раздел второй

Токарные станки

Глава III

Передачи, применяемые в станках.
Детали станков

При всем многообразии конструкций токарных станков отдельные их механизмы и детали имеют много общего. Это облегчает изучение станков, а также их использование.

Познакомимся с наиболее типичными деталями и механизмами, применяемыми в токарных станках.

1. Ременная передача

Ременная передача является наиболее распространенним видом передачи гибкой связью в металлорежущих станках.

Ременная передача в токарных станках применяется главным образом для передачи вращения приводному шкиву от электродвигателя.

На рис. 2, а показана ременная передача, состоящая из двух шкивов А и Б, сидящих на параллельных валах и соединенных бесконечным ремнем. Благодаря натяжению ремня движение от шкива А передается шкиву Б. Шкив А, передающий движение, называется ведущим, а шкив Б, воспринимающий движение от шкива А и передающий его своему валу, называется ведомым.

Допустим, что шкив А имеет диаметр D₁ = 250 мм, а шкив Б — диаметр D₂ — 500 мм.

Если ведущий шкив А диаметром D₁ = 250 мм сделает один полный оборот, то ведомый шкив Б диаметром D₂ — 500 мм сделает пол-оборота, так как диаметр шкива А вдвое меньше диаметра шкива Б.

Число оборотов в технике принято обозначать буквой n (эн). Следовательно, если ведущий шкив А сделает в данном случае n оборотов в минуту, то ведомый шкив Б сделает оборотов.

Число оборотов ведомого шкива можно вычислить по формуле

(1)

где D₁ — диаметр ведущего шкива в мм;
D₂ — диаметр ведомого шкива в мм;
n₁ — число оборотов ведущего шкива в минуту;
n₂ — число оборотов ведомого шкива в минуту.

Пример 1. Сколько оборотов в минуту сделает ведомый шкив, если диаметр ведущего шкива равен 200 мм, причем этот шкив делает 450 об/мин, а диаметр ведомого шкива равен 300 мм.
Решение.
откуда

В действительности число оборотов ведомого шкива вследствие проскальзывания ремня получается несколько меньше подсчитанного; вследствие небольшой разницы (около 2%) мы в своих расчетах не будем учитывать проскальзывание.

Следует различать передачу плоскими и клиновидными ремнями.

Плоские ремни изготовляют из кожи, хлопчатобумажной пряжи и прорезиненной ткани. Для получения бесконечной ленты ремни сшивают посредством сыромятных узких ремешков, склеивают или соединяют металлическими скрепками.

Следует указать, что ремень тем больше проскальзывает, чем слабее его натяжение и чем меньшую часть шкива по окружности он охватывает. Ременная передача работает тем лучше, чем больше охватываемая ремнем часть шкива или чем больше угол охвата.

Клиновидные ремни изготовляют из прорезиненной ткани. Они имеют трапецеидальный профиль. Клиновидные ремни натягивают по нескольку в ряд, укладывая их на шкивах в канавки соответствующего профиля (см. рис. 2, б). Проскальзывание таких ремней во время работы незначительно (это обеспечивается хорошим контактом ремней в канавках), и работают они более плавно. В силу этих преимуществ они находят все большее применение в металлорежущих станках.

В токарных станках в связи с малыми межосевыми расстояниями, как правило, передачи как клиновидными, так и плоскими ремнями применяются только с натяжным устройством.

На рис. 3 показаны различные способы натяжения ремней. Наиболее распространенным способом является натяжение ремня перемещением электродвигателя по салазкам (рис. 3, а). На рис. 3, б показана схема регулирования натяжения ремня поворотом электродвигателя вокруг оси О; поворот осуществляется с помощью домкрата A.

Требуемого натяжения ремня и увеличения угла охвата можно добиться, применяя натяжной ролик, как показано на рис. 3, в. Ролик С прижимается к движущемуся ремню с помощью рычага А при поворачивании его вокруг оси О; натяжение ремня регулируется домкратом В.

2. Зубчатая передача

Из зубчатых передач наиболее распространены передачи между параллельными валами. Они осуществляются цилиндрическими зубчатыми колесами (шестернями) с прямыми (рис. 4, а) и косыми (рис. 4, б) зубьями. Колеса с косыми зубьями отличаются более спокойной и бесшумной работой по сравнению с прямозубыми колесами.

