Металлорежущие станки — виды, принцип работы, устройство станков

1. Классификация металлорежущих станков

Металлорежущий станок – машина для обработки резанием металлических и др. материалов, полуфабрикатов или заготовок с целью получения из них изделий путём снятия стружки металлорежущим инструментом.

Все металлорежущие станки классифицируются по определенным признакам, зависящим от рода технологического процесса, режущего инструмента, компоновки станка.

Металлорежущие станки подразделяются на 9 групп (рисунок 1).

Рисунок 1 – Классификация станков по методу обработки

Каждая группа станков делится на типы. Так например, токарные станки бывают специализированные, одношпиндельные, многошпиндельные, револьверные, лобовые, многорезцовые, карусельные и т.д.

Станки одного и того же типа могут отличаться компоновкой (например, фрезерные универсальные, горизонтальные, вертикальные), кинематикой, т.е. совокупностью звеньев, передающих движение, конструкцией, системой управления, размерами и точностью обработки (рисунок 2).

Рисунок 2 – Основные виды фрезерных станков

При этом, например, если рассматривать операцию зубофрезерную, то для этой операции можно выбрать станки 5-й группы, но это будет зубофрезерный станок, а фрезерные станки расположены в 6-й группе. То есть четкого разграничения между группами нет, тем более появляются новые станки, реализирующие ранее неиспользуемые методы обработки.

Согласно стандартов, оборудование имеет основные размеры, характерные для станков каждого типа. Так, например, для токарных и круглошлифовальных станков это наибольший диаметр обрабатываемой заготовки (рисунок 3), для фрезерных станков — длина и ширина стола, на который устанавливаются заготовки или приспособления, для поперечно- строгальных станков — наибольший ход ползуна с резцом.

Рисунок 3 – Наибольший диаметр заготовки для токарных станков

Группа однотипных станков, имеющих сходную компоновку, кинематику и конструкцию, но разные основные размеры, составляет размерный ряд. Так, по стандарту, для зубофрезерных станков общего назначения предусмотрено 12 типоразмеров с диаметром устанавливаемого изделия от 80 мм до 12,5 м.

Конструкция станка каждого типоразмера, спроектированная для заданных условий обработки, называется моделью. Каждой модели присваивается свой шифр — номер, состоящий из нескольких цифр и букв. На рисунке 4 показан пример обозначения токарного станка с ЧПУ (числовое программное управление).

Рисунок 4 – Обозначение токарного станка с ЧПУ

Первая цифра означает группу станка, вторая – его тип, третья цифра или третья и четвертая цифры отражают основной размер станка. Например, модель 16К20Ф3 означает: токарно-винторезный станок с наибольшим диаметром обрабатываемой заготовки 400 мм. Буква между второй и третьей цифрами означает определенную модернизацию основной базовой модели станка.

Выделяют станки-автоматы и полуавтоматы. Автоматом называют станок, в котором после наладки все движения, необходимые для выполнения цикла обработки, в том числе загрузка заготовок и выгрузка готовых деталей, осуществляется автоматически, т.е. выполняется механизмами станка без участия оператора.

Цикл работы полуавтомата выполняется также автоматически, за исключением загрузки-выгрузки, которые производит оператор, он же осуществляет пуск полуавтомата после загрузки каждой заготовки.

С целью комплексной автоматизации для крупносерийного и массового производства создают автоматические линии и комплексы, объединяющие различные автоматы, а для мелкосерийного производства – гибкие производственные модули (ГПМ). Пример ГПМ приведен на рисунке 5.

Автоматизация мелкосерийного производства деталей достигается созданием станков с программным управлением (цикловым), в обозначение моделей вводится буква Ц (или числовым буква Ф).

Цифра после буквы Ф обозначает особенность системы управления:

• Ф1 – станок с цифровой индикацией (с показом чисел, отражающих, например, положение подвижного органа станка) и предварительным набором координат;
• Ф2 – станок с позиционной или прямоугольной системой; Ф3 – станок с контурной системой;
• Ф4 – станок с универсальной системой для позиционной и контурной обработки, например, модель 1Б732Ф3 – токарный станок с контурной системой ЧПУ.

