Вертикальный токарный станок с ЧПУ

 Выбор технических характеристик станка

Большинство представленных экземпляров вертикальных токарных станков имеют большую мощность, что связано с обработкой крупногабаритных деталей. Производительность таких станков складывается из множества факторов.

Во-первых, зависит от режимов резания.

Во-вторых, от технических характеристик модели станка.

В- третьих, от правильности подбора оборудования для конкретной детали (К примеру: фрезеровать деталь на таком станке можно, но в большинстве случаев нецелесообразно, лучше использовать его по назначению, для тех операций, которые обеспечивают наибольшую энергоемкость).

В-четвертых, от квалификации операторов и программистов.

Высокая точность станков достигается путем установки на них точных направляющих, точных подшипников.

Со временем при работе станка, особенно при больших и регулярных нагрузках возникают погрешности. Одна из погрешностей- геометрическая погрешность. Возникает в результате износа подшипника шпиндельного узла и вызывает отклонение готовой детали от геометрической формы. Упругая погрешность- это погрешность, которая возникает в процессе резания из- за действия сил на отдельные узлы станка. Такая погрешность может быть сведена практически на ноль при тщательном подходе к проектированию станка и его сборке (необходимо повышать жесткость узлов станка). Погрешности, связанные с износом направляющих неизбежно возникают в процессе работы станка, и так же как геометрическая погрешность, дают отклонение детали от геометрической формы.

Компоновка станка

Вертикальные токарные станки имеют весьма удачную компоновку. Связано это с тем, что в большей части такие станки тяжелые (обеспечивает необходимую жесткость при обработке), быстрота и легкость переналадки, хороший подвод смазочно- охлаждающей жидкости, простота ремонта узлов станка. Несомненно, удачная компоновка влияет на технико-экономические показатели. Компоновка схожа с вертикально-фрезерными станками за исключением того, что у фрезерного станка стол, а у токарного станка на данном месте располагается шпиндельный узел. Исходя из этого, различаются виды движений и кинематические схемы.

 Привода главного движения

Главное движение шпиндель получает от электродвигателя. Электродвигатель имеет возможность регулировки в меньшую сторону от базовой частоты вращения в диапазоне 1:10 и в большую сторону 2,5 к 1. Чтобы расширить диапазон регулировок, установлен блок колес, который позволяет достичь 29 частот вращения путем ступенчатой регулировки (у большинства вертикальных токарных станков). Данный ступенчатый метод регулировки в настоящее время устарел и применяется на станках с ЧПУ редко. В большинстве случаев используется бесступенчатый метод регулировки.

Бесступенчатые методы регулировки:

1. Механический (фрикционные передачи)- основаны на использовании сил трения при передаче вращения.

2. Гидравлический- основан на использовании давления рабочей жидкости, в основном используется в приводах для регулирования прямолинейных движений.

3. Электрический- основан на изменении частоты электродвигателя, от которого передается вращение.

Бесступенчатые методы широко используются во всех станках ЧПУ, так как имеют весомые преимущества по сравнению со ступенчатыми методами регулировки. Плюсы: можно плавно регулировать частоту вращения, можно изменять частоту вращения шпинделя непосредственно в процессе обработки детали.

Направляющие станка

Направляющие выбираются исходя из целей эксплуатации станка. Это зависит от режимов резания, размеров обрабатываемых заготовок и так далее.

Классификация выглядит следующим образом:

Направляющие качения делятся на: роликовые и шариковые

Направляющие скольжения делятся на: гидростатические, гидродинамические, аэростатические и аэродинамические.

Основные существующие формы поперечного сечения направляющих:

1. Прямые- применяются при медленных перемещениях и не очень высокой точности.

2. Призматические, треугольные- применяются при медленных скоростях перемещений и систематических нагрузках, именно такие направляющие чаще всего используются в токарных станках, будь то вертикальные или горизонтальные.

3. Типа «Ласточких хвост»- применяются при средней требуемой точности, а так же при достаточно медленных перемещениях.

4. Круглые- применяется при симметричном нагружении по оси и при маленькой длине хода.

5. Комбинированные

В вертикальных токарных станках используются направляющие качения из- за того, что они обладают малым коэффициентом трения, а соответственно обладают малым износом. Такие направляющие имеют достаточную жесткость.

Шпиндельные узлы станка

Шпиндельный узел предназначен для вращения детали в процессе обработки. Шпиндели изготавливаются полые и цельные. На конце шпинделя устанавливаются устройства для зажима заготовки, чаще всего на станках с ЧПУ- это гидравлический зажим.

