Werkzeugmaschinen von Klaus-Jörg Conrad (Hrsg.) 2. Auflage (2006) / Металлообрабатывающие станки под ред. Клауса-Йорга Конрада, 2-е издание (2006): 9 Grundlagen

9 Основы
Проф., д.т.н. Йоахим Шмид
9.1. Определение и классификация металлообрабатывающих станков
Данное О. Кинцлем определение понятия "металлообрабатывающий станок" по выразительности и точности высказывания по сей день остается непревзойденным:
Металлообрабатывающий станок - это рабочая машина, которая оказывает воздействие инструментом на заготовку, обеспечивая их взаимосвязанное движение.

hothat 06.03.14 в 16:01

Это определение
- независимо от типа технологии и конструкции станка
- определяет область применения в качестве производства механических компонентов
- предлагает четкое разграничение станков от технического оснащения, которое хотя и применимо для изменения состояния заготовки, но относится к другой области (н-р, автоматические манипуляторы, закалочные устройства, машины для ненаправленной зачистки деталей)
- указывает на существенные, определяющие качество обработки функциональные узлы системы "металлообрабатывающий станок"

hothat 06.03.14 в 16:15

Тем не менее, по причине многослойности технологий и их долгого исторического развития, существуют пограничные случаи и исключения, для которых данное определение не подходит в полной мере.
Обычно металлообрабатывающие станки делят по следующим признакам:
- по технологическим процессам в соответствии с классификацией технологий по DIN 8580 (1), рис. 9.1.
- широта/спектр применения (универсальные станки, многоцелевые станки, специальные станки)
- по области применения (станки для штучного применения, малосерийное производство, массовое производство)
- по характерным технологическим признакам (к примеру, кузнечно-прессовая машина с фиксированным ходом, усилием или энергией прессования)
- положение главного шпинделя (горизонтальное, вертикальное. навесной?накладной? шпиндель)

hothat 13.03.14 в 16:22

Рис. 9.1. Классификация металлообрабатывающих станков по типу технологии
металлорежущие станки
электроэрозионные станки
травильные установки

hothat 13.03.14 в 16:43

станки для пластического формообразования
кузнечно-прессовое оборудование
- молоты
- прессы
- гибочные машины
- волочильные станы

hothat 13.03.14 в 16:48

отрезное оборудование??
отрезные? станки
режущие? машины:
- ножницы/гильотины
- штамповочные станки
отрезные?? станки
- станки для лазерной резки
- станки для газовой резки
отрезные?? металлообрабатывающие станки

Станки с геометрически определенными режущими кромками:
- токарные станки
- фрезерные станки
- (ленточно-, кругло-)пильные станки??
- протяжные станки

hothat 13.03.14 в 17:06

Станки с геометрически неопределенными режущими кромками:
-шлифовальный станок
-хонинговальный станок
-доводочный станок
Конструкция станка( например, фронтовые токарные станки, токарные станки с косой станиной и т.д.)
Техника управления(ручная, традиционная, управление с ЧПУ)
Степень автоматизации (рис. 9.2)
Интеграция в технологический процесс(отдельный станок, станочная линия, автоматическая станочная линия)

Nataly 01.04.14 в 13:05

Привод для движения резки и движения подачи = станок
Автоматическая последовательность основных движений, движений подачи и поперечной подачи = автомат
Свободно программируемые движения = станки с ЧПУ
Склад инструментов(накопитель режущих инструментов) и автоматическая смена инструмента = центр
Накопитель заготовок и автоматическая смена заготовки = секция
Автоматическое связывание нескольких компонентов = система
Рис 9.2. Классификация металлообрабатывающих станков по степени автоматизации( по Хиршу 2)

Nataly 01.04.14 в 13:21

Эти классификации не всегда взаимно согласованы и могут противоречить друг другу.Так, например, кривошипный пресс применяется как для пластического формообразования так и для штамповки, в то время как граница между режущими и обрабатывающими станками размыты.Не в последнюю очередь по этой причине опять отказались от списка правил по способу обработки при классификации металлообрабатывающих станков(3).