Станки с ЧПУ постепенно вытесняют другие установки, благодаря высокой точности обработки, повышенной производительности и соответственно сравнительно быстрой окупаемости.

Рисунок 5 – Пример гибкого производственного модуля

Кроме того, металлорежущие станки делятся по степени универсальности, по степени автоматизации и классу точности. Классификация станков представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Классификация станков

2. Основные узлы и механизмы металлорежущих станков

Рассмотрим основные узлы и механизмы металлорежущих станков на примере токарного станка. Общий вид токарного станка показан на рисунке 7.

Рисунок 7 – Общий вид станка

Основные узлы станка показаны на рисунке 8.

Рисунок 8 – Основные узлы станка

Станина станка чаще всего изготавливается из чугуна, является основой для навесного оборудования, показана на рисунке 9.

Рисунок 9 – Станина станка

Требуемое взаимное расположение узлов станка и возможность относительного перемещения инструмента и заготовки обеспечивают направляющие (рисунок 10).

Рисунок 10 – Регулировочные элементы с продольным (а) и поперечным (б) клином, с поджимной (в) и накладной пригоняемой (г) планкой

По назначению и конструктивному исполнению направляющие можно классифицировать по следующим признакам:

• по виду движения: направляющие главного движения (например, стол-станина продольно-строгального станка); направляющие движения подачи; направляющие перестановки сопряжённых и вспомогательных деталей и узлов, неподвижных в процессе обработки;
• по траектории движения: направляющие прямолинейного и кругового движения;
• по направлению траектории перемещения узла в пространстве: горизонтальные, вертикальные и наклонные;
• по геометрической форме: призматические, плоские, цилиндрические, конические (только для кругового движения) и их сочетания.

Наибольшее распространение в станках получили направляющие скольжения и качения. Направляющие скольжения (рисунок 11) обычно изготовляют из серого чугуна. Чугун используется в тех случаях, когда направляющие выполняются как одно целое со станиной или подвижным узлом.

Рисунок 11 – Основные формы поперечных сечений направляющих скольжения: а – плоская; б – призматическая; в – в форме ласточкина хвоста; г – цилиндрическая

По виду трения скольжения различают следующие направляющие:

• гидростатические – направляющие главного движения и подачи; в этих направляющих смазочный слой создаётся подачей масла под высоким давлением в специальные карманы необходимых размеров;
• со смешанной смазкой – большинство направляющих движения подачи;
• с граничной смазкой – направляющие подачи, работающие при очень малых скоростях скольжения;
• с воздушной смазкой – аэростатические.

В станках широко применяют направляющие качения с использованием в них шариков и роликов как промежуточных тел качения. Достоинством направляющих качения является малое трение, независящее от скорости движения. Направляющие качения обеспечивают высокую точность перемещений, равномерность медленных движений, они более долговечны, чем направляющие скольжения. Подобно направляющим скольжения направляющие качения могут быть замкнутыми и незамкнутыми.

Передняя бабка, чаще всего называется шпиндельная бабка (рисунок 12), так как основным узлом ее является шпиндель (рисунок 13). В шпинделе фиксируются патроны, различные оправки в которые устанавливаются и закрепляются обрабатываемые детали. Кроме того, здесь же расположены коробка скоростей, шкив и подшипники.

Рисунок 12 – Передняя бабка

Шпиндель – это вал металлорежущего станка передающий вращение закреплённому в нём инструменту или обрабатываемой заготовке.

Конструктивная форма шпинделя зависит от способа крепления на нём зажимных приспособления или инструмента, посадок элементов привода и типов применяемых опор. Шпиндели изготавливают пустотелыми для прохода прутка, а так же для уменьшения его массы.

В качестве опор шпинделей станков применяют подшипники качения и скольжения. Так как от шпинделей требуется высокая точность, то подшипники качения должны быть высоких классов точности. В передней опоре применяют более точные подшипники, чем в задней. Шпиндели и подшипники должны быть надежно защищены от загрязнения и высекания смазочного материала, с этой целью используют различные уплотнения.

