Технологическое оборудование машиностроительных произ­водств

ТИПОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩЕГО

Несущие системы металлорежущих станков. Несущие или базовые детали металлорежущих станков служат для создания требуемого про­странственного размещения узлов, несущих инструмент или обраба­тываемую заготовку, и обеспечивают точность их взаимного расположения под нагрузкой. Совокупность базовых деталей между инструментом и заготовкой образуют несущую систему станка.

К базовым деталям относят станины, основания, колонны, стойки, поперечины, ползуны, траверсы, столы, каретки, суппорты, планшай­бы, корпуса шпиндельных бабок и т. п.

По форме базовые детали металлорежущих станков могут быть условно разделены на три группы: брусья-детали, у которых один габаритный размер больше двух других; пластины — у которых один зо размер значительно меньше двух других; коробки — габаритные раз­меры одного порядка.

Направляющие обеспечивают правильность траектории движения заготовки или инструмента и точность узлов станка. Во многих случаях направляющие выполняют как одно целое с базовыми деталями. Базовые детали и направляющие должны иметь:

— высокую первоначальную точность изготовления всех ответст­венных поверхностей для обеспечения требуемой геометрической точ­ности станка;

— высокие демпфирующие свойства, т. е. способность гасить колебания между инструментом и заготовкой от действия различных источников вибраций;

— высокую жесткость, определяемую конкретными деформация­ми подвижных и неподвижных стыков, местными деформациями и деформациями самих базовых деталей;

— долговечность, которая выражается в стабильности формы ба­зовых деталей и, способности направляющих сохранять первоначаль­ную точность в течение заданного срока эксплуатации.

Кроме того, базовые детали должны иметь малые температурные деформации, из-за которых могут происходить относительные смеще­ния заготовки и инструмента, а направляющие должны обладать малой величиной и постоянством сил трения, так как от этого зависит точность позиционирования узлов станка. Перечисленные основные требования, предъявляемые к базовым деталям и направляющим стан­ков, могут быть удовлетворены правильным выбором материала, а также конструктивными принципами, которые являются общими, несмотря на многообразие форм базовых деталей.

Конструирование базовых деталей — это поиск компромиссного решения между противоречивыми требованиями: создание конструк­ций жестких, но имеющих малую массу; простых по конфигурации, но обеспечивающих высокую точность и дающих экономию материала, учитывающих при проектировании литых конструкций возможности технологии сварных конструкций.

Для определения точности изготовления базовых деталей и, в частности, коробки скоростей, задней бабки, станины, суппортной группы (для токарно-винторезного станка) необходимо в первую оче­редь знать заданную точность обработки поверхностей деталей. На рис. 9 приведена конструкторская размерная цепь, позволяющая опреде­лить точность изготовления базовых деталей токарного станка в зави­симости от требуемой точности обработки поверхностей детали. Размерная цепь состоит из следующих звеньев: А — расстояние от основания задней бабки до оси центра задней бабки (приведена укрупненная схема размерной цепи токарного станка), А2 — толщина основания задней бабки; звено A3 — расстояние от основания коробки скоростей станка до оси центра передней бабки, А — величина несов-

8Д

Б)

Рис. 9. Схемы размерных связей поверхностей

Падения центров передней и задней бабок. От величины АА и будет зависеть точность обработки на стенке. По техническим требованиям для токарных станков нормальной точности величина несоосности центров не должна превышать 0,02 мм. Отсюда, зная величину АА (0,02 мм), можно определить допуски на изготовление базовых деталей токарного станка, используя при сборке станка один из пяти методов достижения точности: полной взаимозаменяемости, неполной или частичной взаимозаменяемости, групповой взаимозаменяемости, при­гонки или регулировки.

Станины и направляющие станин. Основными базовыми деталями станков являются станины. В зависимости от положения оси шпинделя станка и направления перемещения подвижных частей они делятся на горизонтальные (станины) и вертикальные (стойки) (рис. 10).

Станина является основанием станка, от прочности, жесткости и износостойкости которой зависит качество его работы. Станина дол­жна обеспечивать правильное взаимное положение узлов и частей станка на его базирующих поверхностях. Последние несут на себе неподвижные и подвижные узлы. Поверхности, несущие подвижные части станка, называются направляющими. Форма и конструкция станка зависят от расположения направляющих (горизонтальные, вер - 32

Пз

!=□ пз

^ шшш ^

А)

Рис. 10. Станины станков: а — горизонтальная, б — вертикальная

Тикальные, наклонные), от веса, размеров и длины ходов основных частей и узлов станка, необходимости размещения внутри станины различных механизмов и агрегатов.

Станины большинства станков получают литьем из серого чугуна различных марок (СЧ-32; СЧ-21; СЧ-15). Получает распространение также модифицированный чугун МСЧ-38 и МСЧ-28, более износо­стойкий, допускающий меньший отбел, что дает возможность отливать детали с наибольшей толщиной стенок 5—7 мм. Применяют также сварные стальные конструкции станин (в единичном производстве). При равной жесткости с чугунными литыми станинами они имеют меньший вес (до 2 раз), большую износостойкость. Сварные станины дешевле литых. Для сварных станин применяются стали марок Ст 3, Ст 4. Для снятия внутренних напряжений станины перед механической обработкой подвергаются естественному или искусственному старе­нию.

Направляющие являются наиболее ответственной частью станины и служат для обеспечения прямолинейного или кругового перемещения подвижных элементов станка. Различают направляющие скольжения и качения. Основные конструктивные формы направляющих сколь­жения приведены на рис. 11. Они делятся на охватываемые и охваты­вающие. Охватываемые направляющие имеют выпуклый профиль, на котором плохо удерживается смазка, но они просты в изготовлении и на них не задерживается стружка. Поэтому их применяют для переме­щения со скоростью подачи суппортов, столов, бабок в токарных, фрезерных, сверлильных и других станках. Охватывающие направля­ющие имеют вогнутый профиль, который хорошо удерживает смазку, но требует хорошей и надежной защиты от попадания стружки и загрязнений. Их применяют при высоких скоростях скольжения в шлифовальных, карусельных, продольно-строгальных и других стан­ках. По профилю направляющие делятся на прямоугольные, призма­тические, типа «ласточкин хвост» и круглые. В станках часто

Используют комбинированные направляющие (рис. 12), одна из кото­рых выполнена плоской, а другая призматической, при этом для восприятия опрокидывающих моментов они снабжены прижимными планками 7, которые крепятся к каретке 2.