Передача с внешним зацеплением (рис. 4, а) применяется чаще, чем передача с внутренним зацеплением (рис. 4, в). При внешнем зацеплении пара зубчатых колес вращается в противоположном направлении, а при внутреннем зацеплении — в одном направлении.

Широко применяются в токарно-винторезных станках передвижные блоки колес (так называют несколько зубчатых колес, изготовленных как одно целое, рис. 4 г). При перемещении блока А по шпонке или шлицам вала / отдельные колеса блока могут входить в зацепление с соответствующими колесами, неподвижно сидящими на валу II.

В передачах с пересекающимися осями валов применяются конические зубчатые колеса с прямыми (рис. 4, д) и косыми (рис. 4, е) зубьями.

Если через z₁ и n₂ обозначить соответственно число зубьев ведущего зубчатого колеса и число его оборотов, а через z₂ и n₂ — число зубьев и число оборотов ведомого зубчатого колеса, то число оборотов ведомого зубчатого колеса можно вычислить по формуле

(2)

Таким образом, определение числа оборотов ведомого зубчатого колеса производится по формуле, подобной формуле (1) для определения числа оборотов ведомого шкива с подстановкой числа зубьев, колес вместо диаметров шкивов.

Для определения числа оборотов зубчатой передачи целесообразнее пользоваться передаточным отношением. Передаточным отношением i называют отношение чисел зубьев ведущего и ведомого колес или отношение чисел оборотов ведомого колеса к числу оборотов ведущего:

Из формулы (2) видно, что число оборотов ведомого зубчатого колеса так относится к числу оборотов ведущего, как число зубьев ведущего колеса относится к числу зубьев ведомого.

3. Червячная передача

Червячная передача применяется для передачи вращательного движения между двумя валами, расположенными под углом 90° и не пересекающимися между собой (рис. 5). Передача состоит из червяка 1 и червячного колеса 2. Ведущим обычно является червяк, а ведомым — червячное колесо. Червяк представляет собой винт с трапецеидальным профилем. Червяки соответственно числу ходов разделяются на однозаходные, двухзаходные и трехзаходные. Реже встречаются червяки с числом заходов более трех.

Если сообщить червяку один оборот, то червячное колесо повернется на К зубьев, где К — число заходов червяка. Следовательно, за один оборот червяка червячное колесо повернется на один зуб в том случае, если червяк однозаход-ный, на два зуба, если червяк двухзаходный, и на три зуба при трехзаходном червяке. Таким образом, передаточное отношение червячной передачи можно написать так:

где К — число заходов червяка, а z — число зубьев червячного колеса.

Пример 2. Сколько оборотов в минуту сделает червячное колесо с 50 зубьями, если червяк однозаходный и делает 500 об/мин?
Решение. Обозначим число оборотов червяка через nl, червячного колеса через п2, число зубьев червячного колеса через z, число заходов червяка через K.
Тогда передаточное отношение по формуле (3)
а число оборотов червячного колеса

Червячная передача отличается малым передаточным отношением. В токарных станках такие передачи применяют преимущественно в механизмах фартука. Там же наряду с обычной червячной передачей находят применение так называемые падающие червяки (например в станке 1А62, см. рис. 37), которые, помимо своего назначения, служат для автоматического выключения движения суппорта (продольного и поперечного) при внезапной перегрузке станка.

4. Реечная передача

В токарных станках часто используется реечная передача (рис. 6), состоящая из зубчатого колеса и рейки. Реечная передача служит для преобразования вращательного движения в поступательное.

На рис. 6 видно, что если по неподвижной рейке катить зубчатое колесо, вращая его в направлении, указанном стрелкой 1, то ось его будет перемещаться по направлению стрелки 3. Если же вращать колесо с неподвижной осью в направлении стрелки 1, то рейка будет перемещаться в направлении стрелки 2. С поворотом реечного колеса на один оборот, т. е. на z зубьев, рейка также переместится иа z зубьев; если же колесо сделает п оборотов, то при шаге рейки t мм рейка пройдет путь:

Наиболее распространенной схемой реечной передачи в токарных станках является первая схема, когда вращательное движение колеса преобразуется в его поступательное перемещение по рейке. Подобная передача используется для механического перемещения каретки суппорта (см. рис. 36).

