3. Токарные станки

3.1 Токарно-винторезные станки

В станочном парке промышленности одно из ведущих мест занимает группа токарных станков. Несмотря на преобладание тенденции развития специальных токарных станков и автоматов, отвечающих задачам получения наибольшей производительности при максимальной автоматизации процессов, продолжают совершенствовать и универсальные токарно-винторезные станки.

Токарно-винторезные станки предназначены для выполнения разнообразных работ. На этих станках можно обтачивать наружные цилиндрические, конические и фасонные поверхности, растачивать цилиндрические и конические отверстия, обрабатывать торцовые поверхности, нарезать наружную и внутреннюю резьбы, сверлить, зенкеровать и развертывать отверстия, производить отрезку, подрезку и другие операции (рис.19).

Техническими параметрами, по которым классифицируют токарно-винторезные станки, являются наибольший диаметр D обрабатываемой заготовки или высота центров над станиной (равная 0,5 D), наибольшая длина L обрабатываемой заготовки и масса станка.

Ряд наибольших диаметров обработки для токарно-винторезных станков имеет вид: D = 100, 125, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, и далее до 4000 мм.

Наибольшая длина L обрабатываемой детали определяется расстоянием между центрами станка. Выпускаемые станки при одном и том же значении D могут иметь различные значения L.

Кроме этих основных параметров важными размерами токарно-винторезных станков, регламентируемыми стандартами, являются наибольший диаметр обрабатываемой заготовки над суппортом, наибольшая частота вращения шпинделя, наибольший диаметр прутка, проходящего через отверстие шпинделя, размер центра шпинделя.

В зависимости от массы различают:

- легкие токарные станки - до 500 кг (D=100...200 мм);

- средние - до 4 т (D=250...500 мм);

- крупные - до 15 т (D=630... 1250 мм) и

тяжелые - до 400 т (D=1600...4000 мм).

Легкие токарные станки применяют в инструментальном производстве, приборостроении, часовой промышленности, в экспериментальных и опытных цехах предприятий. Эти станки выпускают как с механической подачей, так и без неё.

Токарные станки выпускают нормального класса точности, повышенного и высокого классов точности.

Станки высокого класса точности, как правило, значительно отличаются по конструкции от станков нормального класса точности, чтобы уменьшить значение вредных факторов на работу шпиндельного узла, коробку скоростей, размещают отдельно от шпиндельной коробки, а крутящий момент на шпиндель от электромеханического привода размещают через ремённую передачу. Заднюю опору шпинделя разгружают от действия силы натяжения ремня. Станки повышенного класса точности, как правило, отличаются повышенной точностью изготовления и сборки узлов и деталей станка.

Серийный выпуск токарных станков был впервые начат на московском заводе «Красный пролетарий». Первым достаточно прогрессивным по тому времени токарно-винторезным станком с шестеренной коробкой скоростей был станок ДИП-200, выпущенный в 1932 г. Затем эту модель модернизировали, в результате чего были созданы станки 1Д62М, 1А62, 1 К62 и др. На базе этого станка созданы специализированные токарные станки различных видов.

Токарные станки оснащают копировальными устройствами, что позволяет обрабатывать сложные контуры без специальных фасонных резцов и комбинированного расточного инструмента и значительно упрощает наладку и подналадку станков. Имеются токарно-копировальные станки с двумя-тремя копировальными суппортами, на которых можно обрабатывать наружные, внутренние и торцовые поверхности Применение в токарных станках числового программного управления дает возможность полностью автоматизировать цикл обработки на них.

Совершенствование токарно-винторезных станков идет по пути повышения точности, совершенствования управления, увеличения диапазона скоростей и подач, дальнейшей отработки технологической оснастки. В токарно-винторезных станках вращение заготовки является главным движением, а движение суппорта с резцом- движением подачи; все остальные движения вспомогательные.

Токарно-винторезные станки с ручным управлением

Токарно-винторезные станки являются наиболее универсальными станками токарной группы и используются главным образом в условиях единичного и мелкосерийного производства.

Конструктивная компоновка станков этого, типа практически одинакова. Станок имеет следующие основные узлы (рис 20):

• станину 7, на которой монтируют все механизмы станка;

• переднюю (шпиндельную) бабку 2, в которой размещают коробку скоростей, шпиндель и другие элементы;

• коробку подач 1, передающую движение от шпинделя к суппорту 11 с необходимым передаточным числом с помощью ходового винта 8 при нарезании резьбы или ходового вала 9 при обработке других поверхностей;

• фартук 10, в котором вращение винта или вала 9 преобразуется в поступательное движение суппорта 11 с инструментом;

• заднюю бабку 5, в пиноли которой может быть установлен центр для поддержки обрабатываемой заготовки или осевой инструмент (сверло, развертка и т.п.) для обработки центрального отверстия в заготовке, закрепленной в патроне;

• суппорт 11 служит для закрепления режущего инструмента в резцовой каретке и сообщения ему движения подачи. Суппорт состоит из нижних салазок (каретки), перемещающихся по направляющим 6 станка. По направляющим нижних салазок в направлении, перпендикулярном линии центров, перемещаются поперечные салазки 3, на которых расположена резцовая каретка 4 с резцедержателями. Резцовая каретка смонтирована на поворотной части, которую можно устанавливать под углом к линии центров станка.

Токарно-винторезный станок 16К20

Станок предназначен для выполнения разнообразных токарных работ: нарезания правой и левой метрической, дюймовой, одно- и многозаходных резьб с нормальным и увеличенным шагом; нарезания торцовой резьбы и т. д. На рис. 21 изображена схема станка 16К20 с указанием органов управления.

Станок 16К20 - базовая модель, изготовляемая с расстоянием между центрами 710, 1000, 1400 и 2000 мм. На ее основе выпускают несколько модификаций: станок 16К20Г с выемкой в станине, 16К25 облегченного типа для обработки заготовок диаметром 500 мм над направляющими станины, 16К20П повышенного класса точности, 16К20ФЗ с программным управлением и различные специализированные станки, налаженные на обработку конкретных деталей по чертежам заказчиков.

Станок 16К20 имеет широкие технологические возможности, на нем можно обрабатывать детали, как из незакаленной, так и закаленной стали, а также из труднообрабатываемых материалов. При использовании литого основания, образующего со станиной рамную конструкцию, возросла жесткость упругой системы станка, что позволило увеличить виброустойчивость станка и точность обработки. В качестве шпиндельных опор применены подшипники особо высокой точности. Поэтому станок имеет повышенную жесткость шпиндельного узла и общую жесткость конструкции. Это позволяет вести обработку с большими силами резания, полностью используя мощность привода.

Для увеличения надежности и долговечности работы станка применена централизованная система обильного смазывания шпиндельной бабки и коробки подач, причем масло, поступающее в систему, подвергается двойной очистке. Введены устройства для централизованного смазывания направляющих станины и суппорта.

Задняя бабка станка установлена на аэростатической опоре, что значительно снижает давление при ее перемещении и изнашивание направляющих станины. Форма передней призматической направляющей станины выбрана с углами, обеспечивающими более равномерное распределение износа по граням направляющих. Верхние и нижние направляющие станины закалены; они, так же как и ходовой винт и валик, надежно защищены от попадания мелкой стружки и пыли.

Виды движения. Главное движение - вращение шпинделя с заготовкой; движения подач - перемещение каретки в продольном и салазок в поперечном направлениях; вспомогательные движения - быстрые перемещения каретки в продольном и салазок в поперечном направлениях от отдельного привода и пр.

Кинематическая схема станка приведена на рис.22.

Привод главного движения. Вращение шпинделю передается от электродвигателя (N=10 кВт; п=1460 мин^-1) через клиноременную передачу Ф148/268 коробку скоростей, муфта М1 служит для включения, выключения и изменения направления вращения шпинделя.

Движение от электродвигателя на шпиндель может передаваться по двум кинематическим цепям;

а) по короткой цепи (без перебора), что дает 12 высших ступеней частот вращения шпинделя;

б) по длинной цепи (с перебором), что дает ещё 12 частот вращения:

Таким образом, шпиндель станка получает всего 24 значения частот вращения. Практически же шпиндель имеет только 22 частоты вращения, так как значения п=500 мин^-1 и п=630 мин^-1 повторяются дважды.

Станок должен быть налажен на заранее подобранную по режимам резания частоту вращения. Максимальная частота вращения шпинделя (при работе без перебора)

минимальная (при работе с перебором)

Привод подач состоит из звена увеличения шага, механизма реверса, гитары сменных колес, коробки подач и механизма передач фартука. Движение подачи осуществляется или непосредственно от шпинделя через пару зубчатых колес 60/60, как показано на схеме (нормальное соединение), или через звено увеличения шага, которое расположено в коробке скоростей и имеет три передаточных отношения:

Для изменения направления вращения ходового винта служит реверсивный механизм. Правое вращение винта производится через пару зубчатых колес 30/45, левое — через передачу 30/25 25/45.

