Компоновка металлорежущих станков

Металлорежущие станки разнообразнее любых других технологических машин. Их различают по технологическому назначению и режущим инструментам, по размерам и типовым разновидностям, по системам управления и степени автоматизации и, кроме того, по компоновкам. Разнообразие компоновок является следствием не только множества технологических задач, размеров и форм обрабатываемых деталей, но и развития конструкций станков и способов обработки, причем в самом относительном характере движения формообразования заключено многообразие возможных вариантов движений заготовки и инструментов, а следовательно, и компоновок станков.

Особенно разнообразны компоновки специальных станков, однако типаж универсальных станков тоже непрерывно пополняется станками с новыми компоновками, существенно отличающимися от традиционных.

Традиционные компоновки фрезерных, расточных, токарных и других универсальных станков прошли долгий путь совершенствования в связи с необходимостью использования новых инструментов, расширения универсальности, повышения жесткости в связи с интенсификацией режимов резания.

Формирование современных компоновок станков не было равномерным и одновременным, как и развитие режущих инструментов. Ранее других оформилась компоновка токарного станка. Некоторые особенности современных компоновок расточных, фрезерных и других станков можно видеть в станках, построенных еще в первой половине XIX в.

Есть основания считать, что формирование структуры компоновок большинства современных универсальных станков завершилось к началу XX в., а в дальнейшем происходило только их усовершенствование. Ряд новых компоновок универсальных станков появился во второй и третьей четвертях нынешнего века. Например, появились фрезерные станки, компоновки которых позволили им успешно конкурировать с традиционными консольно-фрезерными станками. Быстро распространяются токарные полуавтоматы с новыми компоновками, а с развитием программного управления появились сверлильные станки с крестовыми столами и т. д.

Дальнейшее развитие компоновок универсальных станков связано с появлением многооперационных станков (обрабатывающих центров).

Предпринятый многими организациями и фирмами поиск привел к появлению большого числа совершенно новых компоновок, наиболее полно отвечающих условиям выполнения на одном станке различных операций. Однако качество этих компоновок еще требует соответствующего анализа.

Повышение требований к качеству станков в связи с общим повышением точности в машиностроении, изготовлением деталей из труднообрабатываемых сплавов, появлением новых инструментальных материалов, а также совершенствование программного управления заставляет искать пути повышения качества компоновок как важного слагаемого качества станков.

Вместе с тем применение в станках раздельных приводов, в том числе с программным управлением, внедрение направляющих качения, гидростатических направляющих и других элементов конструкций открывает широкие возможности совершенствования традиционных и создания новых компоновок.

Задача интенсификации производственных процессов и повышения качества промышленных изделий применительно к металлорежущим станкам должна решаться комплексно с учетом всех возможных факторов, в том числе такого важного фактора, каким являются компоновки станков. Наука о металлорежущих станках (станковедение) благодаря работам ряда советских ученых получила глубокое развитие и в значительной мере способствует повышению технического уровня отечественных станков. Благодаря работам известных ученых — академика В. И. Дикушина, заслуженных деятелей науки и техники РСФСР д-ров техн. наук проф. Н. С. Ачеркана и Д. Н. Решетова, д-ра техн. наук проф. В. А. Кудинова и других — советское станкостроение располагает обширным фондом научных материалов по конструированию станков. Кинематика резания на станках исследована д-ром техн. наук проф. Г. И. Грановским, а учение о кинематической структуре станков развито в трудах проф. Н. С. Ачеркана, проф. Г. М. Головина и д-ра техн. наук проф. А. А. Федотенка.

В литературе мало работ, посвященных вопросам компоновок станков. В науке о металлорежущих станках имеется недостаточно исследованная область, касающаяся одной из самых ответственных стадий проектирования станков — стадии построения компоновки. Эту стадию эскизного проектирования выполняют наиболее квалифицированные конструкторы, которые руководствуются в основном опытом и интуицией.  Отставание в разработке теории компоновок металлорежущих станков имеет свои причины. Первая причина — взгляд на основные компоновки универсальных станков как на нечто незыблемое,  само собой разумеющееся, не подлежащее изменению. Этот взгляд основан на традициях. Вторая причина заключается в отсутствии языка исследований — способа обозначения любых компоновок. Существующая система обозначения моделей универсальных и специальных станков преследует другие цели и в качестве языка исследования компоновок не может быть использована.

Третья причина заключается в сложности и многогранности вопросов, возникающих при обосновании построения компоновки, в трудности формализации многих интуитивных представлений, которыми руководствуются при этом ведущие конструкторы, руководители бюро и главные конструкторы СКВ и заводов. Вместе с тем эта причина в отечественном станкостроении диктует необходимость формализации проектирования с последующей автоматизацией его с помощью ЭВМ.

Еще одна причина заключается в известной неопределенности и неоднозначности самого понятия компоновки станка. Это понятие часто ассоциируется с технологической схемой построения станка, кинематической структурой, несущей системой, наконец, просто с конструкцией станка. Между тем компоновка категория, соответствующая определенной стадии эскизного проектирования, следующей за разработкой технологической схемы и обоснованием технических характеристик. Она предшествует разработке конструкции узлов.

