Металлорежущий станок

Металлорежущий станок, машина для обработки резанием металлических и др. материалов, полуфабрикатов или заготовок с целью получения из них изделий путём снятия стружки металлорежущим инструментом.

  М. с. являются основным видом оборудования в машиностроении, приборостроении и др. отраслях промышленности. Совершенствование М. с. предопределяет научно-технический прогресс, развитие технологии и организации машиностроительного производства.

  Историческая справка. Обработка материалов резанием известна с древних времён: деталь вращали вручную, обработка велась кремнёвым резцом. В 12 в. появились токарные и сверлильные станки с ручным приводом, а в 14 в. — с приводом от водяных мельниц. Механические станки для токарных работ изготовлялись главным образом в Италии, Франции, откуда были завезены в Россию. Медальерными станками славились петербургские мастера. В 1711 в Россию из Флоренции привезли станок, сделанный мастером Зингером, приглашенным на службу Петром I. В придворной токарне были изготовлены станки, в разработке конструкций и создании которых принимал участие А. К. Нартов. Позднее Нартов построил другие станки (гравёрные, копировальные, гильотинные), ему же принадлежит создание первого в мире токарно-винторезного станка с механическим суппортом и сменными зубчатыми колёсами (1738). Основные промышленные типы М. с. разрабатывались позднее (Г. Модсли и др.) в Великобритании, первой вступившей на путь капиталистического развития. В дальнейшем конструкция их совершенствовалась в Германии, Франции, Швейцарии (точное станкостроение), позже (во 2-й половине 19 в.) в США (в частности, автоматические станки для массового производства). В России в 1712—14 на Тульском оружейном заводе мастер Я. Батищев создал прототип современных агрегатных станков для одновременного сверления 24 ружейных стволов, в 1714 В. И. Геннин построил на Олонецких заводах многопозиционный станок. Значительный вклад в развитие конструкции М. с. внёс М. В. Ломоносов, который в середине 18 в. построил и применил в своих мастерских оригинальные шлифовальные и др. станки. Вклад в создание новых конструкций станков внесли также рус.(русский) инженеры и изобретатели И. Осипов, М. Сидоров, И. Ползунов, И. Кулибин, П. Захаво (первые автоматы для нарезания резьбы, 1810), В. Игнатов, Г. Горохов. Но несмотря на отдельные выдающиеся изобретения, станкостроение в царской России развивалось медленно. Только после Великой Октябрьской социалистической революции в процессе индустриализации машиностроительные предприятия стали получать новые станки. В 1932 завод «Красный пролетарий» выпустил первый современный токарно-винторезный станок. В 1933 основан Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков (ЭНИМС), где было начато проектирование новых типов станков, изготовление гамм станков токарных, револьверных, сверлильных, фрезерных и др. К 1970 в СССР освоено 1817 типоразмеров М. с. Годовой выпуск составил 230 тыс. станков.

  Большая заслуга в развитии станкостроения в СССР принадлежит советским учёным В. И. Дикушину, Н. С. Ачеркану, Д. Н. Решетову, А. П. Владзиевскому, Б. С. Балакшину, Г. М. Головину, Г. А. Шаумяну, В. С. Васильеву, А. С. Проннкову, В. А. Кудинову, А. С. Бриткину, Б. Л. Богуславскому, конструкторам Н. А. Волчеку, В. Н. Кедринскому, И. А. Ростовцеву, Ю. Б. Эрпшеру и др.

  Совершенствование производства М. с. идёт в нескольких направлениях. Намечается увеличение выпуска агрегатных автоматических и полуавтоматических М. с. и автоматических линий. обеспечивающих автоматизацию технологических процессов в крупносерийном и массовом производстве (в СССР выпуск таких М. с. за период 1966—70 увеличился на 22,6% при общем росте выпуска М. с. за этот период на 12%). В 1973 выпущено 211 тыс. М. с. Перспективно освоение прецизионных станков, обусловливающих высокую точность и качество обработки деталей. Предусматривается дальнейшее расширение производства М. с. с числовым программным управлением (ЧПУ) для обеспечения автоматизации механической обработки изделий в индивидуальном и серийном производстве. В 1968—70 в серийном производстве освоено 23 типоразмера таких станков, в 1970 — 15 типов опытных образцов; их выпуск в 1973 составил 3800 шт. Внедрение М. с. с использованием адаптивных систем управления (см. Самоприспосабливающаяся система) открывает новые пути повышения точности обработки и производительности. Для удовлетворения разнообразных потребностей народного хозяйства намечается увеличение числа типов тяжёлых уникальных станков. К 1970 создано около 500 типов тяжёлых уникальных М. с.

  Классификация М. с. По специализации различают М. с. универсальные для выполнения разнообразных операций на изделиях широкой номенклатуры; широкого назначения для выполнения ограниченного числа операций на изделиях широкой номенклатуры; специализированные для обработки однотипных изделий разных размеров; специальные для обработки изделий одного типоразмера; агрегатные — специальные, состоящие из нормализованных деталей, узлов, силовых головок.

  М. с. могут быть с ручным управлением (загрузка и установка заготовок, пуск, переключение режима обработки, холостые движения, снятие изделия — вручную), а также иметь различную степень автоматизации: полуавтоматы (установка заготовок, пуск, снятие изделия — вручную, остальные движения цикла обработки — автоматически), автоматы (все рабочие и холостые движения производятся автоматически, человек осуществляет контроль за циклом работы); могут составлять автоматические линии (группа автоматов, объединённая системой транспортировки заготовок от одного к другому); иметь числовое программное управление (все рабочие и холостые движения обеспечиваются заранее закодированной программой, введённой в М. с. и посылающей преобразованные импульсы на исполнительные и управляющие механизмы).