Вследствие малого трения и сравнительно большого перемещения за один оборот реечного колеса реечная передача удобна также, и для быстрых ручных перемещений каретки суппорта.

5. Винт и гайка

Винтовая передача (рис. 7), как и реечная, служит для преобразования вращательного движения в поступательное. В этом случае обычно вращается винт, а надетая на него и удерживаемая от вращения гайка движется по резьбе и передает прямолинейное движение соединенным с ней деталям. Такую передачу применяют в токарных станках для сообщения поступательного движения резцу при нарезании резьбы (см. рис. 34), а также для сообщения резцу поперечной подачи. Перемещение гайки на один оборот винта равно шагу винта, т. е. расстоянию между двумя соседними витками резьбы.

Основные свойства винтовой передачи: 1) плавность и точность перемещений; 2) самоторможение при обратной передаче движения от поступательно движущейся гайки к винту. Благодаря указанным свойствам механизм винт — гайка применяется для нарезания резьб на токарно-винторезных станках, а также для точных установочных перемещений резца. Однако вследствие малого шага и большого трения в витках для ускоренных ручных перемещений ходовой винт не годится.

6. Валы

Передача вращательного движения в металлорежущих станках осуществляется с помощью валов и сидящих на них зубчатых колес или блоков колес. Валы бывают различных длин и диаметров. От осей валы отличаются тем, что при вращении валы всегда передают и вращение и рабочие усилия (крутящие моменты), тогда как ось служит только опорой для вращающейся на ней детали.

Для неподвижного соединения вала с зубчатыми колесами или блоком колес применяют обычно призматические закладные шпонки, которые входят на половину своей толщины в канавку вала, а второй половиной— в канавку закрепляемой детали. На рис. 8, а показано соединение зубчатого колеса с валом при помощи призматической шпонки, а на рис. 8, б — соединение с валом блока колес.

В случае необходимости изменять при работе положение зубчатых колес чаще всего их устанавливают на шлицевых валах, у которых шпонки выполнены заодно с валом. По шлицам (так называются пазы, прорезанные вдоль оси вала, см. рис. 9, а) могут перемещаться передвижные зубчатые колеса (рис. 9, б), а также блоки колес (рис. 9, в). Передвижные блоки широко применяются в коробках скоростей токарных станков.

Для передвижных зубчатых колес и блоков шлицевые соединения имеют большие преимущества перед шпоночными соединениями: наряду с повышением жесткости вала шлицевые соединения обеспечивают лучшее центрирование передвижных колес и легкое перемещение их по валу. В станкостроении широко распространены шлицевые соединения с четырьмя и шестью шлицами.

Если колесо должно иметь продольное перемещение вдоль вала на значительной длине, иногда несколько метров, применяют так называемые ходовые валы. Такие валы обычно имеют шпоночные канавки на всей длине перемещения (рис. 10), по которым скользит на скользящей шпонке зубчатое колесо, передающее движение подвижному узлу станка (фартуку и каретке суппорта).

7. Подшипники

Опорами валов и шпинделей служат подшипники, которые подразделяются на подшипники скольжения и подшипники качения.

Подшипники скольжения получили свое название потому, что в них вращающийся вал обычно скользит по внутренним поверхностям вкладышей. Для уменьшения трения, нагрева и износа подшипники должны работать в условиях хорошей смазки.

Вкладыши подшипников изготовляют из различных материалов в зависимости от условий работы шпинделя. Лучшим материалом для вкладышей являются бронзы и баббиты.

В неответственных подшипниках скольжения нижний и верхний вкладыши иногда заменяют неразрезной чугунной или бронзовой втулкой.

В качестве опор шпинделей обычно применяют регулируемые подшипники скольжения.

На рис. 11 справа показана конструкция подшипника скольжения передней опоры шпинделя токарно-винторезного станка ДИП-200. Коническая шейка 1 шпинделя вращается в стальной втулке 2, залитой бронзой и расточенной внутри по. шейке шпинделя, а снаружи обточенной по точному цилиндрическому гнезду в корпусе коробки скоростей. Для предотвращения от проворачивания втулки 2 имеется шпоночная канавка 11, в которую входит конец штифта 10, запрессованного в корпусе.

С течением времени втулка подшипника изнашивается и между нею и шейкой шпинделя образуется зазор, вызывающий биение шпинделя. Для того чтобы довести этот зазор до требуемой величины, подшипник регулируют.

