18 grudnia 2017


Pod względem wytrzymałości doraźnej korpusy wykazują zawsze duży zapas bezpieczeństwa, ponieważ najczęściej podstawowym warunkiem decydującym o ich cechach i wymiarach jest sztywność. Zwłaszcza dotyczy to obrabiarek.

Aleksander Łukomski

Naprężenia wywołane obciążeniami podczas pracy w żeliwnych korpusach obrabiarek średnich nie przekraczają zwykle 60 – 80 kG/cm2 , a w korpusach obrabiarek pracujących przy dużych siłach skrawania, jak  np. obróbka zgrubna, osiągają  100-200 kG/cm2 . W korpusach stalowych, spawanych występują naprężenia na ogół nieprzekraczające 150-200 kG/cm2 .
Obciążenia korpusów należy rozpatrywać w całym układzie nośnym obrabiarki. Jest on poddany działaniu sił i momentów skrawania, ciężarów przedmiotów obrabianych, ciężarów własnych elementów korpusów i zespołów, sił zacisków wywieranych przez szczęki uchwytów, sił bezwładności oraz reakcji fundamentu powodowanego działaniem sił ciężkości, sił dynamicznych powodowanych drganiami oraz ugięciami podstawy (momenty reakcyjne utwierdzenia). Pozostałe siły tworzą układy zamykające się wewnątrz konstrukcji nośnej obrabiarki. Występuje tu takie pojęcie jak obwód przenoszenia sił skrawania przez korpusy tworzące układ nośny. Odpowiednia analiza obciążeń układu nośnego i poszczególnych korpusów pozwala wyciągnąć ważne wnioski dla ich konstrukcji. Istotne są te obciążenia, które powodują odkształcenia wywierające dominujący wpływ na błędy obróbki.  

korpusy przyrzadu spawalniczego
Fot. 4  Różne korpusy przyrządu spawalniczego

W korpusach przyrządów spawalniczych mogą występować podobne układy sił i obwody sił. Nie ma tu co prawda sił skrawania, występują jednak siły i odkształcenia od naprężeń i odkształceń spawalniczych, spawanych w nich zespołów. Niekiedy mogą one być znaczne. Zdarza się, że duża rama spawana w przyrządzie kurczy się o kilkanaście, a w skrajnym przypadku o kilkadziesiąt milimetrów, jeżeli długość ramy np. podwozia wynosi 20000-25000 mm. Przykładem może być rama podwozia lokomotywy Kiruna, która jako ciężka lokomotywa wykonywana była z grubych blach (niektóre elementy z blach o grubości nawet 40 mm). Im grubsze blachy zespołu spawanego w przyrządzie, tym większe odkształcenia i skurcze spawalnicze. Całe nadwozie lokomotywy Kiruna po zespawaniu wygięło się w górę, na kształt łuku, tak, że czołownice były o 70 mm wyżej od wymiaru nominalnego.

rama podwozia lokomotywy montaz
Fot. 5  Rama podwozia lokomotywy podczas montażu spawalniczego

Można sobie tylko wyobrazić jakie przy tym występowały siły. Przeciwdziała się takim odkształceniom nadając przed spawaniem tzw. strzałkę ugięcia. Jest to osobna, skomplikowana technologia wraz z odpowiednią teorią i praktyką stosowaną w fabrykach lokomotyw, tu nie omówiona. Można tylko zaznaczyć, że siły powodujące strzałkę ugięcia wagonu lub lokomotywy są rzędu 10-20 Mg. Obciążają one przyrząd spawalniczy i nie można ich nie uwzględniać konstruując przyrząd. Z kolei przeciwdziałanie siłom od odkształcenia spawalniczego, polegającego na skróceniu ramy podczas spawania, polega na takim doborze baz oraz technologii spawania np. ramy podwozia, aby odkształcenia powodowały odsuwanie się elementów spawanej ramy od baz przyrządu. W przeciwnym razie może dojść do zakleszczenia spawanego korpusu w przyrządzie lub w skrajnym przypadku do zniszczenia przyrządu.

Wymiarowanie korpusów
Wykonywanie korpusów obrabiarek, ale często także i przyrządów, odbywa się na gotowo. Nie ma tu miejsca na ustawianie i dopasowywanie w montażu. Wynika to stąd, że decydujące znaczenie ma założona konstrukcyjnie dokładność obrabiarki. Standardowo, uniwersalna tokarka czy frezarka powinna wykazywać błąd wykonania kompletnej obrabiarki w granicach +/- 0,01 mm. Dotyczy to sumy błędów ustawienia wrzeciona: bicie, współosiowość, prostopadłość do płaszczyzny stołu, dokładności posuwów itd. Zagadnienie dokładności obrabiarki (maszyny) jest dość skomplikowane same w sobie i tu jest jedynie zasygnalizowane. Są specjalne procedury i karty pomiarowe do sprawdzania tych tolerancji. Przy niektórych obrabiarkach, jak np. dokładne szlifierki, wytaczarki, czy koordynatki, tolerancje te są w granicach nawet 0,001 mm. Innym, równie ważnym w wykonywaniu obrabiarek parametrem wywołującym ostre tolerancje jest np. współpraca kół zębatych. Odległość współpracujących kół zębatych przy przeciętnych dokładnościach powinna mieścić się w granicach od +/- 0,01 do 0,025 mm. Przy dokładnych przekładniach zębatych, np. przy dużych obrotach lub wymaganiach dotyczących hałasu, tolerancje te mogą być liczone w tysięcznych częściach milimetra. Odpowiednio dochodzi tu współosiowość, prostopadłość i inne tolerancje geometryczne. Wpływa to na dokładność wykonania korpusu przekładni zębatej.
Uzyskanie takich tolerancji jest możliwe, zarówno w przemyśle obrabiarkowym, jak i w narzędziowniach wykonujących różne przyrządy obróbcze jak np. wykrojniki, tłoczniki, ale i przyrządy do frezowania czy toczenia. Dotyczyć to może też przyrządów do zgrzewania niektórych części nadwozi. Wymaga to jednak gruntownej analizy wymiarowania (i analizy tolerancji) całej maszyny, jak i poszczególnych jej elementów. Analizę taką powinno rozpoczynać się od końca, czyli od założonej dokładności obrabiarki, czy przyrządu, cofając się, poprzez zespoły do poszczególnych detali, przy analizowaniu również tolerancji ustalenia tych zespołów pomiędzy sobą. Gdyby rozpocząć od obrabianego na obrabiarce detalu, to należy rozpatrzyć układ OPN  (Obrabiarka – Przyrząd – Narzędzie). W przybliżeniu można by powiedzieć, że każdy wymieniony element OPN odbiera 1/3 dokładności detalu. W szczegółowych obliczeniach mogłoby to wyglądać w różnych przypadkach nieco inaczej, jednak w zdecydowanej większości przypadków to się sprawdza. Wynika stąd, że jeżeli detal obrabiany na obrabiarce ma mieć dokładność przykładowo 0,1 mm (np. położenie i wymiar otworu) to obrabiarka powinna zapewniać dokładność 0,03 mm, przyrząd 0,03 mm i narzędzie też 0,03 mm. Najczęściej jednak wymagania wobec układu OPN są ostrzejsze. Przy tokarce należałoby przeanalizować współosiowość wrzeciona i konika, a więc też i łoża tokarki, wykonanie otworu pod wrzeciono, łożyskowanie wrzeciona łożyskami serii NN z systemem kasowania luzów i wpływem temperatury na dokładność (specjalna, osobna procedura projektowania i montażu takiego łożyskowania). Często dopiero po godzinie pracy, lub dłuższym czasie, stabilizują się luzy wrzeciona, po osiągnięciu odpowiedniej temperatury węzła łożyskowego, umożliwiającej dokładną obróbkę. Łoże, a w nim prowadnice, wykonywane są dokładnym szlifowaniem i bardzo często tzw. skrobaniem na tusz, gdzie do tuszowania używa się specjalnych sprawdzianów i przeciwsprawdzianów. Przeanalizować trzeba też wpływ sił skrawania na sztywność korpusu. Konstrukcja prowadnic i suportu musi zapewniać odpowiednią sztywność dla zachowania dokładności obrabiarki. W tokarce przyrządem jest uchwyt samocentrujący, który musi być odpowiednio dokładny, a jego mocowanie na wrzecionie odpowiednio pewne. Narzędzie również powinno mieścić się w wyliczonej tolerancji. W układzie OPN może wystąpić szereg innych kombinacji, zwłaszcza jeżeli obrabiarka jest skomplikowana lub obrabiany detal jest bardzo dokładny, jednak zasada jest podobna.