АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ МОДУЛЬНЫХ НЕСУЩИХ СИСТЕМ ПРЕЦИЗИОННЫХ ТОКАРНЫХ СТАНКОВ С ЧПУ

УДК 621.941-216

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-501-507

АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ МОДУЛЬНЫХ НЕСУЩИХ СИСТЕМ ПРЕЦИЗИОННЫХ

ТОКАРНЫХ СТАНКОВ С ЧПУ

А.В. Исаев, С.В. Лядник, А.А. Широков, А.В. Исаев, А.А. Зеленский, В.Р. Купцов

На основании функциональных взаимосвязей структурных элементов прецизионных токарных станков с ЧПУ с параметрами технологической системы в статье выполнен анализ технических требований к конструкциям модульных несущих систем данных станков, включая выбор материала базовых деталей. Предложен модульный принцип проектирования прецизионных токарных станков с ЧПУ, обладающих повышенной жесткостью и виброустойчивостью, с использованием графовых моделей. Целью работы является создание научно-технической базы для промышленного производства на территории России высокоточных токарных станков, имеющих конкурентные преимущества при выполнении операций твердого точения и высокопроизводительной обработки.

Ключевые слова: несущая система станка, прецизионные токарные станки с ЧПУ, проектирование металлообрабатывающих станков.

Ключевой задачей обеспечения технологического суверенитета Российской Федерации является технологическое обеспечение производственных систем. Поэтому разработка и создание новых конструкций технологического оборудования таких как прецизионные токарные станки с числовым программным управлением (ЧПУ) входит в число приоритетных задач отечественной станкоинструменталь-ной промышленности. Ниже рассматривается метод проектирования горизонтального прецизионного токарного станка с ЧПУ (ГПТС с ЧПУ), предполагающий автоматизированное создание возможных конфигураций конструкций на основе информации о стандартных конструктивных модулях станков. Модуль — это конструктивно и функционально законченная единица, являющая составной частью проектируемого станка.

Анализ функциональных взаимосвязей структурных элементов прецизионных токарных станков с ЧПУ и параметров внешней среды. Станок является основным элементом технологической системы. Поэтому при проектировании ГПТС с ЧПУ, как и любых других технических систем, целесообразно составить описание как устройства самого объекта, так и характера его функциональных взаимосвязей с элементами и процессами окружающей среды [2, 4]. Для этого удобно использовать модели в виде гиперграфов. На рис. 1 совмещены два гиперграфа: Г - гиперграф функциональных взаимосвязей станка как технической системы с его технико-экономическими показателями и факторами внешней среды, т. е. технологической системы; Г2 - гиперграф внутренней структуры станка, определяющая взаимосвязи его общих технических показателей и параметров отдельных структурных составляющих. К основным техническим характеристикам подобных станков, как правило, относят класс точности (вершина X[), масса (X2), габариты (X3), расстояние между центрами (X'4), максимальный диаметр обрабатываемой заготовки (X5), общую мощность приводов (X6) и число управляемых координат X7 . Основные структурные составляющие ГПТС с ЧПУ включают: несущую систему (вершина Xi), подвижные элементы (X2), систему ЧПУ (X3) и внешние системы станка (X4). Таким образом, упомянутые гиперграфы могут быть записаны в виде:

Г1 ={X01-X04 }v{X001--X004 }, Г2 = {Xr...Xr}v Jx,-,

i=1

4 2 2 i i

U Xi = U X1k U X2k U X3k и X4k i=1 k=1 k=1 k=1 k=1

Несущая система является предметом анализа в данной статье, и ее структура будет описана ниже. Подвижные элементы станка включают в себя главный привод (вершина X21) и приводы подач (X22). Главный привод может быть конструктивно связан из передней бабкой (ПБ, X211), задней бабкой (ЗБ, X212), устройством автоматизированной смены инструмента (УАСИ, X213) и другими узлами станка (X21i). Приводы подач могут быть исполнены в виде направляющих (X221), шарико-винтовых передач (X222) или иначе (X22l). Система ЧПУ в общем случае включает в себя программируемый логический контроллер (ПЛК, X31), датчики обратной связи (X32), также в ее состав может быть интегрирована система мониторинга и диагностики (СМД, X33) и иные элементы (X3l). Внешние системы могут быть представлены в виде конвейера для удаления стружки (КУС, X41), системы подачи смазочно-охлаждающей технологической среды (СПСОТС, X42), устройства смены заготовок (УСЗ, Xs3) и других систем (X5l).

