Эксплуатация металлорежущих станков

Министерство образования и науки Российской Федерации 

Уральский федеральный университет  

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

М. П. Журавлев, С. С. Кугаевский, Д. М. Элькинд 

ЭКСПЛУАТАЦИЯ  

МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ 

Лабораторный практикум 

Рекомендовано методическим советом  
Уральского федерального университета  

для студентов вуза, обучающихся по направлениям подготовки  

15.03.05, 15.04.05 — Конструкторско-технологическое  

обеспечение машиностроительных производств 

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета 

2017 

УДК 621.09.06(076.5) 
ББК 34.63-52я73-5
          Ж91

Рецензенты: заместитель директора, руководитель учебного центра 
ГАПОУ СО «Уральский политехнический колледж — Межрегиональ-
ный центр компетенций» П. Е. Бакаева, генеральный директор ООО 
«Делкам–Урал» канд. техн. наук В. Г. Жураховский

Научный редактор — доц., канд. техн. наук С. В. Лукинских 

Ж91

Журавлев, М. П.
Эксплуатация металлорежущих станков : лабораторный практи-
кум / М. П. Журавлев, С. С. Кугаевский, Д. М. Элькинд. — Ека-
теринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2017. — 68 с.
ISBN 978-5-7996-2160-5

Практикум содержит методики выполнения практического задания, опи-
сание отчетов по выполненной работе, задания для самостоятельной под-
готовки по основным разделам курсов: «Надежность и диагностика тех-
нологических систем», «Надежность и диагностика технических систем», 
«Исследование технического состояния технологической системы», «Про-
граммирование автоматизированного оборудования». Предназначен для сту-
дентов всех форм обучения.

Библиогр.: 8 назв. Табл. 4. Рис. 26.

УДК 621.09.06(076.5) 
ББК 34.63-52я73-5

ISBN 978-5-7996-2160-5
© Уральский федеральный 
      университет

Лабораторная работа № 1. Определение 
жесткости технологической системы 

Общие положения
О

тличительными особенностями фрезерования от других видов 
механической обработки являются: периодически повторяю-

щийся по времени процесс резания с работой режущих кромок по ци-
клу нагрузка-разгрузка, переменная нагрузка режущей кромки за один 
цикл резания в результате изменения толщины срезаемого слоя, удар-
ная нагрузка на режущую кромку, срезаемый слой металла и техно-
логическую систему в целом. Поэтому процесс резания при торцевом 
фрезеровании сопровождается более интенсивными вибрациями, чем 
при других видах обработки. Соответственно обеспечение условий ви-
броустойчивости фрезерования имеет важнейшее значение для надеж-
ной работы технологической системы в целом.

Жесткость является одной из основных характеристик виброустой-

чивости оборудования. В общем случае жесткость определяется как 
отношение силы, действующей на элемент, к величине его отжатия, 
вызванной этой силой, н/мм, 

 
С = Р/Y.  
(1) 

Повышение жесткости технологической системы является одним 

их основных средств устранения вибраций.

Цель работы:
1) ознакомиться с методами определения статической жесткости 

технологической системы;

2) изучить влияние параметров технологической системы на ее 

жесткость;

3) определить жесткость технологической системы широкоуни-

версального фрезерного станка 6 К81Ш.

ЭКСПЛУАТАЦИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

Определение жесткости технологической системы

В большинстве случаев при исследовании виброустойчивости тех-

нологической системы исследуют не технологическую систему в це-
лом, а одну из парциальных систем — систему заготовки или систе-
му инструмента, совершающую наиболее интенсивные по амплитуде 
колебания, и считают ее доминирующей колебательной системой [1].

Критерием упругих деформаций является статическая жесткость, 

которая определяется как отношение силы, действующей на элемен-
ты, к величине его отжатия, вызванного этой силой (см. формулу (1)).

Определение жесткости проводится при статическом нагружении, 

когда усилие создается нагрузочным устройством.

При исследовательских испытаниях получают кривую жесткости — 

нагрузочно-разгрузочную характеристику упругих деформаций в ко-
ординатах сила — деформация узла (рис. 1.1). Форма этих кривых — 
петля гистерезиса, величина запаздывающей деформации, линейность 
характеристики и др. — является диагностическим сигналом о состо-
янии упругой системы станка.

Рис. 1.1. Диаграмма определения жесткости  

технологической системы 

Лабораторная работа № 1. Определение жесткости технологической системы 

При прямом нагружении в исследуемой системе выбираются зазоры, 

благодаря которым при разгрузке шпиндель или суппорт не возвратят-
ся в первоначальное исходное положение. При последующих нагруже-
ниях и разгружениях кривые изменения деформации образуют петлю, 
площадь которой в основном характеризует работу сил трения в стыках.

Разрыв между ветвями прямого и обратного нагружений характе-

ризует суммарные остаточные деформации. Величины этих деформа-
ций зависят от качества сборки и от зазоров в соединениях.

Для исключения влияния трения при расчете жесткости находят 

площади под линией нагружения SH и разгружения SР (рис. 1.1). Ис-
тинное значение потенциальной энергии нагруженной системы F

 
F = (SH + Sp )/2.

Если основание треугольника ОАВ площадью F принять равным 

Ymax, тогда его высота 

 
Рomax = 2FYmax, 

а тангенс угла наклона гипотенузы ОА равен жесткости технологиче-
ской системы. Площади SH и Sp находят по формуле трапеции, обыч-
но по 10 точкам нагружения, от 1 до 10, и 10 точкам разгружения, 
от 10 до 20:

 
SH = 

i=е
1

10

 (Рi + Рi+1)/2 (Yi+1 — Yi);

 
Sp = 

i=е
10

20

 (Рi + Рi+1)/2 (Yi — Yi+1).

Аппаратура для определения жесткости

Стенд

Определение жесткости технологической системы проводит-

ся на лабораторном стенде с использованием в качестве базового 
широкоуниверсального фрезерного станка модели 6 К81Ш, уста-
новленного на виброопорах (рис. 1.2). Состояние станка соответ-
ствует нормам точности и жесткости, указанным в паспортных  
данных.

ЭКСПЛУАТАЦИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

 

Рис. 1.2. Общий вид фрезерного станка 6К81Ш 

Основные технические характеристики станка модели 6 К81Ш сле-

дующие:

класс точности по ГОСТ 8–82 .......................................................................П 
размеры рабочей поверхности стола (длина × ширина), мм .......... 250×1000 
расстояние от оси горизонтального шпинделя до стола при ручном  
перемещении, мм ................................................................................. 50–440 
расстояние от оси горизонтального шпинделя до хобота, мм .................. 155 
расстояние от торца шпинделя поворотной головки 
до стола, мм .........................................................................................155–545 
расстояние от оси шпинделя поворотной головки до направляющих  
станины (вылет), мм  ..........................................................................125–760 
число Т-образных пазов стола ........................................................................3 
наибольшее продольное перемещение стола (ось Х), мм ......................... 710 
наибольшее поперечное перемещение стола (ось Y), мм.......................... 250 
наибольшее вертикальное перемещение стола (ось Z), мм ...................... 400 
скорость быстрого продольного и поперечного хода стола,  
мм/мин ...................................................................................................... 2900 
скорость быстрого вертикального хода стола, мм/мин ............................. 765 
число ступеней рабочих подач стола ............................................................16 

Лабораторная работа № 1. Определение жесткости технологической системы 

пределы продольных рабочих подач стола, мм/мин .........................35–1020 
пределы поперечных рабочих подач стола, мм/мин ...........................27–790 
пределы вертикальных рабочих стола, мм/мин .....................................9–264 
частота вращения горизонтального шпинделя, об/мин ....................16–1600 
внутренний конус горизонтального шпинделя ....................................ISO 50 
частота вращения шпинделя вертикальной головки, об/мин ....... 31,5–1400 
наибольшее перемещение гильзы вертикального шпинделя, мм ...............75 
внутренний конус шпинделя вертикальной головки ...........................ISO 40 
количество электродвигателей на станке .......................................................4 
мощность электродвигателя привода горизонтального шпинделя,  
кВт ................................................................................................................5,5 
мощность электродвигателя привода шпинделя поворотной 
головки, кВт .................................................................................................1,5 
мощность электродвигателя насоса охлаждающей жидкости, кВт ........ 0, 12 
габариты станка (длина × ширина × высота), мм ................2135×1725×2015 
масса станка, кг ......................................................................................... 2650 

Приборы лабораторного стенда

Приборы лабораторного стенда служат для следующих целей.
Динамометр ДМ-МГ4 с датчиком ДМС-5/1–0,5 МГ4 — для нагружения 
шпинделя и стола станка. Виброанализатор Экофизика-110 
В с датчиком 317 А41 — при необходимости для измерений динамических 
характеристик станка. Индикатор часового типа с индикаторной 
стойкой — для измерения перемещения под нагрузкой шпинделя 
и стола станка.

Последовательность выполнения работ на стенде

Для определения доминирующей колебательной системы обычно 

определяют общую жесткость технологической системы Со и жесткость 
системы заготовки Сз [2]. Измерения проводятся в соответствии 
со схемой, представленной на рис. 1.3 

Нагрузку и разгрузку систем осуществляют ручным перемещением 
стола в осевом вертикальном направлении. Перед экспериментом 
проводится 2–3 нагружения без замеров для выбора зазоров в соединениях. 
Для большей точности эксперимент повторяется 3–5 раз. 
На основании полученных данных строятся диаграммы зависимостей  
Ро= f(Yо) и Рз = f (Yз), по которым определяется жесткость:

ЭКСПЛУАТАЦИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

 
Со = Ро /Yо;

 
Сз = Рз/Yз.

 
а  
 
 
 
 
 
  б

 

Рис. 1.3. Определение общей жесткости технологической системы (а) 

и жесткости системы заготовки (б) 

Таким образом, сравнивая жесткость системы заготовки с общей 

жесткостью технологической системы, определяют доминирующую 
колебательную систему инструмента или систему заготовки.

Для определения жесткости технологической системы необходимо 

выполнить следующую последовательность работы на стенде:

1) ознакомиться с методическими указаниями к лабораторной работе;


2) ознакомиться с устройством лабораторного стенда. Подготовить 
его к работе;

3) определить в соответствии с методическими указаниями опытным 
путем положение нагрузочной и разгрузочной ветвей диаграммы 
жесткости с определением значений силы и величины деформации;

4) составить таблицу.

Координаты кривой жесткости — сила (F) и деформация узла (У) 

Общая жесткость  

технологической системы

Жесткость системы  

заготовки

Примечания

Кривая  
нагрузки

Кривая  

разгрузки

Кривая  
нагрузки

Кривая  

разгрузки

F, кг
Y, мм
F, кг
Y, мм
F, кг
Y, мм
F, кг
Y, мм

1

Лабораторная работа № 1. Определение жесткости технологической системы 

Общая жесткость  

технологической системы

Жесткость системы  

заготовки

Примечания

Кривая  
нагрузки

Кривая  

разгрузки

Кривая  
нагрузки

Кривая  

разгрузки

F, кг
Y, мм
F, кг
Y, мм
F, кг
Y, мм
F, кг
Y, мм

2

3

...

10

Нарисовать диаграмму (рис. 1.1) со значениями силы и деформации;


5) определить в соответствии с методическими указаниями общую 

жесткость технологической системы Со и жесткость системы заготовки 
Сз;

6) сравнить значения жесткости и сделать выводы.

Содержание отчета

Отчет о работе должен содержать:
1) фамилию студента и номер академической группы;
2) цель работы;
3) расчетную схему измерения жесткости;
4) график нагружения-разгружения;
5) расчеты Со и Сз;
6) вывод;
7) подпись автора и дату выполнения работы.

Контрольные вопросы

1. В чем отличие процесса фрезерования от других видов механической 
обработки?

2. Что такое жесткость технологической системы?

ЭКСПЛУАТАЦИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

3. Каков вид графика зависимости жесткости от силы и деформации?


4. Почему при разгрузке системы кривая жесткости не возвращается 
в исходное положение?

5. Как определяется жесткость технологической системы?

1. 
Жарков И. Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом / 
И. Г. Жарков. Ленинград : Машиностроение, 1986. 184 с.

2. 
Журавлев М. П. Повышение эффективности торцевого фрезерования 
керамикой оксидно-карбидного типа : автореф. дис. … канд. 
техн. наук / М. П. Журавлев. Челябинск, 1992. 21 с.