Регулирование подшипника производится следующим образом. Ослабляют стопорный винт 9, ввернутый в неподвижное кольцо 8, и повертывают гайку 7, благодаря чему втулка 2 перемещается вдоль оси. При этом в силу конусности шейки 1 зазор между нею и подшипником изменяется. При повертывании гайки 7 вправо происходит затягивание подшипника, а влево — его ослабление. Перемещение втулки 2 производят настолько, чтобы шпиндель с патроном можно было провернуть вручную. После регулирования затягивают стопорный винт 9, предохраняющий гайку 7 от проворачивания.

Подшипники качения. Недостатки подшипников скольжения — большие потери на трение и сравнительно большой расход смазки. Стремление избавиться от этих недостатков привело к созданию подшипников качения, у которых потери на трение в 7—10 раз меньше, чем у подшипников скольжения.

Подшипники качения подразделяются на шариковые и роликовые. Шариковый подшипник состоит из двух колец (рис. 12).

Внутреннее кольцо 1 надевается на вал и вращается вместе с ним, а наружное кольцо 2 плотно вставляется в корпус. Между внутренним и наружным кольцами расположены стальные закаленные шарики 4, которые при вращении вала перекатываются в желобках (в канавках) колец. Этими объясняется, почему подшипники данного типа называются подшипниками качения. Чтобы шарики 4 не терлись друг о друга, их помещают в гнезда сепаратора (обоймы) 3.

Шариковые подшипники подразделяются на радиальные (рис. 12), упорные (рис. 13, а) и радиально-упорные (рис. 13, б). Радиальные шариковые подшипники, в свою очередь, могут быть однорядными (рис. 12, а) и двухрядными (рис. 12, б). Радиальные шариковые подшипники служат для восприятия нагрузок, действующих перпендикулярно к оси вала (радиальная нагрузка); упорные подшипники (рис. 13, а) принимают на себя осевые нагрузки, т. е. нагрузки, направленные вдоль оси вала; радиально-упорные подшипники (рис. 13, б) воспринимают как радиальные, так и осевые нагрузки.

Роликовые подшипники (рис. 14) отличаются от шариковых тем, что у них между наружными и внутренними кольцами вместо шариков заложены закаленные стальные ролики. Ролики допускают большую нагрузку и более долговечны, чем шарики. Роликовые подшипники, в свою очередь, подразделяются на однорядные и двухрядные. Подшипники с цилиндрическими роликами (рис. 14, а) служат для восприятия радиальных нагрузок; подшипники с коническими роликами (рис. 14, б) воспринимают как радиальные, так и осевые нагрузки. Однако вследствие большого трения и трудности точного изготовления подшипников с коническими роликами теперь для шпинделей станков с числом оборотов больше 1000 об/мин их применять воздерживаются и заменяют радиально-упорными подшипниками (рис. 13, б).

8. Муфты

Муфты служат для включения и выключения вращения вала и связанных с ним деталей: зубчатых колес, блоков колес и др. Муфты, применяемые в станках, подразделяются на постоянные, сцепные и предохранительные.

Постоянные муфты служат для соединения соосных валов, которые в процессе работы не разъединяются. Постоянные муфты бывают с жестким соединением и упругие. На рис. 15 показаны некоторые типы постоянных муфт, применяемых в станках.

Постоянная муфта с жестким соединением (рис. 15, а) представляет собой сплошную втулку 2, соединяющую с помощью шпонки вал 1 электродвигателя с валом 3 станка.

Для валов, имеющих небольшое отклонение от соосности, чаще применяется упругое соединение, показанное на рис. 15, б. На конце вала 1 электродвигателя и вала 6 станка закреплены на шпонках фланец 2 и фланец 5, через отверстия которых пропущены ведущие пальцы 4. В ведомом фланце 5 пальцы смонтированы в резиновых или кожаных кольцах, которые воспринимают удары и компенсируют несоосность валов 1 и 6 в работе.

Сцепные муфты применяются в станках для временного включения и выключения вала и связанных с ним деталей. Сцепные муфты бывают фрикционные и кулачковые. Фрикционные муфты, называемые иначе муфтами трения, подразделяются на конусные и пластинчатые дисковые.

Схематическое устройство конусной фрикционной муфты показано на рис. 16.