Вершины нижнего уровня гиперграфа Г2 (хщ.. .хщ, Х1211.. .xmj и т. д.) представляют собой конкретные конструктивные варианты соответствующих элементов или узлов станка.

Общ. мощность

ж)

Горизонтальный прецизионный токарный станок с ЧПУ

Г

Несущая система

XI

Подвижные элементы

X

л

счпу Внешние

системы

хз

мон.

Сб. Х12

_

Гл. прнюд Х21

приводы

подач

_ хгг

плк ДОС смд

Х31 Х31 хзз К 31

Стан Х121

КШБ XI22

Осн. Х123

П6 Х211

эе

Х212

УЛСИ Х213

Напр Х221

швп

Х222 Х221

Рис. 1. Гиперграф функциональных взаимосвязей конструкции горизонтального прецизионного токарного станка с ЧПУ с факторами внешней среды и технико-экономическими показателями

Анализ модульных несущих систем прецизионных токарных станков с ЧПУ Несущая система станка (вершина Х1 графа Г2) является одним из основных конструктивных элементов, обеспечивающим требуемое взаимное расположение в пространстве режущего инструмента и обрабатываемой заготовки в условиях действия сил резания, тепловых воздействий и собственного веса узлов [1]. Несущие системы бывают монолитными (узел Х11 графа Г2) и сборными (Х12). Последние конструктивно реализованы как совокупность базовых узлов, расположенных между режущим инструментом и заготовкой, таких как станина (Стан., Х121), корпуса шпиндельных бабок (КШБ, Х122), основание (Осн., Х123), а также стойки, колонны, траверсы и др. (Х121).

Характеристики несущих систем во многом определяются физико-механическими свойствами используемых материалов, а также формой, размерами, точностью и качеством изготовления, и взаимным расположением дополнительных стенок, перегородок и ребер жесткости и других элементов.

Станина — основная неподвижная часть несущей системы ГПТС, на которой размещаются и по которой перемещаются остальные узлы и механизмы в условиях допустимых воздействий рабочих нагрузок и внешней среды в течение заданного периода эксплуатации [7]. При проектировании станин необходимо, помимо прочего, учесть технологические и эксплуатационные аспекты, связанные с выбранным способом эвакуации стружки и СОЖ, рациональным взаимным расположением узлов и агрегатов и т. д.

Обеспечение требуемой геометрической точности станка возможно при достаточно высоких значениях следующих параметров станины: 1) геометрической точности изготовления взаимного положения базовых поверхностей; 2) статической и динамической жесткости, определяемых контактными деформациями стыков и деформациями самих базовых деталей; 3) демпфирующих свойств; 4) долговечности, заключающейся в долговременном постоянстве конфигурации базовых деталей и сохранении исходной точности в течение определенного срока эксплуатации. Также необходимо обеспечить отсутствие коробления как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации базовых деталей, и оптимальный коэффициент трения по направляющим. Выполнение всех перечисленных требований в сочетании с технологичностью и оптимальной стоимостью изготовления удовлетворяется выбором конструктивных решений и расчетом конструкции несущей системы и ее модулей, а также выбором материала базовых деталей.

Материалы элементов несущих систем станков. Чугун — самый распространенный материал базовых деталей, обладающий хорошей жидкотекучестью и малой усадкой за счет наличия в структуре свободного углерода в виде графита [5]. Благодаря графиту чугун как материал для базовых деталей имеет преимущества перед сталью — весьма низкая чувствительность к дефектам поверхности, хорошая работа на сжатие, лучшие демпфирующие свойства. Серые чугуны имеют лучшую демпфирующую способность, чем высокопрочные. Поэтому тяжелые базовые детали изготавливают преимущественно из

нелегированных серых чугунов марок СЧ 15, СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30 [3]. Для монолитных направляющих повышенной износостойкости и для станин прецизионных станков применяют марку СЧ 21. Марки СЧ 32 и СЧ 36 имеют плохие литейные свойства, но обладают хорошей прочностью и износостойкостью, поэтому их применяют в базовых деталях простой формы интенсивно нагруженных мало- и среднегаба-ритных станков. Используются и легированные чугуны с присадками №, Сг, Mg, V и других элементов. Такие чугуны дороже, но позволяют снизить металлоемкость станин при сохранении необходимой жесткости, повысить размерную точность литья, уменьшить величины припусков под обработку и улучшить износостойкость монолитных направляющих.

В деталях, отлитых из чугуна, образуются остаточные напряжения, могущие вызвать коробление базовых деталей и снижение точности станка. Для снятия этих напряжений применяют различные методы: искусственное и естественное старение (последнее может занимать 5—15 лет), метод термоудара, отжиг и др.

