Механизмы зажима инструмента в шпинделе станка

Классификация зажимных устройств

Зажимные устройства

Зажимные устройства относятся к приспособлениям для механической обработки и позволяют осуществить установку и закрепление заготовки, взаимную ориентацию заготовки и инструмента, а также установку и закрепление инструмента.

Кроме того, предусматривают зажимные устройства узлов для предотвращения изменения их относительного положения в процессе работы от сил резания и веса.

По уровню специализации зажимные устройства можно разделить на три группы: универсальные, нормализованные и специальные.

Универсальные зажимные устройства при использовании их для закрепления различных по форме и размерам заготовок не требуют доработки или доукомплектования и нуждаются лишь в переналадке. К зажимным устройствам этого типа относятся токарные патроны, машинные тиски и т. д.

Нормализованные зажимные устройства при переходе от одного типоразмера детали к другому требуют доработки и доукомплектования. К ним относятся, например, токарные патроны, в которых детали закрепляются в сырых кулачках, базовые поверхности которых обрабатываются в сборе с патроном.

Специальные зажимные устройства служат для закрепления только конкретной детали.

По степени автоматизации зажимные устройства можно классифицировать на две основные группы: устройства с ручным приводом и управлением и устройства с автоматизированным приводом и управлением.

В свою очередь, зажимные устройства с автоматизированным приводом и управлением, в зависимости от типа привода, подразделяются на механические, гидравлические, пневматические и магнитные.

2.11.2. Устройства для установки и закрепления
заготовок на шпинделе станка

К зажимным устройствам этого типа относятся в первую очередь токарные патроны, которые могут быть использованы для закрепления заготовок также и на внутришлифовальных станках.

Кулачковые патроны предназначены для закрепления коротких заготовок в широком диапазоне диаметров и по числу зажимных кулачков могут быть двух-, трех- и четырехкулачковыми.

Наибольшее распространение в универсальных станках с ручным управлением получили самоцентрирующие трехкулачковые патроны. Самоцентрирующий токарный кулачковый патрон содержит следующие основные элементы и механизмы: элементы установки и закрепления заготовки (кулачки различных типов); механизмы самоцентрирования (спирально-реечный, клиновый, рычажный, винтовой, мембранный, комбинированный); механизм привода перемещения кулачков (ручной с передачей высокой редукции, электромеханический, гидравлический, пневматический, комбинированный); механизм для установочного перемещения каждого кулачка (винтовой с обыкновенной или дифференциальной резьбами, рифления с винтовым закреплением и т. д.).

На рис. 2.30 показана конструкция самоцентрирующих трехкулачковых патронов со спирально-реечным механизмом перемещения кулачков.

    Рис. 2.30. Патроны самоцентрирующие трехкулачковые

    Рис. 2.31, а. Патроны токарные самоцентрирующие трехкулачковые рычажно-клиновые

В корпусе 1 выполнены радиальные пазы, в которых размещены кулачки 3. На торцах кулачков 3 выполнены рейки 4, зацепляющиеся со спиралью 5 спирального диска 11, на котором выполнен конический зубчатый венец 12, входящий в зацепление с тремя коническими шестернями 10 ручного привода с гнездами 9. Сменные накладные кулачки 6 сопрягаются с основными 3 посредством шпоночных выступов 7 и пазов 8. Форма зажимной поверхности накладного кулачка может быть различной в зависимости от конфигурации обрабатываемой детали. Крепление патрона на шпинделе осуществляется через переходной фланец, закрепленный на торце корпуса 1.

Широкое распространение получили клиновые и рычажно-клиновые самоцентрирующие патроны с механизированным приводом. Ход зажимных кулачков в этих патронах невелик, поэтому в них используются сменные накладные кулачки. Замена кулачков занимает много времени, что определяет область применения этих патронов – крупносерийное и массовое производство.

Конструкция трехкулачкового рычажно-клинового патрона представлена на рис. 2.31, а, б.

Рычажно-клиновые патроны изготовляются в двух исполнениях – с креплением через проходной фланец по отверстиям d ₁ и с креплением на фланец шпинделя.

