Конструкция станины: Виды, материалы и особенности
Промышленный станок - это оборудование, предназначенное для обработки заготовок из металла, камня, дерева, полимеров и других материалов. Для обработки металла используются следующие виды станков: токарные, фрезерные, сверлильные, резьбообрабатывающие и резьбонакатные, шлифовальные и заточные, гайконарезные, а также расточные станки, хонинговальные установки, зубообрабатывающие машины.
Станина служит для монтажа всех основных узлов станка. Она должна на протяжении длительного времени обеспечивать правильное взаимное положение механизмов станка при всех предусмотренных режимах работы. К станинам станков предъявляют требования прочности, малой металлоемкости, технологичности и достаточно низкой стоимости. Но важнейшим требованием, предъявляемым к станинам, является требование неизменности из формы.
Основные требования к станине
Основным требованием, предъявляемым к станине станка, является длительное обеспечение правильного взаимного положения узлов и частей, монтированных на ней, при всех предусмотренных режимах работы станка, что достигается неизменностью соответственно расположенных на станине базирующих поверхностей для основных узлов станка.
На станину работающего станка действуют силы резания, силы веса неподвижных и движущихся по станине деталей, вес заготовки и т. д., в некоторых станках - также силы инерции. Эти силы вызывают в материале станины напряжения и деформации, вид которых можно установить на основании анализа системы сил, действующих на станок в процессе резания.
Отсюда вытекает предъявляемое к станинам, наряду с требованиями прочности, технологичности, малой металлоемкости и достаточно низкой стоимости, важнейшее требование - неизменности формы станины.
Поэтому для увеличения жесткости в мощных станках стараются сохранить продольное горизонтальное ребро жесткости (обычно корытообразное) сплошным по всей длине станины. Чтобы облегчить удаление стружки, его делают наклонным или снабжают окнами.
Как упоминалось выше, станина должна быть достаточно жесткой. Рис. 2, а - открытые конструкции, б - замкнутые (рамные). Большое влияние на жесткость станины оказывают ребра, соединяющие ее стенки или прилитые к ним.
Виды станин
Станины бывают в зависимости от расположения оси станка горизонтальные и вертикальные (стойки). Станины подразделяют на горизонтальные и вертикальные.
Форма станины, т.е. ее конструкция, определяется многими факторами, в частности видом направляющих (горизонтальные, вертикальные, наклонные), необходимостью установки на ней соответствующих неподвижных и подвижных частей и узлов, различных по размерам и массе, размещением внутри станины узлов и механизмов, осуществляющих смазку и охлаждение отвод стружки и т.д.
Примеры конструкций станин
Горизонтальные станины
Основные типы сечений горизонтальных станин представлены на рис. 11. Все сечения, кроме показанных на рис. 11, д, применяют при необходимости отвода большого количества стружки и охлаждающей жидкости.
Станины с двойными стенками (рис. 11, б) в 1,3-1,4 раза жестче, чем станины с одинарными стенками (рис. 11, а). Внутренние полости между стенками часто делают замкнутыми и оставляют в них стержневую смесь. Замкнутый профиль имеет гораздо большую жесткость (особенно на кручение), чем разомкнутый, а сыпучий материал во внутренней полости повышает демпфирующие свойства станины.
Тяжелое оборудование (токарные, продольно-строгальные, расточные, портальные фрезерные станки) имеет сечение станин, аналогичное сечению на рис. 11, д. При отсутствии защитных устройств стружка отводится через наклонные люки в станине.
Основные типы сечений горизонтальных станин
Вертикальные станины
Форма сечений вертикальных станин (стоек) зависит от действующих на них сил. Стойки, испытывающие нагрузки в плоскости симметрии (например, вертикально-сверлильные станки), имеют профиль сечения, показанный на рис. 12, а, г.
Если же нагрузка пространственная (фрезерные, расточные и другие станки), то профиль сечения стоек делают близким к квадрату (рис. 12, б), что обеспечивает повышенную жесткость на кручение. Стойки станков имеют круглое сечение.