Классификация металлорежущих станков

  По точности различают 5 классов М. с.: Н — нормальной точности (например, большинство универсальных М. с.), П — повышенной точности (на базе Н), В — высокой точности, А — особо высокой точности (прецизионные), С — особо точные, или мастер-станки.

  По массе М. с. бывают лёгкие (до 1 т), средние (до 10 т), тяжёлые (свыше 10 т), уникальные (свыше 100 т).

  В зависимости от характера выполняемых работ и применяемого режущего инструмента в СССР принята единая система классификации и условного обозначения М. с. (табл.), разработанная в ЭНИМС. Все М. с. делятся на группы, которые, в свою очередь, разбиваются на типы. По этой классификации каждому М. с. серийного производства присваивается шифр (индекс), который образуется, как правило, числом из 3 или 4 цифр; первая цифра указывает группу, вторая — тип, третья и четвёртая характеризуют важнейшие размеры М. с. или обрабатываемого на нём изделия. Например, шифр 2150 обозначает вертикально-сверлильный станок с максимальным диаметром сверления 50 мм. После модернизации М. с. в его шифр за первой цифрой добавляется какая-либо буква. Например, шифр 1К62 обозначает модернизированный токарно-винторезный станок с высотой центров 200 мм. Модификация (видоизменение) базовой модели обозначается введением какой-либо буквы в конце шифра. Например, 6Н12К обозначает модификацию модернизированного консольного вертикально-фрезерного станка. Описание типов станков см.(смотри) в статьях: Зубообрабатывающий станок, Карусельный станок, Токарный станок, Сверлильный станок, Фрезерный станок, Шлифовальный станок.

  Кинематика М. с. При обработке на М. с. очертания, форма деталей (производящие линии) образуется в результате согласованных между собой вращательных и прямолинейных движений заготовки и режущей кромки металлорежущего инструмента. Эти движения, называемые рабочими, могут быть простыми и сложными. В М. с. используются 4 метода получения производящих линий: копирование, огибание (обкатка), методы следа и касания. При копировании форма режущей кромки инструмента совпадает с формой производящей линии (рис. 1, а, б); при огибании производящая линия возникает в форме огибающей ряда последовательных положений режущей кромки инструмента, движущегося относительно заготовки (рис. 1, б); при методе следа производящая линия образуется как след движения точки режущей кромки инструмента (рис. 1, г, д), при методе касания производящая линия является касательной к ряду геометрических вспомогательных линий, образованных реальной точкой (вершиной) движущейся режущей кромки инструмента (рис. 1, е).

  Рабочие движения в М. с. — главное движение и движение подачи. Главное движение, происходящее в направлении вектора скорости резания, обеспечивает отделение стружки от заготовки, а движение подачи — последовательное внедрение инструмента в заготовку, «захват» новых, ещё не обработанных участков. Главное движение в зависимости от типа М. с. может совершаться как заготовкой (токарные, продольно-строгальные и др. станки), так и инструментом (сверлильные, поперечно-строгальные, долбёжные, протяжные, фрезерные, шлифовальные и др. станки); это движение может быть вращательным (токарные, сверлильные, фрезерные, шлифовальные и др. М. с.) или поступательным (строгальные, долбёжные, протяжные и др. М. с.). Помимо рабочих движений, на М. с. совершаются также установочные и делительные движения, которые не используются в процессе обработки резанием, однако необходимы для осуществления полного технологического цикла. Все движения в М. с. обеспечивают соответствующие механизмы, в которые входят различные передачи: ремённые, зубчатые, червячные, реечные, винтовые, кулачковые, фрикционные и др. Эти передачи сочленяются между собой в определённой последовательности и образуют кинематические цепи, совокупность которых составляет кинематическую схему М. с. При этом пользуются условными обозначениями элементов и механизмов М. с. по ГОСТ(государственный общесоюзный стандарт) 3462—61. На кинематических схемах указываются диаметры шкивов (D₁, D₂ и т.д.), числа зубьев зубчатых и червячных колёс (z₁, z₂ и т.д.), шаги винтов, заходности червяков и винтов, модули (т) некоторых зубчатых колёс (обычно находящихся в зацеплении с рейками), передаточные отношения плеч рычагов, характеристики звеньев настройки и др.

  Для станков с вращательным главным рабочим движением скорость резания определяется по формуле:

где D — максимальный диаметр обработки (или максимальный диаметр инструмента) в мм; n — число оборотов шпинделя в минуту. Для конкретного М. с. диаметр заготовки (инструмента) может быть различным, может производиться также обработка заготовок из различных материалов и режущими инструментами с режущей частью из разных инструментальных материалов (что приводит к выбору соответствующих допускаемых скоростей резания). Привод главного движения должен обеспечивать поэтому регулирование числа оборотов шпинделя. Существует бесступенчатое и ступенчатое регулирование. В первом случае в определённом интервале можно за счёт фрикционного, гидравлического или электрического привода получить любое значение n. Во втором случае имеется определённый конечный ряд различных n. Это обеспечивается за счёт использования коробок скоростей с переключающимися зубчатыми колёсами. Для такого ряда рус.(русский) учёным А. В. Гадолиным в 1876 разработана и обоснована теория построения рядов чисел оборотов по закону геометрической прогрессии. При такой закономерности потери в устанавливаемых скоростях резания будут минимальными, а эксплуатационные свойства станка наилучшими. По этому закону все числа оборотов шпинделя станка в минуту от начального (миним.) n₁ = n_мин до конечного (макс.) n_z= n_макс образуют геометрический ряд, в котором знаменатель геометрической прогрессии j определяется по формуле:

где D диапазон регулирования числа оборотов шпинделя в 1 мин, z — количество ступеней регулирования. В станкостроении СССР значения j и соответствующие им перепады скоростей А стандартизированы: