6.4.2. Кинематическая схема станка

Современный металлорежущий станок имеет систему разнообразных кинематических звеньев. Звеномназывается деталь механизма, входящая в соприкосновение с другой деталью (зубчатое колесо, винт, гайка, червяк, червячное колесо и т. п.). Совокупность двух звеньев, ограничивающая их относительное движение, называетсякинематической парой.Схематическое условное изображение совокупности кинематических пар от двигательного к исполнительному механизму станка называется кинематической цепью. Схематическое ус­ловное изображение кинематических цепей называетсякинематической схемой. Кинематическая схема дает наглядное представление об устройстве механизмов станка и позволяет анализировать движение различных его органов.

Условное обозначение отдельных звеньев и элементарных механизмов металлорежущих станков в кинематических цепях и схемах предусмотрено ГОСТ 2770-74.Для составления и чтения кинематических схем необходимо пользоваться только этими стандартными условными обозначениями.

6.4.2.1. Приводы и передачи станков

В современных металлорежущих станках применяют индивидуальные источники движения, т. е. каждый станок приводится в движение от одного электродвигателя либо от нескольких. Приводом называют совокупность механизмов, передающих движение от источника движения (электродвигателя) к рабочим органам станка (шпинделю, суппорту, столу и т. д.). В станках различают приводы: главного движения, подачи, вспомогательных движений.

Электродвигатель устанавливают около станка, в станине или на станине. Для передачи движения от электродвигателя к первичному валу рабочего узла обычно используют ременную или цепную передачи. Часто используют фланцевые электродвигатели, которые крепят непосред­ственно к станине станка или корпусу узла станка к заранее пре­дусмотренному конструкцией месту. Движение от двигателя передается в этом случае через зубчатую или чаще червячную передачу. Иногда в станках применяют встроенные электродвигатели. В этом случае ротор двигателя одновременно может является и шпинделем станка.

Приводы станков бывают со ступенчатым (дискретным) и бесступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя или рабочего вала механизма подач. Приводы со ступенчатым регулированием используют значительно чаще. Их выполняют в виде зубчатых коробок передач, которые в зависимости от назначения называются коробками скоростей или коробками подач.

Системы бесступенчатого регулирования позволяют получать любую частоту вращения шпинделя и величины подач в определенных пределах, что обеспечивает возможность работы на расчетном режиме резания. Для бесступенчатого регулирования движений применяют электрическое, гидравлическое или механическое регулирование.

Передачейназывают механизм, передающий движение от одного элемента к другому (с вала на вал) или преобразующий одно движение в другое (вращательное в поступательное). В передаче элемент, передающий движение, называютведущим, а элемент, получающий движение,- ведомым. Каждая передача характеризуется передаточным отношением.

Передаточным отношениемпередачи называется число, показывающее, во сколько раз частота вращения ведомого элемента (вала) меньше или больше частоты вращения ведущего элемента (вала)

,

где i — передаточное отношение передачи;n_вм ,(n₂) — частота вращения ведомого вала, об/мин;n_{вщ ,}(n₁) — частота вращения ведущего вала, о б/мин.

Ременная передача(рис. 6.15, а) осуществляется плоскими, клиновыми или круглыми ремнями через шкивы, закрепленные на ведомом и ведущем валах. Передаточное отношение ременной передачи

,

где d_l иd₂- диаметры шкивов ведущего и ведомого валов, мм; η_р- коэффициент, учитывающий проскальзывание ремня отно­сительно поверхностей шкивов (η_р= 0,96 - 0,99).

Цепная передача(рис. 6.15, б) осуществляется роликовой или бесшумной цепью соединяющей звездочки закрепленные на ведомом и ведущем валах. Передаточное отношение цепной передачи

,

где z₁иz₂- число зубьев ведущей и ведомой звездочек.

Зубчатая передача (рис. 6.15, в) состоит из цилиндрических (прямозубых, косозубых или шевронных) или конических зубчатых колес (с прямыми или криволинейными зубьями). Передаточное отношение зубчатой передачи

,

где z₁иz₂- число зубьев ведущего и ведомого зубчатых колес.

Ч

Рис. 6.15. Схемы основных передач

ервячная передача(рис. 6.15, г) состоит из червяка (винта) и червячного зубчатого колеса и предназначена для резкого снижения частоты вращения ведомого вала (ведущим, как правило, является червяк). Если резьба червяка имеетkзаходов, а число зубьев червячного колеса равноz, то передаточное отношение передачи

.

Реечная передача(рис. 15, д) служит для преобразования вращательного движения реечного зубчатого колеса или червяка в поступательное движение зубчатой рейки. Если реечное зубчатое колесо имеетzзубьев, а модуль реечного колеса и рейки равенm (мм), то заnоборотов реечного колеса рейка переместится на величинуS(мм),

S = nπmz.

Винтовая передача(рис. 15, е) состоит из винта и гайки и служит для преобразования вращательного движения винта в поступательное движение гайки. Если шаг резьбы винта равенt (мм), число заходов резьбы равноk, то заnоборотов ходового винта гайка переместится в осевом направлении на величинуS(мм),

S = ntk.

6.4.2.2. Механизмы металлорежущих станков

Механизмы станков можно рассматривать как совокупность следующих основных элементарных механизмов (рис. 6.16).

Подвижной блок зубчатых колес(рис. 6.16, а). Движение с ведущего валаI, на котором на шпонках жестко закреплены три зубчатые ко­леса с числами зубьевz₁,z₃иz₅, передается на валII, вдоль которого на скользящей шпонке перемещается тройной блок зубчатых колес с чис­лами зубьевz₂,z₄иz₆. Ведомый валIIможет получает три частоты вращения так как имеет три варианта зацепления с ведущим валом и у каждого свое передаточное отношение зубчатых передач.

К

Рис. 6.16. Схемы элементарных механизмов

онус зубчатых колес с накидным зубчатым колесом(рис. 6.16, б). Движение с ведущего валаIна ведомый валIIпередается зубчатым колесомz_{C ,} через накидное (промежуточное) колесоZ_H, свободно сидящее на промежуточном валу. Ведомое колесоz_Cможет перемещается на валуIIсовместно с промежуточным колесомZ_H. Зубчатые колесаz₁-z₅жестко закреплены на валуI.

Вал IIимеет пять вариантов зацепления с ведущим валом и, следовательно, может иметь пять разных частот вращения вследствие изменения передаточного отношения зубчатых передач в каждом варианте зацепления.

Конус зубчатых колес с вытяжной шпонкой (рис. 6.16 в). Движение с ведущего вала I на вал II может передаваться лишь тем зубчатым колесом, которое жестко соединено с валом I короткой вытяжной шпонкой. Шпонкой последовательно можно соединить с валом каждое из колес z1, z3 и z5. На приведенной схеме движение будет передаваться через колесо z1 , остальные зубчатые колеса (z3 и z5) будут свободно сидеть на валу и крутящий момент передавать не смогут. Если ведущим является вал I, то на валуIIможно иметь три разных частоты вращения.

Механизм перебора(рис. 6.16, г). Этот механизм передает движение с ведущего шкива1непосредственно на шпиндель2 (кулачковая муфтаАвключена влево) или через зубчатые колеса перебора с передаточным отношением

,

когда муфта Авыключена. Механизм перебора предназначен для резкого снижения частоты вращения шпинделя.

Реверсивный механизм из цилиндрических зубчатых колес(рис. 6.16, д). Этот механизм изменяет направление вращения ведомого валаII относительно направления вращения ведущего валаI. Движение с валаIпередается на валII через зубчатые колесаz₃иz₂(муфтаБвключена вправо) или через зубчатые колесаz₃,z₄иz₅(муфтаБвключена влево). При переключениях муфтыБнаправление вращения валаIIизменяется.

