Магнитные опоры

В высокоскоростных ШУ с показателем Dn до 3. 106 мм. мин-1и при N/D до 0, 5 кВт/мм целесообразно применять магнитные опоры. Это связано с практическим отсутствием потерь на трение между вращающимся валом и неподвижной втулкой, высокой экологической чистотой опор и с использованием только одного вида энергии — электроэнергии.

Принцип действия шпинделя, установленного в электромагнитных опорах, показан на конкретном примере (рис. 36). Высокоскоростной шпиндель фирмы S2M, установленный на фрезерном станке фирмы Forest-Line (Франция) имеет частоту вращения до 30000 мин^-1 и мощность 20 кВт. Шпиндель представляет собой ротор 1, вращающийся внутри статора 2 в двух радиальных электромагнитных опорах 3 и 4 и осевой опоре 5. Для обеспечения безопасной работы при радиальных нагрузках, превышающих допустимые, или при отсутствии напряжения на электромагнитных опорах предусмотрены опоры-ловители 6 и 7, на которые ложится ротор. Для сохранения положения оси ротора постоянным при различных радиальных и осевых нагрузках отклонения ротора от центрального положения измеряют датчиками (радиальными 8 и 9 и осевыми 10—12). Сигналы рассогласования преобразуются управляющей ЭВМ в ток возбуждения в обмотках, чем регулируется магнитодвижущая сила, которая и возвращает ротор в исходное положение. В этом ШУ применено принудительное охлаждение статора.

Конструкции. Выбор типа магнитной опоры зависит от условий эксплуатации ШУ и его конструкционных особенностей. По принципу создания магнитного поля опоры можно разделить на опоры с постоянным магнитным полем, электромагнитные с авторегулированием (с регулируемым магнитным полем), индукционные электромагнитные, кондукционные электромагнитные, диамагнитные, сверхпроводящие и электростатические.

Различные конструкции магнитных опор показаны на рис.37. Наибольшее распространение в ШУ станков получили электромагнитные опоры с внешней автоматической стабилизацией. По типу воспринимаемой нагрузки опоры делят на радиальные (рис. 37, а, б), радиально-упорные (рис. 37, в), упорные (рис. 37, г, д), по форме опорной поверхности на цилиндрические (рис. 37, а, б), конические (рис. 37, в), кольцевые (рис. 37, г, д), а также по числу пар полюсов.

В радиальной электромагнитной опоре (рис. 37, 6) с цилиндрической опорной поверхностью пары полюсов электромагнитов расположены в плоскости, перпендикулярной к оси вращения вала. Вал состоит из ферромагнитов 1 и шпинделя 4. Статор 3 неподвижен, охватывает вал, несет обмотки 5 электромагнитов и датчики 2 радиального положения.

Особенности конструкций. Первая из особенностей связана с тем, какой из элементов опоры, вал или корпус, вращается. Если вращается вал относительно неподвижного корпуса, несущего сердечник электромагнитов, опору называют прямой. Если вращается подвешенный корпус, а неподвижный вал несет сердечник электромагнитов, опору называют обращенной.

Вторая особенность состоит в том, что к обмоткам может быть подведен постоянный или переменный ток. Принцип выбора рода тока связан с применяемой системой управления.

Наличие системы управления и цепи обратной связи для электромагнитных опор является третьей особенностью и характеризуется параметром, контролируемым в процессе стабилизации, и управляющим сигналом. Чаще всего в электромагнитных опорах реализуют принцип управления по перемещению, но существуют системы управления, измеряющие другие параметры (скорость, силу тока и др., которые в основном используют аналоговый управляющий сигнал

 

 

 

 

Требования к корпусным деталям. Проектирование корпусных деталей. Особенности проектирования станин. Материалы корпусных деталей. Жесткость, виброустойчивость корпусных деталей. Основы расчета.

 

БАЗОВЫЕ ДЕТАЛИ И НАПРАВЛЯЮЩИЕ

НАЗНАЧЕНИЕ БАЗОВЫХ ДЕТАЛЕЙ И НАПРАВЛЯЮЩИХ

Базовые детали металлорежущих станков служат для создания требуемого пространственного размещения узлов, несущих инструмент и обрабатываемую деталь, и обеспечивают точность их взаимного расположения под нагрузкой. Совокупность базовых деталей между инструментом и заготовкой образует несущую сис­тему станка. К базовым деталям относят станины, основания, колонны, стойки, поперечины, ползуны, траверсы, столы, каретки, суп­порты, планшайбы, корпуса шпиндельных бабок и т. п. (рис.38)

По форме они условно могут быть разделены на три группы: бру­сья — детали, у которых один габаритный размер больше двух дру­гих; пластины, у которых один размер значительно меньше двух других; коробки — габаритные размеры одного порядка.

