CC BY
62
УДК 621.9: 06.001
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПРЕЦЕЗИОННЫХ СТАНКОВ В.А.Рогов, Оссама Мохамед Ерфан Ахмед
Кафедра технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов Российского университета дружбы народов Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, б
В работе приводятся сравнительный анализ конструктивных решений, применяемых на практике при изготовлении высокоточных станков. Даны краткие описания характерных особенностей станин, шпинделей, приводов и инструмента, применяемых в таких станках.
В последнее время в связи с необходимостью изготовления ряда новых изделий оптики и электроники (зеркала лазеров, телескопов, кинескопов, магнитные диски памяти), к которым предъявляются чрезвычайно высокие требования в отношении шероховатости и точности геометрических параметров (отклонений от цилиндричности и плоскостности), появилась необходимость в создании металлорежущих станков особо высокой точности, отличающихся новыми конструктивными параметрами. При изготовлении многих изделий и ранее требовалась высокая точность, которая достигалась за счет отделочных и финишных операций, характеризующихся сравнительно низкой производительностью. Поэтому для точной обработки отверстий получило применение алмазное растачивание. Для выполнения этой операции создавались конструкции алмазно-расточных, а позднее, когда алмазы стали заменять твердосплавными пластинами, отделочно-расточных станков. Отделочно-расточные станки по своей конструкции мало отличаются от обычных расточных станков. В них применяются в основном те же конструктивные решения, что и в горизонтально-расточных или координатно-расточных станках, и разница сводится только к тому, что их шпиндельные подшипники и другие ответственные детали изготовляются более точно. Однако в настоящее время допускаемые погрешности формы ряда деталей, применяемых в приборостроении, сократились на целый порядок. В частности, высота неровностей требуется 0,02-0,03мкм.
Такие требования должны выдерживаться на плоскостях больших размеров, поэтому при обработке таких деталей отказываются от притирки, как финишной операции, обеспечивающей наивысшую точность, и переходят к обработке однолезвийным алмазным инструментом. Это объясняется тем, что точность обработки притиркой, во время которой контакт инструмента и заготовки происходит по большой поверхности, зависит от факторов, не поддающихся строгому управлению: износа поверхности инструмента и распределения по размеру абразивных зерен. При обработке же однолезвийным инструментом точность обработки зависит от факторов, которыми можно управлять. Это -точность вращения инструмента или заготовки, точность траектории движения суппорта, несущего инструмент или заготовку, форма режущей кромки. Однако для строгого управления этими факторами потребовались новые конструктивные решения, которые привели к появлению новых конструкций станков особо высокой точности. Современные инструментальные материалы позволяют использовать высокие скорости резания, что ведет к появлению высокочастотных вибраций с амплитудами в несколько долей микрометра. Это - точность вращения инструмента или заготовки, точность траектории движения суппорта, несущего инструмент или заготовку, форма режущей кромки.
К станкам особо высокой точности сегодня предъявляются следующие требования:
1) точность вращения шпинделей, характеризуемая радиальным и осевым биением их оси вращения не более 0,01-0,05 мкм;
2) точность траектории движения суппортов в тех же пределах;
3) сведение к минимуму источников вынужденных колебаний внутри станка;
4) чрезвычайно высокая степень пассивной виброизоляции во избежание передачи вибраций из окружающей среды;
Рогов В. А, Оссама Мохамед Ерфан Ахмед Тенденции развития.
135
5) устранение тепловых деформаций станка.
Во многих конструкциях станков с целью уменьшения вибраций в зоне резания приводы располагаются на отдельных станинах, которые не имеют жесткой связи со станиной, на которой размещены исполнительные органы и происходит процесс обработки. Сами станины выполняются из композиционных материалов или из керамики, обладающих высокими демпфирующими свойствами и большой термостабильностью.
Примером конструктивных решений, применяемых для того, чтобы удовлетворить этим требованиям, может служить станок особо высокой точности, спроектированный в Национальной лаборатории им Лоуренса в Ливерморе (Великобритания). Он предназначен для обработки зеркал диаметром до 2,1 ми массой до 4500 кг. Станок установлен на гранитном основании весом 73 тонны и окружен отдельной гранитной базоизмерительной рамой, которая служит опорой для лазерного интерферометра и эталонных линеек, используемых для автоматической корректировки прямолинейности движения суппортов. Основание станка покоится на пневматических опорах, обеспечивающих пассивную виброизоляцию. Все направляющие и подшипники выполнены гидростатическими, а привод движения подачи осуществляется с помощью фрикционной передачи обеспечивающей максимальную плавность движения. Весь станок заключен в прозрачный кожух, под которым он целиком поливается маслом для поддержания постоянной температуры (колебания не выше 0,0025°С). Для этого требуется расход масла 1500 л/мин. Именно полив маслом для охлаждения послужил причиной применения в станке гидростатических подшипников и направляющих вместо аэростатических.
В той же лаборатории используются два алмазно-токарных станка особо высокой точности, в том числе один - с максимальным диаметром обработки 750 мм, а другой - с максимальным диаметром обработки 100 мм. Шпиндель в аэростатических подшипниках имеет радиальное и осевое биение не более 0,025 мкм. Привод шпинделя осуществляется бесколлекторным серводвигателем постоянного тока, частота вращения регулируется в диапазоне 20-2000 об / мин. при вращающем моменте до 1,1 Нм.
