Под жесткостью упругой системы понимают её способность оказывать сопротивление действию сил, стремящихся её деформировать. Большая жесткость системы / станка является одним из важных условий достижения точности при обработке. При отсутствии достаточной жесткости под действием сил резания и других сил, система деформируется, что приводит к искажению формы детали и получению неправильных её размеров (выход из поля допуска). Чем выше требования к точности обработки детали – тем выше необходима жесткость станка.
С жесткостью системы также связано и явление вибрации. Системы, обладающие большой жесткостью, могут работать с более высокими режимами резания без появления вибраций, что обеспечивает их большую производительность.
На жестком оборудовании мы можем использовать более производительные режимы резания и таким образом сокращать Машинное время (Тмаш.) и снижать себестоимость (при прочих равных).
Жесткость станков повышается усовершенствованием их конструкции, применением дополнительных специальных устройств, а также совершенствованием технологий проектирования / расчетов / материалов и качества / технологий сборки станка.
Далее представлен пример жесткой конструкции фрезерного пятиосевого обрабатывающего центра с ЧПУ – с высокой массой покоя.
В данном станке - суммирующая силы резания при обработке эффективно распределяются по конструкции станка, исключают возникновение вибраций даже при работе на повышенных режимах резания, оказывая минимальное влияние на точность изготовления детали.
Также, высокая жесткость и стабильность для повышенных требований при фрезеровании достигается за счет использования в концепции станка высокой долей массы покоя и тщательной проработки конструкторов еще на этапе проектирования станка (в модуле FEM – математический метод конечных элементов).
Оптимизированная конструкция фрезерного обрабатывающего центра с ЧПУ – позволяет достичь высокой жесткости системы еще на этапе проектирования конструкции – с помощью специализированного инженерного ПО:
Далее представлены результаты работы инженерного ПО для пятиосевого вертикально-фрезерного обрабатывающего центра с ЧПУ:
Жесткость станка выражается величиной нагрузки, приложенной к частям станка, несущим инструмент и заготовку, и вызывающей определенные изменения в их взаиморасположении.
С большей долей вероятности скажу, что немногие видели каким именно образом оборудование проверяется на жесткость в заводских условиях.
Дело в том, что обычно это делают после непосредственной разработки станка и перед запуском этого оборудования в серию – т.к. процедура довольно трудоемкая и требует наличия специального оборудования / датчиков, а также стендов.
Тем не менее и в РФ есть соответствующие ГОСТы, которые позволяют испытать оборудование на жесткость (конечно, они есть и в ведущих станкостроительных странах – Германии, Японии, Швейцарии и т.д. – VDI, JIS, ISO…).
Кстати, часто оборудование на жесткость проверяют после значительных капитальных ремонтов. Испытание на жесткость производят в соответствии с требованиями ГОСТа 7035-54 «Станки металлорежущие».
Общие условия к стандартам жесткости по нормам, установленным в следующих стандартах:
- ГОСТ 7895-56- токарные станки;
- ГОСТ 17-59 - револьверные станки;
- ГОСТ 370-67 - вертикально-сверлильные станки;
- ГОСТ 98-50 - радиально-сверлильные ставки;
- ГОСТ 13-54 - фрезерные консольные станки;
- ГОСТ 16-59 - поперечно-строгальные станки.
В качестве устройств для нагружения используют механизмы станка или специальные домкраты, для измерения нагрузок – динамометры, а для измерения перемещений применяют соответствующие стандартные средства намерения (индикаторы, микрометры, уровни и т. п.)
Немного теории
Статической характеристикой упругой системы, в состав которой входят все детали и узлы станка, обрабатываемая заготовка и инструмент, является отношение перемещения у вершины режущего инструмента (y) к силе Р, имитирующей постоянную силу резания.
Эта характеристика называется податливостью:
k = y/P мм/Н (или мкм/Н)
Величина обратная податливости (k), называется жесткостью:
j= P/y Н/мм (или Н/мкм)
В настоящее время для некоторых моделей станков с ЧПУ фрезерной группы, например для станка DMU50 (DMG MORI), жесткость несущей системы составляет 120 Н/мкм. При испытаниях фрезерных станков, как правило (в первую очередь), исследуют их жесткость по координатам x, y, z (3 осевое оборудование), а также измеряют крутильную жесткость стола (4-5 осевые).
Справочно: для многоцелевых станков с ЧПУ средних размеров, допустимой считается жесткость 70…90 Н/мкм.
На практике, станочные производители используют в конструкции оборудования комплектующие, которые в целом должны повысить жесткость системы.
Например, многие заявляют как преимущество их оборудования в части жесткости:
По комплектующим:
- Диаметр ШВП станка 50 мм
- Ширина роликовых направляющих качения 45 мм (или – использование направляющих скольжения)
- бОльшие диаметры подшипников / использование специальных подшипников
По конструктиву:
- направляющие скольжения
- расстояние между направляющими скольжения, а также их расположение (например, ступенчатое)
- станина из полимербетона / высокопрочного чугуна
- дополнительные ребра жесткости на чугунной литой станине
- высокая масса станка
Примеры
Рассмотрим классическую компоновку вертикального фрезерного обрабатывающего центра с ЧПУ – с крестовым столом. Такой конструктив крайне распространен среди станочных производителей (особенно в Китае) – довольно незамысловатый, но проверенный временем. Однако и здесь могут быть свои особенности.
2 различных подхода можете рассмотреть на рисунках ниже.
Когда один (1) производитель желает сделать качественный и максимально жесткий станок:
В то время как второй (2) заботится в первую очередь о себестоимости:
Жесткость несущей системы данного станка по информации производителя составляет 100 Н/мкм, а жесткость второго станка составила всего 65 Н/мкм.
Разница довольно существенная и говорит о том, что первый производитель уделил жесткости станка особое внимание несмотря на значительные доработки системы (для придания ей большей жесткости) и повышение себестоимости изготовления станка. Однако при повышенной стоимости, при прочих равных, данный станок в случае силовой нагрузки не будет вибрировать даже на повышенных режимах резания и обеспечит более стабильную и точную обработку, а также сохранит точность в долгосрочной перспективе.
Кстати, многие считают, что о жесткости станка можно судить и по его массе – здесь я соглашусь, но только частично (на примере выше, масса более жесткого станка была 13 тонн – это на 28% больше, чем масса второго станка, масса которого была 10,1 тонну). Жесткость – это комплексный параметр, который зависит от массы вопросов (материал, масса, конструктив, используемые комплектующие, технологии сборки и изготовления + многое другое).
Пример из реальной жизни
Заказчик, для обработки чугунной заготовки, попросил китайского производителя установить на вертикально-фрезерный станок с ЧПУ опциональный шпиндель повышенной мощностью и крутящим моментом на конусе BT50. Ранее, данный производитель устанавливал на это оборудование только шпиндели на конусе BT40 со стандартными характеристиками по мощности 7.5кВт / 11кВт (т.е. конструктив станка изначально проектировался под использование маломощных шпинделей). Но для китайского производителя заказать и установить, что один, что другой шпиндель – не проблема (срок поставки любого шпинделя китайскому производителю на территории Китая – от 1 рабочего дня до 10). А вот проблемы начались у заказчика после того, как он решил обработать свою чугунную заготовку на повышенных режимах резания (большие съемы). В процессе обработки начались вибрации и значительное снижение точности / стабильности на готовой детали. Все потому, что изначальная конструкция станка по своей жесткости не могла (не была предварительно рассчитана) поддержать установку такого мощного шпинделя, который был рассчитан на черновую обработку на сложных режимах резания. В итоге, пришлось подбирать щадащие режимы резания, чтобы иметь возможность обрабатывать детали с необходимой точностью (при этом, производительность упала).
Выводы
Жесткость – это важнейшая характеристика станка. Она служит суммарным критерием оценки конструктивных особенностей, качества изготовления и сборки его деталей и узлов. Жесткость станков оказывает прямое влияние на точность размеров и формы обрабатываемой детали, чистоту поверхности, виброустойчивость, стойкость инструмента (+его износ), работоспособность деталей станков, а также производительность станков (а все это в конечном счете влияет на себестоимость).
В этой связи, рекомендуется обращать свое внимание на производителей оборудования, которые имеют многолетний опыт разработки оборудования и свое конструкторское и испытательное бюро. Именно они сталкивались с жесткостью оборудования и с большей вероятностью знают каким образом с ней работать. По крайней мере, опциональное оснащение их станков четко продумано и не вызовет глобальных проблем в процессе эксплуатации, а детали, которые будут изготавливаться на данном жестком оборудовании (при исключении других факторов влияющих на точность, включая режимы резания) – будут стабильны по своим геометрическим размерам, а поле допуска будет значительно уже, чем у оборудования с меньшей жесткостью.
Если вам необходимо измерить жесткость станка или доказать, что один станок более жесткий, чем другой – просим обратиться к нам, мы все расскажем / докажем и сопроводим документами.
