Токарный станок

Авторы патента:

Полезная модель относится к области станкостроения и может быть использована для особо точных станков с ЧПУ (числовое программное управление) для токарной обработки материалов методом ультрапрецизионного точения асферических поверхностей оптических элементов наукоемких машин и приборов. Токарный станок, компоновочное решение которого выполнено в виде классической токарной схемы, состоит из станины 1, неподвижной шпиндельной бабки 2, подвижного крестового суппорта 3 с поменьшей мере двумя координатными горизонтальными направляющими 4, 5, инструментальной головкой 6, установленной ортогонально направляющим 4 станины 1. Кроме этого станок дополнительно снабжен четырьмя статорами 7, 8, два из которых 7 установлены на станине 1, а два 8 - на крестовом суппорте 3; четырьмя якорями 9, 10, установленными на крестовом суппорте 3. Формообразование траектории образующей детали тела вращения функционально обеспечивается посредством электромагнитного поля между статорами 7, 8 и якорями 9, 10, ориентированного вертикально относительно горизонтальной формообразующей плоскости в его взаимосвязи между станиной 1 и крестовым суппортом 3. Конструктивно каждый из статоров 7, 8 и якорей 9, 10 имеет форму, выполненную в виде плоского параллелепипеда, протяженное ребро (на фиг. не показано) которого совпадает с координатным направлением горизонтальных направляющих 4, 5 крестового суппорта 3. Грани привалочной поверхности (на фиг. не выделены) внешней связи крестового суппорта со статором 7, 8 расположены с внешней стороны направляющих 4 станины 1 и крестового суппорта симметрично относительно оси вращения шпиндельной бабки.

где Rg - среднеквадратическая величина шероховатости - не более 5 н.м.

- длина волны излучения.

Из уровня техники известен токарный станок особой точности с ЧПУ МК6524Ф4, содержащий станину, подвижную шпиндельную бабку (координата «Z») и однокоординатный суппорт (координата «X»), инструментальную головку, установленную ортогонально к направляющим станины (Проспект ОАО «Красный пролетарий», стр.21, 2010 г.)

Недостатком известного технического решения является, разнесенное относительно станины в пространстве, определяемом габаритными размерами осевой компоновки подвижной шпиндельной бабки и конструктивными размерами кинематической цепи суппорта и инструментальной головки, а также шпиндельным приспособлением установки и закрепления обрабатываемой детали типа «диска» над станиной. Указанное несовершенство рабочей зоны по жесткости, точности и качеству законов управления траекториями движения формообразования образующей детали типа тела вращения ограничивает эффективность кинематики координатных движений по плавности. Это снижает точность обработки по форме поверхности, шероховатости, из-за ограниченных возможностей устойчивости и динамической точности процесса ультрапрецизионного точения, связанного с полигармоническими колебаниями из-за неравномерности процесса стружкообразования, определяемыми механикой резания, структуры привода, имеющей существенные инерционные, жесткостные, скоростные нелинейности несущей системы из-за масштабного фактора.

Наиболее близким к заявленному техническому решению по назначению технической сути и достигаемому результату является, токарный станок, компоновочное решение которого выполнено в виде классической токарной схемы с конструктивными признаками, включающими станину, неподвижную шпиндельную бабку, подвижный крестовой суппорт с поменьшей мере, двумя координатными горизонтальными направляющими, инструментальную головку, установленную ортогонально направляющим станины. (Патент на изобретение 2087263, B23B 3/00, 1997 г.)

Внешние и внутренние связи крестового суппорта со станиной выполнены в виде электромеханических приводов линейного перемещения, состоящих из электродвигателя, зубчато-ременного редуктора, упорно-радиального подшипника и винтовой передачи качения (шариковинтовой), которая своими привалочными поверхностями жестко соединена с суппортами.

Траектория движения вершины лезвия режущей кромки инструмента осуществляется взаимосвязанными координатными движениями крестового суппорта и шпиндельной бабки при движении от периферии к центру. Качество движения по координатам крестового суппорта определено внутренними и внешними связями степеней подвижности кинематической цепи, характеризуется постоянством скорости, то есть плавностью перемещения по координатам крестового суппорта. Несовершенство кинематической цепи, состоящей из кинематических звеньев передач и подшипников, а также присоединительных базовых элементов, связывающих подвижные части суппортов с неподвижной станиной из-за трения скольжения; трения качения; ограниченной геометрическим конструктивным фактором жесткости; жесткостно-диссипативными процессами в неподвижных стыках привалочных поверхностей и подвижных соединениях передач и подшипников; ограниченной крутильной жесткостью валопривода, а также инерционностью массо-габаритных характеристик подшипников и передач. Плавность движения существенно определяется геометрической точностью размеров, форм и шероховатостью взаимодействующих поверхностей сопряженных кинематических пар. Кроме того существенное влияние на плавность движения оказывает монтажно-сборочные погрешности в связях подшипников и передач с привалочными поверхностями крестового суппорта и станины. Трущиеся поверхности кинематических пар в процессе работы изнашиваются и оказывают влияние на снижение плавности движения, что в конечном итоге снижает производительность и точность обработки.

Техническим результатом заявленного технического решения является повышение производительности и точности ультраперецизионного точения, за счет структуры и качества внутренних и внешних связей крестового суппорта со станиной. Поставленный технический результат достигается за счет того, что токарный станок содержащий станину, неподвижную шпиндельную бабку, подвижный крестовый суппорт с, по меньшей мере, двумя координатными горизонтальными направляющими, инструментальную головку, установленную ортогонально направляющим станины, согласно полезной модели, дополнительно снабжен: четырьмя статорами, два из которых установлены на станине, а два - на крестовом суппорте; и четырьмя якорями, установленными на крестовом суппорте, функционально обеспечивая посредством электромагнитного поля, ориентированного вертикально относительно горизонтальной формообразующей плоскости, связь между станиной и крестовым суппортом, при этом, каждый из статоров и якорей выполнен в виде плоского параллелепипеда, протяженное ребро которого совпадает с координатным направлением горизонтальных направляющих крестового суппорта, а грани привалочной поверхности внешней связи крестового суппорта со статором расположены с внешней стороны направляющих станины и крестового суппорта симметрично относительно оси вращения шпиндельной бабки.

Обработка деталей на металлорежущих станках с ЧПУ происходит в соответствии с управляющей программой за счет относительных координатных перемещений рабочих формообразующих органов, шпиндельной бабки, крестового суппорта и станины несущих режущий инструмент и заготовку. Поэтому погрешности относительных положений (перемещений) рабочих органов (начальных и от действия различных процессов, участвующих в формообразовании) будет в значительной степени определять погрешность обрабатываемых деталей и устойчивость механики резания. Сокращение этих погрешностей является результатом выбора компоновочного решения и рационального проектирования компонентов формообразующей координатной структуры, определяющей качество траектории образующей обрабатываемой детали по геометрической точности, форме и шероховатости.

Исключение из цепи преобразования энергии в движение формообразования траектории образующей детали по координатам крестового суппорта, воздействия электромеханики привода подач на воздействие только электромагнитного поля, образуемого между статором и якорем, который сориентирован вертикально относительно координатной горизонтальной формообразующей плоскости (Фиг.5), устраняет вышеперечисленные недостатки прототипа и приводит к плавности движения по амплитуде в десятках нанометров и частоте от сотен до тысяч герц, что обеспечивает необходимую динамическую устойчивость процесса механики резания ультрапрецизионного точения.

Кроме того устранение указанных недостатков прототипа способствует повышению скорости и качества формообразующих движений по координатам крестообразного суппорта при соответствующем увеличении производительности и точности формообразования за счет увеличения собственной частоты, демпфирующей способности, быстродействия динамической жесткости, коэффициента полезного действия и сокращения количества параметров, влияющих на качество воспроизводства законов управления траекторией движения режущей кромки алмазного резца.

Разделение электромагнитного поля на части с тандемным исполнением и ориентированного вертикально относительно координатной горизонтальной формообразующей плоскости, который действует между якорями и статорами, выполненными конструктивно в форме плоских параллелепипедов, основное протяженное ребро которых совпадает с направлением координатных перемещений крестового суппорта, а грани привалочной поверхности статора расположены с внешней стороны прямолинейных направляющих крестового суппорта и ориентированы относительно направляющих крестового суппорта и оси вращения шпиндельной бабки изделия симметрично, что способствует исключению взаимовлияния подвижных частей (якорей) на неподвижные (статора) крестообразного суппорта. Исключение взаимовлияния обеспечивает стабилизацию по «рысканию» крестового суппорта относительно станины, повышению прямолинейности траекторий координатных перемещений.