    Рис. 2.31, б. Патроны токарные самоцентрирующие трехкулачковые рычажно-клиновые

В радиальных пазах корпуса 1 патрона размещены ползуны 2 с рифлеными поверхностями на торцах, с которыми контактируют рифления на сменных накладных кулачках 3. Последние закрепляются на ползунах посредством сухарей 4 и винтов. В центральном отверстии корпуса размещена втулка 8, которая винтом 9 связана с тягой штока силового цилиндра, закрепленного с задней стороны шпиндельной бабки станка. Гайка 10 с фиксатором 11 удерживает винт 9 от самоотвинчивания. Этим же винтом регулируется положение ползунов 2 относительно поршня силового цилиндра при снятой пробке 7. Рычаги 12 связывают втулку 8 с ползунами 2. Рычаги опираются на цилиндрические поверхности 13, выполненные в корпусе 1. Усилие, развиваемое силовым цилиндром, передается через тягу на втулку 8 и далее через рычаги на ползуны, которые при этом сходятся к центру патрона. При обратном ходе штока силового цилиндра наклонные плоскости 6, выполненные на втулке 8, разводят ползуны 2. Патроны выпускаются с наружным диаметром D от 125 до 630 мм.

В станках с ЧПУ наибольшее распространение получили самоцентрирующие патроны с клиновыми или поликлиновыми механизмами самоцентрирования. Эти механизмы имеют высокую жесткость, однако ход кулачков невелик, и требуется частая смена кулачков. Разнообразные конструкции патронов для станков с ЧПУ приведены [7].

Самоцентрирование прутковых заготовок обеспечивают цанговые патроны. Цанговые патроны используются в основном в токарно-револьверных станках и автоматах. Главным элементом этих патронов является зажимная цанга (рис. 2.32).

Цанга выполняется в виде стальной закаленной втулки с прорезями, образующими несколько упругих лепестков, части внутренних поверхностей которых являются зажимными. Цанга имеет наружную коническую поверхность с углом при вершине 30°.

Наибольшее распространение получили цанговые патроны трех типов: нажимные, натяжные и с нажимным элементом. На рис. 11.4 показаны схемы трех типов цанговых патронов. Патрон нажимного действия содержит цангу 1, которая с усилием «F ₃» вдвигается в коническое отверстие корпуса 2 с углом конуса 31°, закрепленного на шпинделе станка. К недостаткам такого патрона следует отнести снижение усилий зажима под действием сил резания. Патрон натяжного действия предусматривает втягивание цанги 1 и в коническое отверстие шпинделя 3 с углом конуса 29°. В этом случае при малых габаритах обеспечивается высокая жесткость и повышение усилия зажима под действием сил резания.

Однако при зажиме прутка – заготовки наблюдается его осевое смещение и отход от упора, расположенного в револьверной головке станка. Это снижает точность обработки в осевом направлении.

  Рис. 2.33. Схемы действий цанговых патронов: а – патрон нажимного действия; б – патрон натяжного действия; в – патрон с промежуточной втулкой

Потеря осевой точности исключена в патронах третьего типа, где на неподвижную в осевом направлении цангу 1, упирающуюся в корпус 2, закрепленный на шпинделе станка (шпиндель на рис. 2.33, в не показан), воздействует перемещаемый от привода зажима нажимной элемент 4 – втулка с внутренней конической поверхностью. Этот патрон исключает смещение прутка – заготовки при зажиме, однако радиальные габариты такого патрона больше, чем у патронов нажимного и натяжного типа.

Как правило, цанговые патроны имеют электромеханический, пневматический и гидравлический приводы зажима, которые воздействуют на цанги через трубу, расположенную в отверстии шпинделя.

Для цангового патрона осевое усилие на цанге

, Н, (2.38)

где Q – зажимное усилие, Н;

a – угол конуса цанги 1, град;

j – угол трения между цангой 1 и корпусом 2 или промежуточной втулкой 3, град (tgj = f = 0,1 – 0,15).

Коэффициент усилия

. (2.39)

На рис. 2.34 показаны разновидности механизмов зажима инструмента в шпинделе станков различных типов (фрезерных, многоцелевых
и т. п.).

    Рис.2.34. Механизмы зажима в шпинделе станка  

В схеме на рис. 2.34, а закрепление оправки 1 в коническом отверстии шпинделя 2 производится от пакета тарельчатых пружин 4. Один конец пружин упирается в торец шпинделя, а другой связан с тягой 5. Тяга 5 воздействует через цангу 3 на хвостовик оправки, осуществляя закрепление инструмента. Разжим производится гидроцилиндром 6, перемещающим тягу 5 и цангу 3 влево, в результате чего освобождается конический хвостовик оправки. Золотник 7 управляет подачей масла в рабочую полость (на рис. 2.34, а не показана) при подходе гидроцилиндра 6 к торцу тяги 5.

