Станины

Основным требованием, предъявляемым к станине станка, является длительное обеспечение правильного взаимного положения узлов и частей, монтированных на станине, при всех предусмотренных режимах работы станка, что достигается неизменностью соответственно расположенных на станине базирующих поверхностей для основных узлов станка. Базирующие поверхности для перемещающихся частей называются направляющими движения и направляющими перестановки.

Отсюда вытекает предъявляемое к станинам, наряду с требованиями прочности, удобства изготовления, малой «металлоемкости» и достаточно низкой стоимости, основное требование неизменности формы станины, которая достигается: выбором материала станины и технологии ее изготовления, такой жесткостью станины, при которой ее деформации под действием наибольших усилий во время работы станка не выходят за пределы, сообразованные с допусками на неточность обработки, виброустойчивостью станины (как и других частей станка), достаточно большой износостойкостью направляющих. Форму станины определяют прежде всего: расположение на ней направляющих для различных узлов станка; вес, размеры и длины ходов основных частей и узлов станка; необходимость размещения внутри станины различных механизмов; необходимость устройства в стенках станины проемов, окон и отверстий для монтажа и демонтажа, для осмотра, регулирования и смазки механизмов станка, а на стенках станины - кронштейнов для монтажа различного рода устройств.

Работа высокопроизводительных станков часто сопровождается отделением больших количеств стружки — иногда сотен килограммов в час. Требование быстрого удаления стружки — одно из серьезнейших при проектировании современных скоростных станков — сильно влияет на форму станины: в ней должны быть сделаны окна и проемы для свободного падения стружки, наклонные к задней стенке станины скаты и т. п. В станинах современных высокопроизводительных станков нередко предусматривается место для встроенного конвейера, непрерывно убирающего стружку.

При проектировании литой станины должны соблюдаться общие литейно-технические требования, имеющие целью облегчение формовки и уменьшение усадочных напряжений. Станина должна быть достаточно жесткой. Однако для обеспечения жесткости упругой системы станок — заготовка — инструмент этого еще недостаточно, так как выбор подачи и глубины резания, допустимых при требуемой точности и чистоте обработанной поверхности и стойкости инструментов, зависит от жесткости всей указанной системы. Отсюда стремление связывать основные части станка так, чтобы они образовали замкнутую раму, отливать станину заодно с корпусом передней бабки и применять «монолитные» («моноблочные») конструкции.

Большое влияние на жесткость станины оказывают ребра, соединяющие ее станки или прилитые к ним. От расположения ребер, их числа, формы и размеров сечения зависит их эффективность в отношении повышения жесткости конструкции. Проведенные исследования на моделях станин различных форм, показали, например, что расположение ребер, соединяющих стенки станины (перегородок), в отношении вертикальной жесткости последней практически безразлично. Чтобы увеличить вертикальную жесткость, целесообразно приливать к стенкам ребра в виде продольных горизонтальных полок или диагональной сетки.

На горизонтальную жесткость станины расположение ребер и их форма оказывают большое влияние. Наиболее эффективными в этом отношении являются диагональные ребра (перегородки). Благоприятное влияние на горизонтальную жесткость оказывают и ребра в виде полок или диагональной сетки, особенно при комбинировании их с перегородками. Диагональные ребра повышают также жесткость станины на кручение.

Для изготовления станин используются следующие материалы.

Чугун серый. Станины станков отливают большей частью из обыкновенного серого чугуна, хотя все большее применение получают и чугуны других типов. Решающее влияние на выбор марки серого чугуна оказывают направляющие движения, которые должны обладать высоким сопротивлением истиранию. При проектировании станин (как и других отливок) необходимо избегать резких изменений толщины, так как иначе скорости остывания в различных точках поперечного сечения отливки будут различны, что может привести к появлению трещин в местах изменения толщины сечения.