Все большее распространение находят направляющие качения в средних и легких станках с ЧПУ, в координатно-расточных станках, в шлифовальных, копировальных и др. Основным преимуществом на­правляющих является малая сила сопротивления движению, в 15—20 раз меньше, чем в направляющих скольжения, отсутствие скачков при скоростях движения менее 12 мм/мин, высокая точность установочных перемещений, беззазорность и долговечность. Однако при изготовле­нии они требуют значительных затрат, качественной и точной обра­ботки рабочих поверхностей и надежной их защиты.

Направляющие качения в зависимости от вида тел качения делятся на шариковые (рис. 13, а) и роликовые (рис. 13, б, в, д, ё); от расположения тел качения — на незамкнутые (рис. 13, а, б, в) и замкнутые (рис. 13, г, д, ё). В незамкнутых направляющих разъедине­нию основных сопрягаемых поверхностей препятствует, в основном, сила тяжести подвижного узла, роликовые направляющие имеют же-
д) е)

Рис. 13. Направляющие качения

Сткость в 2,5—3,5 раза и несущую способность в 20—30 раз больше шариковых при тех же размерах.

Наибольшее распространение получили закаленные направляющие из цементируемой стали 20Х и хромистых шарикоподшипниковых сталей ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ, с твердостью 60—62 HRC и из чугуна СЧ21 с твердостью 200-250 НВ.

Для защиты направляющих от механических повреждений и попа­дания на рабочую поверхность загрязнений применяют защитные устройства, выполненные в виде щитков, стальных лент, гофр.

Направляющие, у которых к сопряженным поверхностям в специ­альной проточке подается масло или воздух под давлением с целью создания постоянного масляного или воздушного слоя по площади контакта, называют гидро - или аэростатическими направляющими.

Гидростатические направляющие преимущественно применяют в тяжелых станках. Для улучшения качества металлорежущих станков необходимы элементы, имеющие высокую жесткость и нагрузочную способность, высокий КПД, минимальный износ при отсутствии зазоров, высокую плавность перемещений и точность позиционирова­ния, а также способность длительного сохранения первоначальной точности. Перечисленным требованиям в наибольшей степени отве­чают направляющие передачи с гидростатической смазкой, т. е. гид­ростатические направляющие. Гидростатические направляющие создают масляную подушку по всей площади контакта направляющих. Точность движения узла по гидростатическим направляющим дости­гается поддержанием относительного постоянства толщины масляного слоя при изменяющейся нагрузке и изготовлением направляющих с высокой точностью.

Применение самоустанавливающихся плавающих опор позволяет преодолеть технологические трудности при изготовлении точных на-

А-А правляющих прямолинейно­

Го движения, имеющих две параллельные поверхности большой протяженности, а также избежать опасности их повреждения вследствие за- диров и больших тепловых и силовых деформаций.

Разделения трущихся по­верхностей в аэростатиче­ских направляющих доби­ваются подачей в карманы воздуха под давлением. В ре­зультате между сопряженны­ми поверхностями направ­ляющих образуется воздуш­ная подушка. По конструк­ции аэростатические направ­ляющие напоминают гидро­статические. Рабочую повер­хность направляющих делят на несколько секций, в кото­рых располагаются карманы (рис. 14). Подвод и распреде­ление воздуха к каждой сек­ции независимые. Недостатки аэростатических опор и направляющих по сравнению с гидростатическими заключаются в малой нагрузочной способности, невысоком демпфировании колебаний, так как вязкость воздуха на четыре порядка меньше вязкости масла, а также в низких динамических характеристиках, склонности к отказам из-за засорения магистрали и рабочего зазора.

Преимущества аэростатических направляющих состоят в том, что они при движении обеспечивают низкий коэффициент трения, а при отключении подачи воздуха очень быстро создается контакт поверх­ностей с большим трением, обеспечивающий достаточную жесткость фиксации узла станка в заданной позиции. Отпадает необходимость в фиксирующих устройствах,. в которых нуждаются гидростатические направляющие.

В аэростатических направляющих воздух подводят под избыточным давлением 0,2—0,4 МПа. Аэростатические направляющие используют в прецизионных станках, в которых малы силы резания и необходимо точное позиционирование.

Коробки скоростей. Коробкой скоростей называют механизм, пред­назначенный для ступенчатого изменения частоты (скорости) враще­ния ведомого вала при постоянной частоте вращения ведущего путем 36
изменения передаточного числа. Это изменение достигается вращени­ем различных зубчатых кинематических пар между валами. Коробки скоростей должны обеспечивать стандартный ряд частот вращения шпинделя.

Коробки скоростей компактны, удобны в управлении и надежны в работе. К недостаткам коробок скоростей относятся трудность или невозможность бесступенчатого регулирования частот вращения, воз­никновения вибраций и шума на некоторых частотах. Существует большое число различных конструкций коробок скоростей, однако все они представляют собой сочетание отдельных типов механизмов.

По компоновке коробки скоростей разделяются на коробки с зубчатыми колесами, встроенными в шпиндельную бабку, и коробки скоростей с раздельным приводом, когда шпиндельная бабка и коробка скоростей выполняются в виде отдельных узлов, соединенных ремен­ной передачей.

По способу переключения коробки скоростей бывают со сменными зубчатыми колесами между валами и неизменным межосевым рассто­янием, с передвижными колесами или блоками колес, с непередвига - емыми вдоль валов колесами и кулачковыми муфтами, с фрикционными муфтами, с электромагнитными муфтами и с комби­нированным переключением. Коробки скоростей выполняются в за­крытом корпусе, зубчатые колеса работают в масляной ванне. Такая конструкция предохраняет механизмы от загрязнения, обеспечивает обильное смазывание и хорошее охлаждение механизмов, повышает КПД коробки скоростей.

Коробки скоростей со сменными зубчатыми колесами применяют для ступенчатого регулирования частот вращения выходного вала. На рис. 15 показаны основные схемы коробок скоростей.

