Какие материалы используются в токарных станках с ЧПУ?

Завод токарных станков с ЧПУ , обычно называемые токарные станки, являются основными инструментами в современном производстве. Они работают путем вращения заготовки, в то время как стационарный режущий инструмент удаляет материал для создания цилиндрических деталей с высокой точностью. Эффективность, долговечность и возможности токарных станков с ЧПУ определяются не только их электронным управлением и программным обеспечением; они в равной степени зависят от материалов, из которых изготовлена ​​сама машина. От структурных компонентов, которые должны противостоять силам резания, до режущих инструментов, которые должны выдерживать тепло и давление, каждая деталь изготавливается из материалов, выбранных с учетом определенных механических, термических и химических свойств.

Конструкция машины: станина, основание и рамы.

Основные компоненты токарных станков с ЧПУ — станина, основание, колонны и рамы — обеспечивают жесткость, необходимую для сохранения точности при значительных усилиях, возникающих во время обработки. Эти детали должны противостоять прогибам, поглощать вибрации и сохранять стабильность размеров с течением времени и при различных температурных условиях.

Чугун: это традиционный и до сих пор широко используемый материал для конструкций станков. Предпочтение отдается серому чугуну, а иногда и ковкому чугуну, по нескольким причинам. Его высокая демпфирующая способность позволяет поглощать вибрации, возникающие во время резки, что способствует улучшению качества поверхности и увеличению срока службы инструмента. Чугун также имеет хорошую прочность на сжатие и относительно стабилен с течением времени. Ему можно придавать сложные формы со встроенными ребрами и стенками, которые оптимизируют жесткость при одновременном снижении веса. Естественная смазывающая способность материала, обусловленная содержанием графита, также полезна при скольжении.

Сварные стальные конструкции. В некоторых современных конструкциях станков, особенно в крупных токарных центрах, основание и станина могут быть изготовлены из тяжелых стальных пластин, которые свариваются вместе, а затем снимаются напряжения. Стальные конструкции могут обеспечить более высокое соотношение прочности к весу, чем чугун, что позволяет создать жесткую конструкцию с потенциально меньшей массой. Они также обеспечивают большую гибкость проектирования и более быстрое прототипирование по сравнению с созданием новых отливок. Однако сварные конструкции обычно имеют меньшую способность к демпфированию вибрации, чем чугун, поэтому инженерам приходится учитывать другие конструктивные особенности, чтобы решить эту проблему.

Полимерный бетон (минеральное литье). Все более распространенным материалом для станков, особенно в высокоточных токарных станках, является полимерный бетон, также известный как минеральное литье. Этот материал состоит из минеральных заполнителей (например, гранита или кварца), связанных между собой эпоксидной смолой. Он обеспечивает исключительное гашение вибрации, значительно лучшее, чем чугун и сталь. Он также имеет высокую тепловую инерцию и низкий коэффициент теплового расширения, что означает, что он очень стабилен при изменении температуры. Компоненты из полимербетона отливаются почти по заданной форме, что снижает необходимость в обширной механической обработке. Их основными недостатками являются более низкая прочность на разрыв по сравнению с металлами и более высокая стоимость материала.

Шпиндель и вращающиеся компоненты

Шпиндель – это сердце токарного станка, отвечающее за вращение заготовки с высокой точностью и передачу крутящего момента резания. Используемые здесь материалы должны быть прочными, жесткими и износостойкими.

Легированные стали: сам вал шпинделя всегда изготавливается из высокопрочных легированных сталей, таких как 4140 или 8620. Эти стали выбирают из-за их высокой прочности на разрыв и усталостной прочности. Обычно они подвергаются термообработке для достижения необходимой твердости, а затем прецизионно шлифуются, чтобы обеспечить округлость и чистоту поверхности шеек подшипников. Для применений, требующих еще большей прочности или меньшего веса, шпиндели могут быть изготовлены из сплавов, таких как 4340, или даже из специальных азотированных сталей.