В конструкции на рис. 2.34, б зажимная втулка 2, связанная с подпружиненной тягой 4 (пружины не показаны), передает усилие на оправку 1 через шарики 3.

На рис. 2.34, в показан цанговый механизм зажима, в котором усилие с тяги 4 передается на лепестки 2 цанги и далее на оправку 1 с инструментом. Раскрытие лепестков цанги происходит с помощью пружин 3.

В рассмотренных механизмах из-за неисправностей в механизме (поломка пружин) или специфических условий резания, не исключающих

«подхват» инструмента (например, из-за неконтролируемого роста сил резания), возможно его осевое перемещение и поломки. Кроме того, для обеспечения большого усилия зажима требуется последовательная установка жестких пружин.

На рис. 2.34, г показана схема механизма зажима, в котором исключены отмеченные выше недостатки.

Сравнительно небольшое усилие пружины 1 передается при зажиме через конические поверхности втулок 2, 3, торец втулки 5 и шарики 4 (схема ниже оси) на тягу 6. Выбором углов конусов (a» 12°) на втулках можно обеспечивать увеличение усилия пружины 1 при передаче его на шток 6 в пять и более раз. Таким образом, образуется «замок» и перемещение инструмента от усилий резания практически невозможно (выше оси показано положение элементов механизма при разжиме).

Механизмы для закрепления заготовок на столе станка подробно рассмотрены [2, 7].

2.12. Устройства автоматической смены инструмента (АСИ)

Для уменьшения вспомогательного времени в автоматизированных станках, в станках с ЧПУ широко применяют различные АСИ. Они позволяют также автоматически производить смену затупившегося инструмента. АСИ содержат накопители инструментов (многооперационные резцедержатели, револьверные головки, инструментальные магазины); автооператоры (манипуляторы) с захватными устройствами для съема и установки инструмента в шпиндель станка; транспортирующие и зажимные устройства, объединенные общей системой управления.

АСИ должны иметь необходимое для обработки наиболее сложных деталей количество инструмента, обеспечить минимальное время его смены, быть простыми по конструкции, безопасными в работе, обладать высокой надежностью, обеспечивать высокую точность позиционирования инструмента в шпинделе станка.

Наиболее сложными по конструкции является АСИ для станков с ЧПУ, особенно многоцелевых (МС). АСИ можно разделить на три группы: с инструментом, постоянно закрепленным в шпиндельных узлах, установленных в гнездах револьверной головки; со сменой инструмента в шпинделе станка и комбинированные. В устройствах АСИ с инструментом, постоянно закрепленным в шпиндельных узлах, каждый из шпинделей со своими опорами в рабочей позиции получает вращение от главного привода. Револьверная головка, подобная головкам токарно-револьверных станков, устанавливается на вертикально перемещающейся каретке, которая для смены инструмента (путем поворота револьверной головки) смещается в крайнее верхнее положение. При таком решении отпадает необходимость в специальных автооператорах и транспортных устройствах, обеспечивается минимальное (2¸3 с) время смены инструмента. Однако в этом случае при приемлемых габаритах узла количество применяемого инструмента ограничено (обычно 6 инструментов).

Устройства для смены инструмента в шпинделе станка различают видом магазина, его расположением, а также наличием и видом автооператора. Независимо от типа магазина и устройства АСИ режущие инструменты устанавливают в шпиндель станка или гнездо магазина не непосредственно, а с помощью стандартных инструментальных оправок, в которых инструменты закрепляют, а если требуется, то и настраивают на заданный размер вне станка.

На большинстве станков используют оправки с коническим хвостовиком с конусностью 7:24, что позволяет при смене легко (при отсутствии самоторможения) извлекать их при смене из шпинделя и гнезд магазина. В шпинделе станка оправка (рис. 2.35, а) при зажиме затягивается с помощью ввернутого в нее хвостовика 2; на цилиндрическом фланце 1 выполняется кольцевая канавка 4 треугольной или прямоугольной формы, с помощью которой оправка захватывается губками автооператора.

Передача крутящего момента от шпинделя на оправку осуществляется торцовыми шпонками с помощью радиальных пазов 3. В связи с этим оправка вводится в отверстие шпинделя обязательно в определенном угловом положении. В этом же положении должен автоматически останавливаться шпиндель станка.

При загрузке магазина оправка с закрепленным в ней инструментом также должна быть строго ориентирована в гнезде магазина. Она удерживается в гнезде с помощью подпружиненного фиксатора.

