Корпуса коробок, пиноли

В общем случае возможны три варианта практической реализации требуемой степени подвижности (числа управляемых координат) привода, предопределяющих конструктивное исполнение его базовых деталей. При одной координате корпус коробки скоростей неподвижен – вращается шпиндель. Если же координат две, то второе движение (установочное или подача) осуществляется перемещением корпуса по направляющим станины (стойки, траверсы) либо, когда необходимо обеспечить высокую точность позиционирования, путем выдвижения пиноли (гильзы) со шпинделем на малый ход при неподвижном корпусе. Причем пиноль совершает поступательное, а шпиндель, помещенный внутри нее, – вращательное движение. Подобное устройство привода применяется при выполнении сверлильных и расточных операций, в частности на фрезерных станках. Таким образом, корпус коробки скоростей является базовой деталью привода и элементов несущей системы станка, а пиноль – базовой деталью шпиндельного узла.

Если привод снабжен пинолью, то при конструировании корпуса определяют ее основные размеры (длину, наружный и внутренний диаметры), которые, в свою очередь, зависят от параметров шпинделя. Пара корпус–пиноль фактически представляет собой цилиндрические направляющие [5, 31, 36]. При проектировании следует предусмотреть устройства для перемещения (обычно червячно-реечная передача) и фиксации (чаще всего клеммные). Эти механизмы унифицированы, поэтому их на чертежах детально не прорабатывают. На пиноли приходится значительная часть упругих деформаций станочной системы, в связи с чем на практике их подвергают проверочному расчету на жесткость. При прочих равных факторах она существенно уменьшается по мере выдвижения, поэтому максимальный ход (вылет) пиноли, как правило, ограничивается величиной, в полтора раза превышающей ее наружный диаметр.

Корпуса коробок довольно металлоемки и имеют сложную конфигурацию. Чаще всего их изготавливают методом литья обычно из серого чугуна, реже – дешевых марок стали. Сварные конструкции широкого применения не получили из-за своей дороговизны.

Очевидно, что при проектировании корпуса необходимо учитывать требования принятой технологии. Для отливок следует стремиться обеспечить как можно более простую форму, чтобы не усложнять литейную модель (количества разъемов, стержней и другое), не создавая в корпусе замкнутых полостей. Толщина наружной стенки детали должна быть одинаковой. Ее минимальную величину, выраженную в миллиметрах, находят по формуле

, (17)

где L, B, H – габаритные размеры, соответственно длина, ширина и высота корпуса коробки, м.

Для повышения жесткости корпуса применяют дополнительные ребра перпендикулярно к стенкам, а для концевых опор коротких валов – перегородки. Толщину внутренних стенок и ребер принимают равной порядка 0,7…0,8 от толщины наружной. Во избежание появления коробления, трещин и внутренних напряжений стенки должны иметь плавные переходы. Рекомендации по типовым случаям сопряжения стенок, радиусам закруглений и литейным уклонам приведены в работах [9, 22]. Для установки подшипников в стенках выполняют бобышки (утолщения), большую часть которых при значительной ширине опоры смещают внутрь. Выступающую с наружной стороны корпуса часть бобышки (платик) используют для крепления крышек опор, электродвигателей (при фланцевом исполнении) и других элементов.
В этом случае поверхность платиков подлежит чистовой обработке. Крышки проектируют также и потайными, т.е. заподлицо с наружной поверхностью корпуса – более эстетичный вариант. Корпуса конструируют, как правило, неразъемными, что предопределяет осевой монтаж валов и технологию чистовой обработки отверстий. При обработке соосных отверстий набором резцов, закрепленных на расточной оправке, их диаметры в направлении подачи инструмента иногда приходится уменьшать. Чтобы облегчить сборку привода и расточку отверстий, в корпусе выполняют специальные технологические окна (лючки). Для регулировки механизмов привода предусматривают соответствующую крышку, обычно привинчивающуюся. В легких и средних станках горизонтальные крышки при частых регулировках конструируют на шарнирах откидными. При этом следует продумать изоляцию от попадания пыли и вытекания масла. Кроме того, не следует забывать об отверстиях для маслоуказателя и слива смазочной жидкости.