Материалы подшипников: Шпиндель вращается на подшипниках, которые должны выдерживать как радиальные, так и осевые силы резания. Широко распространены высокоточные радиально-упорные шарикоподшипники, кольца и шарики которых изготовлены из закаленной подшипниковой стали, например хромистой стали 52100. Для очень высокоскоростных применений используются гибридные керамические подшипники. У них есть стальные кольца, но керамические (обычно из нитрида кремния) шарики. Керамические шарики легче, тверже и выделяют меньше тепла, чем стальные, что обеспечивает более высокие скорости и более длительный срок службы.

Патрон и крепежные материалы: Патрон, захватывающий заготовку, должен быть прочным и износостойким. Патроны обычно изготавливаются из закаленной стали или ковкого чугуна. Губки, которые непосредственно контактируют с заготовкой, часто изготавливаются из закаленной стали, чтобы противостоять износу, и это могут быть мягкие губки, изготовленные из алюминия или мягкой стали, изготовленные по индивидуальному заказу для соответствия определенной форме заготовки.

Револьверные головки и системы крепления инструментов

Револьверная головка — это компонент, который удерживает несколько режущих инструментов и перемещает их в нужное положение. Он должен быть жестким, чтобы предотвратить отклонение инструмента во время резки.

Стальные сплавы для корпуса башни. Сам корпус башни обычно представляет собой отливку или поковку из высокопрочной стали, обработанную с точными допусками. Он должен быть достаточно жестким, чтобы противостоять силам резания, передаваемым через держатель инструмента.

Материалы держателей инструментов: Держатели инструментов, которые устанавливаются в револьверную головку и удерживают режущие пластины, обычно изготавливаются из закаленных стальных сплавов. Они спроектированы так, чтобы обеспечить жесткую платформу для вставки, и их установочные поверхности часто имеют покрытие или обработку для обеспечения износостойкости. Приводные инструменты (вращающиеся инструменты для фрезерных операций) содержат внутренние зубчатые передачи и подшипники из закаленной стали и смазываются для увеличения срока службы.

Зажимные механизмы: В механизмах, которые фиксируют револьверную головку в нужном положении и зажимают держатели инструментов, используются компоненты, изготовленные из высокопрочных легированных сталей, часто подвергаемых термической обработке для обеспечения износостойкости. Гидравлические или механические системы зажима прикладывают значительные усилия, а материалы должны выдерживать повторяющиеся нагрузки без деформации.

Компоненты линейного движения: пути и направляющие

Точному перемещению режущего инструмента относительно заготовки способствуют линейные направляющие. Материалы этих компонентов имеют решающее значение для точности, жесткости и плавности движения.

Направляющие из закаленной и шлифованной стали: Традиционные токарные станки с ЧПУ часто используют направляющие коробчатого типа или направляющие «ласточкин хвост», изготовленные из закаленной и шлифованной стали. Обычно они изготавливаются из легированных сталей, которые подвергаются индукционной или сквозной закалке до высокой твердости по Роквеллу, а затем прецизионно шлифуются. Сопрягаемые поверхности, которые скользят по направляющим, часто покрыты материалом с низким коэффициентом трения, таким как Турцит или Рулон, чтобы предотвратить контакт металла с металлом и обеспечить плавное движение с минимальным прерывистым скольжением.

Линейные направляющие. Многие современные токарные станки с ЧПУ используют системы линейных направляющих с рециркуляцией. Они состоят из профилированного стального рельса и каретки с шарикоподшипниками рециркуляции. Рельсы изготовлены из высокоуглеродистой стали, прецизионно отшлифованы и подвергнуты индукционной закалке для обеспечения износостойкости. Каретки изготовлены из закаленной стали, а шарики обычно изготавливаются из подшипниковой стали. Эта система обеспечивает очень низкое трение, высокую точность и высокую грузоподъемность.