Для сокращения номенклатуры оправок разработаны унифицированные инструментальные комплекты вспомогательного инструмента МС.

Схема построения такого комплекта показана на рис. 2.35, б. Комплект состоит из различных основных оправок 2, закрепляемых в шпинделе станка 1, переходных втулок или оправок 5, различных патронов 4, что позволяет закреплять режущий инструмент 3 различного типа и размера.

Для создания запаса инструментов, необходимых для обработки различных заготовок, применяют магазины различной емкости, в зависимости от назначения станка. Для обработки деталей с малым числом плоскостей и отверстий достаточно нескольких инструментов, а для обработки сложных корпусов, обрабатываемых с нескольких сторон, с множеством точных отверстий, требуется несколько десятков инструментов.

Исследования, проведенные под руководством А.А. Маталина [10] показали, что из всего многообразия корпусных деталей средних размеров, которые целесообразно обрабатывать на МС, в среднем примерно 18 % требуют применения не более 10 инструментов, 50 % – до 20, 17 % – до 30, 10 % – 40 и 5 % – до 50 инструментов. Только для особо сложных деталей требуется до 100 инструментов и более. Поэтому наибольшее распространение получили магазины емкостью до 30 инструментов, преимущественно дисковые и барабанные. Цепные магазины чаще всего имеют емкость порядка 40¸60 инструментов.

Значительно реже, в основном на крупных МС, используют магазины емкостью 100¸120 инструментов и более.

Магазины могут быть расположены непосредственно на подвижной шпиндельной бабке, неподвижно на стойке в верхней ее части или сбоку, иногда автономно рядом со станком на отдельной стойке.

При размещении магазина на шпиндельной бабке (рис. 2.36, а) обеспечивается постоянство расположения магазина 1 относительно оси шпинделя 3, что упрощает конструкцию и цикл работы автооператора 2, уменьшает время смены инструмента. Кроме того, смена инструмента может производиться без смещения шпиндельной бабки с координаты в любой ее позиции, обеспечивая высокую точность обработки соосных отверстий. Однако емкость магазина ограничена по габаритным соображениям.

Смена инструмента в ряде конструкций осуществляется взаимными движениями шпиндельной бабки и магазина без манипулятора и транспортных устройств, что упрощает конструкцию АСИ и цикл его работы.

На рис. 2.36, б представлена схема станка, оснащенного дисковым магазином с горизонтальной осью поворота. Захват инструмента и его перемещение к заготовке через паз магазина 1 происходит при продольном перемещении пиноли шпинделя 2. Этот способ смены инструмента имеет существенные недостатки, связанные несовмещенными вспомогательными движениями пиноли, поворотом магазина и сравнительно небольшой емкостью, недостаточной жесткостью шпиндельного узла при его значительном вылете.

  Рис. 2.36. Устройства автоматической смены инструментов с магазинами: а – магазин установлен на шпиндельной бабке; б – смена инструмента при соосном расположении инструмента в магазине и шпинделе; в – смена инструмента при параллельном расположении инструмента в магазине и шпинделе; г – смена инструмента с линейным расположением инструмента в магазине

Кроме того, инструментальный магазин находится в рабочей зоне станка. Для вынесения магазина из рабочей зоны станка его размещают сбоку (рис. 2.36, в) или сверху. Здесь для смены инструмента магазин 1 перемещается вниз и требуемый инструмент устанавливается соосно шпинделю 2 станка. При движении шпиндельной бабки 3 вперед происходит его захват. Извлечение отработавшего инструмента происходит путем захвата инструментальной оправки свободным гнездом магазина и отвода назад шпиндельной бабки.

Способ смены инструмента для продольно-обрабатывающих МС приведен на рис. 2.36, г. На МС дисковый магазин расположен на боковой стойке и может совершать два движения: поворот для поиска сменяемого инструмента и перемещение вдоль своей оси для смены инструмента.

После выполнения очередного перехода шпиндельная бабка совершает быстрый ход влево до совмещения оси отработавшего инструмента со свободным гнездом магазина. Магазин поднимается, забирает оправку с инструментом из шпинделя (к этому моменту оправка автоматически раскрепляется), опускается, поворачивается для поиска следующего инструмента и вновь поднимается, заталкивая его в шпиндель. Сейчас же следует закрепление инструмента в шпинделе. Магазин опускается в нижнее положение, а шпиндельная бабка совершает быстрый ход вправо для обработки очередной поверхности заготовки. Недостаток этого способа смены инструмента – значительные потери времени на вспомогательные перемещения магазина и шпиндельной бабки.

