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 c_i и k_i — соответственно податливость и жесткость i-го узла, то податливость и жесткость станка в целом следующая:

Общая деформация упругой системы СПИД равна сумме деформаций станка k_ст, приспособления k_присп, 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 — l_0пер = l₂ + l₁, а у задней бабки — l_0задн = 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 F_y, F_z — 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 II_н и разгружения II_р — 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.