Дальше вращение передается сменным зубчатым колесам гитары: передачу K/L L/N =40/86 86/64 применяют при нарезании метрических и дюймовых резьб и для подачи по ходовому валу.

Коробка подач имеет две основные кинематические цепи. Одна цепь служит для нарезания дюймовых резьб (16 вариантов):

Другая цепь предназначена для нарезания метрических резьб (16 вариантов):

В первом случае ходовой винт получает движение, когда муфты М₂, М₃ и М₄ выключены, а М₅ включена. Во втором случае муфта М₂ выключена, а муфты М₃—М₅ включены. Вторую кинематическую цепь используют также для получения продольной или поперечной подач, при этом вращение с вала XVIII на ходовой вал передается через зубчатые колеса 23/40 24/39 28/35. Муфта М₅ выключена.

При нарезании резьбы с повышенной точностью движение на ходовой винт передается напрямую, т.е. коробка подач отключена, а муфты М₂ и М₅ включены. Аналогично нарезают специальные резьбы. В обоих случаях резьбу на требуемый шаг настраивают подбором сменных зубчатых колес гитары.

Коробка подач станка состоит из основной и множительной передач. Основная передача дает возможность получать основной ряд стандартных резьб. Множительная передача предназначена для увеличения (в 4 раза) числа нарезаемых на станке стандартных резьб.

Нарезание резьб. Уравнения кинематических цепей от шпинделя к ходовому винту при нарезании резьбы составляют из условия, чтобы за один оборот шпинделя суппорт с резцом переместился вдоль оси заготовки на шаг Р нарезаемой резьбы (при однозаходной резьбе).

Для нарезания метрической резьбы со стандартным шагом Р (в этом случае передача к коробке подач осуществляется непосредственно от шпинделя, минуя звено увеличения шага) уравнение кинематической цепи от шпинделя к ходовому винту имеет следующий вид:

Для нарезания дюймовой резьбы с шагом P (для дюймовой резьбы P=25,4/k (мм), где k – число ниток на 1″) уравнение кинематической схемы имеет вид:

Уравнение кинематической цепи от шпинделя к ходовому винту для нарезания резьбы повышенной точности с шагом P имеет вид

, откуда

Резьбу с большим шагом нарезают, используя звено увеличения шага, т.е. передача движения от шпинделя в этом случае осуществляется не через зубчатые колеса 60/60, а через звено увеличения шага в коробке скоростей.

Нарезание многозаходных резьб.

Резьба может быть однозаходной или многозаходной (рис.23). У многозаходной резьбы расстояние, измеренное вдоль оси, между одноименными точками одного и того же витка, называют ходом резьбы. У однозаходной резьбы шаг Р и ход Р_Л одинаковы, у многозаходных — различны.

Ход резьбы всегда равен шагу, умноженному на число заходов, т.е.

Рh = Р×z.

Многозаходную резьбу любого профиля начинают нарезать так, как если бы требовалось нарезать однозаходную резьбу с шагом, равным длине хода Р_h. Нарезав первый заход на полный профиль, отводят резец от заготовки и, сообщая ходовому винту обратный ход, возвращают суппорт в начальное положение. Затем, при неподвижном ходовом винте, поворачивают деталь при двухзаходной резьбе на половину оборота, при трехзаходной на 1/3 оборота, или, в общем случае, для многозаходных резьб — на 1/2 оборота. После этого нарезают второй заход резьбы и т. д.

На станке 16К20 имеется специальное делительное устройство для нарезания многозаходных резьб. Оно состоит из фланца с риской, укрепленного на корпусе переходной бабки, и - кольца с делениями, насаженного на передний конец шпинделя. Кольцо имеет на периферии 60 делений, что позволяет поворачивать шпиндель на 1/60, 1/30, 1/20, 1/15, 1/12, 1/10, 1/6, 1/5, 1/4, 1,3 или 1/2 оборота. Это позволяет нарезать резьбы с числом заходов, соответствующим знаменателю указанных выше дробей. Деление многозаходной резьбы на заходы значительно облегчается при применении специальных поводковых делительных планшайб.

Наиболее простым и быстрым способом деления при нарезании многозаходных резьб является деление по шагу. Этот способ заключается в следующем. Сначала нарезают первый заход резьбы. Затем выводят резец из канавки поперечной подачей на себя.