Для сокращения времени смены инструмента при расположении магазина вне рабочей зоны применяют автооператоры. АСИ с автооператорами отличаются большим конструктивным разнообразием, что определяется многообразием инструментальных магазинов, а также их расположением и расположением инструментальных оправок в магазинах (вертикально, горизонтально, наклонно). На МС с горизонтальным шпинделем ИР–500МФ4, ИР–800 МФ4 и многих зарубежных станках устанавливают инструментальный магазин 1 и на стойку станка (рис. 2.37, а).

Для связи магазина с шпинделем 3 станка используют автооператор 2 с двумя захватами. Существуют две принципиальные схемы работы автооператора.

В первой схеме при смене инструментов автооператор совершает ход снизу вверх, захватывает оправку инструмента, находящегося в гнезде магазина, и вытаскивает ее в направлении оси. Далее следует смещение автооператора вниз и возврат вдоль оси в исходную позицию. Инструмент, находящийся в шпинделе, защемляется нижним захватом автооператора. Затем автооператор ходом вдоль оси шпинделя вытаскивает отработавший инструмент. Следует поворот автооператора вокруг своей оси на 180° – к шпинделю подводится сменяемый инструмент; ходом вдоль оси инструмент засылается в шпиндель, где автоматически закрепляется. После этого каретка автооператора передвигается вверх для переноса отработавшего инструмента в магазин.

    Рис. 2.37. Устройства автоматической смены инструмента с автооператорами: а – для станков с горизонтальной осью шпинделя; б – для станков с вертикальной осью шпинделя

В другой схеме смены инструмента автооператор не имеет вертикального перемещения. При смене инструментов он, поворачиваясь вокруг горизонтальной оси, одновременно захватывает инструменты из магазина и шпинделя, а затем ходом вдоль оси вытаскивает их, поворотом на 180° меняет местами и вставляет в магазин и шпиндель. Цикл смены заканчивается поворотом автооператора в горизонтальное – нейтральное положение, при котором он не мешает повороту магазина и вертикальному перемещению шпиндельной бабки. Как видно, вторая схема отличается более простым циклом работы автооператора. Однако она обладает существенным недостатком: при повороте автооператор может задевать инструменты, расположенные в соседних гнездах магазина. Поэтому расстояние между гнездами должно быть больше, а следовательно, максимальное количество инструментов в магазине одинакового диаметра D будет меньше, чем в первой схеме. Время, идущее непосредственно на смену инструмента АСИ такого типа, в станке ИР–500МФ4 составляет 6 с, однако общее время на смену (от «стружки до стружки») может составлять 16¸21 с, в зависимости от положения, которое занимает шпиндельная бабка после окончания предыдущего рабочего хода. В станке с вертикальной осью шпинделя (рис. 2.37, б) автооператор 2, поворачиваясь своими захватами, защемляет инструментальные оправки в шпинделе 3 станка и в магазине 1. При ходе вниз автооператор извлекает их из шпинделя и магазина, поворачивается на 180°, меняя оправки местами, и ходом вверх устанавливает оправки в шпиндель и магазин; затем автооператор поворачивается в среднее нейтральное положение, позволяющее шпиндельной бабке 4 перемещаться к обрабатываемой детали, а магазину – поворачиваться для поиска следующего по циклу инструмента.

У большинства станков с рассмотренными устройствами АСИ смена инструментов может выполняться только при одном положении шпиндельной бабки.

  а б Рис. 2.38. Устройства автоматической смены инструмента с автооператором: а – с дисковым магазином; б – с цепным магазином

Этого недостатка не имеет устройство АСИ для крупных МС с горизонтальным шпинделем и дисковым (рис. 2.38, а) или цепным (рис. 2.38, б) магазином. Захваты автооператора 4 могут выдвигаться из корпуса каретки, а вся каретка – перемещаться вверх и вниз на стойке станка. В нижнем положении каретки, показанном на схеме, левый захват автооператора, выдвигаясь, защемляет оправку инструмента в магазине. При ходе каретки вдоль оси инструмента он вынимается из магазина и каретка передвигается по стойке в положение напротив шпинделя 1. Совершая аналогичный цикл движений, правый захват автооператора вытаскивает сменный инструмент из шпинделя, после чего происходит поворот автооператора и смена инструментов. Недостаток устройства АСИ – сложность конструкции автооператора из-за необходимости получения раздельного движения захватов.

Дата добавления: 2014-12-29