Для лишения коробки скоростей всех шести степеней свободы ее устанавливают на базовую деталь станка, фиксируют в требуемом положении и притягивают болтами (винтами). Сопрягаемая поверхность может быть плоской, тогда на соответствующей стенке корпуса выполняют карманные или фланцевые платики, либо может иметь форму направляющих скольжения. При стыковке по плоскости фиксацию коробки обеспечивают коническим штифтами или шпонками, а при использовании направляющих – их конструкцией. Форма и размеры опорной поверхности, число болтов, штифтов и их размещение устанавливают по конструктивным соображениям. Диаметр винтов можно предварительно определить по эмпирическим нормам [30].

В неподвижных коробках расчету подвергают групповые резьбовые соединения и контактные деформации привода. Вычисления производят по типовым методикам [15, 27, 30] с построением расчетной схемы узла, пример оформления которой для случая с плоским стыком показан на рис. 14.

При составлении уравнений статики в качестве активно действующей нагрузки учитывают силы резания, натяжения ременной передачи и тяжести узла. Здесь крайне важно правильно установить величину, направление и координаты точки приложения сил. Как правило, при выполнении вычислений наибольшие затруднения вызывает вопрос определения веса привода G_п и координаты центра тяжести. Очевидно, что вес привода равен весу входящих в него элементов конструкции

(18)

где G_j – вес отдельных элементов (собственно коробка скоростей, электродвигатель, шкив ременной передачи, оснастка, насос и другое), Н.

Рис. 14. Расчетная схема корпуса коробки скоростей

Вес отдельных элементов рассчитывают как

, (19)

где W_j – объем элемента, м³; g_j – удельный вес материала, Н/м³; k_j – коэффициент заполнения формы, который в зависимости от функционального назначения и конструктивного исполнения элемента принимают в пределах 0,3…0,7.

После определения этого параметра, например, для коробки скоростей центр тяжести располагают примерно в геометрическом центре элемента. Для покупных изделий вес устанавливают по каталогам или справочной литературе, поступая в отношении центра масс аналогичным образом. Тогда координаты центра тяжести привода, например, в направлении оси Х находят по формуле

(20)

где х_j – координата центра тяжести j-го элемента конструкции привода, м.

В том случае, когда система получается статически неопределимой, для выявления реакций опор приходится делать некоторые допущения. Например, считают, что момент внешних сил относительно одной из осей координат рас­пределяется между опорными поверхностями пропорционально их размерам.

Существо расчета резьбовых соединений заключается в определении по­требной силы затяжки каждого болта, выявлении наиболее нагруженного и проверке давления в стыках, в результате чего уточняют количество и размеры крепежных элементов, а также площадь базовых поверхностей. Полученные контактные давления служат основой для расчета упругих деформаций узла.

На базовой поверхности подвижных коробок скоростей отображают при­нятую форму направляющих скольжения или качения. Их конструкции стан­дартизованы [3, 15, 27]. Тяговое устройство не разрабатывают, однако предла­гают решение по его реализации. Если корпус коробки осуществляет только ус­тановочные перемещения, необходимо предусмотреть специальный механизм его зажима на время обработки деталей.

Направляющие скольжения рассчитывают по типовым методикам на кон­тактные давления и деформации, а качения – на контактную прочность и же­сткость [15, 27]. Получаемые при этом расчетные схемы во многом аналогич­ны приведенной выше.

Система управления

Программные и непрограммные системы управления (СУ) станками, не­смотря на известные отличия, в общем случае содержат: задающий орган, соб­ственно механизм управления, состоящий из передаточного устройства и ис­полнительного органа, а в необходимых случаях – элементы обратной связи и индикации.

Цепь управляющей команды в зависимости от степени автоматизации обо­рудования может быть реализована на базе различных видов энергии: механи­ческой, электрической, пневмогидравлической, но чаще всего их комбинаций. Это предполагает многообразие возможных решений. Задающий орган (руко­ятка, кнопка, командоаппарат, система ЧПУ и другое) представляет собой началь­ное звено настройки параметров исполнительных движений. Его команды про­ходят по цепи механизма управления (передач шестерня-рейка или винт-гайка, двигатель, кулачковый механизм), и посредством исполнительного органа, являюще­гося конечным звеном (вилка, поворотный камень и т. п.), осуществляется управление объектом (зубчатое колесо, муфта, шкив).

На конструктивные варианты СУ сильно влияет также принятый способ переключения частот вращения шпинделя и осуществления его останова (тор­можения) и реверса. В ПГД применяют два разных способа:

· путем осевого смещения по валам зубчатых блоков и полумуфт, в резуль­тате чего они выходят из одного зацепления и включаются
в другое;

· путем передачи крутящего момента зубчатым колесам, находящимся в постоянном зацеплении при помощи электромагнитных и гидравлических фрикционных муфт.

