§ 4.3. Типовые детали и механизмы станков
Станины и их направляющие. Станина является основной несущей частью станка, на которой монтируются другие его элементы и механизмы. Для жесткого крепления неподвижных узлов—шпиндельных бабок, коробок скоростей и подач и т.п. —станины имеют лапы, фланцы и другие конструктивные элементы. Подвижные узлы станка — стол, планшайба, суппорт, ползун — перемещаются по прямолинейным или круговым направляющим станины.
Станины могут быть горизонтальными и вертикальными (стойки). Горизонтальные станины тяжелых станков устанавливают непосредственно на фундамент по всей опорной поверхности. Станины средних и легких станков устанавливают на тумбы или ножки (токарные, револьверные станки) или на небольшую опорную поверхность основания (фундаментной плиты) станины (фрезерные, сверлильные, шлифовальные станки).
Станина должна обладать высокой жесткостью и виброустойчивостью, поэтому станина обычно имеет коробчатую форму с внут-
Рис. 4.4. Профили станин и стоек
ренними стенками, перегородками и ребрами жесткости. Для увеличения жесткости тяжелых двухстоечных станков (продольно-строгальных, токарно-карусельных и др.) их стойки соединяют перекладинами, образуя замкнутый контур несущей системы (портальные стенки).
Станины в большинстве случаев выполняют литыми из чугуна СЧ15 или СЧ20. Достоинством литых станин является их высокая виброустойчивость, так как чугун обладает способностью гасить колебания благодаря высокому коэффициенту внутреннего трения. Однако для снижения массы применяют также сварные станины из стали СтЗ или Ст4. Станины тяжелых станков иногда изготовляют из бетона или железобетона, что дает существенную экономию металла.
Наиболее ответственной частью станины являются направляющие. Обычно станина имеет пару направляющих, с которой сопрягается пара направляющих, принадлежащих подвижному исполнительному механизму (суппорту, столу, ползуну). На рис. 4.5 приведены примеры направляющих скольжения (I) и качения (II). Направляющие станины заштрихованы. Они могут быть охватываемыми и охватывающими. Охватываемые направляющие скольжения (/, /—4) имеют выпуклый профиль. Они просты в изготовлении, на них не задерживается стружка, но они плохо удерживают смазку, поэтому такие направляющие применяют при малых скоростях перемещения (например, при подаче суппорта токарного или стола фрезерного станка).
Рис. 4.5. Формы направляющих
Охватывающие направляющие скольжения с вогнутым профилем хорошо удерживают смазку, но требуют надежной защиты от попадания стружки и загрязнений. Их целесообразно применять при высоких скоростях перемещения в шлифовальных, продольно-строгальных и других станках.
По профилю направляющие делятся на прямоугольные 1, призматические (V-образные) 2, типа «ласточкин хвост» 3 и круглые 4. Суппорт токарного станка перемещается по комбинированным направляющим, одна из которых выполнена плоской, а другая призматической, чем обеспечивается правильное расположение резца относительно продольной оси заготовки. Регулирование зазоров в направляющих осуществляется с помощью клиньев, планок и т. п.
В средних и легких станках с ЧПУ, в координатно-расточных, шлифовальных, копировальных и других станках все большее распространение находят направляющие качения (11). Они обеспечивают малую силу сопротивления движению, отсутствие скачков при малых скоростях движения, высокую точность установочных перемещений и долговечность. В зависимости от тел качения направляющие качения могут быть шариковыми или роликовыми.
Для защиты направляющих от механических повреждений н от попадания на рабочую поверхность стружки, СОЖ и других загрязнений применяют защитные устройства, выполненные в виде стальных лент, продольных или телескопических щитков, гар-моникообразных мехов (гофр) и т. п.
В ряде случаев для повышения износостойкости направляющих их выполняют накладными: изготовляют из стали, закаливают и крепят винтами, приклеивают или приваривают к станине.
Столы, планшайбы и суппорты. Подвижные корпусные узлы предназначены либо для закрепления и рабочего перемещения обрабатываемой заготовки (столы фрезерных, строгальных, расточных, шлифовальных станков, планшайбы карусельных и зубо-фрезерных станков), либо для установки и рабочего перемещения режущего инструмента (суппорты токарных, строгальных и зубо-фрезерных станков, ползуны поперечно-строгальных, долбежных и зубошлифовальных станков). Все эти узлы имеют прямолиней-
Рис. 4.6. Расположение пазов на столах и планшайбах
ные или круговые направляющие, соответствующие направляющим неподвижных базовых деталей — станин, стоек или поперечин и выполненные в виде пар трения или качения. Как и станины, подвижные узлы должны обладать высокой жесткостью.