В качестве материала используют Сталь45 с закалкой и отпуском соответственно. Для шпинделей при повышенных требованиях может использоваться сталь 40Х, 40ХН. Для наиболее нагруженных шпинделей применяются стали типа 50Г2. Для шпинделей, которые способны работать при больших частотах вращения применяют 12ХН3 и 35ХМЮА. Для тяжелых шпинделей используют чугун типа СЧ15, СЧ21.

Опорами в шпиндельных узлах являются подшипники, которых существует очень большая классификация, наиболее часто встречающиеся в компоновке шпиндельных узлов приведены ниже:

1. Радиально-упорные

2. Радиальные

3. Конические

4. Перекрестно-роликовые

5. Комбинированные

 Приводы подач станка

В настоящее время в станках с ЧПУ используется довольно стандартная типовая схема привода. В нее входит: тяговое устройство, следящие приводы, запоминающие устройства, электродвигатель, муфты. Приводы подач служат для обеспечения перемещения элементов станка с заданной точностью и скоростью.

Классификация тяговых устройств:

1. Пара винт-гайка скольжения- малый крутящий момент, самоторможение, высокая редукция, низкий КПД, довольно быстрое изнашивание винта.

2. Передача винт-гайка скольжения- основной вид тягового устройства в станках с ЧПУ любого назначения. Данная передача имеет высокую жесткость, беззазорность, а вследствие сниженную вибрацию при работе станка, уменьшенное изнашивание режущего инструмента и повышенную чистоту обработки детали. Преимущества: высокий КПД, высокая точность за счет предварительного натяга, длительное сохранение точности вследствие малой изнашиваемости, низкие потери на трение. Недостатки: отсутствие самоторможения, необходимость защиты от стружки, пониженное демпфирование, сложность изготовления и высокая стоимость.

Существует 3 типа электродвигателей:

1. Электродвигатели постоянного тока

2. Асинхронные электродвигатели

3. Шаговые электродвигатели

    

В современных станках с ЧПУ наибольшее применение получили электродвигатели постоянного тока, они могут изменять скорость вращения и имеют стойкость к перегрузке. Благодаря большому диапазону частот вращения таких двигателей, привод подач является универсальным.

Жесткость в паре винт-гайка повышается путем установки двух и более гаек. Жесткость в передаче винт- гайка скольжения повышается за счет точности изготовления пары и величины преднатяга.

Рис 1. Привод подач станка с ЧПУ

1. Двигатель

2. Кронштейн

3. Соединительная муфта

4. Шариковый винт

5. Шариковая гайка

6. Суппорт

7. Защитная гармошка

 Несущая система станка

Несущая система станка служит основой для расположения узлов и обеспечивает их точность взаимного расположения. К несущей системе относятся: станина, стол, суппорт, планшайба траверса и т.д.

Несущая система должна обеспечивать:

1. Высокую жесткость

2. Способность к гашению колебаний

3. Долговечность

4. Низкие температурные деформации

Для изготовления корпусных деталей используется чугун и низкоуглеродистая сталь. 

 Типичные представители

Рис 2. Вертикальный токарный станок DMTGVT30

Отличительные способности:

Вертикально расположенный шпиндель позволяет обрабатывать заготовки с большой массой, при том станок занимает наименьшую производственную площадь.

Цельная литая колонна с широко разнесенными направляющими обладает высокой жесткостью и виброустойчивостью.

Усиленная конструкция шпинделя позволяет обрабатывать высоколегированные стали на высоких режимах резания с большими припусками без потери качества и точности поверхности.

Закаленные направляющие станины имеют твердость не ниже 50 HRC, направляющие салазок суппорта имеют специальное износостойкое покрытие, что в свою очередь обеспечивает длительное сохранение точности, плавное и точное перемещение подвижных узлов станка.

На станке используется серво шпиндель усиленной конструкции, привод осуществляется с помощью шкива приводного ремня.

Передний и задний подшипник – двухрядный радиальный роликовый подшипник производства NSK (Япония).

Подачи по осям X и Z осуществляются при помощи серводвигателей по высокоточным роликовым ШВП. Использование роликовых направляющих значительно повышает точность и сокращает время перемещений. На оси Z установлен балансирующий гидроцилиндр, который воспринимает нагрузку от массы каретки, ползуна и резцедержателя, тем самым продлевает ресурс ШВП и повышает точность обработки.