Жесткость

Жесткостью технологической упругой системы называют отношение составляющей усилия резания, направленной по нормали к обрабатываемой поверхности, к смещению лезвия инструмента относительно изделия в том же направлении.

Методы расчета корпусных деталей на жесткость с учетом точности обработки на станке и обеспечения нормальных условий работы механизмов станка разработаны в ЭНИМС Д. И. Решетовым и сотрудниками. Установлено, что при выборе марки чугуна и расчете размеров корпусных деталей по жесткости, условия прочности, как правило, удовлетворяются автоматически.

Литые детали современных металлорежущих станков имеют высокую жесткость. Жесткость станков значительно ниже. Поэтому в балансе жесткости станков собственная жесткость литых деталей в большинстве случаев не имеет значения. Основные причины отжатий узлов и деталей станка под нагрузкой вызваны наличием подвижных и неподвижных стыков между деталями.

Однако в некоторых случаях деформация литых деталей имеет большое значение. Так, в токарных станках при обработке в центрах на деформацию станин приходится около 15%; в карусельных станках на деформацию поперечин — 25—40%; в поперечно-строгальных станках на деформацию станин — 15%, ползуна — 20% и суппорта — 16%.

Рис. 5. Варианты конструкции станин токарных станков:

а — мод. 1Д63, перегородки диагональные; б — мод. 163, перегородки перпендикулярные; в — мод. 1П63

Иногда жесткость корпусных деталей можно увеличить за счет использования чугунов с повышенными упругими свойствами. Эти свойства имеют большое значение, так как определяют жесткость конструкции, чувствительность к надрезам и прочность

Повышение жесткости литых деталей достигается обычно конструктивными мероприятиями: уменьшением плеч изгибающих и скручивающих сил, введением дополнительных опор, связей, применением конфигураций поперечных сечений, хорошо сопротивляющихся изгибу и кручению. Для примера на рис. 5 приведены сечения станин токарно-винторезных станков различных моделей. Если принять жесткость станин станков мод. 1Д63 за 1, то жесткость станин станков мод. 163 будет 1,7, а станин станков мод. 1П63 — 4.

Наибольшее влияние на жесткость станин оказывает ее ширина. Увеличение ширины станины с П-образными перегородками на 10% вызывает увеличение ее жесткости на 25—30%. Жесткость станины с диагональными перегородками примерно на 60% больше жесткости станины с П-образными перегородками.

Рис. 6. Влияние количества и величины включений графита на модуль упругости чугуна с графитом:

1 — пластинчатым; 2 — шаровидным

Особенностью упругих свойств чугуна является почти исключительная их зависимость от графита. Модуль упругости чугуна с пластинчатым графитом повышается при уменьшении количества включений графита и их размельчении (рис. 6). Характерно, что междендритное расположение графита на эту зависимость существенно не влияет. Чугуны с шаровидным графитом обладают более высоким модулем упругости, менее зависящим от количества графита. Влияние матрицы сказывается на величине модуля упругости незначительно (табл. 4).

Некоторое увеличение модуля упругости при перлитной матрице, по-видимому, можно объяснить уменьшением количества графита. Интересна возможность установления связи между временным сопротивлением и модулем упругости. Очевидно, четкой связи не будет, так как на временное сопротивление влияют величина, расположение и количество включений графита, а также матрица. В первом приближении такая связь возможна в чугунах с одинаковой матрицей.

Рис. 7. Связь между относительным рассеянием энергии ѱ колебаний и временным сопротивлением чугуна σ_В

Представление о связи указанных параметров может дать следующая эмпирическая зависимость :

σ_В = КЕНВ,

где К — коэффициент, учитывающий влияние К = (8,5 ÷ 12) · 10^-6 графита, для серого чугуна

Расчетом можно установить, что при изменении временного сопротивления чугуна от 20 до 30 кгс/мм ² модуль упругости увеличивается от 10 000 до 13 500 кгс/мм2. Это подтверждают и эксперименты.

Однако применение чугуна высоких марок нередко существенно ухудшает технологические свойства отливок, способствует появлению отбела и трещин в тонких сечениях, что сопровождается также уменьшением рассеяния энергии колебаний в деталях. Рассеяние энергии уменьшается с 20 до 11 % при переходе от чугуна с временным сопротивлением 20 кгс/мм 2 к чугуну с временным сопротивлением 30 кгс/мм2 (рис. 7). Но, поскольку в материале деталей станков рассеивается лишь небольшая часть энергии колебаний системы, в частности, в станинах токарных станков 2—3%, уменьшение рассеяния энергии колебаний не может быть препятствием применению чугуна высоких марок.

Таким образом, необходимую жесткость литых деталей обеспечивают в первую очередь конструктивными мероприятиями. В случаях, когда этими мероприятиями не удается достигнуть необходимой жесткости, следует применять для изготовления отливок серый чугун высших марок или чугун с шаровидным графитом.