Рисунок 13 – Шпиндель

Задняя бабка состоит из нижней плиты и держателя пиноли. В заднюю бабку может устанавливаться инструмент или приспособление (рисунок 14). Чаще всего заднюю бабку используют при обработке длинных деталей, поджимая конусом торец детали. Направляющие, по которым перемещается задняя бабка должны быть чистыми и смазанными.

Рисунок 14 – Задняя бабка

Суппорт – узел станка, в который устанавливается режущий инструмент и который позволяет перемещать его в продольном, поперечном и наклонном направлении. Каретка обеспечивает продольное движение по салазкам, верхняя часть суппорта обеспечивает поперечное движение. В верхней части суппорта устанавливаются резцедержатели (рисунок 15).

Рисунок 15 – Суппорт станка

Фартук. Для обеспечения продольного и поперечного движения суппорта разработаны передачи, расположенные в фартуке (рисунок 16). С помощью этих передач осуществляется преобразование вращательного движения ходового винта в поступательное движение суппорта.

Рисунок 16 – Фартук станка: 1 – маховик ручной подачи, 2 – ходовой валик, 3 – кнопка включения механической подачи от ходового валика, 4 – зубчатое колесо, 5 – реечная шестерня, 6 – зубчатое колесо, 7 – зубчатая рейка, 8 – зубчатое колесо, 9 – червяк, 10 – разьемная гайка, 11 – ходовой винт, 12 – рукоятка включения механической подачи от ходового винта при нарезании резьбы, 13 – рукоятка включения механической подачи

Все узлы и механизмы оборудования должны содержаться в исправном состоянии, то есть все трущиеся детали должны быть чистыми и смазаны соотвествующей смазкой. Это задача службы эксплуатации оборудования, но и обслуживающий персонал также должен следить за состоянием оборудования, например следить за своевременной заменой фильтров, смазочно-охлаждающей жидкости, и даже в зависимости от наработанных моточасов следить за своемременной заменой масла в гидросистеме станка.

3. Принципы работы оборудования

Для изменения частоты вращения от ведущего звена к ведомому применяют ременные, зубчатые и червячные передачи. Отношение частоты вращения ведомого n_вд к частоте вращения ведущего n_вщ звена называется передаточным отношением.

Цепная передача, как и ременная, применяется для передачи вращения между валами, удаленными друг от друга. Эти передачи используются в металлорежущих станках и транспортерах (рисунок 17).

Рисунок 17 – Общий вид ременной и цепной передачи: а) ременная; б) цепная

Зубчатая передача – механизм, который с помощью зубчатого зацепления передает и преобразует движение (без проскальзывания) с изменением угловых скоростей и моментов (рисунок 18).

Рисунок 18 – Зубчатая передача

Червячная передача состоит из червяка и червячного колеса (рисунок 19). Передаточные отношения червячной передачи рассчитываются по формуле:

(1)

где Z_ч – число заходов червяка; Z_ч.к – число зубьев червячного колеса.

Рисунок 19 – Червячная передача

Преимуществами червячной передачи являются компактность, бесшумность, плавность хода, возможность большого редуцирования, к недостаткам передач относится малый КПД (коэффициент полезного действия).

Передачи поступательного движения.

Эти передачи служат для преобразования вращательного движения в прямолинейное поступательное движение рабочего органа. В станках применяют реечные передачи, винтовые пары (скольжения и качения), кулисные, кулачковые механизмы и др.

Реечная передача служит для преобразования вращательного движения реечного колеса в поступательное перемещение рейки и наоборот. Реечная передача может быть выполнена с прямозубым и косозубым зацеплением колеса с рейкой.

Реечные передачи используют в металлорежущих станках, например, в токарных, для осуществления движения продольной подачи суппорта с резцом относительно обрабатываемой заготовки (рисунок 20).

Рисунок 20 – Реечная передача в станке

Винтовая передача применяется в тех случаях, когда нужно получить движение с малыми скоростями. Вращение сообщается винту, гайка и связанные с нею стол или салазки перемещаются прямолинейно- поступательно (рисунок 21).

