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.

Рассмотрим основные причины, вызывающие колебания в станках, и соответственно виды колебательных про­цессов (рис. 8).

Вынужденные колебания происходят под действием внешней периодической возмущающей силы, возникшей, например, из-за прерывистости процесса резания (рис 8, а), дисбаланса вращающихся деталей (ротора, электродвигателя, шпинделя с заготовкой) (рис. 8, б), 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. 8 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. 8, в) или переменная жесткость подшипников качения (рис. 8, 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. 8, 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. 8, 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. 8, 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. 8,е). При малой равномерной скорости перемещения υ₀ ведущего звена 1 будет происходить деформация передаточного механизма (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.

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

(29)

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. 9.

Рис. 9. Тепловые деформации и температурные поля вертикально-фрезерного станка

Неравномерный нагрев конструкции (на рис. 9, 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. 9, 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. 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.