Описание основных узлов фрезерного станка с ЧПУ

  Станина

      Станина - несущая неподвижная  конструкция (основа) станка, предназначена для крепления, а также перемещения по ней других узлов . Станину в основном льют из чугуна, реже сваривают. 

Рисунок 1-Станина

 

Чугуны используемые для литья :

Серый чугун

1. Станины небольшого размера  льются из СЧ 21-40 и СЧ 35-56.
2. Станины для больших и точных станков, а также сложной конфигурацией льются из СЧ 15-32 и СЧ 21-40.
3. Некоторое применение для литья станины получил азотируемый чугун (содержит алюминий и хром) – повышенная износостойкость. 

Для сварных станин используют сталь 3 и сталь 4. Сварные являются более дешевыми и легкими, однако, менее жесткими. Их в основном используют при единичном производстве станков.

Направляющие

Направляющие, основное их назначение - обеспечение линейного перемещения по осям станка (главное движение  и движение подачи), крепиться к основанию-станине. В зависимости от траектории движения узлов подразделяются на: направляющие прямолинейного и кругового движения. По форме поперечного сечения : ласточкин хвост (трапециевидные), прямоугольные , круглые и др.

В основном используются двух видов:

А) Направляющие качения

Направляющие качения представляют собой опорный элемент при поступательном движении узлов станка. Бывают следующих видов: рельс-каретка, линейный подшипник-вал или рельс-рельс с плоским сепаратором.

Рисунок 2- Направляющие качения

Рассмотрим подробней комплект рельс-каретка, который чаще всего используются на станках.

Рельс. Все посадочные места рельсы шлифуются и проходят закалку, в том числе и дорожки качения, необходимые для перемещения тел качения. Каретка направляющей состоит из следующих частей:

• Корпус
• Тела качения
• Обойма, осуществляющая оптимальную рециркуляцию тел качения;
• Торцевые крышки

Рисунок 3-Каретка направляющей

Подразделятся в зависимости от тела качения:

1)     Шариковые направляющие качения

Рисунок 4- Шариковые направляющие качения

2)     Роликовые направляющие качения. Используются в высоконагруженных  станках с ЧПУ

Рисунок 5- Роликовые направляющие качения

Ролики в отличие от шариков позволяют увеличивать  жесткость направляющей, ее долговечность и грузоподъемность.

Также направляющие качения подразделяются в зависимости от конструктивной формы.

Основные преимущества направляющих качения:

1. Очень низкий коэффициент трения.
2. Плавное перемещение.
3. Точность перемещения и позиционирования.
4. Высокая скорость.

Недостатки направляющих скольжения:

1. Подвержены влиянию загрязнений.
2. Плохо противодействуют скачкам.
3. Высокая цена.

Основные производители направляющих качения:

• BOSCH (Германия)
• HIWIN (Тайвань)
• THK (Япония)
• SKF (Швеция) 

Б) Направляющие скольжения

Рисунок 6-Направляющие скольжения 

Направляющие скольжения выполняют ту же функцию, что и направляющие качения. Однако, в данном случае отсутствуют тела качения, а перемещение происходит по трению скольжения. Направляющие данного типа могут  изготавливаться, как одно целое со станиной из серого чугуна (закаленного до твердости 43….56 HRC) , также  возможно крепление на винты к станине (накладные направляющие), изготавливаются из стали 40Х (возможно также 15Х, 20Х) закаленной до твердости  57…63 HRC. Важно заметить, что направляющие скольжения из-за больших сил трения , менее точные и имеют менее плавный ход нежели направляющие качения, однако, они более просты и имеют меньшие габариты. На работоспособность очень сильно влияет температура. 

По виду трения скольжения существуют следующие направляющие:

• Гидростатические – смазочный слой образуется подачей под высоким давлением масла в специальные карманы.

 

Рисунок 7- Гидростатические направляющие скольжения

•  Гидродинамические направляющие- хорошо работают только при высоких скоростях. В данной направляющей используется гидродинамический эффект- эффект  всплывания подвижного узла. В конструкции присутствуют специальные клиновые скосы и при движении в эти сужающиеся зазоры затягивается смазка.
•  Аэростатические направляющие- в данном случае вместо масла в карманы под давлением подается воздух. По конструкции похожи на гидростатические направляющие. Имеет недостаток- малая нагрузочная способность.