Рисунок 21 – Винтовая передача

Кривошипно-кулисные механизмы (сокращённо – кулисные механизмы) с возвращающейся кулисой применяются в долбёжных станках, а с касающейся кулисой – в поперечно-строгальных станках. Кулисные механизмы обеспечивают большую скорость при обратном холостом ходе и плавность движения.

Перемещения исполнительных механизмов оборудования показываются в кинематических схемах. Рассмотрим кинематическую схему токарного станка 1К62, которая показана на рисунке 22.

Рисунок 22 – Кинематическая схема станка

Кинематическая цепь привода главного движения.

Эта цепь обеспечивает передачу вращения от электродвигателя M1 шпинделю VI с возможностью включения разных частот его вращения. Шпиндель станка может иметь правое и левое направление вращения. При правом направлении вращения шпинделя муфта МФ1 будет включена влево.

Передняя бабка условно разделена на несколько частей (см. кинематическую схему, рисунок 22):

1. Фрикционный (входной) вал – фрикционный вал состоит из: двойной фрикционной муфты МФ1 с неподвижным двойным блоком (z=51, z=56), шестерни (z=50) и неподвижного блока реверса (z=24, z=36);
2. Коробка скоростей – вал II с подвижным двойным блоком (Б1), вал III с подвижным тройным блоком (Б2);
3. Перебор – вал IV с подвижными двойными блоками (Б3, Б4, Б5);
4. Узел тормоза – ленточный тормоз на валу III;
5. Шпиндель – с подвижным двойным блоком (Б5) включающем перебор и шестерней z=60 для передачи вращения на привод подач;
6. Узел привода подач:
   • Звено увеличения шага резьбы – блок Б6, обеспечивает увеличение выходной скорости по отношению к скорости шпинделя;
   • Механизм реверса 2-х скоростной – блок Б7 служит для изменения направления движения суппорта.

Привод подач включает в себя следующие цепи и узлы (рисунок 23):

1. Звено увеличения шага резьбы – двойной блок Б6 в шпиндельной бабке, обеспечивает увеличение выходной частоты вращения по отношению к частоте вращения шпинделя в соотношении: 1:2, 1:8, 1:32;
2. Механизм реверса 2-х скоростной – тройной блок Б7 в шпиндельной бабке, служит для изменение направления движения суппорта при одном и том же направлении вращении шпинделя. Осуществляется подкючением промежуточной шестерни – трензеля;
3. Гитара сменных колес – включает сменные шестерни K, L, M, N. Служит для сравнительно редкой перенастройки чисел оборотов;
4. Коробка подач – коробка подач получает движение от шпиндельной бабки через гитару и задаёт различные скорости вращения ходового вала и ходового винта;
5. Механизм подач фартука – преобразует вращение ходового вала или ходового винта в поступательное движение суппорта продольное или поперечное.

Рисунок 23 – Привод подач станка

Продольное перемещение суппорта осуществляется следующим образом (рисунок 24):

• от шпинделя через передачу 60/60, далее через реверс с колесами 42/42 или 28/56 либо 35/28×28/35 и через гитару сменных колес 42/95×95/50 вращается вал IX коробки подач;
• подключив муфту, колесо МФ2 начинает вращать конус шестерен 26, 28, 32, 36, 40, 44, 48 и от него накидное колесо 36;
• далее через передачу и включенную муфту МФ3 вращается двойной блок z=18 – z=28, осуществляющий отношения 18/45 и 28/35, затем через двойной блок 15/48 и 35/28 и через передачу 28/56 вращается ходовой вал, по которому вместе с фартуком перемещается колесо z=27;
• далее движение передается через передаточные отношения колес фартука 27/20×20/28×4/20×40/37×14/66 на реечное колесо z=10 (модуль зацепления m=3 мм). Колесо 10, находясь в зацеплении с рейкой, прикрепленной к станине, катится по ней и перемещает фартук с суппортом;
• включением муфт МФ8 или МФ9 колесо z=14 вращается вправо или влево, меняя направление движения суппорта.