Первый способ получил наибольшее распространение в универсальных станках, хотя чаще способы используют комплексно. Реверсирование и тормо­жение можно осуществить также электродвигателем.

Непрограммные СУ бывают с ручным (РУ) и дистанционным (ДУ) управ­лением. И каждую из них можно выполнить с применением индивидуальных, групповых и централизованных механизмов [15, 25, 27].

Таким образом, конструктивное исполнение СУ, т.е. совокупность эле­ментов, устройств и механизмов, реализующих требуемую цепь команды управления, зависит от многих факторов. Поэтому при проектировании СУ следует проанализировать варианты альтернативных решений в рамках задания и выбрать наиболее рациональный.

При РУ подробной конструктивной проработке подлежат все звенья цепи управления: от задающего до исполнительного органа с максимальным исполь­зованием типовых устройств [11, 15, 30]. РУ характерно тем, что рукоятки и кнопки располагаются непосредственно на корпусе коробки скоростей в удоб­ной для обслуживания зоне. Причем их количество должно быть минимальным. ДУ подразумевает значительную удаленность зоны обслуживания от узла, по­этому задающие органы должны быть размещены вне привода (аналогично программному управлению – ПУ), например, на выносном пульте управления станком. В системах ДУ и ПУ разрабатывают конструкцию только собственно механизма управления.

Проектирование СУ выполняют поэтапно в такой последовательности. Ко­личество объектов управления (ОУ) и перечень необходимых команд управле­ния определяют на стадии формирования технического предложения. При эс­кизной компоновке узла в первую очередь решают вопрос о месте панели управления на корпусе коробки в соответствии с эргономическими требова­ниями и выделяют зоны под размещение передаточных механизмов и исполни­тельных органов СУ с учетом положения ОУ, обеспечивая кратчайшую длину цепей управления.
Затем ищут конструктивные решения этих цепей и разрабатывают схему управления приводом.

При наличии в схеме механических связей (рис. 15) производят ки­нематический расчет цепей по методике [30]. Его цель – увязка перемещений ЗО и ИО, т. е. определение геометрических параметров элементов СУ: длин рычагов и углов поворота, передаточных отношений передач, диаметров кулачков, ходов подвижных блоков и другое.

Рис. 15. Кинематическая схема системы управления

Предварительную конструктивную проработку элементов СУ осуществляют в упрощенном виде, решая одновременно вопросы их взаимной стыковки.

В кинематических группах, состоящих из двух подвижных блоков, обязательно предусматривают блокировочные устройства [11].

Фрикционные муфты подбирают по номинальному крутящему моменту [4, 15, 24], обращая особое внимание на соответствие их размеров посадочным диаметрам валов и габаритам присоединяемых зуб­чатых колес. В СУ, построенных с исполь­зованием электрических и гидравлических устройств, продумывают вопросы разме­щения соответствующей аппаратуры: дат­чиков, конечных выключателей и другой. При этом необходимо иметь в виду, что большинство элементов современных СУ унифицированы [4, 11, 25, 31].

Компоновка СУ служит базой для составления расчетной схемы (рис. 16) и выполнения проверочных силовых расчетов [25, 30].

Рис. 16. Расчетная схема системы управления

Основной расчет сводится к определению усилий на ЗО и сравнению их с допустимыми. При этом КПД цепи управления в зависимости от ее сложности принимают в пределах 0,75...0,95, а необходимые осевые усилия для переклю­чения подвижных блоков в первом приближении – 20...30 Н. Кроме того, при вертикальной компоновке привода осуществляют проверку на надежность фик­сации блоков и рукояток, а при внецентровом приложении внешних нагрузок на подвижные
детали – на отсутствие защемляющего эффекта. На заключи­тельной стадии проектирования все элементы СУ подлежат полной конструк­тивной проработке.

Система смазывания

В практике станкостроения применяют системы смазывания индивиду­ального и централизованного типа. Первые обеспечивают смазку элементов и механизмов только одного узла, т.е. они автономны. Во втором случае ее осу­ществляют от единой системы станка.

Приступая к разработке системы, прежде всего выявляют точки смазывания, а затем выбирают наиболее рациональные материал и способ его подачи к тру­щимся поверхностям.

