерам, поэтому четырех точек может оказаться недостаточно. Для повышения жесткости технологической системы нужно использовать дополнительные регулируемые опоры. Методика их применения подобна той, которая рекомендована для четвертого угла корпусной детали. Нужно выполнить дополнительной опорой предварительный подъем заготовки от момента касания этой опорой основания до момента начала движения (подъема) заготовки над другой, чаще всего близлежащей, опорой. Затем опустить заготовку над дополнительной опорой на величину, равную половине предварительного подъема. Используя такой прием, можно установить любое число дополнительных опор, что важно при обработке станин большой длины.

Величины деформирования заготовок станин от сил тяжести их отдельных частей весьма значительны. Укрупненные значения таковы: при массе в сотни килограммов провисание угла составит десятые доли миллиметра, при массе в тонны – миллиметры, при массе в десятки тонн – десятки миллиметров.

Применительно к станинам достаточно обработать в нейтральном положении только основание. Затем от этой базы параллельно или под углом обработать направляющие. При дальнейшей обработке основание можно в качестве базы не использовать, а производить выверку обрабатываемой детали по направляющим.

Поверхности станины можно фрезеровать, строгать и шлифовать. Продольно-строгальные, продольно-фрезерные и продольно-шлифовальные станки имеют сходную портальную компоновку, подвижная траверза несет, соответственно, несколько суппортов или головок. По одному суппорту или головке размещены на левой и правой стойкам. Обрабатываемую заготовку устанавливают на стол, который имеет только продольное перемещение.

На базе описанных продольно-фрезерных станков созданы многошпиндельные агрегатные станки, число шпинделей в которых значительно увеличено. Фрезерные головки размещены стационарно, каждая фреза обрабатывает свою поверхность. Агрегатные станки, как сугубо специальные, экономически оправданы только в условиях крупно-серийного производства, удельный вес которого в современном станкостроении сократился, практически, до нуля.

В металлорежущих станках применяют направляющие качения и скольжения. Направляющие качения представляют собой штанги (рельсы), несущие по две подвижные каретки, к которым крепится подвижный рабочий орган. Телами качения, циркулирующими в каретках, являются шарики или ролики. Роликовые направляющие обладают в сравнении с шариковыми повышенной жесткостью. Основной задачей при изготовлении станин, столов и кареток с такого типа направляющими является подготовка поверхностей, к которым крепятся штанги и каретки. Необходимо достичь требуемые точности по прямолинейности и плоскостности. Некоторые рекламные утверждения о том, что использование направляющих качения повышает прямолинейность перемещения рабочих органов по сравнению с точностью поверхностей, к которым эти направляющие крепятся, не находят подтверждения. Следовательно, необходимо получать при механической обработке высокую точность в отношении плоскостности, прямолинейности, параллельности, перпендикулярности различных поверхностей станин. Мировой современный подход к достижению этих высоких требований свидетельствует, что их целесообразно получать фрезерованием на высокоточных станках. Именно фрезеровать, а не шлифовать. Тем более что одновременно с лезвийной обработкой плоскостей можно в том же технологическом установе образовывать резьбовые отверстия для крепления шин к станинам.

Направляющие скольжения бывают двух видов: цельные и накладные.

Цельные направляющие являются неотъемлемой частью станины, они выполнены из того же материала, что сама станина, обычно из чугуна. Чугунные направляющие используют незакаленные и закаленные. Незакаленные направляющие бывают у высокоточных станков, выполняющих финишную работу, в связи с чем удельные нагрузки в направляющих малы, что определяет их высокую долговечность. Окончательная обработка направляющих – шабрение. Сохранение в период эксплуатации станка на поверхностях трения шабровочного рисунка свидетельствует о том, что износ не вышел за допустимые пределы.

При больших нагрузках направляющие подвергают индукционной закалке ТВЧ. Чем выше частота тока, тем тоньше закаленный слой. Практически при частотах генератора 10 – 200 Гц толщина закаленного слоя изменяется от 8 до 2 мм. Может показаться, что увеличение толщины закаленного слоя является безусловным положительным моментом. Это не совсем так. Чем больше толщина закаленного слоя, тем больше деформация станины, получаемая при закалке. Например, глубина закалки у станины универсального токарного станка мод. 1М63Н равна 2 мм. При длине направляющих 4 метра величина деформации в сторону вогнутости равна 1,0 мм. Природа деформации двойственная: во-первых, мартенсит по своему объему отличается от исходных феррита и перлита, во-вторых, под закаленным слоем находится переходной слой, в котором зерна металла выросли в результате нагрева.