В целом, сочетание массивности направляющих и тонких стенок отливки станины являют собой техническое противоречие, которое может быть разрешено разными путями: оптимальным выбором марок чугуна и технологий литья; уменьшением разницы толщин направляющих и стенок станины; упрочняющей обработкой направляющих; применением накладных направляющих. При этом основным методом упрочнения чугунных и стальных направляющих станин является поверхностная закалка. Твердость направляющих скольжения достигает 48—52 HRC и выше [1, 7].

Низкоуглеродистые стали применяют для изготовления сварных базовых деталей относительно простой конфигурации, работающих при высоких нагрузках. В сравнении с литыми чугунными конструкциями, сварные несущие системы имеют следующие преимущества: меньшую на 30-40% массу при той же жесткости, т. к. модуль упругости стали почти в 2 раза выше, чем у чугуна (табл. 1); возможность применения оптимизированных с точки зрения жесткости конфигураций; возможность исправления дефектов конструкции; меньшая трудоемкость и большая универсальность методов механообработки [1].

В несущих системах токарных станков используется, в основном, листовая сталь марок Ст3, ВСт3, Ст4 или Ст5 сравнительно большой толщины (8.. .12 мм). Типы и марки сталей для элементов несущих систем станков стоят дороже чугуна [9].

При изготовлении станин после сварки стальных профилей применяется отпуск для снятия остаточных напряжений, после чего могут быть дополнительно наварены поперечины, повышающие общую жесткость конструкции [8]. Направляющие зачастую изготавливаются отдельно и монтируются на стальные станины.

Наряду с чугуном и сталью для изготовления станин используются другие металлические материалы, в частности, алюминиевые сплавы марки АД31 или ее аналогов 6060 и 6063. Алюминий обладает высокой теплопроводностью, а его плотность существенно (в 2,5—2,9 раз) меньше плотности стали и чугуна. В общем случае, применение легких сплавов актуально для изготовления подвижных деталей и узлов станков.

Для ультрапрецизионных станков важно минимизировать температурное расширение конструкции, для чего применяют инвар (сплав Fe и № с легированием Мп, Si, С и Со), имеющий очень низкий или даже отрицательный коэффициент температурного расширения.

Таблица 1

Физические свойства материалов базовых деталей_

Физическое свойство Чугун серый Сталь Бетон Полимер-бетон

Плотность, р, г/см3 7,0.7,4 7,5.7,9 1,6.2,4 2,0.2,6

Модуль упругости, Е, 104, Н/мм2 8.15 19.22 1,4.4,0 2,5.5,0

Коэффициент Пуассона, ц 0,26 0,25.0,33 0,15.0,2 0,25.0,36

Коэффициент теплового расширения, а, 10-6 / °С 8,0.10,4 10.13 11.14 15.18

Теплопроводность, X, Вт/(м  ° С) 45.62 80 0,3.0,9 0,5.1,9

Предел прочности при изгибе, ов, Н/мм2 100.400 380.650 5.60 10.150

Предел прочности при сжатии, осж, Н/мм2 700 н/д 4,5.76 30.200

Логарифмический декремент затухания колебаний 0,003.0,008 0,0023 0,02 0,02.0,08

Бетоны в сравнении с чугунами имеют большую тепловую инерцию, из-за чего менее чувствительны к изменениям температуры. Модуль упругости бетона ниже (табл. 1), из-за чего равная жесткость станины в сочетании с эффективным виброгашением достигается простым увеличением толщины стенок. Удельный вес бетона примерно на 30% ниже, что, с учетом армирования стальным каркасом, дает экономию металла в 40.60% [1]. В конструкциях бетонных станин создают предварительный натяг для противостояния растягивающим напряжениям. Направляющие и другие детали заливают прямо в бетон. Недостатки бетона — поглощение влаги, ведущее к изменению объема, и повреждения при попадании на него масла, в связи с чем необходимы соответствующие специальные защитные мероприятия.

Минеральное литье представлено высоконаполненными композиционными материалами, имеющими разнообразные наименования: искусственный гранит, синтегран, синтетический камень, по-лимербетон и т. д. Они состоят из наполнителя (кварц (силикат), гранитная или мраморная крошка) и связующего материала — эпоксидной акриловой или метакриловой смолы с отвердителем. Обладая достоинствами бетонов, полимербетоны менее подвержены воздействия масла и влаги (табл. 2) [7]. Конкретные составы минерального литья являются интеллектуальной собственностью производителей.

