Определение жесткости токарного станка статическим методом
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3
Цель работы:
Ознакомиться с основными понятиями системы жесткости (станок, приспособление, инструмент, деталь) и отдельными узлами станка; изучить методику проверки жесткости токарного станка.
Оборудование и материалы:
Токарно-винторезный станок модели 16К20; динамометр для определения нагрузок, штатив с магнитным основанием ШМ- I-8 ГОСТ 10197-70, головка рычажно-зубчатая МИГ ГОСТ 9696-61, оправки для установки в шпиндель и пиноль задней бабки; методические указания к лабораторным работам; учебная литература.
3.1 Теоретические сведения о жесткости станков
На узлы работающего станка действуют силы, вызванные силами резания, инерции, трения, весом деталей, а также появляющиеся при закреплении заготовок. При работе станка возникают деформации тела деталей (шпинделя, станины и др.) и контактные деформации тех деталей, которые первоначально касаются в точке или по линии (в подшипниках качения, кулачковых механизмах, направляющих качения и др.), деформации планок и стыков (в направляющих скольжения и неподвижных сопряжениях). Свойство узла, или станка в целом, сопротивляться изменению формы и взаимного положения под действием нагрузки называется жесткостью.
Обычно жесткость k определяется как отношение наибольшей приложенной к узлу нагружающей силы F к перемещению l в направлении ее действия, т. е.
Иногда в расчетах удобнее пользоваться не жесткостью, а ее обратной величиной, которая называется податливостью с, тогда
Жесткость станка является одной из основных характеристик качества, так как наряду с его геометрической и кинематической точностью обусловливает точность обработанных деталей.
На практике применяются, в основном, два способа измерения жесткости узлов на основе измерения перемещений:
а) в направлении действия силы;
б) в том направлении, которое оказывает наибольшее влияние на точность обработки, хотя не совпадает с направлением действия силы.
Если ci и ki — соответственно податливость и жесткость i-го узла, то податливость и жесткость станка в целом следующая:
Общая деформация упругой системы СПИД равна сумме деформаций станка kст , приспособления kприсп , инструмента k инстр , детали k дет , а ее жесткость определяется зависимостью —
График, на котором все перемещения приведены к взаимному перемещению заготовки и инструмента, называется графиком баланса жесткости
Пусть резцедержатель суппорта под действием силы резания F перемещается на l1 , а передняя и задняя бабки соответственно на l2 и l3 (рис. 3.1). Тогда относительные перемещения узлов у передней бабки — l0пер = l2 + l1 , а у задней бабки — l0задн = l3 + l1 . Жесткость станка у передней бабки k пер находим по формуле:
у задней бабки —
Рисунок 3.1 — Схема сложения смещений резцедержателя, передней и задней бабок токарного станка
На повышение собственной жесткости деталей влияет использование материалов с высоким модулем упругости, рациональных форм сечений деталей (коробчатых, трубчатых, которые сейчас рассчитывают методом конечных элементов), перегородок и ребер, способствующих уменьшению местных деформаций от искажения контура сечений деталей. Контактная жесткость станка повышается при снижении макро- и микронеровностей контактирующих поверхностей, уменьшении числа стыков, создании предварительного натяга. Жесткость станков значительно повышается при переходе от консольных к замкнутым рамным конструкциям, а также центральном расположении шпиндельных бабок и при применении симметричных стоек.
Схема измерения перемещений узлов токарного станка приведена на рисунке 3.2. Нагружающее устройство 5 установлено в резцедержателе 6. Индикатор 4 измеряет суммарное отжатие всех деталей суппорта и станины, индикаторы 1, 2 и 3 показывают долю перемещений отдельных деталей или групп деталей в общем перемещении. Индикатор 7 установлен для определения перемещения суппорта относительно станины, индикаторы 8 и 9 — для измерения перемещения вставленной в шпиндель оправки 10 относительно резцедержателя 6 в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Рисунок 3.2 — Схема измерения смещений узлов токарного станка под нагрузкой
При определении жесткости станка в статическом состоянии нагружающим устройством ступенчато изменяют нагрузку и в протокол записывают соответствующие перемещения. Разгружение выполняют также ступенчато.
При испытаниях станков на жесткость производят искусственное статическое нагружение или нагружение в процессе резания. Статическое нагружение создают нагружающим устройством, конструкция которого соответствует типу и размерам станка и позволяет воспроизводить силу резания или ее составляющую. Перемещения измеряются индикаторами.
В корпусе 1 нагружающего устройства (рис. 3.3), закрепляемого в резцедержателе станка, расположены винт 2 и гайка 3. Она получает вращение от червяка 12, сцепленного с имеющимся на ней зубчатым венцом, при этом винт перемещается в осевом направлении. Создаваемая им сила через П-образный тарированный динамометр 4 действует на оправку 5, установленную в шпинделе станка. Деформации динамометра, пропорциональные нагружающей силе, измеряются индикатором 7.
Рисунок 3.3 — Нагружающее устройство
Вертикальное перемещение оправки 5 измеряется индикатором 6, рас- положенным на стойке 8, а горизонтальное — индикатором 11, упирающимся в штифт 10, на который действует пружина 9. В зависимости от угла наклона винта 2, создающего нагружающую силу, соотношение между ее составляющими изменяется. Обычно берут
что соответствует приближенной зависимости между составляющими силы резания при точении, т. е.
где Fy, Fz — силы резания.
Описанное устройство имитирует только некоторую часть нагрузок, действующих на суппорт и заготовку в процессе резания. При проведении опыта не создаются крутящий момент и осевая составляющая силы резания.
Типовой график жесткости суппорта токарного станка приведен на рисунке 3.4. Кривые первичного нагружения I н и разгружения I р изображены пунктиром, вторичного нагружения IIн и разгружения IIр — сплошной линией. При первичном нагружении выбираются все зазоры. Кривые нагружения и разгружения при вторичном и последующем нагружениях не совпадают из-за наличия трения в стыках.
Обычно жесткость переменна и численно равна тангенсу угла наклона касательной в соответствующей точке графика. Жесткость характеризуется отношением максимальной нагрузки к максимальному перемещению при вторичном нагружении:
Сумма остаточных перемещений при прямом и обратном нагружениях z является показателем качества сборки и регулировки узла станка.
Рисунок 3.4 — Типовой график жесткости суппорта токарного станка
Вывод: ознакомилась с основными понятиями системы жесткости (станок, приспособление, инструмент, деталь) и отдельными узлами станка.