Nataly 01.04.14 в 13:41

9.2 Требования.
Задачей металлообрабатывающего станка является производство готовых к эксплуатации деталей (то есть соблюдение всех спецификаций) по возможности с незначительными затратами. Следовательно, в конечном счете, решающим критерием при оценке станка являются общие расходы, необходимые для изготовления одной детали, готовой к применению. Это означает, что могут оправдаться более высокие затраты на приобретение для станка или оборудования, если они приведут к увеличению продуктивности, снижению расходов или увеличению надежности процесса и в конечном счете к уменьшению издержек в расчёте на единицу продукции. Однако, наряду с чисто техническими критериями взаимодействие с другими факторами производства или организацией производства может также иметь решающее значение.

Nataly 01.04.14 в 14:16

Требования, предъявляемые к станкам, можно в общих чертах разделить на следующие группы:
Экономичность (Производительность, Доступность, Расходы на приобретение и Издержки производства)
Результат работы (Точность, Надежность процесса, Нанесение вреда деталью)
Безопасность труда
Удобство обслуживания(Эргономика, Документация, Информация)
Гибкость
Способность интеграции
Качество, удовлетворяющее экологическим требованиям (Выброс вредных веществ, Эксплуатационные материалы)
Здесь также границы расплывчаты, в частности, экономические аспекты играют также значительную роль во многих отличительных признаках других групп.

Nataly 02.04.14 в 12:46

9.3 Характеристика точности
При выборе станка с указанной точностью необходимо руководствоваться производственным заданием, причем эта точность должна быть гарантирована в течение всего срока службы.
Для детали, которая должна быть изготовлена с заданной точностью производства, необходим в грубом приближении станок, рабочая точность которого лучше на коэффициент 10, чем затребованная точность изготовления.
При спецификации требований точности нужно различать 4 уровня:
1. геометрическая точность механической системы
2. стационарная точность совокупной системы
3. динамичная точность двигающейся части станка
4. Точность готовой детали

Nataly 02.04.14 в 13:10

Геометрическая точность определяется механическими качествами станины: направляющие и элементы привода. Различают здесь между кинематической точностью (например
Процесс:
Геометрия детали
Поверхность детали
Материал
Материал режущего инструмента
Геометрия режущей кромки
Жесткость инструмента
Амортизация инструмента
Состояние инструмента
Дисбаланс
Данные механической обработки
Распределение резки
Главный привод:
Цикл
Амортизация
Дисбаланс
Регулировочная характеристика
Зажим(закрепление)
Жесткость
Дополнительная опора
Амортизация
Силовая передача(трансмиссия)
Люфт
Дисбаланс

Nataly 02.04.14 в 13:31

Станок:
Геометрическая точность
Зазор в подшипнике и зазор в направляющих
Жесткость
Амортизация
Приводной механизм подачи
Управление

Nataly 03.04.14 в 12:36

Рис. 9.3: Влияние на рабочую точность станков.
Прямизна, параллельность, погрешность шага) - измерено без нагрузки и статической жесткости (гл. 9.4.1). Ее можно определить у выключенного станка с помощью обычных цеховых измерительных инструментов. Уже давно геометрический демонтаж(приемка) станков систематизирован и стандартизирован [4]. На стационарную общую точность влияют также приводы и управления. При этом рассматривается только достигнутая конечная позиция после остановки всех осей. Общепринятые параметры представлены на рис. 9.4. Измерение происходит, как правило, с помощью оптоэлектронных измерительных инструментов. Для определения динамической точности характеристики станка рассматриваются в работе. При этом необходимо различать динамическую жесткость (гл. 9.4.2), с одной стороны, и динамическое отклонение от траектории, с другой стороны (рис. 9.5).

Nataly 03.04.14 в 13:13

Точность позиционирования
Максимальное отклонение позиции Ist запрограммированного заданного значения при разных пусковых направлениях и скоростях.
Стабильность повторяемости
Максимальное отклонение позиции Ist запрограммированного заданного значения при тех же самых пусковых направлениях и скоростях.
Рис. 9.4: Определение стационарных характеристик точности
Максимальное отклонение позиции Ist фактически от запрограммированной направляющей
Точность направляющей
Рис. 9.5: Определение точности направляющей