Столы и планшайбы станков имеют коробчатую форму. С целью повышения жесткости тело стола усиливают, как правило, продольными, поперечными или радиальными ребрами. Узел стола может быть простым (собственно стол, перемещающийся по направляющим станины) или состоять из нескольких корпусных деталей (салазок, поворотной части, собственно стола), перемещающихся относительно друг друга и образующих общий сложный узел.
Для закрепления заготовок или станочных приспособлений (например, машинных тисков) столы и планшайбы имеют плоскости с Т-образными пазами стандартного размера, в которые заводятся головки специальных болтов. Эти пазы могут быть направлены вдоль стола (рис. 4.6, а), по радиусу (рис. 4.6, б) или по окружности планшайбы, во взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 4.6, в). Нередко по контуру плоскости стола предусматривается канавка, служащая для сбора стружки и СОЖ (рис. 4.6, г).
Суппорты станков различаются разнообразием конструкций. При необходимости обеспечить перемещение инструмента в разных направлениях (продольное, поперечное, под углом) суппорт состоит из одних-трех салазок (кареток) и имеет поворотную Часть.
Для закрепления резцов суппорты токарных и строгальных станков оснащаются резцедержателями. На суппорте зубофрезерного станка червячная фреза устанавливается на оправке.
Подвижные корпусные узлы станков изготовляются из тех металлических материалов, что и станины.
Шпиндельные узлы. Шпиндельный узел является важнейшей частью станков с вращательным главным движением. Он включает в себя собственно шпиндель - стальной вал, часто пустотелый, с опорами и установленные на нем детали привода вращения и патрон или оправку для крепления обрабатываемой заготовки или режущего инструмента.
От шпиндельного узла в большой степени зависят точность обработки, производительность и надежность всего станка. Поэтому к нему предъявляется ряд требований: высокая точность вращения, определяемая радиальным и осевым биением переднего конца шпинделя; высокая жесткость и виброустойчивость на всех режимах резания; минимальные тепловыделения вследствие нагрева подшипников и минимальные температурные деформации, влияющие как на точность обработки, так и на работоспособное опор; долговечность; быстрое, точное и надежное закреплен заготовки или инструмента в шпинделе станка.
Шпиндель вращается на опорах качения или скольжения. В n^i стоящее время более 95% станков изготовляют со шпиндельными узлами на шариковых или роликовых подшипниках качения, имеющих при централизованном изготовлении меньшую стоимость и более простых в эксплуатации.
Способ сообщения шпинделю вращения зависит от частоты вращения, передаваемой мощности, требований к плавности вращения. Наиболее часто используются зубчатые передачи, простые, компактные и передающие большие крутящие моменты, однако из-за погрешностей шага, нарушающих плавность вращения шпинделя, их обычно не применяют в прецизионных станках (шлифовальных, координатно-расточных и др.), а также при высоких частотах вращения (более 35 с1). При применении ременной передачи размеры конструкции увеличиваются, однако при этом существенно повышается плавность вращения и уменьшаются динамические нагрузки в приводе станков с прерывистым характером процесса резания (например, фрезерных). Для привода скоростных шпинделей, например внутришлифовальных станков, применяются пневматические турбины или высокочастотные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, несущие шлифовальный круг (электрошпиндели).
Конструкция переднего конца шпинделя зависит от способа крепления заготовки или инструмента. Так как для их крепления применяют стандартные приспособления, то передние концы шпинделей для большинства типов станков стандартизованы (рис. 4.7). У токарных, токарно-револьверных, токарных многорезцовых станков для центрирования приспособлений имеется коническая часть, а крутящий момент передается торцовой шпонкой (а). При обработке деталей из прутка он пропускается через отверстие шпинделя. В станках фрезерной группы передний конец шпинделя предназначен для установки фрез с помощью конических хвостовиков или оправок. Их центрирование обеспечивается коническим отверстием, а передача крутящего момента — торцовыми шпонками (б). Так же выполнены концы шпинделей станков с ЧПУ. Сверлильные станки имеют шпиндель с коническим отверстием по системе Морзе (конусность около 1:20), что обеспечивает центрирование и самоторможение инструмента
Рис. 4.7. Основные типы концов шпинделей
(в). Для передачи крутящего момента имеет сквозной поперечный паз под лапку инструмента. Закрепление шлифовальных кругов на шпинделях станков шлифовальной группы (г) производится либо на наружной конической части шпинделя (для больших кругов), либо в отверстии (для малых кругов, которые предварительно устанавливают на оправке).
Для изготовления шпинделей применяют конструкционные стали 45, 50, 40Х с поверхностной закалкой до твердости 48— 56 HRC, а также целый ряд малолегированных низкоуглеродистых сталей с цементацией и закалкой.