Реверсивный механизм из конических зубчатых колес(рис. 6.16, е). Механизм изменяет направление вращения ведомого валаIIпри переключениях муфтыВвправо или влево. Направление вращения ведущего валаIостается неизменным.

Реверсивный механизм типа трензель (рис. 6.16, ж). В этой передаче движение с вала на вал осуществляется через два промежуточных колеса устройства называемого трензелем. Когда рукоятка трензеля находится в положении1, движение от ведущего валаIна ведомый валIIпередается через колесаz₁-z₂-z₃-z₄, ведомый вал вращается против часовой стрелки. В положении 2 валы будут разъедены. В положении 3 движение будет передаваться через колесаz₁-z₃-z₂-z₄, ведомый вал будет вращаться по часовой стрелки.

В станках для ступенчатого регулирования главного движения и движения подач обычно используются зубчатые коробок скоростей и подач состоящих из комбинаций элементарных механизмов. На рис. 6.17, а в качестве примера показана упрощенная схема коробки скоростей, состоящая из механизма с передвижными зубчатыми колесами (А) и перебора (Б)

Коробка скоростей предназначена для регулирования чисел оборотов шпинделя и передачи мощности от двигателя к шпинделю. От электродвигателя через ременную передачу движение передается валу I, имеющему постоянное оборотов. На валу закреплены неподвижно зубчатые колесаz₁,z₃иz₅. ВалIIимеет шлицевый участок, вдоль которого перемещается блок колесz₂,z₄иz₆. При последовательном включении колес первого вала с соответствующими колесами второго, валIIполучает три различных числа оборотов. На валуIIтакже жестко закрепленыz₇иz₉. Они находятся в постоянном зацеплении с колесамиz₈иz₁₀ , которые свободно сидят на валуIII - шпинделе. При перемещении муфты М по шлицевому участку шпинделя влево или вправо соответственно подключаются колесаz₈иz₁₀ . В каждом варианте передается три скорости. Таким образом, рассматриваемая коробк

Рис. 6.17. Упрощенные принципиальные схемы коробки скоростей (а) и коробки подач (б)

а скоростей позволяет получить шесть различных чисел оборотов. Число оборотов шпинделя в минуту определяется по формулеn_шп =n_э I,гдеn_э - число оборотов электродвигателя в минуту; i- передаточное отношение при соответствующем варианте зацепления валов в кинематической цепи. В рассматриваемой коробке имеется шесть различных вариантов зацепления между валами и соответственно шесть передаточных отношений.

Принцип работы коробки скоростей для станков многих групп одинаков. На рис. 6.18 показан общей вид механизма коробки скоростей токарного станка близкой по схеме приведенной на рис. 6.17.

Вращение передается от электродвигателя 1. Около шкива2находится муфта3, при включении которой шкив2соединится с валом4. На валу4находятся блок зубчатых колес5 ... 7, который перемещается по шпанке вдоль этого вала рукояткой16. В крайне правом положении блока колесо7сцепляется с колесом10, в среднем положении колесо6- с колесом9и в крайнем левом положении колесо5- с колесом18. Колеса9, 10и18, находящиеся на валу8, жестко закреплены. В связи с тем, что число зубьев зубчатых колес различно, валу8можно сообщить три частоты вращения. При вращений вала4колеса18и11сцеплены соответственно с колесами15и12.

Для вращения шпинделя нужно сцепить находящуюся на нем двустороннюю зубчатую муфту 14, с одним из зубчатых колес:12или15. Муфта 14, перемещаемая рукояткой17по шпонке шпинделя, всегда с ним соединена. Следовательно, соединение муфты с любым из колес12или15 вызывает соединение этого колеса со шпинделем.

Д

Рис. 6.18. Коробка скоростей

опустим, что муфта14переключена в правое положение. Это значит, что вращение шпинделю передается через зубчатые колеса11и12. При этом в зависимости от положения рукоятки16шпиндель получит три частоты вращения. Если муфта14переключена в левое положение, то передача движения происходит через колеса18и15. В соответствии с положением рукоятки16шпиндель получит три других частоты вращения. Таким образом шпиндель получает шесть частот вращения путем переключения рукояток16и17, расположенных на наружной стенки коробки.

