2.5. Механизмы переключения скоростей

Управление станком любой группы сводится к пуску, останову и реверсированию движения в станке, переключению скоростей и подач, смене инструмента и другим вспомогательным движениям, обеспечивающим нормальную работу станка. Все это осуществляется путем простых переключений блоков зубчатых колес, вытяжных шпонок, кулачковых и фрикционных муфт.

Переключения возможны с помощью механических, электрических, гидравлических и реже пневматических устройств.

В общем случае устройство ручного управления состоит из трех основных частей:

1. Органа управления, представляющего собой рукоятку, штурвал, педаль, кнопку и т. д., получающего сигнал (движение) от руки (или ноги – педаль) оператора.

2. Собственно устройства (механического, электрического, гидравлического и др.), передающего сигнал (движение) от органа управления к переключаемым органам привода главного движения и привода подач – передвижным блокам зубчатых колес, кулачковым и фрикционным муфтам и другим органам станка.

3. Исполнительного элемента в виде вилки, рычага, рейки, ползуна и т. д., осуществляющего непосредственное перемещение (переключение) управляемых органов станка.

К любому устройству ручного управления станком предъявляется требование – быстрота действия при наименьшем физическом напряжении рабочего оператора.

Для выполнения этого требования необходимо иметь:

1) удобную конструкцию органов управления;

2) рациональное расположение и концентрацию органов управления на станке;

3) минимум движений, необходимых для переключения;

4) соответствие между направлением движения органа управления и направлением движения перемещаемой части станка (стола, суппорта и т. д.), т. е. мнемоническое управление;

5) рациональную систему указателей требуемых переключений.

а

б

в

г

д

е

Рис. 2.15. Механизмы перемещения подвижных элементов кинематических цепей:

а – простой рычаг с сухарем; б – подвижная вилка, входящая в паз; в – подвижная вилка с захватом за зубчатое колесо; г – вилка с приводом от цилиндрического кулачка; д – вилка с приводом от гидро- или пневмоцилиндра; е – рычаг с приводом от плоского кулачка

При наличии большого числа управляемых элементов в современных станках используют системы селективного и преселективного управления.

Преселективное управление позволяет настраивать необходимую скорость или подачу для следующей операции во время предыдущей.

Механизмами преселективного управления оснащены консольно-фрезерные станки, например: 6Н82, 6Р82, 6Т13 и др.

Основные механизмы для перемещения подвижных элементов кинематических цепей показаны на рис. 2.15.

2.6. Механизмы для бесступенчатого регулирования скоростей

Бесступенчатые приводы применяют для плавного и непрерывного изменения частоты вращения шпинделей или подачи. Они позволяют получать оптимальные скорости резания и подачи при обработке различных деталей. Кроме того, они позволяют изменять скорость главного движения или подачу во время работы станка без его остановки. Вследствие этого применение в станках бесступенчатого привода способствует повышению производительности.

В станках применяют различные способы бесступенчатого регулирования скоростей движений. Выбор способа зависит от многих факторов (станок универсальный, специализированный, специальный; для черновой, чистовой, отделочной обработки); требуемой мощности резания и вида механической характеристики; необходимого диапазона регулирования и др.

Каждое из возможных решений – электрическое, гидравлическое, механическое, комбинированное регулирование – имеет свои специфические эксплуатационные достоинства и недостатки и соответственно этому свою область применения.

Электрическое регулирование производится изменением частоты вращения электродвигателя, который приводит в движение соответствующую цепь станка.

Систему генератор–электродвигатель применяют в тяжелых и мощных металлорежущих станках при частом реверсировании электродвигателей или при необходимости получения бесступенчатого регулирования частоты вращения, скоростей или подач. Диапазон регулирования, обеспечиваемый системой, R_n = 1015. Существенными недостатками системы генератор–электродвигатель является низкий КПД (примерно 0,65), громоздкость и высокая стоимость.

В механизмах главного движения станков с ЧПУ в основном применяются электродвигатели постоянного тока благодаря своим исключительным регулировочным свойствам, а также возможности изменения частоты вращения в определенном диапазоне с постоянством передаваемой мощности. Размеры электродвигателя главного движения влияют на компоновку станка. У новых серий электродвигателей уменьшена высота оси вращения, что обеспечивает их лучшую встраиваемость в станки. Применение широкорегулируемых электродвигателей постоянного тока и постоянной мощности в механизмах главного движения станков значительно упрощает механическую часть привода, исключает полностью или сводит до минимума число ступеней коробки скоростей, обусловливает увеличение производительности и повышает КПД электропривода.

Комплектные электроприводы постоянного тока серий ЭТЗ, ЭТДР с тиристорными преобразователями используются в качестве регулируемых электроприводов главного движения металлорежущих станков и других механизмов. Электропривод серии ЭТЗ имеет электродвигатель мощностью 1,122 кВт. Минимальная частота вращения электродвигателя n_min =10 мин^-1.

Электропривод серии ЭТЗ с электродвигателем 2ПФ160Г мощностью 11 кВт с номинальным напряжением 220 В, номинальной частотой вращения 1500 мин^-1 обеспечивает регулирование частоты вращения в диапазоне 600 3300 мин^-1. Кроме этого, возможно обеспечение ползучей скорости 25 мин^-1.

