Глава 2. Токарные станки

2.1. Общие сведения

Станки для токарной обработки составляют значительную долю в парке металлорежущего оборудования (до 30¼40 %), предназначены для обработки деталей типа валов, дисков, втулок и обеспечивают выполнение следующих основных видов работ (рис. 2.1): обтачивание резцами наружных цилиндрических (а) и конических (б) поверхностей; сверление, зенкерование и развертывание отверстий (в); нарезание наружной и внутренней резьбы резцами (г), метчиками и плашками (ж); обработку торцовых поверхностей (д); прорезку канавок и отрезку (е); растачивание цилиндрических и конических отверстий (з); фасонное точение.

а б в г

д е ж з

Рис. 2.1. Типовые операции, выполняемые на токарных станках

Группа токарных станков включает 9 типов станков (см. с. 6, 7), различающихся по назначению, компоновке, степени автоматизации и другим признакам.

Во всех токарных станках главным движением является вращение заготовки со шпинделем. Движения продольной и поперечной подач, установочные перемещения сообщаются инструментами.

2.2. Токарно-винторезные станки

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

Данная структурная схема токарно-винторезного станка (рис. 2.2) обеспечивает получение четырех исполнительных движений формообразования за счет цепи главного движения, цепи продольных и поперечных подач и винторезной цепи.

Рис. 2.2. Структурная схема токарно-винторезного станка

Расчетные перемещения и уравнения кинематического баланса представлены следующим образом.

Цепь главного движения:

Цепь продольных подач:

Цепь поперечных подач:

Цепь винторезная:

Решение уравнения в общем виде:

где С₁, С₂, С₃, С₄ представляют собой постоянные соответствующих кинематических цепей; T_нар.р – шаг нарезаемой резьбы; – передаточные отношения настроечных органов.

Рассмотрим традиционную компоновку токарно-винторез­ного станка общего назначения (рис. 2.3). На основании 1 закреплены станина 11 и корыто 12. На станине размещены передняя бабка 3 и коробка подач 2. По направляющим станины перемещаются суппорт 6 с фартуком 9 и задняя бабка 7. Двигатель установлен в основании и закрыт кожухом.

Рис. 2.3. Токарно-винторезный станок

Движение от коробки подач передается механизмам фартука или через ходовой вал 8 (при точении), или через ходовой винт 10 (при нарезании резьбы резцом). На передних стенках фартука, коробки передач и передней бабки сосредоточены рукоятки управления станком. Экран 4 и щиток 5 обеспечивают безопасность работы на станке. Основное электрооборудование станка сосредоточено в электрошкафу 13.

Токарные станки могут иметь различные формы станин (рис. 2.4). Станина с П-образными поперечными ребрами (рис. 2.4, а) проста по конструкции, но обладает сравнительно низкой жесткостью; большей жесткостью обладает станина с диагональными ребрами (рис. 2.4, б, в). Для повышения жесткости станин применяются наклонные продольные ребра с окнами в передней стенке (рис. 2.4, г). Ширина станины колеблется обычно 0,8¼1D, где D – наибольший диаметр обрабатываемой заготовки, устанавливаемой над станиной, высота определяется общей высотой от пола до оси центров станка, выбираемой исходя из удобства обслуживания (для станков, диаметр которых до 500 мм, высота оси центров от пола составляет 1050 мм). Большинство современных токарных станков имеет направляющие скольжения с призматической передней 2 (рис. 2.4, д) и плоской задней 4 гранями, что способствует сохранению положения каретки в радиальном направлении независимо от износа направляющих при равномерном распределении давлений на отдельных гранях. Задняя бабка устанавливается на своих направляющих: передняя направляющая 1 чаще всего делается плоской, задняя 3 – призматической. Раздельное выполнение направляющих для суппорта и задней бабки исключает влияние износа первых на положение центра задней бабки.

а б в

г д

Рис. 2.4. Формы станин: а – с П-образными ребрами; б – с диагональными ребрами; в – форма поперечного сечения с диагональными ребрами; г – станина с наклонными продольными ребрами; д – форма направляющих

Для изменения частоты вращения в приводе главного движения в легких токарно-винторезных станках часто применяют ступенчато-шкивные передачи с клиновым или плоским синтетическим ремнем. В большинстве современных моделей средних станков применяют привод с одно-, реже многоскоростным асинхронным электродвигателем переменного тока в сочетании со ступенчатой механической коробкой скоростей. Число ступеней скорости составляет обычно 18...24.

В качестве опор шпинделя используют преимущественно различные типы шариковых и роликовых подшипников с регулированным натягом.