Коробка подач предназначена для регулирования скорости подачи рабочих органов станка. Она также состоит из перечисленных выше элементарных механизмов.

К

Рис. 6.19. Механизм коробки подач

оробка подач токарно-винторезного станка обычно выполняются по схеме конуса зубчатых колес с промежуточным накидным зубчатым колесом (рис. 6.17, б). Внешний вид механизма коробки подач токарно-винторезного станка приведен на рис. 6.19. Коробка подач токарно-винторезного станка служит для передачи вращения от шпинделя или отдельного приводаходовому валуилиходовому винту, а также для изменения частоты вращения для получения определенных подач или определенного шага при нарезании резьбы. Это достигается изменением передаточного отношения коробки подач. Коробка подач связана со шпинделем станка посредством гитары – детали имеющей форму фасонного рычага, служащей для установки сменных зубчатых колес (рис. 6.18). Валик1коробки подач получает вращение от сменных зубчатых колес гитары. Этот валик имеет длинную шпоночную канавку2, по которой скользит шпонка зубчатого колеса6, расположенного на рычаге5. На оси3этого рычага свободно вращается зубчатое колесо4, постоянно сцепленное с колесом6. Посредством рычага5 колесо 6 вместе с колесом4 можно перемещать вдоль валика1. Поворачивая рычаг 5, можно сцепить колесо4с любым из десяти зубчатых колес15, закрепленных на валике14.Рычаг5может по числу зубчатых колес15занимать десять положений. В каждом из этих положений рычаг удерживается рукояткой7, входящей в одно из отверстий.

К

Рис. 6.20. Механизмы для передачи движения

инематическая цепь движения подач наряду с коробкой включает и механизмы (передачи) для преобразования вращательного движения в поступательное. На рис. 6.20 в качестве примера показано использование зубчатой (а), червячной (б), винтовой (в) и реечной (г) передач в приводе движения подач токарного станка.

На рис. 6.21 показан привод движения подачи продольно-строгального станка.

От электродвигателя через коробку подач передаются четыре скорости левой части 2 электромагнитной муфты. Правая ее часть3вращается в обратную сторону с постоянной скоростью. Между частями2 и3муфты, свободно вращающимися в разные стороны, помещен диск1, закрепленный жестко на валуIV. Через катушки электромагнитов, помещенных в частях2и3муфты пропускают поочередно постоянный ток, в результате чего соответствующая муфта соединяется с диском1и приводит его силой трения во вращение в ту или другую сторону. Далее движение идет через косозубые колеса на реечное зубчатое колесоz= 14, которое приводит в движение рейку4, прикрепленную к столу5. Таким образом вращение реечного зубчатого колеса превращается в возвратно-поступательное движение рейки.

П

Рис. 6.21. Привод стола продольно-строгольного станка

ереключение тока в электромагнитной муфте производится в конце каждого хода стола переставными упорамиУ₁иУ₂, закрепляемыми в боковом продольном пазу станка. УпорыУ₁иУ₁посредством тяг поочередно переключают прикрепленный к станине контактор.

6.4.2.3. Настройка кинематической цепи

При обработке деталей различных размеров из различных материалов необходимо иметь возможность регулировать скорость вращения детали или инструмента. Для каждого станка устанавливается максимальная и минимальная скорость резания Vmax и Vmin.

Предельные числа оборотов шпинделя в минуту определяются по формулам:

, ,

где d_maxиd_min— наибольший и наименьший диаметры обработки.

Диапазон регулирования (Д)будет равен

.

Рациональная работа на станке при обработке той или иной детали может потребовать любую скорость в пределах диапазона ее регулирования. Это требование выполнимо в станках с бесступенчатым регулированием, в частности с механическими вариаторами скоростей, однако они еще сложны и не всегда обеспечивают пере­дачу требуемой мощности и высокий к. п. д.