Масла для направляющих должны соответствовать  DIN 51 502, ISO 6743-13 и ISO 3498. Всегда идут с различными присадками, улучшающие стойкость к окислению и антикоррозионные свойства, а также противозадирные и противоизностные присадки, антискачковые присадки. Преимущество направляющих скольжения:

• Жесткость при кручении
• Минимальный люфт
• Большая нагрузочная способность
• Надежность и долговечность работы.

Производители направляющих скольжения:

• SCHNEEBERGER GmbH (Германия)
• ZITEC Industrietechnik GmbH (Германия)
• item Industrietechnik GmbH
• KAMMERER Gewindetechnik GmbH (Германия).

        Шарико-винтовая передача (ШВП)

Следующий узел фрезерного станка -  шарико-винтовая передача (ШВП) .

Рисунок 8- Шарико-винтовая передача

Основное назначение -это преобразования вращательного движения приводов станка  в возвратно-поступательное  движение исполнительных узлов с использованием механизма циркулирующего шарика между винтом и гайкой. Принцип действия ШВП следующий- в гайке сделаны специальные винтовые канавки, по ним перемещаются тела качения, т.е. между витками винта и гайки. Сами шарики (тела качения) движутся по замкнутой траектории при вращении винта и одновременно поступательно перемещают гайку. Число рабочих витков составляет  от 1 до 6. Большее число витков  используется при нагруженных передачах тяжелых станков. ШВП изготавливают из высоколегированной стали, подвергаются поверхностной закалке (закалка поверхности с помощью ТВЧ- тока высокой частоты) после шлифуются.

Основные достоинства шариковинтовой передачи:

• Высокий КПД, может быть больше 80% (т.к. проскальзывание шариков в ШВП минимальное)
• Малые потери на трение
• Высокая нагрузочная способность при небольших габаритах
• Высокая точность при перемещении
• Плавный ход

Недостатки ШВП:

1. Сложная в изготовлении конструкция.
2. Высокая стоимость
3. Ограничение по длине (из-за накапливаемой погрешности)

Существуют две разновидности ШВП:

1. Катанные ШВП, в данном случае резьбовой винт накатывается на специальном накатном оборудовании. Они проще в производстве, дешевле.
2. Шлифованные ШВП. Сначала идет нарезка резьбы далее её шлифуют. Являются более точными, что, в свою очередь, влияет на точность позиционирования и повторяемости станка.

Производители шарико-винтовых пар:

• HIWIN (Тайвань)
• THK (Япония)
• SKF (Швеция)
• SBC (Корея)
• Steinmeyer (Германия)
• MecVel (Италия).

Помимо ШВП существуют РВП – ролико-винтовые передачи. В РВП в качестве элемента качения используются ролики, за счет этого увеличивается максимальная грузоподъемность, увеличивается срок эксплуатации, надежность. Однако, стоимость РВП в несколько раз превышает ШВП.

Рисунок 9- Ролико-винтовая передача

             Система ЧПУ- Числовое Программное Управление

Рисунок 8 - Система ЧПУ  

ЧПУ-  компьютеризированное управление обработкой заготовки по созданной заранее специальной программе , в которой всё представлено виде кодов. Принцип работы системы ЧПУ следующий- микроконтроллер подает сигналы (электрические импульсы) на исполнительные узлы станка, а также контроля их перемещения для реализации движения режущего инструмента согласно заданной программе. Исполнительными узлами  станка являются электродвигатель подач, электромотор шпинделя и другие системы.  Для мощных станков вместо электродвигателей используют серводвигатель (контроль перемещения осуществляется специальным датчиком положения).

Система ЧПУ состоит из следующих основных узлов:

• Микропроцессор- преобразования сигналов.
• Оперативная память- для хранения текущей информации
• Постоянная память- для хранения файлов управляющих программ.
• Устройство загрузки информации (программ)- USB и др.
• Устройство управление .

Системы ЧПУ делятся в соответствии со следующими признаками:

• По числу потоков информации (незамкнутые, замкнутые, самоприспосабливающиеся или адаптивные).
• В соответствии с приводом: ступенчатый, регулируемый, следящий, шаговый.
• По числу одновременно управляемых координат.

Основные производители ЧПУ:

• FANUC
• SIEMENS
• FIDIA
• Fagor
• HEIDENHAIN
• Ижпрэст

Привода

Привод – узел, служащий для приведения в действия исполнительного органа станка с требуемыми характеристиками скорости и точности.

Привода:

•  Электродвигатели постоянного тока
•  Электродвигатели переменного тока
•  Гидродвигатели
•  Пневмодвигатели

Для ступенчатого регулирования используют в основном асинхронные двигатели переменного тока, из-за их невысокой стоимости. Для бесступенчатого регулирования используют электродвигатели постоянного тока с тиристорным регулированием.

Крутящий момент передается от двигателей к рабочим органом с помощью различных передач:

• Передача трением

1. Фрикционные
2. Ременные.

• Передача зацеплением

1. С непосредственным контактом (зубчатые, червячные, храповые, кулачковые)
2. С гибкой связью (цепные).

Рисунок 9- Передачи зацепления

Привод подачи для станков с ЧПУ.

В качестве привода используется синхронные или асинхронные электродвигатели, управляемые от цифровых преобразователей, передающие и принимающие сигналы от системы ЧПУ станка.

В качестве привода главного движения для станков с ЧПУ используется двигатели переменного тока – для больших мощностей и постоянного тока - для малых мощностей.

Рисунок 10- Сервоприводы

Автоматическое устройство смены инструмента (АУСИ,магазины,автооператоры,револьверные головки)

АУСИ - необходимо для смены инструмента в процессе обработки заготовки.

Состоит из двух основных частей:

1)  Инструментальный магазин для формирования запаса инструмента. Инструментальные магазины бывают следующих видов:

• Дисковый- накопление небольшого количества инструмента до 30 штук.

Рисунок 11-Дисковый инструментальный магазин

• Цепного типа. Служит для накопления большого количества инструмента. Конфигурация цепи может быть изменена, за счет это можно увеличить количества инструмента- не значительно увеличивая общий объем магазина. Его можно располагать горизонтально, вертикально, наклонно.

Рисунок  12- Цепной инструментальный магазин

Анализ большого количества различных деталей средних размеров, показывает, что 18 % деталей требуют использования не более 10 инструментов, 50 % — до 20; 17 % - до 30, 10 % - 40 и 5 % - до 50 и более инструментов. В связи с этим в основном используют магазины с количеством инструмента равным 30 штук. Магазин может располагаться на шпиндельной бабке, на станине, колонне.  

2)  Устройство смены инструмента, передающий инструмент из магазина в шпиндель и обратно.

Существует два типа УСИ:

А) Без манипулятора  (карусельного типа, «зонтик»). Смена инструмента осуществляется без каких-либо  дополнительных приспособление.  Инструментальный магазин перемещается по оси Х к шпинделю, осуществляет смену инструмента и отходит в первоначальное положение. Приблизительно время смены 7-10 секунд.

Рисунок 13- УСИ без манипулятора

Б) С манипулятором. Смена осуществляется с помощью двухплечевого манипулятора за 1,8 сек, сам инструментальный магазин и шпиндель остается при этом неподвижными.

Рисунок 14- УСИ с манипулятором

Вне зависимости от типа УСИ и инструментального магазина, все инструменты устанавливаются в гнездо магазина с помощью стандартизированной оправки (оправки с коническим хвостовиком 7:24).

Стружкотранспортер

Два типа:

• Винтовой стружкотранспортер используется в основном для отвода мелкой, стружки надлома, скалывания (образует при обработке чугуна, твердых сталей).

Рисунок 15-Винтовой стружкотранспортер

• Ленточный стружкоуборончый транспортер, предназначен для отвода сливной стружки (образуется при обработки вязких и мягких материалов).

Рисунок 16-Ленточный стружкотранспортер