Фирмой Chayth Diamand Tools (Великобритания) выпущен алмазно-токарный станок для обточки оптических контактных линз, в котором шпиндель соединен с импульсным электродвигателем мощностью 0,12 кВт посредством магнитной муфты, что позволило исключить воздействие внешних сил. Инструментом служит алмазный кристалл повышенной чистоты с радиусом закругления вершины 0,5 мм и углом при вершине 60°. Достигается отклонение профиля Ra 0,05 мкм.
Форма режущей кромки алмазного резца оказывает существенное влияние на качество обработанной поверхности. Поэтому передняя поверхность алмаза с прямолинейной режущей кромкой должна быть выпуклой, а на задней поверхности вспомогательной режущей кромки предусматривается выглаживающая фаска. Качество обработки может быть существенно повышено, если резцедержатель имеет возможность регулировки положения резца. Шпиндель по патенту США 4043618 имеет сферическую переднюю шейку диаметром 70 мм и цилиндрическую заднюю шейку диаметром 22. Сферическая форма передней шейки выбрана потому, что сфера, изготовленная отдельно, может быть притерта по подшипнику на специально разработанном для этой цели станке, более точно, чем цилиндрическая поверхность. Подшипники аэростатические, имеют по 12 каналов диаметром 0,3 мм. Зазор в переднем подшипнике - 12 мкм, в заднем - 18 мкм. Подшипник задней опоры выполнен самоустанавливающимся, для чего его наружная поверхность
выполнена полусферической..
Жесткость шпинделя 81 Н/мкм в осевом направлении и 24,5 Н/мкм - в радиальном. Как показали динамические испытания, резонансная частота шпинделя составляет 950 Гц в осевом и 650 Гц в радиальном направлении. Коэффициент затухания равен соответственно
0,51 и 0,63. Радиальное биение оси вращения шпинделя составляет 0,05 мкм в диапазоне 200-2000 об/мин. Станок предназначен для обработки плоских и элиптических зеркал для лазеров. Режущий алмаз закрепляется в державке, установленной на шпинделе. Державка имеет возможность динамической балансировки. Алмаз находится на расстоянии 37 мм от оси шпинделя, вращавшегося со скоростью 1500 об/мин. При обработке используется
подача 0,014 мм/об, глубина резания 2 мкм. Обрабатываемый материал: алюминий, медь, латунь. Площадь зеркала 50 х 50 мм. Высота неровностей составляет 0,06 мкм.
Станок фирмы Moore Special Tool (США) имеет шпиндель, выполненный на аэростатических опорах. Точность вращения шпинделя составляет 0,007 мкм. Подача стола с инструментом осуществляется винтовой передачей с точностью 0,04 мкм. На станке обрабатываются детали массой до 115 кг. Станок устанавливается на пневматические амортизаторы. В станке мод. MSG-325 фирмы Pneumo Precision в системе управления подачи используется лазерный датчик, обеспечивающий точность перемещения 0,025 мкм. Фирма Philips разработала станок мод. Colath, предназначенный для обработки оптических деталей. Обработка осуществляется алмазным резцом. Погрешность формы деталей, обработанных на станке, не превышает 0,5 мкм, высота микронеровностей составляет 0,02-0,03 мкм, глубина резания - 10... 30 мкм. На станке обрабатываются детали с максимальным диаметром 200 мм и длиной до 200 мм. Движения по координатным осям осуществляют шпиндельная бабка и поперечный суппорт. Для привода подач используются гидроцилиндры. Направляющие станка гидростатические. Вращение шпинделя, установленного на гидростатических опорах, осуществляется гидродвигателем. Для измерений перемещений используется лазерная измерительная система. Управление станком осуществляется устройством ЧПУ типа CNC.
В Японии фирмой Toyodo выпущен токарный станок мод. АНР 30. Он имеет аэростатические подшипники шпинделя и направляющих, систему термостабилизации с холодильником и виброизоляционные опоры. Биение шпинделя составляет менее 0,05 мкм, точность направляющих 0,05 мкм на длине 100 мм. При обработке алюминиевого магнитного барабана была получена шероховатость Rz = 0,02 мкм, некруглость 0,2 мкм, непрямолинейность 0,5 мкм на длине 400 мм.
Имеются данные, посвященные исследованию шпинделя станка особо высокой точности. Шпиндель имеет сферическую переднюю шейку и цилиндрическую заднюю. Оба подшипника аэростатические. Привод осуществляется с помощью ременной передачи через разгруженный шкив, который установлен на полом валу с двумя аэростатическими подшипниками и связан со шпинделем магнитной муфтой. В современных станках при передаче крутящего момента широко используются упругие муфты, влияние которых на точность вращения велико.
ЛИТЕРАТУРА
1. Precision Engineering, 1990-2002.
2. International Journal of Machine Tool Design & Research 2000-2002.
3. American Machinist.
TENDENCIES OF DEVELOPMENT PRECISION OF MACHINE TOOLS V.A.Rogov, Ossama Mohamed Ërfan Ahmed
Department of mechanical engineering, machine tools and tooling Russian Peoples’ Friendship University Miklucho-Maklaya sir, 6, 117187, Moscow
In work are resulted the comparative analysis of the constructive decisions which are put into practice at manufacturing of precision machine tools. Brief descriptions of prominent features of beds, spindles, drives and tool, used in such machine tools are given.