Коробки скоростей со ступенчатым регулированием обеспечивают получение лишь определенных чисел оборотов в заданном диапазоне, и поэтому расчетная скорость может быть получена лишь тогда, когда соответствующее ей число оборотов имеется на станке. Коробки скоростей со ступенчатым регулированием более компактны и просты, имеют более высокий к. п. д. и поэтому в настоящее время больше распространены.

Настройка кинематической цепи заключается в ее подготовке к выполнению соответствующих движений. Для этого устанавливаются в должные положения различные органы управления скоростями главного движения и движения подачи. В ряде случаев предварительно необходимо определить требуемое передаточное отношение настраиваемого элемента кинематической цепи. Для настройки кинематической цепи необходимо записать уравнение кинематического баланса, выражающее математическую связь между движениями начального и конечного звеньев.

Р

Рис. 6.22. Упрощенная кинематическая схема токарно-винторезного станка

ассмотрим упрощенную кинематическую схему токарно-винторезного станка (рис. 6.22), настроенного на нарезание резьбы. От электродвигателя движение передается шпинделю через зубчатые колесаz₁-z₂находящиеся в постоянном зацеплении, и сменные зубчатые колеса а -b, подбираемые в зависимости от заданной скорости резания (числа оборотов шпинделя). Эта кинематическая цепь обеспечивает вращение шпинделя с заданным числом оборотов и называется скоростной цепью. Начальным звеном ее является электродвигатель, конечным — шпиндель. Электродвигатель чаще всего имеет постоянное число оборотов, а шпиндель — различные числа, которые получаются в результате установки сменных зубчатых колес а /bс различными числами зубьев.

Таким образом, уравнение кинематического баланса, т. е. математическая связь между числом оборотов электродвигателя n _эи числом оборотов шпинделяn_шпбудет иметь следующий вид:

.

В общем случае при наличии коробки скоростей с некоторым количеством зубчатых колес, находящихся в постоянном зацеплении (общее передаточное отношение их обозначим через i_пост), и определенным количеством настраиваемых зубчатых колес, например передвижных блоков (передаточное отношение их при включении каждого числа оборотов шпинделя обозначим через i_настр), уравнение кинематического баланса будет иметь следующий вид:

.

Формула для определения передаточного отношения настраиваемых элементов, называемая формулой настройки, имеет такой вид:

i_{настр =} n _{шп /} n_э i_пост.

Второй кинематической цепью является цепь, связывающая вращение шпинделя с поступательным перемещением суппорта (резца) при нарезании резьбы. Известно, что основным параметром любой резьбы является шаг, причем при повороте винта на один оборот точка, лежащая на его периферии, переместится на величину шага. Таким образом, для получения резьбы на детали, установленной в центрах токарного станка, должно быть соблюдено следующее условие: за один оборот детали суппорт с резцом должен переместиться на один шаг. Это условие и определяет перемещение начального и конечного звеньев цепи, т. е. за один оборот начального звена (шпинделя) конечное звено (суппорт) с резцом переместится на величину шага. Уравнение кинематического баланса этой цепи, называемой резьбонарезной, будет иметь следующий вид (рис. 20)

i_{об. шп}∙( z₃ /z₄ )∙( c/d)∙ t_х.в = t_р,,

где t_х.в иt_р — шаг ходового винта и шаг нарезаемой резьбы, мм.

Между шпинделем и ходовым винтом в токарно-винторезных станках располагается коробка подач с определенным количеством постоянных и настраиваемых зубчатых колес. В общем случае уравнение баланса резьбонарезной кинематической цепи выразится так:\

i_{об. шп}∙ i_пост∙ i_настр∙ t_х.в = t_р .

Формула настройки

.

Таким образом, для настройки любой кинематической цепи необходимо: 1) при заданном движении начального и конечного звена цепи написать уравнение баланса кинематической цепи; 2) определить передаточное отношение настраиваемого элемента, т. е. написать формулу настройки.