Механизм фартука. От ходового вала XXII вращение через передачу 30/32, 32/32, 32/30, предохранительную муфту Mn и червячную пару 4/21 передается зубчатому колесу z =36. От этого зубчатого колеса движение на реечное колесо z =10 для осуществления продольной подачи (правой или левой) происходит через передачи 36/41, 17/66 (включена муфта М₈) или 36/41, 41/41, 17/66 (включена муфта М₇). Поперечная подача (правый или левый ход) включается муфтами М₉ или М₁₀. При этом движение винту поперечной подачи передается через передачу 36/36, 34/55, 55/29, 29/16 (включена муфта M₉) или 36/36 36/36 34/55 55/29 29/16 (включена муфта М₁₀).

Наличие в коробке подач муфты обгона М₆ позволяет сообщать суппорту ускоренное движение от вспомогательного электродвигателя без выключения рабочей подачи.

Кинематическая цепь подачи, связывающая шпиндель с ходовым валом, должна обеспечивать за один оборот шпинделя перемещение суппорта на величину подачи S. Следовательно, уравнение кинематического баланса для этой цепи имеет вид

1 об.шп i_{пост ×}i_{рев ×}i_{гит ×}i_{к.п ×}i_{ф ×}π_×m_×z_p = S мм/об,

где i_пост, i_рев, i_гит, i_к.п, i_ф, — передаточное отношение соответственно постоянной передачи, реверсивного механизма, гитары сменных колес, коробки подач и механизма фартука; z_p - число зубьев реечного колеса; т — модуль реечного колеса.

Общее уравнение кинематической цепи прямых продольных подач при положении блока зубчатых колес Б₅ следующее:

Быстрые перемещения суппорта осуществляются от отдельного электродвигателя (N =1 кВт; п =1360 мин^-1), расположенного с правой части станины станка.

Обработка конических поверхностей. Обработка осуществляется широким резцом; смещением корпуса задней бабки: поворотом резцовых салазок; при наличии на станке копировально-конусной линейки и гидрокопировального суппорта можно также обрабатывать и конусы.

Широким резцом (рис.24, а) возможна обработка конусов длиной до 20 мм. Подача резца может быть как поперечная, так и продольная. Величина подачи минимальная, так как возможно возникновение вибраций системы «станок - приспособление - инструмент - деталь» (СПИД) и, как результат, - невысокие точность обработки, стойкость режущего инструмента и шероховатость обработанной поверхности.

Смещением корпуса задней бабки (рис.24, в) обрабатывают длинные детали с небольшим углом уклона до 8 . Точность обработки невысокая.

Смещение корпуса задней бабки в поперечном направлении h (мм) определяют по формуле

h= L× sin α,

где L – длина детали, мм; α- угол наклона детали, град.

Из схемы tg α=(D — d)/2l.

Поворотом резцовых салазок (рис.24, б) обрабатывают короткие детали с наружными и внутренними коническими поверхностями. По чертежу или произведя соответствующие расчеты, улавливают угол уклона оси обрабатываемой конусной поверхности это половинный угол при вершине конуса. Гаечным ключом отпускают две гайки, крепящие поворотную часть новых салазок, поворачивая ее в нужном направлении. Отсчет ведется по лимбу с ценой деления в один градус. Закрепляют гайки. Обрабатывают заготовку. При этом подача режущего инструмента осуществляется вручную вращением рукоятки резцовых салазок (что непроизводительно и недостаточно точно) или механически, как в станке модели 16К20П. Обработка требует частых замеров детали и доворота салазок, в результате чего падает производительность труда. В серийном производстве для измерения используют специальный калибр-втулки и калибр-пробки, в том числе калибры «Конус Морзе».

В серийном производстве возможна установка на станке модели 16К20 копирно-конусной линейки. Применение ее обеспечивает обработку длинных деталей с высокой точностью и производительностью. Линейка 8 (рис.24, г) устанавливается на кронштейнах 7 и 10, прикрепляемых к станине 13 с задней стороны, под углом α при перемещении винтов 11 в пазах кронштейнов. Отсчет перемещения (в град) ведется по шкале 12. На линейке установлен ползун 9, соединенный с поперечным суппортом 16 тягой 14. Винт поперечного суппорта должен быть вывернут или иметь специальную телескопическую конструкцию. При включении продольной подачи перемещаются одновременно каретка и поперечный суппорт, т.е. осуществляются два движения: ведущее (задающее) и следящее (копирующее). В результате обрабатывается коническая поверхность детали с заданным углом уклона α.