Увеличения жесткости стоек добиваются с помощью поперечных и продольных ребер. Во избежание коробления стенок расстояние между ребрами должно быть не более 400 мм. У большинства станков момент сил, действующих на стойку у основания, больше, чем момент сил, действующих сверху, поэтому стойки выполняют расширяющимися книзу хотя бы в одной плоскости.
Основные типы сечений вертикальных станин
Материалы изготовления
Основным материалом для изготовления литых станин является чугун. Сварные станины изготавливают из прокатной стали. Для изготовления тяжелых станин применяют железобетон. В настоящее время широко используется для изготовления станин полимерэпоксидные материалы, смешанные с кварцевым песком.
- Чугун: В большинстве случаев станины станков отливают из обыкновенного серого чугуна, хотя все большее применение получают и чугуны других типов. Чаще всего используют чугуны с пластинчатым графитом марок от СЧ 21-40 до СЧ 35-56, иногда СЧ 38-60 по ГОСТу 1412-54, в особо ответственных случаях - высокопрочные чугуны с шаровидным графитом (ВЧ) по ГОСТу 7293-54.
- Сталь: От всех этих недостатков свободны станины, выполненные сваркой из предварительно нарезанных кусков прокатной стали. Направляющие привариваются или прикрепляются болтами к станине, поэтому станина может быть изготовлена из дешевой строительной углеродистой стали, например, Ст. 3 или Ст.
- Железобетон: Некоторые применение для изготовления станин тяжелых станков получил (у нас и за рубежом) железобетон.
Сравнение материалов станин
Решая вопрос о предпочтительности чугунной или стальной станины для проектируемого станка, необходимо принимать в расчет всю совокупность технико-экономических показателей обоих вариантов. В отношении выброустойчивости сварные стальные станины обычно не уступают чугунным, несмотря на то, что чугун, как материал, обладает лучшей способностью демпфировать возникающие колебания, нежели сталь.
Для изготовления сварных станин станков можно пользоваться листовой сталью толщиной δ≥3 мм. При малой толщине стенок (δ<8 мм) необходимая жесткость станины может быть обеспечена достаточно большим количеством ребер и целесообразным размещением их.
Помимо перечисленных материалов, некоторое применение для изготовления станин получили также легированные чугуны и азотированный чугун.
Основные материалы для изготовления станин и их характеристики представлены в таблице:
| Материал | Преимущества | Недостатки | Применение |
|---|---|---|---|
| Серый чугун | Хорошая обрабатываемость, низкая цена, возможность изготовления отливок сложной формы | Ограниченная прочность по сравнению со сталью | Станины средних размеров и сложной формы |
| Сталь | Высокая прочность, меньший расход материала при равной жесткости | Более высокая стоимость, сложность изготовления отливок | Сварные станины, где важна прочность и малый вес |
| Железобетон | Высокая жесткость, демпфирующие свойства | Сложность изготовления, требования к оборудованию и материалам | Станины тяжелых станков |
Направляющие станины
Базовыми поверхностями станины являются ее направляющие, на которые устанавливаются детали и узлы станка, а также поверхность для установки передней бабки. Направляющие предназначены для продольного и поперечного перемещения подвижных узлов станка и бывают 2 типов: направляющие скольжения и качения.
- Направляющие скольжения: как правило, изготавливаются как одно целое со станиной и имеют непосредственный контакт между сопрягаемыми поверхностями.
- Направляющие качения: имеют в своей конструкции шарики либо ролики, по средствам которых осуществляется передача нагрузки. Они имеют низкий коэффициент трения, равномерность и плавность движения, высокую скорость перемещения.
Направляющие качения
Направляющие являются наиболее ответственной частью станины и служат для обеспечения прямолинейного или кругового перемещения инструмента либо обрабатываемой заготовки и связанных с ними узлов станка.
Точность установки шпиндельной бабки обеспечивается благодаря поверхности на станине, предназначенной для её монтажа.
В основании станины имеются места для установки нивелировочных болтов. Материал станины должен быть термически обработан, при этом исключаются внутренние напряжения, вызывающие изменение ее формы. Станина должна быть виброустойчива.