Модифицированный чугун. Все более широкое применение для изготовления станин и других ответственных деталей станков находит модифицированный сорбито-перлитовый чугун. Его износостойкость в 2—3 раза выше, чем у немодифицированного перлитового чугуна, особенно при удельных давлениях свыше 15—20 кг/см2 и трении со смазкой, засоренной абразивом. Также и по механическим свойствам (пределы прочности, пределы выносливости, модуль упругости и пр.) модифицированный чугун лучше обычного перлитового, приближаясь к стали. Твердость модифицированного чугуна в термически необработанном состоянии, а обрабатываемость — такая же, как обычного серого чугуна той же твердости. Модифицированный чугун поддается закалке т. в. ч. или пламенем до высокой твердости, что используется для повышения износостойкости направляющих.

Следует отметить, что в настоящее время термически обрабатываются также и отливки из серого немодифицированного чугуна. Как показывает опыт, при термической обработке такого чугуна трещины получаются реже, чем при термической обработке чугуна модифицированного.

Сталь. В современном станкостроении наблюдается тенденция к замене литых станин сварными из прокатной стал. Эта тенденция обусловлена рядом технических и экономических причин.

Как материал для изготовления станин, чугун обладает многими достоинствами (возможность изготовления отливок почти любой формы, хорошая обрабатываемость — лучшая, чем у стали, способность гасить вибрации и др.). Однако следует принимать в расчет и ряд неудобств, связанных с изготовлением станин отливкой:
а) удлинение срока изготовления станка из-за необходимости предварительно изготовить модель и стержневые ящики, а также выдержать отливку до обработки и после обдирки в течение довольно длительного времени;
б) возможный брак литья, причем некоторые пороки обнаруживаются лишь в процессе механической обработки;
в) необходимость оставлять на поверхностях отливки довольно большие припуски;
г) при направляющих, составляющих одно целое со станиной, чугун приходится выбирать соответственно требованиям, предъявляемым к направляющим;
д) при длительном вылеживании литья замедляется оборачиваемость оборотных средств предприятия и возрастает стоимость незавершенной продукции;
е) при малых сериях на стоимости станка неблагоприятно отражаются расходы на изготовление модели и стержневых ящиков, а при крупносерийном производстве влияние этого фактора может быть настолько незначительным, что им можно пренебрегать.

От всех этих недостатков свободны станины, выполненные сваркой из предварительно нарезанных кусков прокатной стали.

Направляющие привариваются или прикрепляются болтами к станине, поэтому станина может быть изготовлена из дешевой поделочной углеродистой стали.

Предел упругости и механические качества стали значительно выше, чем у обычного чугуна; поэтому расход материала на стальную сварную станину много меньше, чем на чугунную, при одинаковых в обоих случаях усилиях и моментах, если запас надежности и жесткость обеих станин принять одинаковыми. При равной жесткости вес стального элемента равен 0,5-0,75 веса чугунного, т. е. экономия металла составляет 50—25%. Практически экономия металла при замене литой чугунной станины стальной сильно зависит от конструктивного оформления обоих вариантов.

Решая вопрос о предпочтительности чугунной или стальной станины для проектируемого станка, необходимо принимать в расчет всю совокупность технико-экономических показателей обоих вариантов. При крупносерийном масштабе производства нередко более целесообразен вариант литой станины, а при необходимости быстрого изготовления одного или нескольких станков — стальная станина.

Для изготовления сварных станин станков можно пользоваться листовой сталью толщиной S > 3 мм. При малой толщине стенок необходимая жесткость станины должна быть обеспечена достаточно большим количеством ребер. В результате этого, а также большого числа и длины сварных швов может оказаться, что та же станина, изготовленная из стали толщиной 10—12 или даже 15 мм, получается не более тяжелой и вместе с тем менее трудоемкой.

Помимо перечисленных материалов некоторое применение для изготовления станин получили также сталистый чугун, легированные чугуны, азотированный чугун и в тяжелых станках — бетон.