Глава 4. Конструирование узлов и деталей

Конструирование и расчеты суппортов

Назначение суппортов

Суппортом называют механизм, предназначенный для закрепления, подачи или настроечного перемещения по одной или нескольким координатным осям основных или вспомогательных элементов станка. На суппорте монтируют механизмы главного движения (шпиндели, ножевые валы, токарные резцы, рамные пилы), органы механизма подачи (вальцы, конвейеры, толкатели), базовые линейки, столы и прижимы. По количеству рабочих движений различают суппорты одно-, двух- и трехкоординатные. На суппорте возможны вращательные настроечные перемещения.

Привод настроечных перемещений в суппортах бывает ручной, механический или автоматический.

Конструктивно суппорты выполняются по-разному. В общем случае суппорт состоит из направляющих, ползуна или каретки, элементов фиксирования и перемещений.

Направляющие суппорта

Направляющими суппорта называются устройства, обеспечивающие прямолинейное (иногда криволинейное) перемещение подвижного элемента (ползуна, каретки) с заданной точностью.

По форме рабочих поверхностей направляющие могут быть плоскими, призматическими или цилиндрическими. При этом ползун монтируется на направляющей с трением скольжения или трением качения (рис. 54 и рис. 55).

 

Рис. 54. Суппорты с направляющими скольжения

 

Суппорты характеризуют точностью, долговечностью и жесткостью. Точность перемещения зависит главным образом от точности изготовления направляющих. Долговечность суппорта характеризуется способностью сохранять первоначальную точность перемещения в течение заданного времени их использования. Жесткость суппорта определяет способность оказывать сопротивление действию деформирующих сил. Жесткость выражается отношением силы, приложенной в заданной точке, к величине деформации, измеренной в направлении действия силы. Деформации возникают, главным образом, по поверхностям контакта ползуна и направляющих.

 

Расчет суппортов

При конструировании суппорта необходимо знать условие самоторможения (заклинивания) ползуна.

Движущая сила параллельна направляющей. На рис. 56, а приведена схема сил, возникающих при движении ползуна по направляющей, когда движущая сила Т направлена параллельно оси направляющей и приложена к ползуну на расстоянии h от

 

Рис. 55. Суппорты с направляющими качения

 

ее оси. При движении ползун преодолевает полезное сопротивление Q и силы трения F.

При установившемся равномерном движении ползуна можно написать следующие уравнения равновесия [25]:

и

или и ,

где N –сила нормального давления ползуна на направляющую, Н. Отсюда следует

.

Подставляя эту формулу в выражение для силы трения F,

получим

.

Отсюда величина движущей силы

. (100)

При работе может произойти заклинивание ползуна в направляющих. В этом случае Т = ¥ или

.

Отсюда следует, что в конструкции суппорта можно определить критическое отношение величин h и l, при котором наступает заклинивание:

. (101)

Для предотвращения заклинивания рекомендуется следующее соотношение:

, (102)

где К – коэффициент запаса от заклинивания; при коэффициенте трения скольжения f = 0,2 принимают К = 5 для плоских призматических направляющих; К = 6,5 для цилиндрических направляющих; К = 10 для направляющих "ласточкин хвост".

Движущая сила наклонна к направляющей. На рис. 56 б, в показана схема сил при движении ползуна, когда движущая сила Т направлена под острым углом a к направляющим. При этом на первой схеме сила Т приложена к ползуну вне направляющих, а на второй – в пределах направляющих. Для обеих схем можно составить одинаковые уравнения равновесия ползуна:

;

.

Отсюда опорная реакция N ₁

.

В первом уравнении системы раскроем значения сил трения и подставим значение N ₁

.

Движущая сила Т

.

Если знаменатель полученного выражения будет равен нулю, то произойдет заклинивание ползуна в направляющих. Значение угла a_кр при заклинивании можно получить из выражения

. (103)

Контрольные вопросы

1. Как выполняются направляющие суппортов?

2. Что делается для предотвращения заклинивания суппортов?

 

Проектирование винтовых

Механизмов

 

В деревообрабатывающих станках винтовые механизмы встречаются в устройствах для закрепления деталей, настроечных перемещений суппортов, упоров, направляющих линеек и т.д.

С их помощью можно медленно и достаточно точно перемещать подвижный орган. К недостаткам этих передач относятся большие потери на трение, низкий КПД и невозможность их применения при больших скоростях перемещений. Для снижения потерь на трение вместо передач винт-гайка скольжения получили распространение передачи качения.

Передачи винт-гайка (винтовые) в деревообрабатывающих машинах применяют в основном для настроечных перемещений рабочих органов (рис. 57).

Рис. 57. Винтовая передача с гайкой скольжения

 

В настроечных механизмах небольшого перемещения (до 1000 мм) винтовую передачу обычно осуществляют с вращающимся винтом 1 и поступательно перемещаемой гайкой 2. Гайка 2 имеет подвижное (по ходовой посадке) соединение с ползуном 3, который в свою очередь перемещается (скользит) по направляющим 4. Совокупность поверхностей соединения двух узлов или деталей, обеспечивающих возможность их относительного перемещения, принято называть суппортами. Суппортные механизмы могут быть выполнены на основе направляющих скольжения или на основе направляющих качения.

У суппортных механизмов с относительно малым перемещением ползунов (до 400 мм) винт 1 монтируют на опоре 5, второй опорой служит гайка 2.

Для винтов винтовых передач применяют трапецеидальную и прямоугольные резьбы. Материалом для винтов служат, стали 40, 45, 50 и др. Материалы гаек – бронзы оловянистые Бр 010-Ф-1, Бр 06Ц6С3, а при малых нагрузках – антифрикционные чугуны марок АВ4-1, АК41 или серые чугуны марок СЧ15, СЧ20.

 

Расчет на износ

Наиболее распространен расчет винтовой передачи на износ по формуле для определения среднего диаметра резьбы (мм).

, (104)

где Q – расчетная осевая сила, действующая на винт, Н;

j - отношение высоты гайки h к среднему диаметру резьбы d₂ (для целых гаек j = 1,2…2,5).

[ р ] – допускаемые давления для пар, МПа:

- закаленная сталь-бронза 12;

- незакаленная сталь-бронза 9;

- незакаленная сталь-чугун 5.

 

Расчет на устойчивость

Расчет на устойчивость проводится для длинных высоконагруженных винтов.

Пример: определить коэффициент запаса устойчивости ходового винта суппорта. Сжимающее усилие Q = 16000 Н.

Винт имеет трапецеидальную резьбу d = 40 мм, шаг S = 7 мм. Материал винта сталь 50. Длина винта l = 1,8 м. Коэффициент приведения длины m = 0,7.

 

Решение. Коэффициент запаса устойчивости

, (105)

где Q_кр – критическая сила, определяемая по формуле Эйлера, если гибкость стержня больше предельной

Предельная гибкость

, (106)

где Е = 2,1×10⁵ МПа – модуль упругости для материала винта;

s = 270 МПа - предел пропорциональности для материала винта. » 87,5

Гибкость стержня , (107)

где i – радиус инерции , (108)

где - приведенный момент инерции сечения винта с учетом повышения жесткости стержня за счет наличия резьбы,

d = 40 мм – наружный диаметр винта;

d₁ = 33 мм – внутренний диаметр;

d_ср = 36,5 мм – средний диаметр.

(мм ⁴)

(мм).

.

l > l_пред, следовательно, критическая сила определяется по формуле Эйлера (Н):

.

Коэффициент запаса устойчивости

.

Достаточным считается n_y = 3,5…