Заявленный токарный станок поясняется графическими иллюстрациями, где

- на фиг.1 представлена общая компоновочная схема токарного станка, вид спереди;

- на фиг.2 представлена общая компоновочная схема токарного станка с изображением направлений вида А по координате «Z», Вида Б по координате «X» крестового суппорта, вид сверху;

- на фиг.3 представлен вид А по координате «Z» крестового суппорта и два местных разреза, вид слева;

- на фиг.4 представлен Вид Б по координате «X» крестового суппорта и два местных разреза, вид спереди;

- на фиг.5 представлено изображение горизонтальной плоскости формообразования в взаимосвязи с координатной системой токарного станка.

Токарный станок, компоновочное решение которого выполнено в виде классической токарной схемы (фиг.1), состоит из станины 1, неподвижной шпиндельной бабки 2, подвижного крестового суппорта 3 с по меньшей мере, двумя координатными горизонтальными направляющими 4, 5 (фиг.3, 4), инструментальной головкой 6, установленной ортогонально направляющим 4 станины 1. Кроме этого станок дополнительно снабжен четырьмя статорами 7, 8 (фиг.3, 4), два из которых 7 установлены на станине 1, а два 8 - на крестовом суппорте 3; четырьмя якорями 9, 10 (фиг.3, 4), установленными на крестовом суппорте 3.

Формообразование траектории образующей детали тела вращения (фиг.5) функционально обеспечивается посредством электромагнитного поля между статорами 7, 8 (фиг.3, 4) и якорями 9, 10 (фиг.3, 4), ориентированного вертикально относительно горизонтальной формообразующей плоскости (фиг.5) в его взаимосвязи между станиной 1 и крестовым суппортом 3. Конструктивно каждый из статоров 7, 8 (фиг.3, 4) и якорей 9, 10 (фиг.3, 4) имеет форму, выполненную в виде плоского параллелепипеда, протяженное ребро (на фиг. не показано) которого совпадает с координатным направлением (фиг.1, 2) горизонтальных направляющих 4, 5 (фиг.3, 4) крестового суппорта 3. Грани привалочной поверхности (на фиг. не выделены) внешней связи крестового суппорта со статором 7, 8 (фиг.3, 4) расположены с внешней стороны направляющих 4 станины 1 и крестового суппорта симметрично относительно оси вращения шпиндельной бабки (фиг.5).

Токарный станок работает следующим образом.

Исходное уравнение поверхности преобразуется в уравнение плоской кривой, которое характеризует образующую тела вращения (фиг.5) при движении формообразования в координатном рабочем пространстве зоны токарной обработки. Уравнение плоской кривой преобразуется математическим обеспечением ЧПУ в программу, представляемую в виде цифрового кода. Полученная в этом виде программа поступает на интерполятор, который вырабатывает сигналы управления по координатным перемещениям крестового суппорта 3, на котором в инструментальной головке 6 установлен и закреплен алмазный токарный резец, (на фиг. не показан) который совершает движение формообразования образующей детали тела вращения. Согласованные интерполятором сигналы управления обеспечивают преобразование в электромагнитном поле (на фиг. не показано) энергии в движение формообразования по координатам крестового суппорта по средством электромагнитного воздействия якоря 9, 10 на статор 7, 8. Точность и плавность движения алмазного инструмента по траектории образующей детали тела вращения (фиг.5) обеспечивается электромагнитным полем статоров и якорей выполненных в форме плоских параллелепипедов, основное протяженное ребро которых совпадает с направлениями координатных движений (на фиг. не показано) крестового суппорта, а грани привалочной поверхности (на фиг. не показаны) статоров расположены с внешней стороны направляющих 4, 5 (фиг.3, 4) крестового суппорта симметрично относительно оси вращения шпиндельной бабки (фиг.5). Таким образом, получается образующая, а, следовательно, и поверхность тела вращения токарной обработкой алмазным резцом. Качество обрабатываемой поверхности по геометрической точности, форме и шероховатости и производительность обеспечиваются устойчивостью процесса механики ультрапрецизионного резания материалов.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле полезной модели, позволяет повысить производительность и точность ультрапрецизионног точения асферических поверхностей оптических элементов за счет устойчивости механики ультрапрецизионного точения и кинематики формообразования траектории образующей детали тела вращения, качество которых определяется величиной и постоянством сечения стружки, измеряемое десятками и сотнями нанометров, степенью виброактивности возмущения по амплитуде и частоте процесса стружкообразования лезвийной обработки, запаздыванием деформации от силы резания в цикле механики стружкообразования и кинематическими параметрами траектории перемещения режущей кромки алмазного резца по образующей детали тела вращения в горизонтальной формообразующей плоскости, зависящей от постоянства и скорости подачи (подачи на оборот детали), то есть плавности перемещения по направляющим в их функциональной взаимосвязи посредством электромагнитного поля между статорами и якорями станины и крестового суппорта, ориентированного вертикально относительно горизонтальной формообразующей плоскости, а каждый из статоров и якорей выполнен в виде плоского параллелепипеда, протяженное ребро которого совпадает с координатным направлением горизонтальных направляющих крестового суппорта, а грани привалочной поверхности внешней связи крестового суппорта со статором расположены с внешней стороны направляющих станины и крестового суппорта симметрично относительно оси вращения шпиндельной бабки.

Разделение электромагнитного поля на части с тандемным исполнением, ориентированного вертикально координатной горизонтальной формообразующей плоскости, образование которого осуществляется между якорями и статорами, которые конструктивно выполнены в форме плоских параллелепипедов, основное протяженное ребро которых совпадает с направлением координатных перемещений крестового суппорта, а грани привалочной поверхности статора расположены с внешней стороны прямолинейных направляющих крестового суппорта, которые ориентированы относительно направляющих станины и оси вращения шпиндельной бабки симметрично, что способствует исключению взаимовлияния подвижны частей (якорей) на неподвижные части (статоры), а следовательно обеспечивают стабилизацию по «рысканью» крестового суппорта и станины по направляющим и как следствие повышению прямолинейности траектории координатных перемещений, плавности и постоянства скорости подачи.

Предложенное компоновочное решение, отображенное в формуле решает задачу снижения влияния «паразитных» явлений электромагнитного поля между статором и якорем на плавность и точность траекторий координатного перемещения конструктивных элементов направляющих крестового суппорта относительно оси вращения шпиндельной бабки в горизонтальной плоскости и станины, а также ограничения взаимовлияния его ассиметричного воздействия на непостоянство положения координатной горизонтальной формообразующей плоскости относительно диаметральной плоскости, положение которой определено осью вращения шпиндельной бабки.

«Паразитные» явления электромагнитного поля проявляются в направлении перпендикулярном координатной горизонтальной формообразующей плоскости фиг.5, однако их симметрия относительно оси вращения шпиндельной бабки, станины и направляющих крестообразного суппорта не оказывает влияние на положение режущей кромки резца в горизонтальной формообразующей плоскости, а, следовательно, и на траекторию образующей детали тела вращения.

Описанные выше технические результаты позволяют в своей совокупности использовать заявленный токарный станок для особо точных станков с ЧПУ для токарной обработки материалов методом ультрапрецизионного точения асферических поверхностей оптических элементов наукоемких машин и приборов.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Свойства, регламентированные в заявленном устройстве отдельными признаками, не описанными в материалах заявки, общеизвестны из уровня техники и не требует дополнительных пояснений.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для особо точных станков с ЧПУ для токарной обработки материалов методом ультрапрецизионного точения асферических поверхностей оптических элементов наукоемких машин и приборов;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, описанного в материалах заявки.

Исходя из изложенного, заявленный объект, по мнению заявителя, соответствует требованиям условий патентоспособности: «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Токарный станок, содержащий основание, на котором неподвижно установлена шпиндельная бабка изделия, подвижный крестовой суппорт с, по меньшей мере, двумя координатными горизонтальными направляющими и резцовую головку, установленную ортогонально по отношению к основанию, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен четырьмя статорами, два из которых установлены на основании, а два - на крестовом суппорте, и четырьмя якорями, установленными на крестовом суппорте, для функционального обеспечивания посредством электромагнитного поля, ориентированного вертикально относительно горизонтальной формообразующей плоскости, связи между основанием и крестовым суппортом, при этом каждый из статоров и якорей выполнен в виде плоского параллелепипеда, протяженное ребро которого совпадает с координатным направлением горизонтальных направляющих крестового суппорта, а грани привалочной поверхности внешней связи крестового суппорта со статором расположены с внешней стороны направляющих основания и крестового суппорта симметрично относительно оси вращения шпинделя бабки изделия.