В качестве передней и задней опор шпиндельного узла токарного станка использованы конические роликовые подшипники, воспринимающие как радиальную, так и осевую нагрузки (рис. 2.5). Натяг в этих опорах регулируют гайками 1, 3 и дистанционными кольцами 2, 4. Роликовый подшипник, установленный в задней опоре шпинделя, имеет пружинную компенсацию возникающего в процессе эксплуатации зазора.

Рис. 2.5. Шпиндельный узел токарного станка

Привод главного движения токарно-винторезных станков может быть выполнен по одной из трех компоновочных схем (рис. 2.6).

Двигатель размещается вне корпуса передней бабки, чаще всего в тумбе. Вся коробка скоростей монтируется в корпусе передней бабки. Достоинства: компактность (для размещения привода требуется одна корпусная деталь-корпус передней бабки). Недостатки: значительная часть источников вибраций, которыми являются зубчатые передачи, сконцентрированы непосредственно у шпинделя (рис. 2.6, а).

а б в

Рис. 2.6. Схемы компоновки привода главного движения

Значительная часть передач коробки скоростей монтируется в отдельном корпусе и выносится из передней бабки в тумбу. Достоинства: существенное уменьшение источников вибраций шпинделя и, как следствие, повышение точности вращения. Недостатки: повышение сложности и стоимости привода (рис. 2.6, б).

Наилучшим (с точки зрения повышения виброустойчивости и точности) является решение, в соответствии с которым все механические передачи коробки скоростей выносятся за пределы передней бабки. Однако ременная передача недостаточно хорошо работает при малой частоте вращения, а пределы регулирования большинства токарных станков охватывают частоты вращения от 10...20 об/мин до 1500...3000 об/мин.

Приводы, выполненные по схемам б, в, называются разделенными.

Коробки подач станков представляют собой многоваловые коробки с передвижными блоками и муфтами. Для нарезания резьбы резцом требуется жесткая кинематическая связь между ходовым винтом 13 и шпинделем 8 (рис. 2.7, а), поэтому применяется зависимый от шпинделя привод подачи, и подача измеряется в миллиметрах на его оборот. Для других работ в качестве тягового устройства для продольной подачи обычно применяется зубчато-реечная передача с неподвижной рейкой 10 и реечным колесом 11. Поперечная подача осуществляется при вращении винта 12. Привод подачи, как правило, содержит: звено увеличения шага 9, в качестве которого используются последние переборные группы коробки скоростей 7; зубчатый реверсивный механизм 6 для нарезания правых и левых резьб, который располагается в шпиндельной бабке; сменные зубчатые колеса гитары 5, используемые для нарезки разных типов резьб, включая нестандартные; коробку подач 4.

а

б

Рис. 2.7. Общая блок-схема: а – привода подач; б – фартука станка

В фартуке 2 (рис. 2.7, б), который перемещается совместно с продольным суппортом 14, располагаются передачи, связывающие скользящее вдоль ходового валика 1 зубчатое колесо 3 с реечным колесом 11 или винтом поперечной подачи 12. Среди этих передач обычно имеется червячная, обеспечивающая необходимую редукцию в приводе.

Для включения и выключения привода от ходового винта используется расцепляемая маточная гайка, состоящая из двух полугаек 21 и 22.

Полугайки перемещаются по вертикальным направляющим корпуса фартука с помощью соответствующей рукоятки и рычажной системы.

Механизм автоматического останова в токарных станках применяют при продольном точении по упорам, т.е. при остановке неподвижного упора на пути каретки суппорта для получения заданной длины обработки. Кроме того, эти механизмы выполняют функции предохранительных устройств.

В качестве механизмов автоматического останова наибольшее распространение получили устройства с падающим червяком и с муфтами (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Предохранительные устройства

Крутящий момент через универсальный шарнир (рис. 2.8) поступает на вал 1, с которого через муфту М₁, прижатую пружиной 3 к торцу червяка К, – на червяк и червячное колесо Z₂. При достижений предельного крутящего момента, регулируемого натяжением пружины 3 гайкой 4, муфта М₁ начинает поворачиваться относительно червяка и отодвигается вправо, увлекая стойку 2.

Кронштейн 1, поддерживающий червяк К в зацеплении с колесом, потеряв опору справа, «упадет», и червяк расцепится с колесом.

Задняя бабка токарного станка общего назначения расположена следующим образом (рис. 2.9). Корпус 14 бабки устанавливают на основании 15, которое крепят к направляющим станины 1 планкой 3 и винтами 2 и 4, один из которых (4) связан эксцентриковым механизмом 5 с рукояткой 6. В корпусе 14 размещена пиноль 10 с центром 12. Пиноль 10 перемещается парой винт–гайка 9–8. Неподвижный в осевом направлении винт 9 связан с маховиком 7. Положение пиноли фиксируют поворотом рукоятки 11, связанной с винтом 13. При зажиме по винту перемещаются встречно две втулки 16 и 17 со скосами, контактирующими с наружной поверхностью пиноли.

