Крестовый стол
Полезная модель относится к области обработки материалов лезвийным инструментом методом ультрапрецизионного микрорезания асферических поверхностей оптических элементов наукоемких машин и приборов. Крестовый стол состоит из модуля 1 продольного и модуля 2 поперечного перемещения, каждый из которых выполнен в виде основания 3, 4, направляющих 5, 6, каретки 7, 8 и привода подач. Траектории координатных движений модулей продольного и поперечного перемещения образуются во взаимосвязи базовых горизонтальных граней направляющих 5, 6 с вертикальными гранями направляющих 5, 6 моноблоков-кареток 7, 8 в результате относительного движения прилежащих граней направляющих 5, 6, по степеням подвижности ортогонального направления во внутренних связях между модулями, образующих масляный зазор гидростатической смазки. Кроме этого, крестовый стол имеет возможности регулировки ортогональных направлений положения траекторий координатных движений модулей продольного и поперечного перемещений с последующей их фиксацией винтовым соединением прихватами в виде планок 10, установленные в пазы основания поперечного модуля с внешней стороны тандемом, и фиксацию крестового стола на станину станка (на фиг. не показано) функционально обеспечивать прихватами в виде планок 9 установленные в пазы основания модуля продольного перемещения с внешней стороны тандемом.
Полезная модель относится к области обработки материалов лезвийным инструментом методом ультрапрецизионного микрорезания асферических поверхностей оптических элементов наукоемких машин и приборов, в которых отражательная способность обрабатываемой поверхности существенно определяется средней квадратической величиной шероховатости (величина не более 5 нм), а именно крестовым столам, обеспечивающим траекторию координатного движения в процессе формообразования обрабатываемой поверхности, и может быть использована при токарной обработке.
Из уровня техники известен крестовый стол токарного станка, установленный на направляющие станины, содержащий поперечные салазки, установленные на направляющих продольных салазок. Прилегание граней направляющих внутренних связей, оформленных в виде отдельных сопряжений с внешними охватывающими и внутренними охватываемыми профилями различной формы от ассиметричного треугольного профиля на направляющих станка до симметричного профиля ласточкина хвоста на направляющих продольного суппорта, образованных непосредственно на базовых корпусных деталях станины и продольных салазок. Система поверхностей направляющих по замкнутому контуру поперечного сечения конструктивных форм базовых деталей имеет пространственное расположение, которое образует избыточность связей в конструкции крестового стола и станины и обуславливает явление статической неопределенности (Свидетельство на полезную модель RU 
2947, 1996 г, В23В 7/00, В23В 9/00).
Указанная система внутренних связей для средних и легких станков обеспечивает ограничение по точности и производительности механической обработки лезвийным инструментом методом точения из-за ограниченной виброустойчивости по критерию динамической податливости, связанной с меньшими плечами силы резания относительно центров жесткости узлов, определяющих траектории координатного движения режущей кромки инструмента в процессе формообразования обрабатываемых поверхностей деталей тел вращения.
Наиболее близким к заявленному техническому решению по совокупности признаков технической сути и достигаемому результату является крестовый стол, содержащий модули продольного и поперечного перемещения, каждый из которых выполнен в виде основания с направляющими, каретки, размещенной на направляющих привода каретки, причем каретки модулей продольного и поперечного перемещения скреплены между собой (Патент на изобретение РФ 2242348, В23Q 1/26, 2009 г).
Обоснование выбора прототипа по классической схеме крестового стола определено совокупностью признаков эффекта по производительности точности и процессу формообразования методом ультропрецизионного микрорезания асферических поверхностей оптических элементов на деталях класса дисков, при обработке торцевых поверхностей лезвийным инструментом с округлостью режущей кромки десятки нанометров, характеризующимся целевым критерием расположения взаимосвязей степеней подвижности конструкторско-компоновочного решения внутренних связей формообразующих координатных движений продольного и поперечного модулей, определяющих устойчивость механики процесса резания по критерию динамической податливости.
Конструктивно-компоновочное решение внутренних связей базовых корпусных деталей основания с кареткой-столом представлено в виде перемещающихся относительно друг друга по прямолинейным призматическим рельсовым направляющим, конструктивно оформленным в виде отдельных самостоятельных сопряжений, разнесенных относительно друг друга на базовые расстояния с внешними охватывающими профилями, причем четыре каретки имеют внутренний охватывающих профиль. Элементы поверхностей и конструктивных форм направляющих внутренних связей воплощены в виде самостоятельных деталей (рельсовые направляющие, каретки) со своими привалочными базовыми поверхностями, которыми они сопрягаются с базовыми корпусными деталями (основанием, столом) и образуют неподвижное винтовое соединение.
Система поверхностей рельсовых направляющих, кареток, базовых деталей, образующих в поперечном сечении замкнутый контур, конструктивная форма которого имеет пространственное расположение, допускающее лишь одну степень свободы движения.
Конструктивная сложность системы пространственного расположения контура поверхностей направляющих крестового стола, а следовательно, и размерно-метрологические требования к точности их исполнения влекут за собой ограничение возможностей достижения прецизионности даже при наличии высокой производственной культуры и компетенции в знаниях при достижении прецизионности с соответствующим владением принципами Ноу-Хау. Кроме того, сложность и трудоемкость маршрутно-операционных процессов управления наследственностью физических явлений по достижению геометрической точности взаимного расположения, формы, шероховатости поверхностей, а также физико-механический свойств поверхностного слоя значительно увеличивает трудоемкость и финансовые расходы на организационно-технические мероприятия научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.
Для достижения требуемой точности обработки асферических поверхностей оптических элементов методом ультропрецизионного микрорезания лезвийным инструментом необходима взаимосвязь траекторий координатных движений крестового стола (поперечного и продольного модулей), точность исполнения которой необходимо выполнить с величиной, отклонения от прямого угла составляет одну угловую секунду.
Технологочиское обеспечение столь высокой точности расположения траекторий движения вызывает большие трудности при изготовлении при эксплуатации крестового стола. Поэтому жесткое крепление крестовых столов недопустимо и следовательно необходима регулировка их взаимного расположения.
Точность траекторий координатного движения в процессе контурного формообразования двух степеней подвижности внутренних связей крестового стола определяется степенью несовершенства их кинематических пар обусловленных явлениями статической неопределяемости избыточных связей и не управляется системой ЧПУ станка из-за не охвата их обратными связями контура системы управления.
Несовершенство кинематической цепи внутренних связей: из-за ограниченной геометрическим, конструктивным фактором жесткости; из-за существенного влияния в балансе точности жескостно-диссинативных процессов в неподвижных стыках привалочных поверхностей и подвижных соединений из-за инерционо-массогабаритных характеристик несущей системы станка и, кроме того, существенно зависит от геометрической точности размеров, форм и шероховатостей взаимодействующих поверхностей сопряжений. Значительное влияние на точность траекторий координатных перемещений крестового стола оказывают монтажно-сборочные погрешности станков при соединении привалочных поверхностей в стыкисборных направляющих из-за ослабления затяжки резьбовых соединения в процессе эксплуатации.
Техническим результатом заявленного технического решения является повышение производительности и обеспечение заданной точности процессов формообразования по критерию механики резания ультропрецизионного микрорезания асферических поверхностей оптических элементов лезвийным инструментом.
Крестовый стол имеет направляющие каретки модулей продольного и поперечного перемещения, выполненные в виде моноблока, причем моноблок направляющих каретки продольного модуля выполнен в поперечном сечении в виде тавра, полки которого образуют плиту, а короткая стойка - щипа, на полках расположены оппозитно тандемом поверхности граней направляющих, образующих горизонтальную базовую плоскость, а ортогонально на боковых сторонах щипа оппозитно расположены грани поверхностей направляющих, образующих направление траектории координатного движения модуля продольного перемещения, а моноблок направляющих каретки поперечного модуля выполнен в поперечном сечение в виде креста, образованного брусом прямоугольного сечения, на периферии которого ортогонально расположены три выступа-щипа в виде стержневых параллелепипедов прямоугольного профиля, причем на выступах-щипах с противоположных сторонах бруса в горизонтальном направлении оппозитно тандемом образованны грани поверхностей направляющих, образующих базовую плоскость, а на оставшихся участках вышеупомянутых сторон бруса ортогонально образован выступ-щип оппозитно расположенными гранями поверхностей направляющих, образующих направление траектории координатного движения модуля поперечного перемещения, внутренние связи грани поверхностей направляющих моноблоков кареток с основаниями модулей образуют масляный зазор гидростатической смазки, основание модуля поперечного перемещения зафиксировано с моноблоком направляющих модулей продольного перемещения винтовым соединением прихватами в виде планок, установленных в пазы основания с внешней стороны тандемом, а основание модуля продольного перемещения имеет пазы, расположенные тандемом с внешней стороны, функционально обеспечивающие фиксацию крестового стола на станину станка.
Обработка деталей на металлорежущих станках происходит в соответствии с управляющей программой, преобразуемой интерполятором системы управления приводов подач в траектории координатных перемещений модулей продольного и поперечного перемещения крестового стола. Точность траектории координатного движения двух степеней подвижности внутренних связей крестового стола не зависит от приводов подач системы ЧПУ из-за не охвата их обратными связями контура системы управления, а определяется совершенством выбора компоновочного решения, рационального конструктивно-технологического проектирования компонентов формообразующей координатной структуры, определяющей качество траекторий по технологической и эксплуатационной надежности.
Совершенство конструктивной схемы моноблочного типа предусматривает сокращение количества звеньев, рационального упрощения формы профиля поперечного сечения в целях компактности и технологичности конструкции, понижении степени избыточных связей статической неопределенности силовой схемы за счет управления компенсацией погрешностями изготовления и упругими деформациями диагональных и поперечных связей путем комплексного рационально-компоновочного решения в расположении граней поверхностей направляющих.
Сочетание и учет взаимовлияния компараторных погрешностей конструктивной и технологической наследственности основных и направляющих баз при компоновочном конструировании форм профиля моноблока обеспечивает резерв повышения точности траектории координатного перемещения крестового стола по геометрической точности взаимного расположения, форме, шероховатости и качеству физикомеханических свойств поверхностного слоя.
Сложность и трудоемкость достижения прецизионности базовых деталей по показателям качества поверхности вследствии наследственных явлений технологического вида при трансформации физико-химических свойств сырья по технологическим переделам получения заготовок и последующей их термомеханической, термической и механической обработки также накладывает существенные требования к простоте и симметричности конфигурации формы профиля. Кроме того форма профиля направляющих в связи с высокими требованиями к жесткости, обусловленными динамической устойчивостью механики резания ультрапрецизионного точения с сечениями стружки в десять нанометров, определяет геометрический характер сечения деформируемого тела и влияет через момент инерции сечения на коэффициент пролетной жесткости на изгибе. Переход, в связи с простотой конструкции и ее компактности, от использования материалов для корпусных базовых деталей каретки и основания вместо серых чугунов к сталям позволяет увеличить пролетную жесткость конструкции в 2,5 раза.
Кроме того устранение указанных недостатков прототипа обеспечивает получение динамической устойчивости и плавности движения по траекториям координатного перемещения на «ползучих» скоростях при соответствующем увеличении производительности и точности формообразования за счет компоновочного решения повышения качества траекторий координатного движения лезвия режущей кромки инструмента при помощи крестового стола, за счет увеличения собственной частоты, демпфирующей способности, компоновки несущей системы и масляного зазора гидростатической смазки во внутренних связях степеней подвижности конструкции крестового стола, быстродействия, динамической жесткости, коэффициента полезного действия и качества воспроизводства законов управления траекториями координатного перемещения.
Механизм процесса ультрапрецизионного резания определяет характер «ползучих» скоростей подач, величина которых составляет несколько единиц мм/мин.
Переход от состояния покоя в состояние движения с «ползучими» скоростями сопровождается скачкообразным неравномерным перемещением, обусловленным фрикционными автоколебаниями, природа которых молекулярно-механические процессы пограничного взаимодействия поверхностей трения граней направляющих по площадкам фактического контакта, величина которого зависит от макрогеометрии рельефа поверхности, волнистости, структуры и физико-химических свойств поверхностного слоя, Кроме того молекулярно-механические процессы сопровождаются адгезией соприкасающихся поверхностей и их износом.
Обеспечение устойчивости и плавности координатных движений на «ползучих» скоростях подач, комплексная стабилизация качественных показателей поверхностей граней внутренних связей степеней подвижностей направляющих крестового стола требует разделения поверхностей трения масляным зазором гидростатической смазки.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное устройство, является создание компоновочно-конструкторского инженерного замысла в форме и взаимосвязи совокупности проектно-конструкторских решений функционального исполнения конструкций базовых деталей крестового стола, конфигурации профилей поперечных сечений направляющих модулей продольного и поперечного перемещения, пространственного расположения системы базовых и направляющих поверхностей граней направляющих моноблоков кареток с образованием их внутренних связей с основаниями модулей в виде масляного зазора гидростатической смазки. Исключение контактирования граней направляющих при прилегании реальных негладких шероховатых поверхностей способствует увеличению производительности, точности формы за счет компоновочного решения повышения качества траекторий координатного движения модулей крестового стола, увеличения собственной частоты, демпфирующей способности, быстродействия, динамической жесткости, коэффициента полезного действия и качества воспроизводства законов управления траекториями координатного перемещения. Осуществление возможности управления действиями по повышению технологической и эксплуатационной надежности качества ортогональной взаимосвязи траекторий координатного перемещения крестового стола с точностью одна угловая секунда.
Технический результат, соответствующий решаемой технической задачи достигается за счет того, что в крестовом столе, содержащем модули продольного и поперечного перемещения, каждый из которых выполнен в виде основания, направляющих, каретки и привода подач, согласно полезной модели, направляющие каретки модулей продольного и поперечного перемещения выполнены в виде моноблока, причем моноблок направляющих каретки продольного модуля выполнен в поперечном сечении в виде тавра, полки которого образуют плиту, а короткая стойка - шип, на полках расположены оппозитно тандемом поверхности граней направляющих, образующих горизонтальную базовую плоскость, а ортогонально на боковых сторонах шипа оппозитно расположены грани поверхностей направляющих, образующих направление траектории координатного движения модуля продольного перемещения, а моноблок направляющих каретки поперечного модуля выполнен в поперечном сечении в виде креста, образованного брусом прямоугольного сечения, на периферии которого ортогонально расположены три выступа-шипа в виде стержневых параллелепипедов прямоугольного профиля, причем на выступах-шипах с противоположных сторон бруса в горизонтальном направлении оппозитно тандемом образованы грани поверхностей направляющих, образующих базовую плоскость, а на оставшихся участках вышеупомянутых сторон бруса ортогонально образован выступ-шип с оппозитно расположенными гранями поверхностей направляющих, образующих направление траектории координатного движения модуля поперечного перемещения, внутренние связи направляющих моноблоков-кареток с основаниями модулей образуют масляный зазор гидростатической смазки, основание модуля поперечного перемещения зафиксировано с моноблоком направляющих модуля продольного перемещения винтовым соединением прихватами в виде планок, установленных в пазы основания, с внешней стороны тандемом, а основание модуля продольного перемещения имеет пазы, расположенные тандемом, с внешней стороны, функционально обеспечивающие фиксацию крестового стола на станину станка.
Заявленный крестовой стол поясняется графическими иллюстрациями, где
- на фиг.1 представлена общая компоновочная схема крестового стола, вид спереди;
- на фиг.2 представлена общая компоновочная схема крестового стола с изображением направлений Вида А модуля продольного перемещения, Вида Б модуля поперечного перемещения, вид сверху;
- на фиг.3 представлен вид А модуля продольного перемещения крестового стола с местным разрезом, вид слева;
- на фиг.4 представлен вид Б модуля поперечного перемещения крестового стола с местным разрезом, вид сзади.
- на фиг.5 представлен увеличенный местный разрез направляющей 5 каретки 7 продольного модуля 1 крестового стола с указанием мест масляного зазора гидростатической смазки Н во внутренних связях каретки 7 с основанием 3;
- на фиг.6 представлен увеличенный местный разрез направляющей 6 каретки 8 поперечного модуля 2 крестового стола с указанием мест масляного зазора гидростатической смазки Н во внутренних горизонтальных связях каретки 8 с основанием 4;
- на фиг 7 представлен увеличенный местный разрез направляющей 5 каретки 7 продольного модуля 1 крестового стола с указанием мест масляного зазора гидростатической смазки h во внутренних вертикальных связях каретки 7 с основанием 3;
- на фиг.8 представлен увеличенный местный разрез направляющей 6 каретки 8 поперечного модуля 2 крестового стола с указанием мест масляного зазора гидростатической смазки h во внутренних вертикальных связях каретки 8 с основанием 4.
На фигурах не показаны системы питания гидростатической смазки и винтовых соединений планок 9, 10.
Крестовый стол (фиг.1, 2, 3, 4) состоит из модуля 1 продольного и модуля 2 поперечного перемещения, каждый из которых выполнен в виде основания 3, 4, направляющих 5, 6, каретки 7, 8 и привода подач (на фигуре не представлен).
Траектории координатных движений модулей продольного и поперечного перемещения образуются во взаимосвязи базовых горизонтальных граней направляющих 5, 6 с вертикальными гранями направляющих 5, 6 моноблоков-кареток 7, 8 в результате относительного движения прилежащих граней направляющих 5, 6, по степеням подвижности ортогонального направления во внутренних связях между модулями, образующих масляный зазор гидростатической смазки.
Кроме этого крестовый стол имеет возможности регулировки ортогональных направлений положения траекторий координатных движений модулей продольного и поперечного перемещений с последующей их фиксацией винтовым соединением прихватами в виде планок 10, установленные в пазы основания поперечного модуля с внешней стороны тандемом, и фиксацию крестового стола на станину станка (на фиг. не показано) функционально обеспечивать прихватами в виде планок 9 установленные в пазы основания модуля продольного перемещения с внешней стороны тандемом.
Крестовый стол фиг.1,2,3,4 работает следующим образом. Исходное управление асферической поверхности преобразуется в уравнение плоской кривой, в результате абстрагирования методом секущих плоскостей, при рассечении ее диаметральной плоскостью, на ней образуется след плоской кривой, характеризующей образующую тела вращения. Уравнение плоской кривой преобразуется математическим обеспечением ЧПУ в программу, представленную в виде цифрового кода. Полученная в этом виде программа в формате двоичного кода поступает наинтерполятор, который распределяет координатные движения по модулям продольного и поперечного перемещения в ортогональных направлениях крестового стола на котором (на фиг. не представлено) в инструментальной головке установлен и закреплен алмазный токарный резец, режущей кромке которого сообщается формообразующее движение по образующей детали тела вращения. Таким образом, получение образующей, а следовательно и поверхность тела вращения при токарной обработке алмазным резцом. Качество обрабатываемой поверхности по геометрической точности, взаимному расположению, форме и шероховатости, физико-химико механическим свойствам поверхностного слоя в сочетании с производительностью ультралрецизионного процесса обработки обеспечивается динамичной устойчивостью механизма резания в нанометровом диапазоне режимов обработки на «ползучих» скоростях подачи.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле полезной модели, позволяет обеспечить повышение производительности и достижения точности ультропрецизионного точения асферических поверхностей оптических элементов за счет динамической устойчивости технологической и эксплуатационной надежности механики ультрапрецизионного микрорезания, кинематики формообразования траекторий координатного движения модулей продольного и поперечного перемещения крестового стола, качество которого 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 диаметральной плоскости, зависящей от постоянства и величины подачи (подачи на оборот детали) на «ползучих» скоростях, т.е плавности движения по траекториям координатных перемещений модулей в их функциональной взаимосвязи через масляный зазор гидростатической смазки направляющих
Описанные выше технические результаты позволяют в своей совокупности использовать заявленное устройство-крестовый стол для токарных станков с ЧПУ особо точного класса, реализующих ультрапрецизационную алмазную обработку 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 микрорезания 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.
Крестовый стол, содержащий модули продольного и поперечного перемещений, каждый из которых выполнен в виде основания, направляющих каретки и привода подач, отличающийся тем, что направляющие каретки модулей продольного и поперечного перемещений выполнены в виде моноблока, причем моноблок направляющих каретки продольного модуля выполнен в поперечном сечении в виде тавра, полки которого образуют плиту, а короткая стойка - шип, на полках расположены оппозитно тандемом поверхности граней направляющих, образующих горизонтальную базовую плоскость, а ортогонально на боковых сторонах шипа оппозитно расположены грани поверхностей направляющих, образующих направление траектории координатного движения модуля продольного перемещения, причем моноблок направляющих каретки поперечного модуля выполнен в поперечном сечении в виде креста, образованного брусом прямоугольного сечения, на периферии которого ортогонально расположены три выступа-шипа в виде стержневых параллелепипедов прямоугольного профиля, причем на выступах-шипах с противоположных сторон бруса в горизонтальном направлении оппозитно тандемом образованы грани поверхностей направляющих, образующих базовую плоскость, а на оставшихся участках вышеупомянутых сторон бруса ортогонально образован выступ-шип с оппозитно расположенными гранями поверхностей направляющих, образующих направление траектории координатного движения модуля поперечного перемещения, внутренние связи направляющих моноблоков-кареток с основаниями модулей образуют масляный зазор гидростатической смазки, основание модуля поперечного перемещения зафиксировано с моноблоком направляющих модуля продольного перемещения винтовым соединением прихватами в виде планок, установленных в пазы основания, с внешней стороны тандемом, а основание модуля продольного перемещения имеет пазы, расположенные тандемом, с внешней стороны, функционально обеспечивающие фиксацию крестового стола на станину станка.