Схема двухваловой коробки со скользящим блоком зубчатых колес Zi и Z3, расположенных на валу /со шлицами, показана на рис. 15, а. Зубчатые колеса 7щ и Z* установлены на валу //неподвижно. Расстояние между колесами Zi и Д должно быть немного больше длины / подвижного блока колес, при этом зубчатые колеса Zx и Zi и колеса Z3 и Z» выведены из зацепления. При переключении зубчатых колес непременным условием является их остановка. Схема на три частоты вращения изображена на рис. 15, б. Схема на четыре частоты вращения показана на рис. 15, в. На валу /расположены два подвижных блока, состоящие соответственно из колес Zj и Z3; Z5 и Z^, на валу II— неподвижные зубчатые колеса Za, Z4, Z^, Z&. Передвижение блоков обеспечивает зацепление зубчатых колес Zx с Z^, Z3 с Zi, Zs с Z^, Z? с

Особенностью этой схемы является необходимость предусмотреть блокировку, которая исключит возможность одновременного включе­ния двух пар колес. Блокировочное устройство может быть конструк­тивно выполнено как механически, так и с применением гидравлики.

Варианты трехваловых коробок скоростей на четыре частоты вра-

Щения (рис. 15, г — з) состоят из двух последовательно расположенных элементарных коробок скоростей на две частоты вращения. Для осу­ществления непрерывного процесса резания с постоянной мощностью
и скоростью при изменении частоты вращения шпинделя во всех диапазонах применяют коробки скоростей с автоматическим переклю­чением ступеней (АКС), электромагнитными или гидравлическими муфтами. Коробки АКС выпускаются нескольких типоразмеров и используются в ряде станков с ЧПУ.

Коробки скоростей характеризуются следующими основными ха­рактеристиками: диапазоном регулирования, числом ступеней и зна­менателем геометрического ряда.

Передачи в коробках скоростей обычно проектируют в виде ряда двухваловых механизмов с переключаемыми муфтами и с блоками из двух или трех зубчатых колес. Поэтому число ступеней коробки равно произведению множителей 2 и 3, что позволит составить структурную формулу частот передач 5= 2EI • 2е2, где Е1 — число переключаемых муфт и двойных блоков, Е2 — число тройных блоков. По этой формуле можно получить следующие значения частот вращения шпинделя п = 2, 3, 4, 6, 8, 9, 12, 16, 18, 24, 27, 32 и т. д.

Диапазоном Д регулирования коробки скоростей называется отно­шение максимальной частоты вращения ведомого вала к минимальной частоте вращения ведомого звена: Д= n^Jn^. Величины знаменате­лей геометрического ряда частот вращения шпинделя коробки скоро­стей приведены в табл. 3.

Шпиндельные механизмы. Шпиндель — вал металлорежущего станка, передающий вращение режущему инструменту, закрепленному в нем или обрабатываемой заготовке. Средненагруженные шпиндели изготавливают обычно из стали 45 с улучшением (закалка и высокий отпуск). При повышенных силовых нагрузках применяют сталь 45 с низким отпуском. Для шпинделей, требующих высокой поверхностной твердости и вязкой сердцевины, применяют сталь 45 с закалкой ТВЧ и низким отпуском.

Конструктивная форма шпинделей зависит от способа установки на нем зажимных приспособлений, для крепления режущего инстру­мента или обрабатываемой заготовки, посадок элементов привода и типов применяемых опор. Шпиндели, как правило, изготовляют со сквозным отверстием для прохода прутка. Передние концы шпинделей станков общего назначения стандартизированы.

В качестве опор шпинделей станков применяют подшипники качения и скольжения. Шпиндельные узлы должны обладать высоким качеством. Поэтому подшипники качения, используемые в опорах шпинделей, должны быть высоких классов точности. Выбор класса точности подшипника определяется допуском на биение исполнитель­ных поверхностей шпинделя (коническое отверстие и базирующие поверхности для установки патронов, для крепления инструмента и заготовок), который зависит от требуемой точности обработки. Обычно в передней опоре используют более точные подшипники, чем в задней.

Конструктивное оформление шпиндельных узлов разнообразно. На

Рис. 16. Устройство пе­редней опоры шпинделя

Токарного станка:

/, 2— гайка, 3 — устройство предварительного натяга упорных подшипников, 4 — упорный подшипник, 5 — втулка, 6 — внутреннее коль­цо подшипника, 7—лаби­ринтные уплотнения, 8 — шпиндель

Рис. !6 показан шпиндельный узел токарно-винторезного станка. В передней опоре шпинделя предусмотрен механизм предварительного натяга, который позволяет компенсировать износ деталей шпиндель­ного узла.

Предварительный натяг осуществляется различными способами, в радиально-упорных шарикоподшипниках и конических роликовых подшипниках при парной установке предварительный натяг получают регулировкой во время сборки, а в радиальных шарикоподшипниках — смещением внутренних колец относительно наружных. На рис. 17 представлены конструктивные способы создания предварительного натяга шарикоподшипников вследствие сошлифовывания торцов внутренних колец (рис. 17, а), установки распорных втулок между кольцами (рис. 17, б), применения пружин, обеспечивающих постоян­ство предварительного натяга (рис. 17, в). На рис. 17, г показан способ создания предварительного натяга вследствие деформации внутреннего кольца при установке его на конической шейке шпинделя в ролико­подшипниках с цилиндрическими роликами.

Подшипники скольжения, применяемые в качестве опор шпинде­лей, бывают нерегулируемые (применяют 'их редко), с радиальным, осевым регулированием зазора, гидростатические (в них предусматри­вают подвод масла под давлением в несколько карманов, из которых оно вытесняется через зазор между шейкой шпинделя и подшипни­ком), гидродинамические и с газовой смазкой.

В прецизионных станках используют гидростатические подшипни­ки, которые создают высокую точность вращения шпинделя. Их несущая способность, жесткость и точность зависят от величины зазоров, давления, схемы опоры. На рис. 18, а показана конструкция гидростатической опоры. Масло под давлением подводится в карманы 40

1 через отверстие 2. При вращении шпинделя масло вытесняется из этих карманов через зазор между шейкой и подшипником и из отверстия 3 в резервуар. При увеличении внешней силы, стремящейся уменьшить зазор, возрастает давление масла в резервуаре и зазор восстанавливается. Гидростатические подшипники стабилизируют ре­жим трения со смазочным материалом при самых малых скоростях вращения.

Самоустанавливающийся гидродинамический подшипник сколь­жения, применяемый в шлифовальных станках, показан на рис. 18, б. В обойме 4 расположены пять самоустанавливающихся вкладышей. Каждый вкладыш J имеет одну сферическую опору в виде штыря 3. Штыри закрепляют в обойме 2 винтами 8 с шайбами /, проходящими через крышку 7. Между крышкой и обоймой предусмотрены уплотни- тельные кольца 6. Вкладыши самоустанавливаются сферическими опорами в направлении вращения шпинделя и в направлении его оси. Это создает надежные условия трения со смазочным материалом в опоре и устойчивые масляные клинья, а также позволяет избежать кромочных давлений, вызываемых несоосностью рабочих поверхно­стей, упругими или тепловыми деформациями шпинделя. Конструкция подшипников обеспечивает высокую точность вращения шпинделя вследствие центрирования его гидродинамическими давлениями, ко­торые возникают в нескольких зонах по окружности.

Коробки подач. Коробки подач предназначены для сообщения вращения ходовому валику и ходовому винту токарного станка, фре­зерного станка и др.

Рис. 18. Гидростатические опоры:

А — схема гидростатической опоры, б — схема самоустанавливающегося гидродинамического под­шипника скольжения

Коробка подач в большинстве случае получает движение от шпин­деля станка или от отдельного электродвигателя. Значения подач должны обеспечить требуемые параметры шероховатости обрабатыва­емой поверхности, а также высокую стойкость инструмента и произ­водительности станка.

Коробки подач бывают с зубчатыми передачами; со сменными колесами при постоянном расстоянии между осями валов; с передвиж­ными колесами и блоками колес; со встроенными ступенчатыми конусами (наборами) колес и втяжными шпонками; с накладным колесом; с гитарами сменных колес; с механизмами типа «меандр».

Коробки подач со встроенными конусами колес и вытяжными шпонками (рис. 19, а) компактны, дают возможность расположить в одной группе до Ш передач, в том числе и с косозубыми колесами. Коробки подач с вытяжными шпонками применяют в небольших по габаритам станках.

Коробки подач с накидным колесом (рис. 19, б) широко применяют в коробках подач станков высокой точности. Недостатки таких коро­бок — низкая жесткость и точность сопряжения включенных колес, возможность засорения передачи при наличии выреза в корпусе ко­робки. Механизмы типа «меандр» (рис. 19, в) состоят из ряда одина­ковых блоков по два зубчатых колеса и передвижной каретки с накидным колесом на третьем валу. Преимущество такого механизма — большой диапазон регулирования; недостаток — вращение всех бло­ков колес, в том числе и колес, не участвующих в передаче движения.

Находят применение также коробки подач в виде гитар сменных зубчатых колес. Гитара — узел станка, предназначенный для измене- 42

Ния скорости подачи. Гитары сменных колес дают возмож­ность настраивать подачу с лю­бой степенью точности. Они позволяют изменять передаточ­ные отношения до /щіц = 1/8. Ги­тары бывают двухпарные и трехпарные. Каждую гитару снабжают определенным комп­лексом сменных зубчатых колес. Например, для токарно-винто - резных станков рекомендуется комплект сменных зубчатых ко­лес из Z = 20, 24, 25, 28, 30, 32, 36, 40, 44, 45, 48, 50, 55, 60, 65, 68, 70, 71, 72, 75, 76, 80, 85, 90, 95, 100, 110, 113, 120, 127.

Характерным для редукто­ров в приводе подач станков с ЧПУ является отсутствие зазо­ров в зубчатых передачах. Это достигается радиальным сбли­жением прямозубых зубчатых колес, сидящих на двух валах или осевым сближением двух косозубых колес, сидящих на одном валу и сцепляющихся с широким колесом другого вала или разворотом двух колес од­ного вала.

Бесступенчатые приводы. Бесступенчатые приводы применяют для плавного и непрерывного регулирования частоты вращения шпинделя или подачи. Они позволяют получить наивыгоднейшие скорости ре­зания и подачи при обработке различных деталей. Кроме того, они дают возможность изменять скорости главного движения или подач во время работы станка без его остановки. В станках применяют следую­щие способы бесступенчатого регулирования скоростей главного дви­жения и движения подачи.

Электрическое регулирование производится изменением частоты вращения электродвигателя, который приводит в движение соответст­вующую цепь станка. В частности, частота вращения ротора асинхрон­ного короткозамкнутого электродвигателя п = [/60 • (1 — S)]/P, где/— частота переменного тока, Гц; Р —- число пар полюсов статора элект­родвигателя; S — скольжение ротора. В металлорежущих станках ши-
роко применяют способ регули­рования частоты вращения путем изменения числа пар полюсов.

Частоту вращения ротора электродвигателя постоянного тока регулируют тремя способа­ми: изменением сопротивления цепи якоря, изменением подво­димого к электродвигателю на­пряжения, изменением магнит­ного потока. Частота вращения ротора электродвигателя может изменяться также с помощью си­стемы генератор-двигатель.

Гидравлическое регулирова­ние применяют главным образом для регулирования скоростей прямолинейных движений (в строгальных, долбежных, про­

Тяжных станках), реже — для регулирования вращательного движения с помощью гидромоторов при изменении расхода жидкости (гидрав­лическое регулирование скоростей и подач изложено ниже).

Бесступенчатое регулирование скоростей или подач может осуще­ствляться с помощью механических вариаторов. Большинство механи­ческих вариаторов, применяемых в станках,— фрикционные.

Привод с раздвижными конусами (рис. 20) работает следующим образом. От шкива <?на валу 1 вращается два ведущих конуса /, на валу II находятся два таких же ведомых конуса 5. Передача между валами осуществляется клиновидным ремнем 2 с деревянными накладками 3 с наружной стороны или широким ремнем соответствующего профиля. Для изменения частоты вращения вала II рычагами 4, проворачиваю­щимися вокруг осей О и Ои сближаются или раздвигаются конусы на валу / и соответственно раздвигаются или сближаются конусы на валу II Поворачивая маховик 7 через винт 6 с правой и левой резьбой, поворачивают рычаги 4.

У торцового вариатора (рис. 21) передаточное отношение зависит от наклона роликов, при повороте которых изменяются радиусы контакта роликов с ведущей и ведомой фрикционными чашками. Передаточное отношение такого вариатора определяется і = dx/d2, а частота вращения ведомого вала определяется выражением п2 = nxdx/d2.

Механизмы управления станками. В процессе работы на металло­режущих станках необходимы движения, осуществляющие функции управления. К ним следует отнести включение и выключение привода главного движения и подачи, подвод и отвод инструмента, установку 44

Режущего инструмента в положение, обеспечивающее получение за­данного размера детали.

Кроме того, при работе приходится совершать движения, связанные с установкой и закреплением заготовок, контролем размеров изготав­ливаемой детали, периодическим поворотом столов, револьверных головок, реверсированием исполнительных узлов станков и др. В подавляющем большинстве случаев это сводится к перемещению подвижных элементов: зубчатых колес, муфт, гидравлических, пнев­матических и электрических устройств, органов зажима и др.

Системы управления станками (СУ) разнообразны. Они состоят из трех частей:

1. Управляющего органа (датчика), получающего команду на за­данное движение. 2. Исполнительного органа (приемника), осуществ­ляющего это движение согласно команде. 3. Промежуточного устройства, передающего команду от управляющего органа к испол­нительному.

По принципу действия СУ можно разделить на ручные и автома­тические.

В качестве исполнительного механизма чаще всего применяют винтовые и реечные пары, рычаги и другие элементы. На рис. 22 показаны некоторые устройства, предназначенные для перемещения зубчатых колес. В рычаге 2 (рис. 22, а), на цапфе 5 смонтирован сухарь 4, который заходит в выточку на ступице колеса 1. При повороте вала 3 рычаг перемещает колесо вдоль его оси.

Ползун 4 (рис. 22, б) движется по направляющим 7 и с помощью рычага 3 перемещает колесо 2. В данном случае ползун перемещается с помощью зубчатого сектора 5и рейки, связанной с ползуном. Контакт ползуна 1 с подвижным элементом может быть выполнен и иначе (рис. 22, в).

Привод исполнительных механизмов может быть ручным и меха­низированным. В первом случае движение рычагов ползунов и других

Элементов осуществляют рукоятками (рис. 23, а, б), во втором — с помощью электропривода, гидропривода, воздействием вручную на кнопки или органы управления привода. На рис. 24, а показано перемещение исполнительного органа при помощи электропривода. При включении электродвигателя 2 движение передается ползуну 1. Ограничение хода достигают установкой ограничителя 3 на диске 4, который отключает электродвигатель. На рис. 24, б показано переме - 46

Щение исполнительного органа с помощью электромагнита, а на рис. 24, в — гидро - и пневмоцилиндра.

Для удержания подвижных элементов в заданном положении при­меняют различные фиксирующие устройства. Если по условиям работы для этого не требуется больших усилий, то фиксируют положение рукояток с помощью шариковых (рис. 23, а), штифтовых (рис. 23, б) или других фиксаторов. При необходимости большого усилия для удержания в нужном положении подвижного элемента применяют дополнительные запирающие устройства.

На рис. 25 показана одна из таких схем. При перемещении втулки 3 влево конусная поверхность ее поворачивает рычаг 2, а последний, воздействуя своим концом на подвижную деталь /, перемещает ее влево. Когда правая опорная поверхность рычага 2 выйдет на цилин­дрическую поверхность втулки, механизм окажется запертым. Какие бы силы не действовали на деталь 1 слева, рычаг не повернется. Другая конструкция показана на рис. 25, б. Если муфту J перемещать вправо, она через шарики 2 заставит перемещаться деталь 7. При этом шарики будут постепенно утопать и наступит момент, когда они окажутся под цилиндрической расточкой «а» и запрут механизм.

Количество элементов, которым необходимо сообщать движение при осуществлении какой-либо функции управления, различно. На-

Пример, при переключении коробки скоростей или подач может потребоваться три-четыре положения. Если эти перемещения осуще­ствлять последовательно, то могут увеличиться временные затраты. Чтобы сократить потери времени, а также упростить обслуживание станка, применяют более сложные системы управления.

На рис. 26 показана схема устройства с однорукояточным управ­лением. Перемещение блока 4 и ему подобных осуществляется кулач­ками 7, 2 и J через промежуточный ползун 5. Профили кулачков 48

Выполнены таким образом, что­бы при повороте кулачкового ва­ла на 360° блоки последовательно занимали все необходимые поло - У//у жения, соответствующие различ - (/// ным ступеням скорости коробки.

Другая система с предвари­тельным набором скорости пока­зана на рис. 27. Представленный механизм позволяет в процессе работы станка набрать следую­щую потребную скорость и в тот момент, когда ее необходимо осу­ществить, переключить коробку одним движением рычага. Дела­ется это следующим образом: на шлицевой вал 7 насажены диски 3 и 7, распираемые пружиной 6. Каждому рабочему положению

Штурвала 4 соответствует скорость вращения вала 77 и положение дисков. Причем выступы одного диска устанавливают против впадин другого, вследствие чего диски можно свести. Между ними располага­ются концы рычагов управления 2. Если в процессе работы диски установить в заданное положение, а затем поворотом рукоятки 5 свести их, то выступ диска 3 повернет рычаг 2 в положение, показанное пунктиром, и переключит муфту 7.

Муфты. Муфты слу­жат для постоянного или периодического соедине­ния двух соосных валов и для передачи при этом вращения от одного вала к другому. Различают муфты постоянные, слу­жащие для постоянного соединения валов; сцеп­ные, соединяющие и разъединяющие валы во время работы; предохра­нительные, предотвра­щающие аварии при вне­запном увеличении на­грузок; обгона, передаю­щие вращения только в одном направлении.

Постоянные муфты применяют в тех случаях, когда необходимо соеди­нить два вала, которые в процессе работы механизма не разъединяются. При этом валы могут быть соединены жестко или с помощью упругих элементов (рис. 28, а — г).

Сцепные муфты применяют для периодического соединения валов, например, в приводе главного движения или приводе подач станков. В станках часто применяют сцепные кулачковые муфты в виде дисков с торцовыми зубьями-кулачками (рис. 28, д) и зубчатые муфты (рис. 28, ё). Недостатком сцепных муфт является то, что при больших разностях скоростей вращения ведомого и ведущего элементов муфты нельзя включить.

Фрикционные сцепные муфты имеют то же назначение, что и кулачковые, но свободны от недостатков, присущих кулачковым муф­там, т. е. фрикционные муфты можно включать при любых разностях скоростей вращения ее элементов. У фрикционных муфт при перегруз­ках ведомое звено может проскальзывать и тем самым предотвращать аварии. Наличие нескольких поверхностей трения дает возможность передавать крутящие моменты при относительно малых величинах давления на поверхности трения дисков.

Фрикционные муфты бывают конусные и дисковые. На рис. 28, ж показана фрикционная многодисковая муфта, которую применяют в приводах главного движения и подач металлорежущих станков. При перемещении гильзы 1 влево шарики 6, находящиеся между кониче - 50

Скими поверхностями гильзы 1 и неподвижной втулкой 5, давят на диск 2, который, в свою очередь, через упругую шайбу 3 сцепляет подвижные ведущие диски с ведомыми. Для выключения муфты гильзу 1 отводят вправо и пружины 4 отжимают диск 2 в исходное положение.

Рис. 29. Фрикционная многодисковая электромагнитная контактная муфта

На рис. 28, з показана втулочная муфта со штифтом 7, а на рис. 28, и — фланцевая соединительная муфта.

Общий вид фрикционной многодисковой контактной магнитной муфты показан на рис. 29. Муфта имеет катушку 4 электромагнита, в которую подается постоянный электрический ток через контактные щетки, прижимаемые щеткодержателями к тоководящим кольцам 2, расположенным во втулке 3. Если кольцо одно, то один вывод катушки припаивают к нему, а второй — к корпусу 7 муфты. В этом случае ток замыкается через детали муфты и механизмы станка.

При наличии двух колец оба вывода катушки припаивают к коль­цам. Когда в катушку 4 подается электрический ток, якорь 5 переме­щается влево, притягивается к корпусу 7 и с помощью тяг, проходящих через наружные пазы втулки 13, перемещает влево нажимной диск 9. Диск 9 сжимает пакет фрикционных дисков 8 и 7 и прижимает их к регулировочной гайке 6, которая застопорена винтом 14. Внутренние диски на обоих торцах имеют фрикционные накладки из порошкового материала, а также спиральные канавки одного направления для циркуляции масла. Диски посажены на шлицевую втулку 73 и свободно вращаются относительно поводка 10. Наружные диски сцепляются с поводком 10, цилиндрический обод которого имеет пазы и находится в свободном положении относительно наружной поверхности шлицев втулки 13. Подвижные штифты 12 с пружинами 77 служат для отвода вправо нажимного диска 9 и якоря 5 при отключении муфты.

Предохранительные муфты предназначены для предохранения ме-

Ханизмов станков от аварий при з

Перегрузках. У муфт, показанных на рис. 28, з, и, предохраняющим зве­ном является штифт, сечение кото­рого рассчитывается в зависимости от передаваемого крутящего момен­та. При перегрузках этот штифт сре­зается, происходит разрыв соот­ветствующей кинематической цепи станка и тем самым предотвращает­ся повреждение деталей станка.

Муфты обгона предназначены для передачи крутящего момента при вращении звеньев кинематиче­ской цепи в заданном направлении, для разъединения звеньев при вра­щении В обратном направлении, а Рис. 30. Муфга обгона роликового типа также для сообщения валу двух раз­личных движений (медленного — рабочего и быстрого — вспомога­тельного), которые осуществляются по двум отдельным кинематиче­ским цепям. Муфта обгона позволяет включить цепь быстрого хода, не включая цепь рабочего движения. В качестве муфт обгона можно использовать храповые механизмы, а также механизмы с использова­нием роликов (рис. 30). Муфта обгона роликового типа состоит из закрепленного на валу корпуса (звездочки) 7, наружного кольца или втулки 2, связанной или составляющей одно целое с зубчатым или червячным колесом, шкивом и т. п., а также нескольких роликов 3, помещенных в вырезах корпуса 7. Каждый ролик отжимается одним — тремя, в зависимости от длины ролика, штифтами 4 с пружинами 5 в направлении к узкой части выемки между деталями 7 и 2. Если, например, ведущей частью является втулка 2, то при вращении ее в сторону, указанную на рисунке стрелкой, ролики увлекаются трением в узкую часть выемки и заклиниваются втулкой и корпусом муфты. В этом случае корпус 7 и связанный с ним вал будут вращаться с угловой скоростью втулки 2. Если при продолжающемся движении втулки 2 против часовой стрелки валу и корпусу 7 сообщить движение по другой кинематической цепи, направленное в ту же сторону, но имеющее скорость большую по величине, чем скорость втулки 2, то ролики переместятся в широкую часть выемки и муфта окажется расцеплен­ной. При этом детали 7 и 2 будут вращаться каждая со своей скоростью. Ведущим элементом может быть любая из деталей 7 и 2. Если ведущим является корпус, то муфта сцепляется при его вращении по часовой стрелке или когда корпус, вращаясь в этом направлении, опережает втулку.

Тормозные устройства. При отключении двигателя движение раз­личных частей станка продолжается по инерции в течение некоторого времени. Это время в динамике машин называют выбегом. При частом включении и выключении станка оно может составлять значительную долю общего времени работы станка. Чтобы уменьшить такие потери, станки оснащают устройством для быстрого торможения. В современ­ных станках наибольшее распространение получили механические тормоза, электрические схемы торможения, а также гидравлические тормоза. В качестве тормоза можно использовать любую фрикционную муфту, лишив ее ведомую часть возможности вращаться. Поэтому по своей конструкции механические тормоза принципиально не отлича­ются от фрикционных муфт. Они могут включаться вручную или автоматически; помещать их целесообразно на самых быстроходных валах. К фрикционным элементам тормозных устройств предъявляют следующие требования: они должны обладать способностью выдержи­вать высокие температуры; быть износостойкими в пределах рабочих температур, давлений и скоростей скольжения; обеспечивать постоян­ство коэффициента трения при повышении температуры до 250—400° С и при изменении рабочих давлений. В тормозах станков чаще всего применяют такие сочетания материалов фрикционных элементов, как чугун, прессованный асбест, чугун-прессованные медноасбестовые прокладки, фибра по чугуну и др.

В станках находят применение фрикционные тормоза: конусные, дисковые, с разжимным упругим кольцом или внутренними сегмента­ми, колодочные, ленточные. Каждый из этих тормозов может быть снабжен гидравлическим или соленоидным управлением. Тормоза первых трех типов сходны по конструкции с соответствующими фрик­ционными муфтами. Колодочные тормоза по конструкции несложны и недороги, но из-за малой тормозной поверхности позволяют созда­вать тормозной момент меньшей, чем у других тормозов при тех же габаритах. Ленточные тормоза вследствие большого угла обхвата тор­мозного барабана лентой позволяют легко создать большой тормозной момент. Недостатком ленточного тормоза, как и всех одноколодочных тормозов, является одностороннее давление на тормозной вал, в результате чего в его материале возникают напряжения изгиба. Повы­шается также износ опор этого вала.

Реверсивные механизмы. Направление движения в механизмах станков можно изменять с помощью различных механических, элект­рических и гидравлических устройств. Наиболее часто применяют реверсивные механизмы с цилиндрическими и коническими зубчаты­ми колесами. На рис. 31, а, б, в показаны схемы реверсивных меха­низмов с передвижными зубчатыми колесами, а на рис. 31, г, д, е — с неподвижными колесами и муфтами. В механизме с коническими зубчатыми колесами (рис. 31, ж) реверсирование производится дву - 54

Сторонней кулачковой муфтой. Направления вращения показаны на рисунке стрелками.

В некоторых моделях зубообрабатывающих станков применяют реверсивные механизмы, показанные на рис. 31, з. При неизмененном направлении вращения зубчатого колеса составное колесо получает возвратно-вращательное движение.

Гидравлическое реверсирование осуществляется изменением на­правления потока масла в рабочий цилиндр, чаще всего с помощью направляющих гидрораспределителей; электрическое реверсирова­ние — путем изменения направления вращения ротора электродвига­теля привода станка.

Блокировочные устройства. Блокировочные устройства предотвра­щают ошибочное включение в работу каких-либо механизмов, если такое включение представляет угрозу работоспособности станка, на-

Пример, включение одно­временно продольной авто­матической подачи и ма­точной гайки токарно-вин - торезного станка или вклю­чение подачи стола фре­зерного станка при непод­вижном шпинделе.

Чтобы исключить по­следствия неправильных включений, в механизмы вводят блокировочные уст­ройства, которые, блокируя два (иногда и больше) органа управления, не допускают включения одного из них, если другой уже включен. Данная задача может быть решена с помощью механи­ческих, гидравлических и электрических устройств.

Рассмотрим конструкцию ряда механических блокировочных уст­ройств.

На рис. 32 показана блокировка рукояток, закрепленных на парал­лельных валах / и II. Блокирующими деталями являются диски 1 и 2 с вырезами. Положение дисков (рис. 32, а) является нейтральным. В этом случае возможен поворот любой рукоятки. Если повернуть, например, левую рукоятку (рис. 32, б), то диск Покажется запертым и повернуть его не представляется возможным до возвращения диска 1 в первоначальное положение.

С помощью аналогичных устройств могут быть блокированы также взаимно перпендикулярные валы. На рис. 33 показано положение, при котором заблокирован вал II. Для его поворота необходимо предвари­тельно вал / повернуть по стрелке на угол а в нейтральное положение.

Механизмы суммирования движения. Для суммирования движений на одном звене в кинематические цепи некоторых станков вводят специальные механизмы. В качестве таких механизмов используют винтовые пары, реечные и червячные передачи, дифференциалы с цилиндрическими и коническими зубчатыми колесами.

На рис. 34, а, б показаны две схемы дифференциальных механиз­мов, составленных из цилиндрических колес. На валах / и III {рис. 34, а) жестко установлены зубчатые колеса 1 и 4 в зацеплении. Движение от валов I и II суммируется на валу III. Вращение ведомого вала III можно себе представить состоящим из двух движений: первое он 56
получает от вала / при неподвижном вале II и второе — от вращения вала //при неподвижном вале /. Вал / передает вращение по цепи зубча­тых колес 1 — 2, 3 — 4. При вращении вала II вместе с водилом сател - литное колесо 2, обкаты­ваясь вокруг непод­вижного колеса /, полу­чает вращение вокруг своей оси, которое пере­дается валу ///при помо­щи передачи 3 — 4. Пе­редаточное отношение

От ведущих звеньев / и II К ведомому звену III /*1 III = (Z/Z^ • (Z3/Z4);

/„_,„= 1 + [(Zx/Z2) • (Z3/Z1)].

Другой механизм (рис. 34, 6) отличается от предыдущего формой водила 5. Вместо блока сателлитных колес 2 и J здесь установлено одно удлиненное колесо 3 на оси 6 и промежуточное колесо 2. Передаточное отношение механизма от звеньев /и IIк звену III/|_ ш = Zi/Z|; /ц_ ш= = 1 + (Zi/Д).

Большое распространение получил конический дифференциал (рис. 34, в). На валу /жестко установлено коническое зубчатое колесо 1. Вал II полый связан с коническим колесом 3. Вал III имеет поперечную ось с двумя колесами 2. Числа зубьев всех колес одина­ковы, поэтому передаточное отношение от вала / или II к валу III h - ш = - ні = 1/2.

В коническом дифференциале (рис. 34, г) поперечная ось с сател - литными колесами 2 смонтирована в водиле 4, связанном с валом II.

Передаточное отношение от звеньев /и IIк звену ////i_in = 1; /ц____ ш=

= 2.

Механизмы прямолинейного движения. В металлообрабатывающих станках для осуществления прямолинейных движений преимуществен­но используют следующие механизмы: зубчатое колесо-рейка, червяк - рейка, ходовой винт-гайка, кулачковые механизмы, гидравлические устройства, а также электромагнитные устройства типа соленоидов.

Механизм зубчатое колесо-рейка применяют в приводе главного движения и подачи, а также в приводе различных вспомогательных перемещений. Передача зубчатое колесо 1 — рейка 2 (рис. 35) обладает большим передаточным отношением и высоким КПД. Рейка 2 может

Механизм ходовой винт-гайка осуществляет преобразование вра­щательного движения винта 1 в прямолинейное поступательное дви­жение гайки 2 с суппортом 3. Различают механизмы ходовой винт-гайка качения и скольжения. Винтовые пары скольжения из-за больших потерь при скольжении в резьбе (рис. 37) и связанного с ним изнаши­вания заменяют винтовыми парами качения. Они имеют малые потери на трение, высокий КПД, кроме того, в них полностью устранены зазоры в резьбе в результате создания предварительного натяга. Замена трения скольжения трением качения в винтовой паре возможна либо при использовании вместо гайки роликов, свободно вращающихся на своих осях, либо при применении тел качения (обычно шариков). Шарики перекатываются в канавках ходового винта и гайки. Как 58

Рис. 35. Передача зубчатое колесо-рейка

Правило, в шариковых парах применяют устройства для выборки зазоров и создания предварительного натяга.

Гидростатическая передача ходовой винт-гайка (рис. 38) работает в условиях трения со смазочным материалом. В этой передаче износ винта и гайки практически отсутствует. Передача практически безза­зорная, обеспечивает повышенную точность. КПД передачи 0,99. Однако по сравнению с «передачей ходовой винт-гайка трения», «ходовой винт-гайка качения» имеет меньшую жесткость и несущую способность вследствие наличия масляного клина.

В приводах движения подачи и во вспомогательных кинематиче­ских цепях широко применяют кулачковые механизмы. В большинстве случаев циклы осуществляемых прямолинейных перемещений много­кратно повторяются при непрерывном вращении кулачков с постоян­ной угловой скоростью. При этом характер движения ведомого звена может быть установлен соответствующим профилированием кулачка.

Кулачки 1 могут быть связаны с подвижным рабочим органом 3 непосредственно через палец 2 (рис. 39, а) или через промежуточную передачу (рис. 39, б). В этом случае кулачок 1 находится в контакте с роликом двухплечевого рычага 2, имеющего в верхней части зубчатый сектор, связанный с рейкой 3. При повороте рычага 2с сектором вокруг точки О суппорт перемещается в направлении, показанном стрелкой. Пружина 4 обеспечивает контакт ролика с кулачком и осуществляет обратный ход суппорта.

Форма профиля кулачков зависит от принятого закона движения исполнительного органа. Рабочие участки профиля, осуществляющего равномерное перемещение ве­домого звена, очерчивают по спирали Архимеда.

Механизмы с цилиндриче­ским кулачком (рис. 39, в) по­добны винтовой передаче. Кулачок имеет винтовую ра­бочую поверхность. В контак­те с ней находится ролик 2, который непосредственно

5 |WWV

2

1

К

Рис. 39. Кулачковые механизмы

Связан с ведомым элементом 3 или с промежуточной подачей, напри­мер, в виде рычага 4 (рис. 39, г). Величину скорости движения рабочего органа можно регулировать путем изменения числа оборотов кулачка или угла подъема его рабочей поверхности.

Кривошипно-шатунный механизм (рис. 40, а) преобразует враща-

Тельное движение ведущего звена в возвратно-поступа­тельное движение ведомого звена, и наоборот. Криво - шипно-шатунный механизм состоит из кривошипа, ша­туна и ползуна. Кривошип является ведущим звеном и представляет собой палец 7, находящийся на расстоянии г от оси, вокруг которой он вращается, и связанный с этой осью стержнем или ди­ском.

Ползун 4 — ведомое зве­но, совершающее возврат-

Но-поступательное движе­ние. Шатун 3 шарнирно СО - Рис. 40. Кривошипно-шатунный (а) и криво - единен С кривошипом И ПОЛ - шипно-кулисный (б) механизмы

Зуном. Ход ползуна равен 2г,

Поэтому в конструкции кривошипа предусматривают радиальный паз для регулировки положения пальца. Регулируя длину шатуна, меняют величину хода, т. е. сдвигают крайние положения ползуна.

Одним из разновидностей кривошипно-шатунного механизма яв­ляется кулисный механизм (рис. 40, б). Кулисный механизм состоит из кулисы 3, ползуна 4, кулисного камня 2 и ведущего кривошипа 7. При вращении кривошипа кулиса качается, а ползун движется воз­вратно-поступательно. Кулисный механизм отличается большой быс­троходностью, достаточно плавным реверсированием хода. Число двойных ходов ползуна равно числу оборотов кривошипа, а длина хода ползуна зависит от амплитуды качания кулисы. Ее можно устанавли­вать изменением длины кривошипа. Используется данный механизм в приводе главного движения поперечно-строгальных или долбежных станков.

Механизмы периодического движения. К механизмам периодиче­ского движения, используемым в станкостроении, относятся храповые и мальтийские механизмы. Храцовые механизмы применяют в тех случаях, когда необходимо осуществить прерывистое движение рабо­чих органов в течение коротких промежутков времени, а мальтийские механизмы — для периодического поворота через длительные отрезки времени.

На рис. 41, а показана схема храпового механизма с наружным зацеплением. Собачка 7, получая касательное движение, захватывает

Зубья храпового колеса 2 и поворачивает его вокруг оси вала / в одном направлении. Возвращаясь в исходное положение, собачка проскаль­зывает по зубьям колеса, и последнее остается в покое. Схема храпового механизма с внутренним зацеплением показана на рис. 41, б. Собачка 1 установлена на диске 3, вал которого совершает качательное движе­ние. При этом собачка 1 захватывает зубья храпового колеса 2 и периодически вращает его также в одну сторону.

Мальтийский механизм, показанный на рис. 41, в, состоит из кривошипа 1 с цевкой 2 на конце и диска 3, имеющего радиальные пазы. Кривошип вращается непрерывно. В определенный момент цевка входит в паз и, повернувшись на угол 2р вместе с диском J, выходит из него. Диск 3 останавливается до попадания цевки 2 в следующий паз.

Условия безударной работы требуют, чтобы скорость цевки при заходе ее в паз диска совпадала с направлением последнего. Эта возможно, если угол у = я/2. Угол поворота диска 2а = 2я/Z, где Z— число пазов дйска. Угол поворота кривошипа 2р = п — 2а. Подставляя в это равенство значение 2а, получим 2р = п — (!2я/2) = n(Z— 2/2).

Если п — число оборотов кривошипа в минуту, Г— время поворота диска в минутах на угол 2а, а кривошипа — на угол 2р, то поворот вала кривошипа на угол 2п совершается за 1 /п мин, а поворот на угол 2р — за Т= ((2р/2я)1/л) мин. Отсюда число оборотов кривошипа в минуту п = р/пТ. Подставляя значение р, получим п = (Р — 2)/2Т. 62