Подшипники качения смазывают пластичным и жидким материалом, зубчатые передачи и муфты – только жидким.

Одним из основных критериев выбора способа смазывания опор является параметр их быстроходности [15, 20, 23]. Консистентную смазку обычно ис­пользуют, когда по условиям работы специального охлаждения опор не требу­ется (при окружных скоростях до 4,5 м/с), при вертикальной компоновке при­вода и в ШУ, изолированных от зубчатых колес. К ее основным достоинствам можно отнести хорошую смазы­ваю­щую способность, высокие защитные свой­ства от коррозии, экономичность и другие, а к недостаткам – плохую охлаж­дающую способность и потребность в тщательном уходе: периодическом ос­мотре опор, пополнении и смене материала. Жидкие смазочные материалы по­зволяют организовать замкнутые системы проточного типа. Последние реали­зуются на базе многих известных способов: циркуля­цион­ного, впрыскиванием, капельного (по фитилю или через дозатор), постоянным или периодическим масляным туманом. Несмотря на довольно значительный иногда расход материала и возможность утечек (что диктует потребность установки защитных и уплотнительных устройств), жидкие смазки, кроме создания достаточно на­дежного
эффекта смазывания, хорошо отводят теплоту, уносят продукты изно­са и практичны в эксплу­атации.

В связи с повышенными требованиями особое внимание следует уделять вопросу смазки опор ШУ, предусматривая в необходимых случаях независимую от других элементов привода систему.

Зубчатые передачи и муфты смазывают способом поливания: под давлени­ем и без него (через резервуар с отверстиями, помещенный в верхней части корпуса коробки) и крайне редко разбрызгиванием
(при окружных скоростях шестерен от 1 до 6 м/с).

Таким образом, имеется достаточно большое количество вариантов прак­тической реализации системы смазывания привода. Их необходимо про­анализировать и выбрать оптимальный, по возможности избегая применения разных марок масел.

Как автономные, так и централизованные системы обеспечивают прину­дительный характер движения жидкости: после очистки (фильтрации) она вновь подается к смазочным точкам. Первый тип систем, как правило, вклю­чает насос, фильтры, распределитель, трубопроводы, маслоуказатель, пробку для слива жидкости, уплотнения и защитные шайбы, а при необходимости и другие устройства: клапаны давления, дозаторы, обратные клапаны, мано­метры, теплообменник. Конструкция централизованных систем значи­тельно упрощается за счет сокращения номенклатуры гидроаппаратуры [32].

Проработку конструкции смазочной системы начинают с составления принципиальной гидравлической схемы, пример оформления которой показан на рис. 17.

После этого на основе урав­нения теплового баланса определяют потребный расход масла для сма­зывания всех точек приво­да [35].
По нему находят производительность насо­са, на основе которой
под­бирают всю аппаратуру в соответствии с разрабо­танной схемой
и рассчиты­вают объем резервуара для масла [4, 9, 15, 32, 35].
Вязкость и марку смазоч­ного материала устанавли­вают по рекомендациям [15].

Рис. 17. Гидравлическая схема смазочной системы:

1, 4 – фильтры; 2 – насос; 3 – клапан давления; 5 – масло-
охладитель; 6 – маслораспределитель; 7 – дроссель;
8 – резервуар

На чертеже привода в целях упрощения разводку трубопроводов от маслораспределителя к смазочным точкам не показывают. В централизованных системах следует предусмотреть элементы для подвода и отвода жидкости, а также устройства для контроля поступления ее в корпус коробки скоростей.

Компоновка привода

Очевидно, что поиск решения данной задачи нужно вести, основываясь на ранее разработанной концепции привода, включавшей в том числе и вопрос eго предварительной компоновки. При компоновке привода, кроме обеспечения его работоспособности, решают и ряд других задач. К основным из них можно отнести: технологичность
изготовления корпуса, сборки и обслуживания при­вода; компактное
заполнение пространства коробки деталями; пропорциональ­ность размеров; эстетичность и другие. В результате компоновки уточняют внешний вид привода и место положения электродвигателя, решают вопросы размещения органов управления и устройств контроля смазки на корпусе и другое.