Электроприводы серии ЭТДР имеют мощность двигателя 1,530 кВт, диапазон регулирования частоты вращения R_n до 10.

В приводах подач (реже в приводах главного движения) применяют высокомоментные электродвигатели с тиристорными преобразователями, которые позволяют получать высокие диапазоны бесступенчатого регулирования без применения коробок подач, а иногда и коробок скоростей.

При номинальной частоте вращения, например, 3000 мин^-1, диапазон регулирования может быть доведен до 30000. К недостаткам электродвигателей высоких моментов относится большая стоимость магнитов высоких энергий с применением редкоземельных элементов. Серийно выпускаются комплектные высокомоментные электродвигатели типа ПБВ для приводов подачи станков с ЧПУ мощностью 0,755,5 кВт.

Применение следящего привода подач с высокомоментыми электродвигателями в станках с ЧПУ позволяет получить высокую точность обработки при малых дискретах (12 мкм) и высоких скоростях холостых ходов (1012 м/мин).

Перспективным является использование в приводах станков бесколлекторных (вентильных) регулируемых электродвигателей переменного тока.

Для бесступенчатого регулирования скоростей прямолинейных движений в станках широко используют гидравлический привод, главным образом подач, но также и главного движения (в строгальных, долбежных, протяжных станках).

Для бесступенчатого регулирования скорости гидравлический привод имеет ряд существенных преимуществ: широкий диапазон регулирования, быстрое изменение величины и направления скорости, плавное реверсирование, удобство дистанционного управления и его автоматизации, автоматическое предохранение от перегрузок, самосмазываемость.

Недостаток гидравлического привода – недостаточно жесткая характеристика вследствие утечек и влияния температуры на вязкость масла.

При малых скоростях (V =1215 мм/мин) работа гидравлического привода становится неустойчивой. Для вращательного движения гидравлический привод применяют в станках редко ввиду высокой его стоимости и снижения КПД при износе.

Вопросы гидравлического регулирования скоростей движений в станках подробно рассматриваются в курсе «Гидравлика и гидропневмопривод».

Регулирование с помощью механических вариаторов. Большинство механических вариаторов, применяемых в станках, – фрикционные. Фрикционные передачи – механизмы, передающие движения с помощью сил трения соприкасающихся поверхностей. Величина передаваемой силы фрикционной передачи зависит от коэффициента трения. Для неметаллических материалов (текстолита, феродо) коэффициент трения значительно выше, чем для стали. Однако применение стальных поверхностей, особенно закаленных, сокращает габаритно-массовые характеристики передач вследствие применения высоких сил прижима поверхностей.

Фрикционные передачи обладают простотой конструкции, равномерностью передачи движения и бесшумностью работы, простым и легким управлением (изменение скорости главного движения и подачи можно производить во время работы без останова станка, что позволяет получить оптимальные скорости при обработке заготовок). Возможность регулирования частоты вращения на ходу станка является важным преимуществом перед ступенчатым приводом с зубчатыми колесами, так как дает возможность поддерживать постоянную скорость резания путем непрерывного автоматического изменения частоты вращения шпинделя, что необходимо, например, при поперечном обтачивании и резании резцами, когда диаметр обрабатываемой детали в процессе резания значительно изменяется.

Недостатками фрикционной передачи являются: большие нагрузки на валы и подшипники; повреждение дисков при буксовании, что приводит к неравномерному их изнашиванию; сравнительно небольшой диапазон регулирования (обычно не выше 6) и значительное снижение частоты вращения под нагрузкой; потери на трение; нежесткая характеристика – изменение передаваемой мощности при регулировании частоты вращения.

Существует большое разнообразие конструкций и типов фрикционных передач, которые нашли применение в приводах станков.

Рис. 2.16. Привод с раздвижными конусами

На рис. 2.16 изображен привод с раздвижными конусами, который работает следующим образом. От шкива 8 на валу I вращаются два ведущих конуса 1. На валу II находятся два таких же ведомых конуса 5. Передача между валами осуществляется клиновидным ремнем 2 с деревянными накладками 3 с внутренней стороны или широким ремнем соответствующего профиля. Для изменения частоты вращения вала II рычагами 4, поворачивающимися вокруг осей О и О₁, сближаются или раздвигаются конусы на валу I и соответственно раздвигаются или сближаются конусы на валу II. Поворачивая маховик 7, через винт 6 с правой и левой резьбой поворачивают рычаги 4.

Передаточное отношение фрикционного вариатора

,

где r₁ – радиус контакта фрикционного элемента с ведущей поверхностью, мм;

r₂ – радиус контакта ведомого элемента, мм;

n₁, n₂ – соответственно частоты вращения валов, мин^-1.

Рис. 2.17. Торовый вариатор

У торового вариатора (рис. 2.17) передаточное отношение зависит от наклона роликов, при повороте которых изменяются радиусы контакта роликов с ведущим и ведомым торовым шкивом.

В многоцелевых станках используется комбинированное регулирование скоростей. В приводах главного движения применяют двигатели постоянного тока с тиристорным управлением с двумя–тремя механическими ступенями. Для малых и средних типоразмеров станков применяют приводы с асинхронными электродвигателями и коробками скоростей с механическими вариаторами.