Большая непрямолинейность вызовет при выполнении последующей финишной обработки направляющих, а именно шлифования, ряд нежелательных моментов. Придется снимать слой металла по концам детали не менее 1,5 мм. Трудоемкость шлифования будет очень большой. Закаленный слой по середине станины будет в несколько раз большим, чем по краям, что может негативно отразиться в период будущей эксплуатации станка. Следовательно, нужно каким-то образом компенсировать возникающие при закалке деформации.

Не следует думать, что можно удержать деталь в процессе закалки. Как только деталь будет раскреплена, произойдет ее деформирование. Можно подвергать деталь правке путем поперечного изгиба, но это будет действенным только при температуре закаленного слоя 200 – 250 градусов Цельсия. Реализовать такую правку весьма затруднительно.

Самый правильный выход состоит в придании направляющим перед закалкой выпуклой формы. В те годы, когда впервые начали подвергать закалке чугунные направляющие, необходимых станков с ЧПУ не было. Пришлось выпуклость направляющих при обработке получать за счет изгиба детали при закреплении. Если согнуть деталь в сторону вогнутости, то после обработки и раскрепления направляющие получат выпуклую форму.

Невозможно согнуть станину, притягивая ее к столу фрезерного станка. Жесткость стола значительно меньше, чем жесткость обрабатываемой станины, поэтому стол изогнется значительно больше, чем станина. Изогнутость можно достичь, распирая станину за тумбы. При отсутствии тумб придется обрабатывать направляющие в два установа, заменив выпуклость «крышей домика».

Самый правильный и современный подход состоит в фрезеровании направляющих на продольно-фрезерных станках с ЧПУ, позволяющих с большой степенью приближенности получить желаемую выпуклую форму направляющих.

Последней финишной операцией обработки направляющих является шлифование, выполняемое на продольно-шлифовальных станках. Эти станки традиционного портального исполнения могут иметь несколько шлифовальных суппортов на траверсе и на стойках портала. Шлифовальные суппорты подразделяются на два типа в зависимости от вида шлифовальных головок, которые на них размещаются.

Один тип головок имеет ось шлифовального круга, лежащую в плоскости, параллельной столу станка: Этот круг большого диаметра (800 ÷ 1000 мм) имеет также большую ширину и всегда работает своей периферией. Другой тип головок установлен на суппорте, имеющем название универсального. Его отличительная особенность состоит в том, что ось шлифовальной головки может поворачиваться, благодаря чему шлифовальный круг может занимать любые желаемые положения. Круги универсального суппорта могут работать как периферией (в этом случае их диаметр равен 400 ÷ 500 мм) или торцом (диаметр кругов 100 ÷ 200 мм). Можно вместо круга установить торцовую фрезу, оснащенную Композитом 01, и выполнять фрезерование закаленных поверхностей в качестве предварительной обработки с оставлением минимального припуска на шлифование.

Нужно стремиться, во всех возможных случаях, работать периферией, а не торцом круга. Такое шлифование более производительно, обрабатываемая заготовка меньше нагревается, чем при шлифовании торцом.

Непосредственно на суппортах продольно-шлифовальных станков установлены устройства алмазной правки. Правку выполняют алмазами в оправе (не путать с алмазными карандашами), имеющими одиночное алмазное зерно, качественную правку обеспечат крупные алмазные зерна размером до одного карата. Используя круги большой ширины, можно заправить их таким образом, чтобы на их периферии появились две поверхности. Каждой из этих поверхностей круга можно шлифовать свою поверхность заготовки.

Зачастую направляющие скольжения станин выполнены в виде накладных направляющих, которые представляют собой закаленные планки, изготовленные из легированных сталей. Планки винтами крепят к станине. Твердость рабочих поверхностей планок достигает HRC 62.

В качестве материала трущихся по станине поверхностей столов, кареток, салазок и др. в настоящее время используют чугун, бронзу, компаунд, пластик. К этим поверхностям предъявляют следующие требования:

– антифрикционность;

– высокую жесткость;

– облегченность получения точного сопряжения между поверхностями скольжения станины и сопрягаемой детали;

– долговечность.