Рис. 2.9. Задняя бабка токарно-винторезного станка

Для обработки на токарных станках заготовка может устанавливаться в патронах трехкулачковых самоцентрирующих или четырехкулачковых, в центрах, на оправке (рис. 2.10).

При обработке коротких цилиндрических заготовок их установка производится в самоцентрирующем кулачковом патроне (рис. 2.10, а, б), который состоит из корпуса 1, закрепляемого на переднем конце шпинделя, и кулачков 5. Механизм 2, размещаемый в корпусе, позволяет поворотом рычага ключа 3 сближать и разводить одновременно все кулачки относительно спирали 4.

Если обрабатываемая деталь имеет сложную, несимметричную форму, ее устанавливают в четырехкулачковом патроне (рис. 2.10, в), в котором каждый из кулачков 5 перемещается независимо от других. Детали типа шайб, дисков и другие, длина которых весьма незначительна, целесообразно устанавливать на оправку или в центрах станка.

а б в

Рис. 2.10. Кулачковые патроны

Для установки заготовки 5 в центрах (рис. 2.11) станок оснащается передним 2 и задним 6 центрами и поводковыми патронами 1, имеющими поводковый палец. На левый конец заготовки, имеющей с торцов центровые отверстия, закрепляется поводковый хомутик 3.

Рис. 2.11. Обработка в центрах

К самоцентрирующимся патронам относятся также цанговые патроны (рис. 2.12), применяемые для зажима прутков и штучных заготовок диаметром до 60 мм с предварительно обработанной базовой поверхностью и представляющие собой цангу 2, устанавливаемую с тянущей штангой 3 в отверстии шпинделя 1.

Коническая поверхность может быть получена широким (фасонным) резцом, проходным (расточным) резцом, установленным на повернутых верхних салазках суппорта или на суппорте, соединенном с копирной (конусной) линейкой, а также проходным резцом со смещением задней бабки.

Рис. 2.12. Цанговый патрон

Широким (рис. 2.13, а) резцом обрабатывают конусы небольшой длины (до 20¼25 мм): фаски, фасонные канавки, дорожки качения внутренних колец конических роликовых подшипников.

Резец 1 устанавливают на суппорте 2, которому сообщается соответствующее (поперечное или продольное) движение подачи. Режущую кромку резца выставляют, например, по шаблону, под заданным углом. Наружные и внутренние конические поверхности можно обрабатывать резцом 1 перемещением верхних салазок 3 суппорта, повернутых на угол (рис. 2.13, б).

а б в

Рис. 2.13. Схемы обработки конусов

Смещением задней бабки обеспечивают конические поверхности с малым углом a на заготовках, базируемых в центрах (рис. 2.13, в). Обработку производят при продольной подаче резца. На токарно-винторезных станках нарезают наружные и внутренние резьбы различного профиля и шага: трапецеидальные, треугольные, прямоугольные и др.

На заданный стандартный шаг резьбы станок настраивается с помощью коробки подач в соответствии с таблицами, прикрепленными к станку. Нарезание специальных резьб и резьб повышенной точности осуществляется сменными зубчатыми колесами гитары. При нарезании многозаходных резьб привод подач настраивается на нарезание каждого витка.

Деление на число заходов можно осуществлять либо с помощью специального патрона (рис. 2.14), либо смещением резца в осевом направлении при неподвижной заготовке.

Рис. 2.14. Специальный делительный патрон

Нарезание многозаходной резьбы возможно также осуществить с помощью специальной гребенки или группы резцов, установленных друг от друга на расстоянии шага.

При оснащении токарных станков специальными приспособлениями на них можно обтачивать сферические поверхности, фрезеровать плоскости, шлицевые валики, зубчатые колеса, выполнять токарно-копировальные и шлифовальные работы.

При правильной эксплуатации токарно-винторезных станков среднего размера нормальной точности можно получить поверхности по 7¼8-му квалитету точности с шероховатостью не более 3,2¼1,6 мкм. На специальных, особо точных станках при применении инструмента из монокристаллических алмазов можно получать поверхности с погрешностью формы, определяемой десятыми долями мкм и шероховатостью до тысячных долей мкм.

Основной технической характеристикой токарных станков является наибольший диаметр обрабатываемой заготовки, устанавливаемой над станиной (D) и над суппортом (D₁).

В соответствии с ГОСТ 440–71 предусматриваются следующие значения диаметров, мм:

D = 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3200; 5000; 6300.

D₁= 50; 60; 80; 100; 125; 160; 210; 260; 350; 450; 600; 800; 1100; 1400; 1800; 2300; 3000.

Другие технические характеристики: L – длина обрабатываемой детали; n – частота вращения шпинделя; P – мощность привода главного движения; G – масса станка.