Рисунок 24 – Перемещения суппорта: 1 – рукоятка перемещения поперечных салазок; 2 – каретка продольного перемещения; 3 – винт механизма продольного перемещения; 4 – каретка поперечного перемещения; 5 – фиксирующий винт верхней каретки; 6 – верхняя каретка; 7 – резцедержатель; 8 – рукоятка резцедержателя; 9 – винтовой механизм верхней каретки; 10 – рукоятка перемещения верхней каретки

Общее уравнение кинематической цепи продольных подач определяется исходя из расчетного периода одного оборота шпинделя.

До червячной передачи фартука кинематическая цепь не отличается от предыдущей цепи. Далее через колеса 40/37 или 40/45×45/37 включением муфт МФ10 или МФ11 и через передачи 40/61×61/20 вращается винт поперечной подачи суппорта. Шаг резьбы винта 5 мм, резьба левая. Уравнение кинематической цепи аналогичное, как и для продольных подач.

Величины подач в 2 раза меньше соответствующих величин продольных и составляют от 0,035 до 2,08 мм/об.

Ручное продольное перемещение суппорта. Маховиком на валу XIX через передачу вращается реечное колесо z=10. За один оборот маховика суппорт переместится на заданную величину.

Шпиндель установлен на двух опорах качения (рисунок 25). Передняя опора представляет собой регулируемый двухрядный роликовый подшипник с внутренним коническим кольцом. Подшипник регулируют затягиванием гайки (стопора), которая нажимает на внутреннее кольцо подшипника. Кольцо при этом надвигается на коническую шейку шпинделя и разжимается; таким образом уменьшается зазор между кольцами и роликами, образовавшийся в результате износа. Задняя опора шпинделя состоит из двух радиально-упорных подшипников, которые регулируют только при текущем осмотре станка.

Рисунок 25 – Крепление шпинделя

В конструкции токарного станка 1К62 для установки шпинделя предусмотрены специальные подшипники, благодаря чему обеспечиваются требуемая жесткость и высокая точность обработки заготовок. По ГОСТу 8 токарный станок 1К62 относится к классу точности П.

Передний конец шпинделя выполнен по ГОСТ 12593 (Концы шпинделей фланцевые под поворотную шайбу и фланцы зажимных устройств) (DIN 55027, ИСО 702-3) под поворотную шайбу, с центрирующим коротким конусом 1:4 (7°7′30″).

Конструкция задней бабки токарного станка позволяет осуществлять поперечное ее смещение, благодаря чему на станке может осуществляться обработка пологих конусов (рисунок 26). Есть возможность соединения задней бабки с нижней частью суппорта с помощью специального замка, что иногда требуется при сверлении задней балкой и использовании механического перемещения балки от суппорта.

Рисунок 26 – Обработка конусов с помощью смещения задней бабки Продольное перемещение каретки станка 1К62Б может быть

ограничено специальным упором, устанавливаемым на передней полке станины. Таким образом, при установленном упоре, скорость движения суппорта не может превышать 250 мм/мин.

4. Требования к оборудованию и критерии их качества

Надёжность является одной из основных характеристик качества металлорежущих станков и станочных систем, так же, как и многих других машин и технических устройств.

Надёжность характеризует свойство данного изделия сохранять требуемые показатели качества в течение всего периода эксплуатации.

Для оборудования особое значение имеет обеспечение его технологической надёжности, которая непосредственно связана с качеством в первую очередь с точностью, выпускаемой продукции. Поэтому надёжность станков следует рассматривать как надёжность машины, когда оцениваются все виды отказов, и как надёжность компонента технологической системы, когда учитываются лишь те отказы, которые связаны с качеством выпускаемой продукции.

Основными источниками отказов станка и станочных комплексов являются собственно станок (его механика и гидросистемы), электрические – электронные системы и система управления ЧПУ. Для механических узлов по сравнению с электротехническими и электронными устройствами характерно меньшее число отказов, но большая продолжительность устранения их последствий.

Период эксплуатации станка связан в основном с экономическими факторами, которые обусловливают предельное состояние объекта. Эксплуатация включает работу объекта (основной период), а также периоды простоев транспортирования, хранения, ремонта и технического обслуживания, переналадки, монтажа.

Предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно.