С точки зрения антифрикционных свойств чугун уступает бронзе, компаунду и пластмассам. Но он может превосходить их по долговечности в реальных эксплуатационных условиях, когда не обеспечена хорошая защита направляющих от попадания на трущиеся поверхности загрязнений. Кроме того, чугун в качестве материала столов, кареток, салазок превосходит прочие материалы по жесткости, так как те прикрепляют различными способами в виде пластин.

Малое значение коэффициента трения, и малая разница между значениями коэффициентов трения скольжения покоя и движения в направляющих скольжения призваны уменьшить вероятность возникновения при малых скоростях явления slip-stop, которое приводит к скачкообразности движения рабочего органа.

Чугунные направляющие столов, кареток и салазок подвергают шабровке. На направляющие станины, используя смоченный в краске кусок войлока или поролона, наносят слой краски, о толщине которого при определенных навыках можно судить по интенсивности окраски. Из красок наиболее удобна берлинская лазурь, которая хорошо просматривается, как на светлом, так и на темном материале. Накладывают на окрашенное место станины сопрягаемую деталь, перемещают ее несколько раз вдоль направляющих. Отпечаток краски появляется только на выступающих местах, которые и нужно подвергнуть шабровке. Многократно повторяя описанную процедуру, добиваются очень точного сопряжения направляющих. Завершают шабровку разбивкой поверхности на пятна. В одном квадратном сантиметре отшабренной поверхности должно быть заданное число пятен, которое может быть больше десяти. Кроме того, щуп заданной толщины (0,02 ÷ 0,03 мм) не должен входить в стык между сопрягаемыми поверхностями. Иногда оговаривают, что щуп может «закусывать на глубину не более нескольких (конкретно скольких) мм».

Шабровка – трудоемкая ручная работа, дающая возможность достичь чрезвычайно высокой точности сопряжения. Попытки достичь такой точности шлифованием пока не увенчались успехом. Точно так же, несмотря на многолетние и многочисленные попытки, не удалось механизировать шабровку.

Бронзовые пластины направляющих крепят к столам, кареткам, салазкам коническими головками винтов. Пластмассовые направляющие в виде лент приклеивают. Одна сторона ленты для лучшей адгезии имеет повышенную шероховатость. Из материалов отечественных пластмасс наилучшие результаты показывает наполненный фторопласт. Используют также ряд импортных материалов. Клей наносят с помощью шпателя. Деталь с приклеенными пластмассовыми лентами укладывают на станину, при необходимости увеличивают ее тяжесть за счет груза и оставляют чаще всего на сутки до полного отверждения клея.

Направляющие с прикрепленными бронзовыми пластинами или приклеенными лентами пластика подвергают шабровке аналогично описанной процедуре пришабривания чугунных поверхностей.

Избежать шабровки можно при использовании компаунда в качестве материала направляющих сопряженной со станиной детали. Компаунд – это композиция на основе эпоксидного клея с добавками графита и дисульфида молибдена (антифрикционные присадки) и мелкотертой глины в качестве основы, обеспечивающей жесткость. Компаунд изготавливают по свойству жидкотекучести в трех исполнениях: густой, средний и жидкий. Густой компаунд наносят шпателем, средний запрессовывают, жидкий заливают.

Компаунд является двухкомпонентным материалом. Непосредственно перед использованием в основную массу вводят отвердитель, тщательно перемешивают. Использовать массу с введенным отвердителем нужно в течение ближайших 15 – 20 минут, позднее начнется ее отверждение.

Слой компаунда равен примерно двум миллиметрам. Для получения такого слоя между сопряженной деталью и станиной с помощью прокладок создают зазор, который в дальнейшем будет заполнен компаундом. На направляющие станины во избежание прилипания к нему компаунда распыляют тонкий слой воскового покрытия, растирают до минимальной толщины. Поверхность, к которой компаунд должен будет приклеиться, выполняют для лучшей адгезии с низкой шероховатостью R_z 40 – 80.

При использовании запрессовки или заливки вокруг направляющих сопряженной детали выполняют ограждение, оставляя небольшое окно в наиболее удаленном от литника месте. Появление компаунда в окне свидетельствует о заполнении всего пространства направляющих. Густой компаунд наносят на направляющие сопряженной детали шпателем, затем накладывают деталь на станину. Если сопряженная деталь легкая, то увеличивают ее вес дополнительным грузом.

Через 24 часа можно продолжать работу с сопряженной деталью. Компаунд после отверждения идеально копирует макро- и микрогеометрию направляющих станины.