Стойкость станка к действию вредных процессов

Вибростойкость (динамическое каче­ство) станка. Возникновение в станках быстропротекающих колебательных процессов (вибраций) отрицательно сказывается на точности и качестве поверхности обрабатываемых деталей, а также нередко уменьшает долго­вечность станка и снижает его техно­логические возможности. Поэтому по­вышение показателей динамического качества станков весьма актуально.

Явления вибраций станков сложны и разнообразны, и их изучению посвя­щен раздел 3.

Рассмотрим основные причины, вызы­вающие колебания в станках, и соот­ветственно виды колебательных про­цессов (рис. 62).

Вынужденные колебания происходят под [действием внешней периодиче­ской возмущающей силы, возникшей, например, из-за прерывистости процес­са резания (рис. 62,а), дисбаланса вращающихся деталей (ротора, элект­родвигателя, шпинделя с заготовкой) (рис. 62,6), ошибок в передачах, особенно в зубчатых, когда вход в зацепление каждого зуба сопровожда­ется ударом. Колебания могут пере­даваться также извне от других стан­ков или машин.

 

 

 

Рис. 62. Виды колебаний в станках

Интенсивность колебаний, вызван­ных возмущающей силой, зависит не только от ее величины, но и от сте­пени совпадения ее частоты с частотой собственных колебаний деталей станка, т. е. от явления резонанса. Посколь­ку каждый станок имеет большое чис­ло деталей, возможны более интен­сивные колебания тех или иных эле­ментов с разными частотами в зави­симости от их попадания в зону ре­зонанса.

Устранение причин, вызывающих ко­лебания, связано в первую очередь с уменьшением величин возмущаю­щих сил (балансировка деталей, по­вышение точности передач), а также с повышением жесткости станков.

Параметрические колебания возни­кают при наличии какого-либо пере­менного параметра, создающего эффект, аналогичный действию переменной силы. Обычно таким пара­метром является переменная жесткость детали или механизма. Например, на­личие шпоночной канавки на валу (рис. 62,0) или переменная жесткость подшипников качения (рис. 62,г) приве­дет к тому, что при вращении вала при постоянной внешней силе Р про­гибы вала будут периодически ме­няться. Колебания, возникающие из-за переменной жесткости, по своему ха­рактеру и методам борьбы с ними близки к вынужденным.

Автоколебания при резании являют­ся наиболее характерной формой коле­бательных процессов в станках. Авто­колебания (незатухающие, самопод­держивающиеся колебания) харак­теризуются тем, что силы, поддер­живающие колебания системы, возни­кают в самом процессе колебаний. Существует целый ряд теорий, объяс­няющих происхождение сил, поддержи­вающих автоколебательный процесс. Так, согласно так называемой теории координатной связи траектория движе­ния резца относительно заготовки имеет форму эллипса (рис. 62, д). На участ­ке движение резца ВпА сила реза­ния Р производит положительную работу, так как ее направление почти совпадает с направлением движения резца, а на пути АтВ — отрица­тельную работу. Так как на пути ВпА сила резания в среднем больше, чем на пути АтВ из-за большей глубины резания, то в течение одного полного цикла колебания эта сила совершит некоторую положительную работу, под­держивающую колебательный процесс. Эта работа характеризуется площадью диаграммы силы резания Р — пере­мещение резца ε (рис. 62, д). Если си­стема станка устойчива, то фазовый сдвиг между колебаниями, резца в ради­альном и тангенциальном направлениях таков, что движение вершины резца по эллипсу будет происходить в на­правлении обратном, показанному на рис. 62, д. В этом случае силы резания будут оказывать демпфирующее дейст­вие на колебания, и площадь эллип­са будет характеризовать величину рассеиваемой энергии.

Описанная роль изменения толщины среза в возбуждении автоколебаний дополняется эффектом запаздывания изменения силы резания при измене­нии толщины среза.

Автоколебания возникают обычно с частотой, близкой к частоте собст­венных колебаний деталей. Поэтому в станках наблюдаются высокочастот­ные колебания, соответствующие часто­те собственных колебаний резца (f = 2000/6000 Гц), колебания средней частоты, соответствующие ча­стоте собственных колебаний шпинделя (f = 200/300 Гц), и низкочастотные колебания суппортной группы (f = 80/150 Гц) или обрабатываемой де­тали.

Фрикционные автоколебания, причи­на которых заключается в перемен­ности сил трения в направляющих элементах, могут возникать при пере­мещении столов, суппортов и других элементов станка. Одной из причин возникновения фрикционных автоколе­баний является то, что сила трения покоя F₀ больше силы трения движе­ния F, и зависит от продолжитель­ности неподвижного контакта. Эти яв­ления способствуют возникновению ре­лаксационных (прерывистых) автоко­лебаний при медленных перемещениях элементов станка (рис. 62,е). При ма­лой равномерной скорости перемещения υ₀ ведущего звена 1 будет происхо­дить деформация передаточного меха-, низма (звена 2) и движение ведо­мого звена 3 начнется лишь тогда, когда будет преодолена сила со­противления F₀. Как только начнет­ся движение, сила трения резко умень­шится, так как F<F₀, и ведомое зве­но под действием потенциальной энер­гии сжатого звена 2 получит пере­мещение с переменной скоростью V и остановится. Далее циклы скачков будут, повторяться во времени t. В слу­чае смешанного трения возникновение фрикционных автоколебаний можно объяснить, если рассмотреть движение элемента станка, имеющего не менее двух степеней свободы. Для создания станков высокого динамического ка­чества необходимо рассмотреть дина­мическую систему всего станка и вы­явить основные факторы, влияющие на интенсивность колебательных про­цессов (см. раздел 3).