Как правило, компоновку осуществляют в такой последовательности: строят продольную и поперечную компоновочную схемы, определяют ориен­тировочно контуры коробки, вписывают в отведенные места элементы сма­зочной системы и механизмы управления, вносят необходимые коррективы, выполняют проверочные расчеты деталей, уточняют принятые конструктивные решения и приступают к окончательной доработке чертежа, включая построе­ние внешнего вида привода. Разумеется, что это лишь примерный план, тогда как в действительности приходится неоднократно возвращаться на том или ином этапе к ранее принятым и, казалось бы, оптимальным техническим реше­ниям. Поэтому необходимо тщательно продумывать все решения и предвидеть их возможные последствия.

Разработку чертежа общего вида привода начинают с построения про­дольной компоновочной схемы – продольного разреза (развертки) с упрощен­ным изображением входящих в него деталей (рис. 18). На развертке осевые ли­нии всех валов лежат в одной плоскости, т.е. она фактически представляет со­бой конструктивное отображение кинематической схемы привода. Сначала наносят межосевые расстояния передач, затем диаметры валов под приводными шестернями и размещают на них зубчатые колеса, муфты, шкивы, подшипники. Все элементы вычерчивают упрощенно: показывают только контуры деталей, допускается рассматривать их прозрачными, штриховые линии можно не нано­сить. Размерным параметром, подлежащим оптимизации, здесь обычно является длина корпуса коробки. Ее получают в результате компактного распо­ложения на валах связанных с ними деталей. Однако возможны варианты, ко­гда этот размер лимитирован либо оптимальным межопорным расстоянием ШУ, либо рамками общей компоновки станка. Тогда задача сводится к вписы­ванию всех механизмов в требуемые осевые габариты, для чего приходится уменьшать осевые размеры элементов, применяя известные способы, например, разделение блоков колес на составные части, рациональное их конструирование и другие [6, 11, 22].

Рис. 18. Компоновочные схемы привода

Параллельно, еще до конца не выполнив продольную схему, приступают к по­строению поперечной компоновочной схемы. Она отображает поперечный раз­рез (свертку) привода, т. е. реальное положение валов в пространстве. В прин­ципе этих разрезов должно быть столько, сколько необходимо для полного понимания конструкции привода. Но на данном этапе в целях упрощения можно выполнять наложенные сечения. Комплексный подход к разработке схем необ­ходим для исключения ошибок, чтобы все конструктивные решения были увя­заны. При этом стремятся минимизировать площадь, занимаемую передачами, так как она во многом определяет два других размера коробки: ширину и высо­ту. Однако следует помнить, что минимизация параметров свертки может при­вести к ухудшению условий обеспечения развертки и наоборот.

Построение поперечного разреза ведут с учетом компоновки станка в та­кой примерно последовательности: намечают базовую плоскость, привязывают к ней ось шпинделя, принимают решение по варианту размещения валов и оп­ределяют положение панели управления по отношению к опорной стороне кор­пуса и оси шпинделя.

Если ось шпинделя параллельна базовой поверхности стенки корпуса, то на поперечном разрезе привода ее намечают на таком удалении, чтобы имелась возможность выдержать основной размерный параметр станка. При анализе ва­риантов расположения валов в простран­стве рассматривают целесообразность применения одной из трех возможных схем: ломаная линия, соединяющая цен­тры валов, имеет форму «змейки» или «скобы» либо валы размещают в одну ли­нию. Последний вариант характерен для вертикальной компоновки, когда опорная поверхность перпендикулярна оси шпинделя (как правило, сверлиль­ные и фрезерные станки). При свертывании намечают положение панели управления, смещая валы с подвижными блоками колес по возможности ближе к ней. Кроме того, следует обратить внимание на положение приводной по от­ношению к шпинделю шестерни, поскольку от этого зависят величина прогиба его переднего конца и нагрузка на опоры [15], а также на местонахождение входного вала при фланцевом креплении электродвигателя, смещая его к зад­ней стенке корпуса. По окончании этой работы прочерчивают контур корпуса, оставляя пространство для вспомогательных устройств.

Рис. 19. Компоновочные схемы систем управления и смазки

Затем осуществляют конструктивную проработку в схемном виде уст­ройств смазывания и механизмов управления одновременно на продольном и поперечных разрезах (рис. 18, 19). Как правило, это приводит к потребности уточнения контура корпуса. При назначении зазора между внутренней стенкой корпуса и внешними поверхностями вращающихся деталей придерживаются рекомендаций, приведенных в работах [11, 30].

По итогам компоновочных решений на схемах проставляют все необхо­димые для расчетов размеры. И только после выполнения проверочных рас­четов приступают к окончательной доработке конструкции привода.