Nataly 03.04.14 в 13:44

9.4 Жесткость
9.4.1 Статическая жесткость
Элементарная основная функция станка - это создание достаточно точного относительного движения между инструментом и деталью. Поэтому станки рассчитываются, как правило, после допустимой деформации, они очень часто имеют запас прочности.
Статическая жесткость c = dF/dx описывает действующую на путь(???) деформации x силу F.
Обратная величина N = dx/dF обозначается как гибкость.
Жесткость скручивания определяется как ct = dM//d??..
Общая жесткость - это сумма характеристик жесткости всех деталей в силовом потоке. При этом имеет решающее значение не абсолютная деформация, а ее воздействие на результат работы (рис. 9.6)

Nataly 04.04.14 в 12:24

Жесткость геометрической системы станка также существенно зависит от правильного учета расчетных случаев нагрузки и направлений действий нагрузки.
Вертикальное смещение, горизонтальное смещение, кручение
Рис 9.6: Различные воздействия деформаций на результат работы на примере токарного станка

Nataly 14.04.14 в 08:56

Внедрение новых технологий для инструмента и сфер применения (например, трудный поворот) создает теперь новое поколение высокопроизводительных станков с более высокой жесткостью (до 350 Н/мкм).

Nataly 19.05.14 в 12:05

Требование по высокой жесткости находится в диаметральной противоположности к требованиям по незначительному весу и маленькому строительному помещению для составляющих элементов. Однако усовершенствования более вероятны при следующих условиях: рационализация методов расчета, выбор подходящего материала, использование знаний жесткости формы, а также оптимизация общей конфигурации и отдельного элемента.

Nataly 19.05.14 в 12:26

Правила по оптимальной жесткости конструкции (короткие кронштейны. Груз возможно очень сильно удален от оси, работающей на изгиб, закрытое поперечное сечение и т.д.) известны уже давно (например, [13]), это показано на примере рис. 9.7. Влияние ребристости на увеличение жесткости конструкции часто переоценивается. Ребра должны быть расположены таким образом, чтобы они лежали в силовом потоке или способствовали усилению стенок для жесткости формы. Особенно выгодным является расположение ребер по диагонали к основной оси деформации, потому что это эффективно как против изгиба, так и против скручивания. Все еще встречаемые тонкие поперечные ребра, как правило, абсолютно неэффективны.

Nataly 23.05.14 в 11:59

Поперечина
Объект атаки момента кручения
O. K. P = без поперечины M. K. P = с поперечиной
соотношение жесткости при кручении
крутильно-жесткий
вес
соотношение жесткости при изгибе
жесткий на изгиб
Рис 9.7: Жесткости при различных конструкциях [2]
Упругая деталь опоры
Для статической и динамичной жесткости стыки имеют большое значение (рис. 9.8). Тем не менее часто на практике им уделяется мало внимание.
Умелое, жесткое и соответствующее силовому потоку оформление стыков или несущих поверхностей способствует усилению системной жесткости. Ребра там часто рациональны как в самой детали.
Упругая деформация фланца

Nataly 23.05.14 в 12:07

Рис. 9.8: Передаточный эффект жесткости фланца или основания
Оптимальные параметры и конструкция несущих частей станка возможны не только благодаря интуиции опытного конструктора, классическим методам и моделям технической механики, но и благодаря экспериментальным, локальным измерениям деформации. Использование компьютерного моделирования методом конечных элементов и синхронных точечных измерений с графическим отображением (модальный анализ) относится сегодня к оснащённости техники.

Nataly 02.06.14 в 13:04

9.4.2 Динамическая жесткость
Станки подвергаются множеству периодических сил, из-за которых происходят колебания. Различают
■ отчужденно-возбужденные колебания вследствие циклически непостоянных внешних сил, как напр., силы процесса (рис. 9.9). Дисбалансы, Überrollungen, эксцентриситеты и пульсация давления
■ самовозбуждающие колебания из-за нестабильности процесса резки ("вибрация")
■ время
Частота входа лезвий гармоничные частоты входа
Частота
Рис. 9.9: Пример хода и спектра амплитуд силы резания у фрезерного станка (Reinhart)