Теплостойкость станка. Тепловые де­формации станков являются наиболее характерным процессом средней ско­рости, который приводит к нарушению начального положения элементов стан­ка и понижает точность обработки. Так, например, наблюдения за поло­жением шпинделя токарного станка показали, что при работе станка в течение нескольких часов (3—7 ч) происходит постепенное смещение шпинделя из-за нагрева передней части шпиндельной бабки. Смещение доходит до 20—120 мкм и затем прекраща­ется, так как устанавливается опре­деленный теплообмен. После выклю­чения станка происходит постепенный возврат шпинделя в прежнее положе­ние.

Наибольшее влияние на точность обработки оказывают тепловые де­формации точных механизмов и корпусных деталей. Основными источ­никами тепловыделения в станках, приводящими к появлению неравно­мерных тепловых полей, являются процесс резания, трение в механизмах станка, гидросистемы, электротехни­ческие системы (особенно двигатели). Кроме того, необходимо учитывать влияние внешних источников тепла и колебания температуры окружающей среды.

Во времени t тепловые деформации δ протекают обычно по экспоненциаль­ному закону

(17)

где с, а — коэффициенты, завися­щие от конструкции и материала. С течением времени значение тепло­вых деформаций стабилизуется (тео­ретически при значение ), однако период их интенсивного прояв­ления занимает, как правило, несколь­ко часов. Результаты исследования теп­ловых деформаций вертикально-фре­зерного станка с ЧПУ показаны на рис. 63.

 

Рис. 63. Тепловые деформации и температурные поля вертикально-фрезерного станка

Неравномерный нагрев конст­рукции (на рис. 63,а показаны изотер­мы и значения избыточных температур стенок стойки и шпиндельной бабки станка) приводит к тепловым дефор­мациям., Шпиндель из-за термосимметричности конструкции изменяет свое положение в плоскости, что характе­ризуется смещениями ∆у и ∆г переднего конца шпинделя и поворотом его оси на угол ∆ а. В данном случае смещения являются результатом двух процессов, протекающих во времени с неодинаковой интенсивностью,— теп­ловых деформаций шпиндельной бабки и колонны станка, которая, может из­гибаться и вперед, и назад. Поэтому суммарная деформация ∆ (рис. 63,б) может подчиняться не только экспо­ненциальному закону (кривая 2), но иметь более сложную зависимость с наличием максимума (кривые 1,5), минимума (кривая 4), может возра­стать во времени t с различной ин­тенсивностью (кривая 3) и в ряде случаев возможно изменение направ­ления деформации (кривые 4, 5). Од­нако во всех случаях через 3—5 ч ра­боты станка происходит стабилизация его тепловых деформаций.

Следует иметь в виду, что тепло­вые деформации, как и другие про­цессы, изменяющие начальное состояние станка, проявляются как случай­ные функции (кривая 2).

Влияние тепловых деформаций стан­ков на точность обработки может быть снижено следующими основными спо­собами: уменьшением теплообразова­ния и увеличением Теплоотдачи; рас­положением источников тепла (напри­мер, гидростанций) вне станка; вырав­ниванием температурного поля станин и стоек искусственным подогревом более холодных стенок; введением температурных компенсаторов; созда­нием цехов с постоянной температурой (термоконстантных); созданием авто­матических систем с обратной связью, восстанавливающих координаты стан­ка за счет специального подогрева или охлаждения отдельных частей корпус­ных деталей.

Износостойкость станка.

Для стан­ков, как и для многих других машин, основным из медленно протекающих процессов, является изнашивание. Износ — это результат процесса посте­пенного изменения размеров детали по ее поверхности при трении.

При изнашивании двух сопряженных деталей на их поверхностях возникают сложные процессы, обусловленные мик­рорезанием, пластическим деформиро­ванием, усталостными явлениями, окислительными процессами, температурными влияниями и т. д. Кроме из­носа для поверхностей деталей станков характерны такие виды разрушения, как смятие, усталость поверхностных слоев. Износу подвергаются многие сопряжения станков — направляющие, ходовые винты, диски фрикционных муфт, шпиндельные опоры и др. Из­нос приводит к потере станком точ­ности, к росту динамических нагрузок, падению КПД, увеличению тепловы­деления и к другим явлениям, ухуд­шающим начальные показатели. Ос­новные методы борьбы с износом: применение износостойких материалов, смазки поверхностей, предотвращение загрязнения поверхностей, выбор ра­циональных конструктивных форм, со­пряжений, компенсация износа и др. (см. гл. 19). Смазка трущихся по­верхностей станков является одним из основных методов повышения их долговечности и увеличения КПД станка, а также уменьшения шума и вибра­ций.

Большинство сопряжений станков ра­ботает в условиях неполной смазки, когда между поверхностями возникает граничное трение (толщина слоя смазки порядка 0,1 мкм) или полужидкостное трение. В этом случае износ поверх­ностей значительно меньше, чем при отсутствии смазки, но полностью устра­нить износ нельзя, так как может воз­никать непосредственный контакт тру­щихся тел.

При расчете и конструировании станка необходимо обеспечить как его высокие начальные показатели: прочность, точность, жесткость, так и сопротивляемость вредным процес­сам, действующим на станок при его эксплуатации, т. е. высокие вибро-, тепло- и износостойкость. (Металлорежущие станки и автоматы:Учебник для машиностроительных втузов/ Под.ред..А.С. Проникова.- М.:Машиностроение,1981.-479с.,ил

⇐ Предыдущая45464748495051525354Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: