Основные механизмы металлорежущих станков

Лекция 3 . ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ Совокупность механизмов, передающих движе­ние от двигателя к рабочему органу станка, называется приводом. В настоящее время в машиностроении применя­ются индивидуальные приводы, которые характеризуются применением на каждом станке своего электродвигателя. Разновидность индивидуального привода — многомотор­ный привод, характеризуется использованием на одном станке нескольких электродвигателей, каждый из которых приводит в движение определенный орган станка. Ранее применялся для станков трансмиссионный привод. Передачами называются механизмы, преобразующие или передающие движение от одного узла станка к другому. Передачи бывают зубчатые цилиндрические, зубчатые кони­ческие, ременные, цепные, червячные, реечные, винтовые. В табл. 7 приведены основные схемы передач с указанием их назначения и расчетные формулы, характеризующие данную передачу. Коробки скоростей — наиболее распространенные меха­низмы, применяемые в системе приводов станков. Эти ме­ханизмы дают возможность в определенных пределах изме­нять скорость рабочего органа станка. Частоту вращения шпинделя при наличии коробки скоростей изменяют при помощи переключения зубчатых колес, т. е. изменяя пере­даточные отношения в цепи от вала привода к шпинделю станка. Простейшая коробка скоростей, состоящая из зубчатых колес и кулачковой муфты, показана на рис. 34. Эта коробка позволяет получить шесть различных частот враще­ния шпинделя. Рис. 34. Схема коробки скоростей Таблица 7 Передачи, применяемые в станках Название передачи Эскиз Назначение передачи Расчетные формулы Зубчатая цилиндриче- ская Передача вращения между параллельными валами; ведомый вал вращается в противоположную сторону по отношению к ведущему nb = naz1/z2 Зубчатая цилиндриче- ская с пара- зитным ко- лесом Передача вращения между параллельными валами; ведомый вал вращается в ту же сторону, что и ведущий nс = naz1/z2 = z2/z3 = = naz1/z2 Зубчатая ко- ническая Передача вращения между перпендикулярными валами nb = naz1/z2 Ременная и цепная Передача вращения между параллельными валами nb = nad1/d2 nb = naz1/z2 Червячная Передача вращения между пересекающимися валами nb = naz 1/z Реечная Для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот v =πmzn мм/мин Винтовая Для преобразования вращательного движения винта в поступательное движение гайки v = ntz1 мм/мин Обозначения: n – частота вращения, мин-1; z – число зубьев; d – диаметр шкива, мм; z1- число заходов червяка или винта; m – модуль зубчатых колес, мм; v –скорость поступательного движения, мм/мин; t – шаг винта, мм. Ведущий вал I от электродвигателя через ременную передачу получает частоту вращения n1 = nм . От ведущего вала дальше вращение при помощи блока зуб­чатых колес z1 – z2 – z3, сидящего на скользящей шпонке, передается блоку колес z4 – z5 – z6, свободно сидящему на шпинделе станка II. При включении зубчатой муфты М влево блок зубчатых колес z4 – z5 – z6 сцепляется со шпин­делем, и на последнем можно получить три различных час­тоты вращения (в зависимости от зацепления блока колес z1 – z2 – z3 с блоком z4 – z5 – z6). При включении зубчатой муфты М вправо зубчатое колесо z10 жестко соединяется со шпинделем. В этом случае передача движения произво­дится только через зубчатые колеса z7 – z8 – z9 —z10. Следова­тельно, шпиндель может получить еще три частоты враще­ния. Уравнение кинематической цепи данной коробки скоростей приведено ниже (0,985 — коэффициент про­скальзывания ременной передачи): Ряды чисел оборотов (частот вращения) и подач стан­ков. Выбранная частота вращения шпинделя станка за­висит от диаметра обрабатываемой детали или инструмента и установленной скорости резания. Ввиду того что диаметры обрабатываемых деталей или инструментов на станках мо­гут изменяться в определенных пределах, на станках пре­дусматривается изменение частоты вращения также в соот­ветствующем диапазоне. Диапазоном частоты вращения шпинделя станка называется отношение C = nmax/nmin, где птаx и nmin — максимальная и минимальная частоты вра­щения шпинделя станка, мин-1. Чем больше диапазон частоты вращения шпинделя, тем универсальнее станок. В зубчатых коробках скоростей можно получить лишь опре­деленный ряд значений п. В отечественном станкостроении стандартизирован ряд частот вращения, образующий гео­метрическую прогрессию nmin = n1; n2 = nφ; n3 = nφ2;… nz =nmax = n1φz-1 где φ - знаменатель геометрической прогрессии; z - число членов про­грессии; φ = Геометрический ряд величин частоты вращения шпин­деля обеспечивает при переходе от данной к следующей высшей ступени постоянство перепада скоростей резания А, которое выражается в процентах: A = . Стандартизированы следующие знаменатели рядов и со­ответствующие им перепады скоростей: φ 1,06 1,12 1,26 1,41 1,58 1,78 2,0 A, % 5 10 20 30 40 45 50 Механизмы подачи служат для получения различных величин подач. Подачи разделяются на непрерывные (то­карные, сверлильные, фрезерные станки) и прерывистые (строгальные и долбежные станки). Кинематическая цепь механизма подачи соединяется с тем органом станка, в свя­зи с движением которого подача рассчитывается. В токар­ных станках подача рассчитывается на один оборот шпин­деля и механизм подачи соединяется со шпинделем. Во фрезерных станках, где основной подачей является подача за минуту, механизм подачи получает движение непосредственно от электродвигателя. Чаще всего величину подачи изменяют зубчатыми коробками подач, сменными колесами, регулированием храпового механизма (строгальные и дол­бежные станки) или при помощи гидропривода. Зубчатые коробки подач аналогичны коробкам скорос­тей. Однако в коробках подач используются некоторые механизмы, которые не применяются в коробках скоростей ввиду их непригодности для передачи значительных мощ­ностей. Так, в коробках подач применяют механизм с на­кидным зубчатым колесом и механизм с вытяжной шпонкой. Рис.35. Механизм с накидным зубчатым колесом Механизм с накидным колесом (рис. 35) применяется в коробках подач токарных станков. На валу 1 на скользя­щей шпонке установлено зубчатое колесо z1. При помощи рычажной вилки 2 колесо z1 может передвигаться по валу. Установленные неподвижно на валу 3 колеса z3—z10 могут при помощи рычажной вилки через колесо z2 входить в за­цепление с колесом z1. В каждом положении рычажная вилка закрепляется фиксатором 4 по отверстию в корпусе коробки подач. Такой механизм дает возможность получить восемь передаточных отношений в пределах от z1 /z3 , до z1/z10. Механизм с вытяжной шпонкой (рис. 36) применяется в сверлильных станках. На ведущем валу I жестко насаже­ны четыре зубчатых колеса 1—4, находящиеся в постоян­ном зацеплении с колесами 5—8, установленными на пусто­телом валу II. Этот вал имеет вытяжную шпонку 9, которая при помощи пружины 11 фиксирует одно из колес 5, 6, 7 или 8. Вытяжная шпонка перемещается внутри вала при помощи круговой рейки 10, передвигаемой зубчатым колесом 12 от рукоятки 13. Чтобы вытяжная шпонка 9 одно­временно не зафиксировала два зубчатых колеса, колеса разделены кольцами 14. Такой механизм позволяет полу­чить четыре передаточных отношения. Рис. 36. Механизм с вытяжной шпонкой Храповой механизм (рис. 37) служит для осуществле­ния прерывистой подачи и применяется на строгальных и долбежных станках. Собачка 1 в подпружиненном состоя­нии смонтирована на рычаге 2, вхолостую насаженном на винте (иногда валике) подачи. На этом же валике на шпон­ке закреплено храповое колесо 3. Рычаг собачки получает качательное движение от тяги 4, связанной с кривошип­ным диском 5, при вращении которого рычаг вместе с со­бачкой 1 получает качательное движение. При движении влево собачка зацепляется за зубья храпового колеса и поворачивает его на некоторый угол; при движении вправо собачка отжимает пружину и скользит по зубьям храпового колеса, и в результате передачи движения не происходит. Рис. 36. Храповой механизм. Величину подачи регулируют либо изменением радиуса кривошипа r, от чего зависит размах качаний рычага 2, либо соответствующей установкой щитка 6, прикрывающе­го часть зубьев храповика. При этом часть пути собачка скользит по щитку, а при прохождении остального пути захватывает требуемое число зубьев. Щитком 6 можно закрыть от собачки все зубья, и тогда движение не будет передаваться. Для изменения направления вращения хра­пового колеса необходимо рукояткой 7 вытянуть собачку кверху и повернуть на 180°. Для выключения храпового механизма собачку вытягивают вверх и повертывают на 90° (в этом случае собачка 7 не касается колеса 3). Передаточное отношение храпового механизма i = x/z, где х—число зубьев, захватываемых собачкой; z - число зубьев хра­пового колеса. Частота вращения храпового колеса п2 = п1 , где n1 — частота вращения кривошипного колеса, об/мин. Мальтийский механизм (крест) применяют для периоди­ческого поворота через длительные отрезки времени револь­верных головок, шпиндельных барабанов станков. Меха­низм (рис. 38) состоит из кри­вошипа 1 с цевкой (пальцем)2 на конце и диска 3, имеюще­го радиальные пазы. При не­прерывном вращении кри­вошипа 1 цевка 2 периоди­чески входит в пазы диска 3 и поворачивает его на угол 2α. Диск 3 останавливается до следующего попадания цевки 2 в паз. Для безудар­ной работы механизма необ­ходимо, чтобы скорость цевки при заходе в паз совпадала с его направлением. Это воз­можно при γ = π/2. Переда­точное отношение механизма i = 1/z, где z- число пазов в диске. Рис.38. Мальтийский механизм. Рис. 39. Схема работы кулачковых механизмов: а - дискового; б- цилиндрического. Кулачковые механизмы широко применяют в металло­режущих станках, особенно в автоматах. Предназначены, для преобразования равномерного вращательного движения в возвратно-поступательное с любым законом движения. Кулачки бывают двух типов: дисковые и цилиндрические. На рисунке 39. а приведена схема работы дискового кулачкового механизма. Кулачок 1 равномерно враща­ется вокруг оси и через ролик 2 и рычаг с зубчатым сектором 3 передает движение суппорту 4, снабженному рейкой. Кулачок имеет ряд участков. Участок а описан дугой окружности, и при контакте ролика 2 с кулачком 1 па этом участке суппорт неподвижен. Участок б соответст­вует быстрой подаче суппорта (холостой ход), участок в — медленной подаче (рабочий ход), участок г — быстрому от­воду суппорта в исходное положение (холостой ход). На рисунке 39, б показана схема работы цилиндрическо­го кулачка. Кулачок имеет винтовую рабочую поверх­ность. Через ролик 2 и рычаг 4 суппорт 3 получает движение в одну, а затем в другую сторону. Величину подачи суп­порта можно регулировать путем изменения числа оборотов кулачка или угла подъема рабочей поверхности. Наиболее часто цикл работы суппорта следующий: быстрый подвод, рабочая подача и быстрый отвод. Кулисный механизм (рис. 40) применяется в поперечно-строгальных станках и служит для преобразования враща­тельного движения в возвратно-поступательное. Вращатель­ное движение от электродвигателя через коробку скоростей передается кулисному зубчатому колесу 1, в коническом пазу которого закреплен палец 2, который входит в отверстие камня 3, скользящего в прорезе кулисы 4. При одном обороте зубчатого колеса 1 камень 3 тоже делает один оборот и заставляет кулису 4 качнуться вокруг центра вправо и влево. Величина расстояния r между центрами пальца 2, и зубчатого колеса 1 может быть изменена. Благодаря этому меняется длина хода ползуна 5. Рис.40. Кулисный механизм Время (мин) одного двойного хода ползуна t равно вре­мени одного оборота кулисного зубчатого колеса 1: , где п — число двойных ходов ползуна в минуту (или частота вращения кулисного колеса); tp—время рабочего хода ползуна, мин; tx — время холостого хода ползуна, мин; α — угол рабочего хода; α = 180°+2δ; β— угол холостого хода; β= 180° — 2δ. Из рис. 40 следует, что tg δ = L/2H, где L — длина хода ползуна, мм; Н — расстояние от центра качания кулисы до центра пальца, соединяющего кулису с ползуном, мм. Средняя скорость (м/мин) рабочего хода ползуна . Средняя скорость (м/мин) ползуна . Реверсивные механизмы применяются в системе глав­ного движения и в системе подачи и служат для изменения направления движения. Схемы наиболее распространенных реверсивных механизмов показаны на рис. 41. На рис. 41, а показана схема реверсивного механиз­ма, состоящего из цилиндрических зубчатых колес и фрикционной муфты М. Рис. 41. Схемы реверсивных механизмов, Переключение фрикционной муфты вы­зывает соединение зубчатых колес z1 (при этом муфта М сдвинута влево) либо z3 (муфта М сдвинута вправо) с верх­ним валом. Нижний вал получает или прямое вращение (от z1, к z2), или обратное (от z3 через паразитное колесо z3', к z4). Реверсивный механизм, составленный из цилиндрических зубчатых колес, показан на рис.41,б. Скользящее колесо z2 может быть сцеплено непосредственно с колесом z1, либо с z3, через паразитные колеса z4, и . Следовательно, нижний вал получит вращение в ту или другую сторону. На рис. 41, в показана схема реверсивного механиз­ма, в котором зубчатое колесо z1 скользящего блока может быть сцеплено с колесом z2 через промежуточное колесо z2'. При другом положении блока колесо z3 сцепляется не­посредственно с колесом z4,. Таким образом, нижний вал может вращаться в различном направлении. На рнс.41, г показана схема реверсивного механизма, составленного из конических зубчатых колес и кулачковой муфты, применяемых при наличии пересекающихся валов. Изменение направления вращения горизонтального вала производится переключением кулачковой муфты. Механизм (муфта) обгона применяется в современных моделях токарных и фрезерных станков для выбора из двух вращательных движений более быстрого. Позволяет, не выключая рабочей подачи (медленной), включать ускорен­ную подачу без поломки механизмов станка. Механизм обгона (рис. 42, а) состоит из фигурного дис­ка 1 с вырезами, в которых размещены ролики 3, прижимае­мые пружинами 4 к внутренней поверхности кольца 2. При медленном вращении диска 1 по часовой стрелке (рабочий ход РХ) ролики 3 заклинивают кольцо 2, т. е. фигурный диск 1 и кольцо 2 вращаются вместе. При включе­нии ускоренной подачи (холостой ход Рис. 42. Схемы обгонной муфты (а) и ее включения в кинематичес­кую цепь станка (б). XX) кольцо 2, вра­щаясь ускоренно, обгоняет фигурный диск 1, расклинивает ролики и разъединяют кольцо 2 и диск 1, т. е. диск 1 и кольцо будут вращаться независимо один от другого с различной частотой вращения. На рис. 42, б показана схема включения обгонной муфты в кинематическую цепь станка. Вал I получает вращение через червячную переда­чу; частота вращения n1/z. Вал II через механизм обгона М0 получает частоту вращения тоже n1/z, и далее движение передается на вал III через зубчатую передачу z1—z2. При одновременном включении электродвигателя М вал II получает вращение с частотой n2(n2>n1/z), и механизм обгона М0 позволяет (не выключая вращение n1/z) передать частоту вращения п2 через зубчатую передачу z1—z2 на вал III. Дифференциалы используют в качестве суммирующих механизмов, осуществляющих алгебраическое сложение двух движений. Наиболее распространен конический диф­ференциал (рис. 43), применяющийся на зубофрезерных станках. Конический дифференциал по схеме действия явля­ется планетарной передачей с двумя степенями свободы. Рис.43. Схема конического дифференциала У дифференциала из трех его звеньев любые два звена могут быть ведущими, третье — ве­домым. Дифференциал позво­ляет суммировать на ведомом звене движения, получаемые от двух независимых ведущих звеньев. Конический дифференциал состоит из центральных колес z1 и z4, сателлитов z2 и z3 и водила (крестовины) С. Числа зубьев центральных колес и сателлитов равны между собой: z1=z2=z3=z4. Передаточное отношение дифференциала за­висит от схемы его включения. Дифференциал включен, когда червяк z' введен в за­цепление с червячным колесом z и выключена кулачковая муфта. В этом случае из теории механизмов и машин следу­ет, что частота вращения водила С где n1 и n4— частота вращения колес z1 и z4, мин-1. Например, если n1 = 1000 мин-1, z 4 = 10 мин-1, то пс = =505 мин -1. Если изменить направление колеса z4 на обратное, то nс= = 495 мин-1. При неподвиж­ном колесе z4 (n4=0) передаточное отношение от колеса к водилу С равно 1/2: пс==n1id При неподвижном колесе z4 (n4=0) и ведущем водиле С(nC = 0) передаточное отношение дифференциала равно 2 (id = 2). В этом случае ведомое колесо z4 имеет частоту n1 = 2пс = idnc. Дифференциал выключен, когда червяк выведен из зацепления с черничным колесом z и включена кулачковая муфта M. В этом случае водило С будет жестко связано с зубчатым колесом z4, и червячным колесом z' и сателлиты z2 и z3 не будут иметь возможность обкатываться вокруг ко­леса z4, а станут вращаться вместе с ним. В этом случае передаточное отношение дифференциала равно единице (id =1), так как n1=n4=nC. Механизмы бесступенчатого регулирования скоростей. С. помощью механизмов бесступенчатого регулирования ско­ростей можно наиболее точно установить необходимые ско­рость резания и величину подачи. Механизмы бесступенча­того регулирования скоростей бывают электрические, ме­ханические и гидравлические (гидроприводы). Электрический механизм бесступенчатого регулирования частоты вращения представляет собой шунтовой электро­двигатель постоянного тока. Регулирование частоты враще­ния производится при помощи реостата, включенного в цепь возбуждения. Диапазон регулирования C =3…6 Рис. 44. Вариатор В. Л. Светозарова. Недостаток такого привода в том, что для его питания необходим постоянный ток. Механические вариаторы бесступенчатого изменения ча­стоты вращения бывают разных конструкций. На рис. 44 показана схема бесступенчатого вариатора В. А. Свето­зарова. В этой конструкции передаточные отношения изме­няются в пределах наклона промежуточных роликов, при повороте которых меняются радиусы точек контакта роли­ков с ведущей 1 и ведомой 2 чашками, закрепленными на валах I и II. Если ведущим валом является вал I, то в первом случае (рис. 44, а) вал II вращается более медлен­но, чем вал I. Во втором случае (рис. 44, б) оба вала вра­щаются с одинаковой частотой вращения. В третьем случае (рис. 44, е) вал II вращается быстрее, чем вал I. Гидравлический привод. При использовании гидравли­ческого привода возможны бесступенчатое регулирование скорости в широком диапазоне и передача значительных сил; при этом исключается опасность поломки системы из-за перегрузки, а также упрощается применение автомати­зации управления. Гидропривод состоит из: 1) насосов; 2) механизмов пере­мещения рабочих органов станка (рабочие цилиндры для получения поступательного движения и гидромоторы для вращательного); 3) механизмов управления (золотников); 4) регулирующих механизмов (клапана, регулятора скоро­сти). Гидравлический привод применяют преимущественно для осуществления прямолинейного движения, реже — вращательного. В шлифовальных и многошпин­дельных токарных станках гидропривод применяют в ка­честве механизма подачи. Для привода главного движения гидропривод применяют в протяжных станках, хонинговальных и поперечно-строгальных. На рисунке 45, а приведена схема гидропривода посту­пательного движения. Масло из бака 1 через фильтр 2 при помощи шестеренчатого насоса 3 через клапан управления 5, регулятор скорости (дроссель) 6 и золотник 7 (с фиксатором 8) поступает в одну из полостей рабочего цилиндра 9, вызывая движение поршня 10 со штоком 11 и столом станка 12 вправо или влево. Золотник 7 распределяет масло в пра­вую или левую часть рабочего цилиндра. При положении «а» средней части золотника масло под давлением поступает и правую часть рабочего цилиндра, вызывая движение порш­ня 10, штока 11 и стола 12 влево. Масло из левой части цилиндра через проточку в золотнике 7 по трубопроводу 15 поступает в бак 1. При положении «в» масло поступает в левую часть рабочего цилиндра 10, вызывая движение поршня 10 и стола 12 вправо. При этом масло из правой части рабочего цилиндра через проточку золотника 7 и трубопровод 15 идет в бак. Переключение золотника 7 производится в крайних положениях стола 12 рычагом 14 посредством двух упоров 13. Расстояние между упорами 13 определяет длину хода стола 12, и оно регулируется. При чрезмерном повышении давления в системе масло через предохранительный клапан 4 сбрасывается в бак 1. При этом давление входит в норму и клапан 4 опять закрывается.