Продолжительность эксплуатации станков связана как с их моральным (появление более эффективных моделей), так и с физическим (возрастание затрат на их эксплуатацию и ремонт) изнашиванием. Для современных станков средних размеров это обычно 8…10 лет эксплуатации и для более сложных и тяжёлых станков 15…20 лет и выше. Конкретный срок службы до снятия с эксплуатации для каждого станка устанавливают на основании экономических расчётов.

Критерии работоспособности являются условиями, которые должны соблюдаться при конструировании и эксплуатации, чтобы детали, узлы и станок в целом выполняли своё назначение.

К таким критериям относится:

• начальная точность;
• жёсткость;
• виброустойчивость;
• прочность;
• износостойкость;
• теплостойкость.

На рисунке 27 даны определения данных критериев.

Рисунок 27 – Определения критериев качества оборудования

Начальная точность зависит от правильного назначения допусков в чертежах и соблюдения их в процессе изготовления.

Начальная точность станка в целом характеризуется исходными геометрическими и кинематическими погрешностями.

Жёсткость является способностью системы сопротивляться упругому деформированию (изменению размеров) под действием нагрузки.

Жёсткость зависит от:

• размеров деталей;
• их формы;
• расположения опор и т.д.

Однако больше всего снижают жёсткость контактные деформации, возникающие в станках, то есть в поверхностных слоях соприкасающихся деталей.

Виброустойчивость – свойство станка противодействовать возникновению или усилению колебаний (вибраций). Колебания могут передаваться на станок из вне или возникать непосредственно в станке.

В станке источниками колебаний могут быть:

• процесс резания;
• неуравновешенность быстро вращающихся деталей;
• тихоходные соединения со скольжением и т.д.;
• электрические двигатели.

Прочность – способность деталей сопротивляться их разрушению (поломкам), а также возникновению остаточных деформаций под действием сил. Прочность зависит от:

• материала детали;
• термообработки;
• характера нагрузки (постоянная или циклическая).

Обычно рассматривают две категории прочности:

• статическую;
• динамическую.

На статическую прочность рассчитывают детали, находящиеся под действием постоянных или медленно меняющихся нагрузок, например, болты, шпонки, кронштейны, медленно вращающиеся валы и зубчатые колеса и т.п.

Рассмотрим более подробно основные требования к оборудованию (рисунок 28).

Рисунок 28 – Требования к машинам и критерий их качества

Технологичность – изготовление изделия при минимальных затратах труда, времени и средств при полном соответствии своему назначению. Технологичность деталей обеспечивается: формой их простейших поверхностей (цилиндрической, конической и др.), удобной для обработки механическими и физическими методами; применением материалов, пригодных для безотходной обработки (давлением, литьём, сваркой и т.п.), и ресурсосберегающей технологии; стандартной системой допусков и посадок и другими средствами, и методами.

Экономичность – минимальная стоимость производства и эксплуатации. Экономичность деталей и узлов достигается оптимизацией их формы и размеров из условия минимума материалоёмкости, энергоёмкости и трудоёмкости производства, за счёт максимального коэффициента полезного действия в эксплуатации при высокой надёжности; высокой специализацией производства и т.д. При оценке экономичности учитывают затраты на проектирование, изготовление, эксплуатацию и ремонт.

Работоспособность – состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции. Работоспособность деталей и машин определяется как свойство выполнять свои функции с заданными показателями.

Надёжность – свойство объекта сохранять во времени способность к выполнению заданных функций (ГОСТ 002).

Производительность – объём работы (продукции, информации), выполняемой в единицу времени.

Мощность – скорость преобразования энергии.

Коэффициент полезного действия – доля дошедшей до потребителя энергии (мощности).

Габариты – предельные размеры.

Материалоёмкость – количество конструкционного материала машины, обычно отнесённого к единице мощности.

Энергоёмкость – расход топлива или электричества отнесённый к объёму работы (пройдённому расстоянию, произведённой продукции).

Точность – способность максимально соответствовать заданному положению (скорости и т.п.).

Плавность хода – минимальные ускорения при работе машины. Условия нормальной работы деталей и машин. Успешная работа деталей и машин заключается в обеспечении работоспособности и надёжности.