Nataly 02.06.14 в 13:23

Возбужденное колебание деталей станка представляется, как правило, с помощью моделей колеблющейся системы с одной степенью свободы (рис. 9.10).
Решение дифференциального уравнения при синусоидальном возбуждении после применения собственной частоты незатухающего осциллятора и амортизации дает в итоге d
Динамическая жесткость:
при d) - 0 уравнение дает пограничный случай статической жесткости.
Рис 9.10: Колеблющаяся система с одной степенью свободы

Nataly 02.06.14 в 14:00

Динамическая жесткость определяется так же как и статическая жесткость, тем не менее, это, действие частоты возбуждения:
Ее обратным значением является динамическая упругость:
В первую очередь становится целесообразно рассмотреть это из-за сдвига фаз между возбуждением и отклонением комплексного уравнения частотной характеристики упругости.
На рис. 9.11 показаны принятые способы изображения.
При частотах рядом с частотами собственных колебаний сильно возрастают отклонения (резонанс).
Лежит ли максимально возможная функция возбуждения, реальная функция и функция реактивной составляющей

Nataly 03.06.14 в 13:55

Рис. 9.11: Способы представления частотной характеристики упругости (по [14])
О частоте ниже собственной частоты машины, говорят как о докритических параметрах, в противоположном случае надкритических параметрах.
Докритические системы при незначительных рабочих скоростях ведут себя очень спокойно и жестко, тем не менее, при возрастающей скорости ее характеристики все больше ухудшаются, до тех пор пока они не достигнут ее динамичной границы.
Напротив, надкритические станки по мере увеличения скорости становятся все спокойнее, тем не менее, на низких частотах должна управляться хуже и очень сложно придерживаться данной статической жесткости (рис. 9.12).
Общие меры по улучшению характеристик колебания:
■ Сокращение амплитуды колебания и вместе с тем динамической упругости посредством увеличения амортизации, увеличения жесткости или уменьшения массы
Рис. 9.12: Частотная характеристика упругости разных параметров

Nataly 03.06.14 в 14:22

■ Уменьшение собственной частоты с помощью дополнительной массы
■ Перенесение частоты внешних источников возбуждения (например, изменение частоты воздействия инструментов, дополнительные опорные точки для деталей, другая частота вращения гидронасоса)
■ Уменьшение интенсивности внешних источников возбуждения (например, балансировка, улучшенная поддержка детали, поглощение вибрации на инструментах, уменьшение силы процесса)
■ Исключение внешних толчков (например, модуляцию числа оборотов, аритмичный метод работы, инструменты с неравномерным делением лезвий)
■ Использование угловых зависимостей и эффект непрямолинейности (например, оптимизацию и вариацию направления подачи)

Nataly 04.06.14 в 13:41

Фактически станки состоят из нескольких, взаимно влияющих вибрирующих систем с различными собственными частотами. Поэтому при разных стимулирующих частотах они показывают также очень разные динамические характеристики. Типичная форма собственных колебаний представлена на рис. 9.13. Уже в процессе изготовления и монтажа можно повлиять на динамические характеристики станка настолько сильно, что приемка образца не является типичным для всей серии. При очень высоких требованиях необходимо обжатие за проход.
Для сокращения издержек были разработаны формализованные методы контроля [15].
Рис. 9.13: Форма собственных колебаний продольно-фрезерного станка.

Nataly 30.06.14 в 12:20

9.5 Термостойкость
Влияние внешних и внутренних источников тепла привело к удлинению деталей, что оказало непосредственное влияние на геометрию и вместе с тем на результат работы.
Это происходит, прежде всего, при неравномерном распределении температуры внутри модуля вследствие одностороннего влияния тепла или плохих внутренних тепловых потоков (рис. 9.14).
Главными источниками тепла являются
a) внутренние источники тепла:
Потери приводных двигателей, трение в опорах и механизмах, гидравлические системы, процесс изготовления
b) внешние источники тепла:
стружки
Смазочно-охлаждающая жидкость, солнечное излучение. Сквозняк в соседнем механизме
Почти все станки превращают подведенную энергию в конечном счете в тепло, только очень незначительная часть остается в деформации
Рис. 9.14: Изменение геометрии вследствие одностороннего влияния тепла

Nataly 01.07.14 в 12:16

-

hothat 07.04.14 в 12:52

-

hothat 07.04.14 в 12:52

-

hothat 07.04.14 в 12:52