КОРПУСНЫЕ ДЕТАЛИ

Станины несут на себе основные узлы машин, обеспечивают их правильное взаимное расположение и воспринимают основные силы, действующие в машине,

Плиты поддерживают машины и приводы машин, состоящие из отдельных агрегатов, а также вертикальные машины.

Коробки, корпуса и другие детали заключают в себе или поддерживают механизмы машин.

Все детали этой группы можно объединить под общим названием корпусные детали.

Корпусные детали в значительной степени определяют работоспособность и надежность машин по критериям виброустойчивости, точности работы под нагрузкой, долговечности (при наличии направляющих или других изнашиваемых поверхностей). В стационарных машинах корпусные детали составляют до 70–85% массы машин. Поэтому мероприятия по экономии материалов наиболее эффективны в отношении снижения массы корпусных деталей.

Все корпусные детали (рис. 166) можно разделить по назначению на следующие группы: 1) станины, рамы; 2) основания, фундаментные плиты; 3) корпусные детали узлов.

Корпусные детали узлов можно разделить на: а) корпуса, коробки, цилиндры; б) стойки, кронштейны и другие неподвижные поддерживающие детали; в) столы, суппорты, ползуны и другие подвижные корпусные детали; г) кожухи и крышки. Корпусные детали применяют: с двумя габаритными размерами, значительно меньшими, чем третий, – длинные станины, поперечины, ползуны; с одним габаритным размером, значительно меньшим, чем два других, – плиты, плоские столы; с габаритными размерами одного порядка – коробки.

Рис. 166

Критерии работоспособности и надежности корпусных деталей: прочность, жесткость, долговечность.

Прочность является основным критерием для корпусных деталей, подверженных большим нагрузкам, главным образом ударным и переменным.

Жесткость служит основным критерием работоспособности большинства корпусных деталей. Повышенные упругие перемещения в корпусных деталях обычно приводят к неправильной работе механизмов, понижению точности работы машин, способствуют возникновению колебаний.

Долговечность по износу имеет большое значение для корпусных деталей с направляющими или цилиндрами, выполненными за одно целое, без накладок или гильз. Ресурс остальных корпусных деталей обычно больше срока службы машин по их моральному износу (старению конструкции).

Выбор материала подчиняется указанным выше основным критериям работоспособности и технологическим требованиям.

Корпусные детали по условию жесткости изготовляют из материалов с высоким модулем упругости, допускающих совершенные формы, т. е. из чугуна и сталей без термической обработки. Термическая обработка крупных деталей затруднена, и она не повышает модуль упругости материала.

Корпусные детали в транспортных машинах, например картеры двигателей, а также подвижные детали стационарных машин, например поршни, нагружаемые большими массовыми инерционными силами, часто выполняют из легких сплавов, которые обладают повышенной прочностью, отнесенной к единице массы.

Большинство корпусных деталей отливают из чугуна. Это объясняется возможностями получения сложных геометрических форм; относительно невысокой стоимостью при серийном изготовлении, в котором стоимость моделей раскладывается на значительное количество отливок.

Сварные корпусные детали применяют для уменьшения массы и габаритов, а в индивидуальном и мелкосерийном производстве также для удешевления и ускорения производства.

Сварные детали выполняют: а) из элементов простых форм – в слабо оснащенном и индивидуальном и мелкосерийном производствах; б) из гнутых элементов – в достаточно хорошо оснащенном серийном производстве; в) из штампованных элементов, обеспечивающих совершенные, обтекаемые формы, – в крупносерийном и массовом производствах.

Большие перспективы, главным образом в тяжелом машиностроении, имеют сварно-литые конструкции, так как они значительно упрощают отливки.

Корпусные детали, которые должны иметь минимальную массу, но не подвергаются существенным нагрузкам и не требуют высокой стабильности размеров, успешно изготовляют из пластмасс. К этим деталям относятся корпуса переносных и ручных машин и инструмента, приборов; крышки, кожухи и т. д.

Конструирование корпусных деталей

Корпусные детали, работающие на изгиб и кручение, целесообразно выполнять тонкостенными с толщиной стенок, обычно определяемой по технологическим условиям (условиям хорошего заполнения форм жидким металлом). Детали, работающие на кручение, нужно по возможности выполнять с замкнутыми сечениями, а работающие на изгиб – с максимальным отнесением материала от нейтральной оси. При необходимости изготовления окон для использования внутреннего пространства не следует их совмещать по длине; ослабление целесообразно компенсировать отбортовками или жесткими крышками. Наиболее эффективным путем экономии материалов при изготовлении машин обычно является уменьшение толщины стенок. Уменьшением толщины стенок в k раз при сохранении постоянной жесткости и подобия контура можно уменьшить массу в k^2/3 раз. Необходимая жесткость стенок обеспечивается соответствующим оребрением.

Внутренние стенки и ребра охлаждаются медленнее, чем наружные, поэтому их толщины по условию одновременного остывания с наружными рекомендуют выбирать равными 0,8 от толщины наружных. Высота ребер должна быть не больше их пятикратной толщины. Стенки стальных отливок по технологическим условиям выбирают на 20–40 % толще, чем чугунных. Цветные литейные сплавы допускают значительно меньшие толщины стенок, чем чугун. Толстые стенки в отливках применяют при стесненных габаритах деталей.

Стенки должны быть по возможности постоянной толщины. Если невозможно выдержать постоянную толщину стенок, необходимо предусматривать плавные переходы.

Корпусные детали, приближающиеся по соотношению габаритных размеров к брусьям, подвергаются обычно изгибу и кручению. Детали этого типа с замкнутым контуром при действии нагрузок на перегородки (концевые или промежуточные) работают как одно целое и их рассчитывают по соответствующим формулам сопротивления материалов. Контур деталей этого типа при наличии окон и отсутствии перегородок или при действии нагрузки не на перегородки искажается, что учитывают в уточненных расчетах.

Корпусные детали, относящиеся к той же группе, но состоящие из двух стенок, с перпендикулярными или диагональными перегородками (типа станин токарных станков), рассчитывают как тонкостенные статически неопределимые системы. В технических расчетах станины этого типа рассматривают как брусья постоянного по длине сечения некоторой приведенной жесткости, определенной из уточненного расчета системы как статически неопределимой при одном простом виде нагружения.

Портальные станины, рамы транспортных машин рассчитывают как статически неопределимые системы.

Корпусные детали типа плит, подвергаемые обычно действию сил, перпендикулярных к основной плоскости, рассчитывают как простые или сложные пластины. Для деталей типа столов, перемещающихся по направляющим, критерием расчета является сохранение правильного контакта в направляющих. Для плит критерием обычно является сохранение плоскостности при затяжке фундаментных болтов и приложении внешних нагрузок.

Основные расчеты коробок ведут на нагрузки, действующие перпендикулярно к стенкам, так как стенки в своей плоскости имеют высокую жесткость. Обычно можно пользоваться приближенными расчетами, основанными на экспериментах на моделях. Критериями расчета являются прочность и условия правильной работы механизмов.

Горизонтальные станины и плиты проектируют с учетом их совместной работы с фундаментом.

Машины, подверженные существенным динамическим нагрузкам, тяжелые и высокоточные машины устанавливают на индивидуальные фундаменты; остальные машины – на общем бетонном полотне цеха толщиной 200–250 мм.

Машины устанавливают на подкладках, клиньях или башмаках, притягивают болтами и подливают цементным раствором.

Прецизионные машины, для которых недопустимы вибрации, а также машины, являющиеся источником сильных вибраций в цехе, устанавливают на упругие виброизоляционные опоры или прокладки, а в особо ответственных случаях – на виброизоляционные фундаменты. Последние опирают на пружины или резиновые амортизаторы.

Для крупных корпусных деталей в последнее время стали применять бетонные и железобетонные конструкции. Бетон хорошо гасит вибрации, что увеличивает жесткость машины в целом. Кроме того, по сравнению с чугуном бетон менее чувствителен к колебаниям температуры. Хотя модуль упругости бетона меньше, чем модуль упругости чугуна, такую же жесткость можно получить за счет увеличения толщины стенок. Масса корпусной детали при этом остается в пределах нормы, так как удельный вес бетона составляет только треть от удельного веса серого чугуна.

Однако бетон имеет недостаток: после схватывания он поглощает влагу, что влечет за собой объемные изменения. Кроме того, попадание масла на бетон повреждает его. Поэтому следует принимать необходимые меры по защите бетона от влаги и попадания масла.

Для изготовления станин тяжелых станков используют железобетон. Применение железобетона дает экономию металла на 40...60%, при этом обеспечивается такая же жесткость, как и при применении чугуна.

Перспективным материалом является полимерный бетон, который имеет высокий модуль упругости (Е=40 кН/мм²) и лишен недостатков, присущих бетону.