Направляющие обеспечивают правильность траектории движе­ния заготовки и (или) инструмента и точность перестановки узлов. Во многих случаях направляющие выполняют как одно целое с ба­зовыми деталями. Базовые детали и направляющие должны иметь:

первоначальную точность изготовления всех ответственных по­верхностей для обеспечения требуемой геометрической точности станка;

высокую жесткость, определяемую контактными деформациями подвижных и неподвижных стыков, местными деформациями и деформациями самих базовых деталей;

высокие демпфирующие свойства, т. е. способность гасить ко­лебания между инструментом и заготовкой от действия различных источников вибраций;

долговечность, которая выражается в стабильности формы ба­зовых деталей и способности направляющих сохранять первоначаль­ную точность в течение заданного срока эксплуатации.

Кроме того, базовые детали должны иметь малые температурные деформации, из-за которых могут произойти относительные смещения между инструментом и заготовкой, а направляющие должны обла­дать малой величиной и постоянством сил трения, так как от этого зависит точность позиционирования узлов станка. Перечисленные основные требования, предъявляемые к базовым деталям и направ­ляющим станков, могут быть удовлетворены при правильном выборе материала и конструктивными принципами, которые являются об­щими несмотря на многообразие форм.

Конструирование базовых деталей — это поиск компромиссного решения между противоречивыми требованиями: создание конструк­ций жестких, но имеющих малую массу; простых по конфигурации, но обеспечивающих высокую точность; дающих экономию металла, но учитывающих возможности литейной технологии при проекти­ровании литых конструкций и возможности технологии сварных кон­струкций. Конструирование базовых деталей во многом опирается на богатый опыт, накопленный за долгие годы как в нашей стране, так и за рубежом.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ФОРМЫ БАЗОВЫХ ДЕТАЛЕЙ

Станины бывают в зависимости от расположения оси станка горизонтальные и. вертикальные (стойки). Они несут на себе основные подвижные и неподвижные узлы станка. Форма попереч­ного сечения горизонтальных станин определяется требованиями жесткости, расположением направляющих, условиями удаления стружки и охлаждающей жидкости, размещением в станинах раз­личных механизмов, агрегатов и резервуаров для масла и охлаждаю­щей жидкости.

Основные типы сечений горизонтальных станин представлены на рис.39. Все сечения, кроме показанных на рис.39, д, приме­няют при необходимости отвода большого количества стружки и охлаждающей жидкости. Станины с двойными стенками (рис.39, б) в 1, 3—1, 4 раза жестче, чем станины с одинарными стенками (рис.39, а). Внутренние полости между стенками часто делают замкнутыми и оставляют в них стержневую смесь. Замкнутый про­филь имеет гораздо большую жесткость (особенно на кручение), чем разомкнутый, а сыпучий материал во внутренней полости по­вышает демпфирующие свойства станины. Применяют также станины, у которых стружка отводится через окна в задней стенке (рис.39, в). Сечения станин с наклонной задней стенкой и расположением на­правляющих на разном уровне (рис.39, г) обладают высокой жест­костью и создают хорошие условия для отвода стружки, но в этом случае усложняется конструкция суппортов. Тяжелые станки (то­карные, продольно-строгальные, продольно-фрезерные, расточные) имеют сечение станин, аналогичное сечению на рис.39, д. Приотсутствии защитных устройств стружка отводится через наклонные

люки в станине. Сечения типа на рис.39, е применяют в высоко­производительных токарно-гидрокопировальных, многорезцовых станках и в станках с программным управлением.

Форма сечений вертикальных станин (стоек) зависит от действу­ющих на них сил. Стойки, испытывающие нагрузки в плоскости симметрии (например, вертикально-сверлильные станки), имеют про­филь сечения, показанный на рис.40, а, г. Если же нагрузка про­странственная (фрезерные, расточные и другие станки), то профиль сечения стоек делают близким к квадрату (рис.40, б), что обеспе­чивает повышенную жесткость на кручение. Стойки станков имеют круглое сечение (рис.40, в), если необходимо обеспечить поворот Узлов относительно оси стойки (радиально-сверлильные станки). Увеличения жесткости стоек добиваются с помощью поперечных и продольных ребер. Во избежание коробления стенок расстояние между ребрами должно быть не более 400 мм. У большинства станков момент сил, действующих на стойку у основания, больше, чем момент сил, действующих сверху, поэтому стойки выполняют расширяющи­мися книзу хотя бы в одной плоскости.