Отражая кинематическую структуру станка, компоновка не подменяет последнюю и требует при построении решения вопросов, выходящих за пределы кинематики. В зависимости от сложности и других особенностей кинематики станка построение компоновки выполняют до или после разработки кинематической схемы.

Компоновка — понятие более емкое, чем несущая система станка, которая является только физическим остовом компоновки, поддерживающим направляющие. Понятия структуры, универсальности, типа компоновки не совмещаются с понятием несущей системы. В то же время, когда идет речь о жесткости компоновки, подразумевают именно жесткость несущей системы, следовательно, эти понятия, не являясь однозначными, дополняют друг друга. Компоновка — это система расположения узлов и управляющих станка, отличающаяся структурой, пропорциями и свойствами.Станки с различными конструкциями узлов (сборочных единиц)  могут иметь одинаковые компоновки, и, наоборот, станки с одинаковыми конструкциями основных узлов (например, с агрегатными силовыми головками) могут иметь различные компоновки. Поэтому понятия конструкции и компоновки не следует отождествлять. Более того, в целях повышения качества станка на всех этапах его проектирования необходимо, чтобы на стадии построения компоновки были бы выделены и проанализированы чисто компоновочные факторы качества. Для этого факторы, относящиеся к компоновке, должны быть по возможности отделены от факторов, связанных с последующей разработкой конструкции узлов.

Полное разграничение компоновки и конструкции не требуется и не представляется возможным, хотя бы потому, что при построении компоновки и выполнении соответствующих расчетов необходимы некоторые данные о типе и конструкции направляющих, а некоторые привязочные размеры определяются только в результате эскизной конструкционной проработкой. Тем не менее выделение компоновочных факторов и сознательное оперирование ими дает возможность конструктору дополнительно влиять на качество проектируемого станка. Как отождествление, так и противопоставление компоновки и конструкции при этом нежелательно. Таким образом, понятие компоновки станка имеет самостоятельное значение и может быть предметом особого исследования.

Построение компоновки станка имеет свои последовательные ступени, или этапы. Основополагающим этапом является разработка технологической схемы построения станка, когда в соответствии с технологической задачей определяют необходимый состав рабочих и установочных движений, число шпинделей, степень универсальности станка, форму (параллельная или последовательная) централизации обработки, число рабочих и загрузочных позиций и т. д. Результатом этого этапа является схема, которая может быть названа технологической компоновкой.

Технологическим компоновкам посвящен ряд фундаментальных исследований и монографий.

Последующими этапами построения компоновки станка являются координатная компоновка, раскрывающая состав и порядок сочетания координатных движений в станке; базовая компоновка, определяющая тип станка по разновидностям базовых узлов и другим признакам; конструкционная компоновка, уточняющая конструктивное исполнение и некоторые другие особенности компоновки. Далее ступенями уточнения компоновки являются также уже конкретные типоразмер и модель станка, с которыми связано определение всех основных размеров, конструкции и технологических возможностей станка.

Теория координатной, базовой и конструкционной компоновок, так же как теория размерных пропорций компоновки, пока не разработана. Имеется существенный разрыв между научными знаниями по теории технологических компоновок и научно обоснованными методами расчета и проектирования кинематических цепей, сборочных единиц и деталей станков. Восполнить этот разрыв могла бы теория компоновок — компонетика станков.

Теория компоновок могла бы оказать существенную помощь конструкторам на самой ответственной стадии проектирования и в конечном счете содействовать повышению качества станков. Эта теория смогла бы ответить на вопрос, является ли фатальной неизбежностью бесконечный рост типажа станков, указать пути совершенствования компоновок проектируемых станков и области оптимального использования существующих компоновок, ответить на многие другие вопросы, связанные с задачами интенсификации производства и повышения качества изделий. Одной из конечных целей теории компоновок может стать автоматизация проектирования компоновок с помощью ЭВМ.

Создание теории компоновок металлорежущих станков требует усилий многих людей и значительного времени. Первоочередными задачами в создании теории компоновок являются, по-видимому, разработка языка исследований и определение, компоновочных факторов качества. Первая задача предусматривает нахождение такого способа записи любых компоновок станков, который имел бы структурную основу и некоторые математические свойства, это позволило бы использовать такого рода язык не только для обозначения компоновок, но и в качестве инструмента исследований. Без этого нельзя анализировать различные структуры компоновок, исследовать совокупность уже существующих и возможность появления новых компоновок. Вторая задача - выделения компоновочных факторов качества - связана с необходимостью сравнения компоновок и повышения их качества. Отчетливое выделение и количественное выражение компоновочных факторов необходимы при расчетах компоновки в целях анализа влияния этих факторов на статические и динамические характеристики качества, а также в целях оперирования ими при оптимизации размеров и пропорций компоновки. Формализация компоновочных факторов могла бы стать существенным шагом к автоматизации проектирования компоновок.

Несмотря на существенное различие, эти две задачи не являются несовместимыми. Компоновочные факторы качества могут содержаться в самой структуре компоновки, а проявление структурных свойств зависит, в свою очередь, от реализации компоновочных факторов. Поэтому решения обеих задач призваны дополнять друг друга.

Врагов Ю.Д. "Анализ компоновок металлорежущих станков"