Таблица2

Эксплуатационные характеристики чугуна и некоторых видов минерального литья_

Характеристика Серый чугун СЧ18 Кварцевое литье Гранитное литье

Достижимая шероховатость поверхностей деталей, Яа, мкм до 3,2 до 1,6 до 2,0

Температура эксплуатации без критических деформаций геометрии, °С +23±2 +18.28 +20.+25

Впитываемость воды по весу, % 0 0,02 0,33

Относительная стоимость единицы объема материала 1 от 0,8 от 0,6

При изготовлении полимербетонных станин к отлитому блоку металлические элементы (планки, плиты, направляющие) приклеиваются, а тяжелонагруженные детали дополнительно крепятся винтами. Трудоемкость изготовления таких станин в 1,5—3 раза меньше, чем чугунных.

Преимущества станин из минерального литья по сравнению с чугунными - стабильность размеров, лучшая теплостойкость и более высокая демпфирующая способность (в 3,5—6 раз), растущая при увеличении содержания связующего. По сравнению с бетонами минеральное литье имеет лучшую стойкость к действию агрессивных веществ (кислот, масел, СОЖ).

Природные материалы находят свое применение в изготовлении несущих систем легких прецизионных станков класса С. Это обусловлено высокой демпфирующей способностью, температурной стабильностью, а также наличием продвинутых технологий обработки натурального камня (гранит). Натуральные материалы не требуют трудоемкой термической обработки, однако их широкому распространению по-прежнему препятствует высокая трудоемкость добычи и обработки сырья. Основное применение гранитов - изготовление несущих систем, имеющих простую конфигурацию в виде массивной плиты. Вследствие хрупкости натурального камня и для удобства монтажа и эксплуатации такие станины, как правило, устанавливаются на сварную стальную раму.

Модульный принцип проектирования прецизионных токарных станков с ЧПУ Гибкий модульный подход к проектированию ГПТС с ЧПУ подразумевает использование графовых моделей в рамках иерархической четырехуровневой системы. Конструкция станка представлена в виде ориентированного графа, вершины которого соответствуют конструктивным единицам (модулям) станка, а ребра — передаваемым или воспринимаемым усилиям. Уровни системы описывают: 1) станок в целом; 2) схемы соединения узлов в соответствии с основным и вторичным направлением передачи усилий; 3) попарные соединения элементарных конструктивных модулей; 4) элементарные конструктивные модули. [11]. Особенностью такой системы является то, что каждый уровень использует решение, полученное на предыдущем уровне, что соответствует принципам системного подхода и позволяет наиболее рациональным образом пошагово генерировать конструктивную схему станка, как показывает граф Гз на рис. 2.

Уровень!

Структурная схема станка

Основное направление передачи усилии

Вторичное направление

передачи усилий

Уровень 3

Попарные соединения элементарных конструктивных модулей

Линейные перемещения

Угловые перемещения и вращения

Поддержка

или фиксация

Уровень4

Элементарные конструктивные модули

Рис. 2. Графовая иерархическая модель конструкции станка

Сочетание графовых моделей, представленных на рис. 1 и рис. 2, позволяет генерировать в автоматизированном режиме множество структурных схем станка, из которых выбирают вариант, соответствующий техническому заданию. Процедура выбора может быть формализована путем применения системного анализа и теории принятия решений [6].

На основании проведенного анализа с учетом требуемых технико-экономических показателей, определяемых техническим заданием на проектирование отечественного ГПТС с ЧПУ, выбрано техническое решение несущей системы разрабатываемого станка. Наклонная станина с закаленными направляющими и корпус передней бабки, отлитые из чугуна СЧ 20, будет установлена на основание, свариваемое из стальных профилей марки ст3. Трехмерная модель спроектированной несущей системы приведена на рис. 3.

Рис. 3. Трехмерная модель несущей системы прецизионного токарного станка с ЧПУ

Заключение. Приведена структурно-параметрическая модель конструкций прецизионных токарных станков с ЧПУ. Определены функциональные связи элементов конструкции станка с его технико-экономическими показателями и факторами внешней среды. Выполнен анализ модульных несущих систем данных станков, сформулированы технические требования к ним. Разработано техническое решение несущей системы отечественного прецизионного токарного станка с ЧПУ для операций твердого точения и высокопроизводительной обработки, которое в дальнейшем будет использовано на этапе технического проекта этого станка.

Список литературы

1. Бушуев В.В. Металлорежущие станки. Т. 2: учебник / В.В. Бушуев, А.В. Еремин, А.А. Ка-койло и др.; под ред. В.В. Бушуева. М.: Машиностроение, 2012. 584 с.

2. Гречишников В.А. Наука и искусство системного моделирования инструментального обеспечения машиностроительных производств: монография. М.: КУРС, 2016. 373 с.

3. Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. 544 с.

4. Исаев А.В., Лядник С.В., Купцов В.Р. Анализ конструкций приводных инструментальных блоков для прецизионных токарных станков с ЧПУ // Вестник МГТУ «Станкин» № 4 (63), 2022. С. 75-80.

5. Материаловедение (металлообработка): учеб. пособие для нач. проф. образования / А.М. Адаскин, В.М. Зуев. 10-е изд., стер. М.: Издательский центр «Академия», 2013. 288 с.

6. Кузнецов В.А., Черепахин А.А., Смирнов А.В. Системный анализ и моделирование технологических методов изготовления детали: монография. М.: РУСАЙНС, 2019. 248 с.

7. Технология станкостроения: электронный учебно-методический комплекс дисциплины для студентов спец. 1-36 01 03 "Технологическое оборудование машиностроительного производства" дневной формы обучения / М.И. Михайлов [и др.]. Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого, 2015. [Электронный ресурс] URL: https://elib.gstu.by/handle/220612/13726 (дата обращения: 10.03.2023).

8. Технология обработки станин для станков «Саста». [Электронный ресурс] URL: https://vk.eom/@stankozavodsasta-tehnolo giva-obrabotki-stanin-dlva-stankov-sasta

9. Станина - основа станка. [Электронный ресурс] URL: https://www.tigertee.ru/artieles/art4 (дата обращения: 28.03.2023).

10. Зеленский А.А., Морозкин М.С., Панфилов А.Н. и др. Проблема зависимости оборонно-промышленного комплекса россии от импорта технологического оборудования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 9. С. 203-207.

11. Shinno H., lto Y Computer Aided Concept Design for Structural Configuration of Machine Tools: Variant Design Using Directed Graph // Journal of Mechanisms, Transmissions, and Automation in Design. Sept., 1987. Vol. 109. P. 373-376.

Исаев Александр Вячеславович, канд. техн. наук, доцент, avisz@yandex.ru, Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,

Лядник Сергей Владимирович, преподаватель, lyadnik@gmail.com, Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,

Широков Александр Александрович, старший преподаватель, a.shirokov@stankin.ru, Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,

Исаев Алексей Вячеславович, заведующий лабораторией технологий проектирования, испытаний и ремонта металлорежущих станков, alexey.isaev@stankin.ru, Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,

Зеленский Александр Александрович, канд. техн. наук, доцент, zelenskyaa@gmail.com, Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,

Купцов Владимир Романович, генеральный директор, vrk@stankorus.ru, Россия, Москва, ООО «Станкорус»

ANALYSIS AND DESIGN OF MODULAR FRAMES FOR HIGH-PRECISION CNC LATHES A.V. Isaev, S. V. Lyadnik, A.A. Shirokov, A.V. Isaev, A.A. Zelensky, V.R. Kuptsov

Basing on the functional relationships between structural elements of high-precision CNC lathes and machining system parameters, an analysis of technical requirements used for designing modular frames, including the choice of material for base parts of precision CNC lathes is considered in present paper. A modular principle for designing high-precision CNC lathes with increased rigidity and vibration resistance using graph models is proposed. The aim of this work is to create a research and technical base for batch production in Russia of high-precision CNC lathes having competitive advantages in the field of hard turning and highperformance machining.

Key words: lathe machine frame, high-precision CNC lathes, design of metalworking machines.

Isaev Aleksandr Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, docent, avisz@yandex.ru, Russia, Moscow, Moscow State University of Technology «STANKIN»,

Lyadnik Sergey Vladimirovich, lecturer, lyadnik@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow State University of Technology «STANKIN»,

Shirokov Aleksandr Aleksandrovich, senior lecturer, a. shirokov@stankin.ru, Russia, Moscow, Moscow State University of Technology «STANKIN»,

Isaev Aleksey Vyacheslavovich, head of laboratory for designing, testing and repairing metal-cutting machines, alexey.isaev@stankin.ru, Russia, Moscow, Moscow State University of Technology «STANKIN»,

Zelensky Aleksandr Aleksanrovich, candidate of technical sciences, docent, zelenskyaa@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow State University of Technology «STANKIN»,

Kuptsov Vladimir Romanovich, general director, vrk@stankorus.ru, Russia, Moscow, «Stankorus»

company