Плиты служат для повышения устойчивости станков с верти­кальными станинами; их применяют в станках с неподвижной заготовкой (тяжелые расточные станки, радиально-сверлильные, консольно-фрезерные, вертикально-сверлильные и другие станки). Конструктивно плиты выполняют в виде пластины с системой стенок и ребер или двух пластин, скрепленных стенками и реб­рами. Высота плит не должна быть меньше 1/10 длины плиты.

Коробчатые базовые детали (шпиндельные бабки, коробки пере­дач, коробки подач, фартуки и т. п.) чаще имеют форму параллеле­пипеда, реже цилиндрическую форму (многошпиндельные токарные автоматы). Жесткость коробок увеличивают за счет увеличения жест­кости стенок непосредственно в месте приложения нагрузки путем постановки бобышек и ребер, однако увеличение диаметра бобышек более 1, 4—1, 6 диаметра отверстия и высоты бобышки более 2, 5— 3 толщины стенки большого эффекта не дает. Отверстия в стенках снижают жесткость коробок пропорционально соотношению пло­щадей отверстия и стенки.

Базовые детали типа суппортов и салазок предназначены для перемещения заготовки или инструмента и имеют обычно две системы направляющих. Конструктивные формы суппортов и салазок опреде­ляются формой и расположением направляющих, конструкцией регу­лирующих элементов и механизма привода, требованиями к разме­рам по высоте. При конструировании салазок и суппортов прихо­дится учитывать противоречивые требования: уменьшение массы и размеров по высоте, с одной стороны, и увеличение жесткости, кото­рое достигается увеличением высоты сечения салазок, с другой.

Столы служат для поддержания и перемещения заготовок при обработке; их делят на подвижные и неподвижные. Подвижные столы имеют одну систему направляющих, т. е. перемещаются в одном на­правлении. Столы неподвижные для поддержания заготовок (радиально-сверлильные, протяжные станки) и подвижные консольные (вертикально-сверлильные, поперечно-строгальные станки) имеют коробчатую форму с внутренними перегородками и ребрами, повыша­ющими их жесткость.

Фрезерные, продольно-фрезерные, шлифовальные и другие станки имеют подвижные столы плоской прямоугольной формы. Их жест­кость определяется главным образом высотой. В продольно-фрезер­ных станках отношению высоты стола к ширине, равное 0, 14—0, 16, считается оптимальным.

Подвижные столы круглой формы имеют карусельные, зуборез­ные и другие станки. Круглые столы (планшайбы) карусельных стан­ков диаметром более 1000 мм выполняют коробчатыми с радиальными и кольцевыми ребрами.

В большинстве конструкций базовых деталей в стенках преду­сматривают технологические окна и вырезы. Иногда они нужны для размещения внутри них некоторых вспомогательных устройств (эле­ментов систем смазывания и охлаждения, противовесов). Они сильно снижают жесткость базовых деталей, особенно крутильную жест­кость. Для частичной компенсации потери жесткости используют дополнительные ребра и перегородки. Реже встречаются местные утолщения и приливы, так как по литейным соображениям следует стремиться к равной толщине стенок всей конструкции. Ориентиро­вочно толщина стенки (по литейным условиям)

(1.11)

где L, В> Н — габаритные размеры деталей, м (причем L — наи­больший из них.)

При конструировании базовых деталей необходимо учитывать следующее.

1. Детали, работающие на растяжение и сжатие, обладают, как правило, значительно большей жесткостью, чем детали, работающие на изгиб и кручение.

2. Наибольшую жесткость на изгиб обеспечивают сечения с мак­симально возможным удалением части площади от нейтральной оси, а наибольшую крутильную жесткость — замкнутые кольцевые се­чения. Разрез замкнутого контура приводит к уменьшению жестко­сти при кручении в десятки и сотни раз.

3. Для уменьшения местных деформаций в базовых деталях не­обходимо применять перегородки, препятствующие искажению кон­тура и обеспечивающие совместную работу стенок. Этой же цели служат отдельные ребра и сетка ребер.

4. Рациональный выбор опорных точек позволяет значительно уменьшить деформацию. Например, при постоянном сечении балки установка опор в точках Бесселя на расстоянии 0, 223L от концов балки уменьшает прогиб от собственной массы в 48 раз по сравне­нию с прогибом при опорах на концах.

5. Снизить погрешности обработки можно применением конструк­ций, обеспечивающих наименьшие перемещения между инструмен­том и заготовкой в направлении, определяющем точность обработки. К ним, в частности, относятся симметричные конструкции.

6. Обработка базовых деталей с начальным деформированием в сторону, противоположную деформациям от массы или рабочей нагрузки, позволяет повысить точность обработки по длине. Этого Добиваются также обеспечением малого изменения жесткости по координате обработки.

7. Необходимо стремиться к рациональному балансу жесткости, чтобы жесткие базовые детали имели жесткость неподвижных сты­ков такого же порядка.