Конический диск 2, соединенный при помощи шпонки с зубчатым колесом 1, может при перемещении подвижного колеса 3 вправо входить во внутренний конус, имеющийся в колесе 3. При таком перемещении конический диск 2 прижимается к внутреннему конусу подвижного колеса 3, причем между обоими конусами создается трение, необходимое для передачи вращательного движения колесу 3. Сцепление наружного и внутреннего конусов производится при помощи эксцентрикового зажима 4. Когда зажим расположен горизонтально, как показано на рис. 16, фрикционная муфта включена; при повороте эксцентрикового зажима на ±90° фрикционная муфта выключается, при этом пружина 5 отжимает зубчатое колесо 3 от фрикционного диска 2.

На принципе трения основано также действие пластинчатой фрикционной муфты, применяемой главным образом для включения и остановки вращения шпинделя в современных токарных станках. Схематическое устройство пластинчатой фрикционной муфты показано на рис. 17. Передача крутящего момента от ведущего вала 1 к зубчатым колесам 2 и 9, свободно сидящим на валу 1, производится при помощи двух групп плоских дисков 4 и 5. Диски 4 связаны с корпусом 3 выступами на их поверхности, а диски 5 имеют вырезы на внутренней окружности, которыми они насажены на шлицевый вал 1. Если диски 5 и 4 плотно сжать, то благодаря трению, возникающему между их боковыми сторонами, начнет вращаться колесо 2 или 9, в зависимости от того, какая — правая или левая — половина муфты выключена.

Пластинчатые муфты благодаря значительной площади трения способны при сравнительно небольших размерах передавать большие крутящие моменты.

Регулирование пластинчатой фрикционной муфты. Когда муфта в результате износа дисков начинает буксовать, ее следует отрегулировать. Регулирование муфты осуществляют вращением нажимных гаек 6 и 8, навинченных на кольцо 7, Поворот нажимной гайки может быть произведен лишь после того, как защелка 10 вдавлена в кольцо 7.

Преимущество фрикционных муфт заключается в возможности переключения механизмов на ходу и под нагрузкой, а равно в плавном и безударном переключении. Недостатком фрикционных муфт являются сложность устройства и износ трущихся поверхностей при частых переключениях.

Кулачковые муфты часто применяют для передачи вращения валам от свободно посаженных на них зубчатых колес. Пример применения кулачковой муфты показан на рис. 18. На ведущем валу 1 на шпонках укреплены два зубчатых колеса z₁ и z₃, а на ведомом валу 2 свободно сидят колеса z₂ и z₄ которые находятся в постоянном зацеплении с колесами z₁ и z₃. Между колесами z₂ и z₄ на валу 2 сидит на направляющей шпонке 3 муфта 5, имеющая на торцах кулачки 4 и 7. Кулачковую муфту можно перемещать влево и вправо посредством рычага 6 и сцеплять соответственно с торцовыми кулачками колес z₂ и z₄.

Если кулачковая муфта включена влево, то вращение от вала 1 передается валу 2 через колеса z₁ и z₂; если же муфту включить вправо, то вращение передается валу 2 через колеса z₃ и z₄.

Кулачковые муфты просты по конструкции, работают надежно и допускают передачу больших усилий. Однако их можно переключать только при остановленном станке, так как иначе легко повредить кулачки.

Предохранительные муфты. Для предохранения отдельных механизмов станка от поломок при их перегрузке применяют так называемые предохранительные муфты. Назначение этих муфт — не допускать передачу усилия, превышающего предусмотренное для данного механизма. Такое предохранительное устройство показано на рис. 19. В данной конструкции ходовой вал состоит из двух половин 1 и 7, соединенных между собой предохранительной муфтой, состоящей из двух половин с наклонными кулачками. Левая половина муфты 2 соединена с валом коробки подач шпилькой 12, а правая половина муфты 3 сидит на скользящей шпонке 11 на ходовом валу 7. Упор 6 устанавливается в требуемом месте на ходовом валу и закрепляется болтом 5. На резьбовой части 4 вала 7 навернуты гайка 9 и контргайка 8, при помощи которых регулируется усилие пружины 10, прижимающей правую половину 3 муфты к левой 2. При соприкосновении стенки фартука с упором 6 сопротивление вращению ходового вала 7 резко возрастает. Сила пружины 10 становится недостаточной для удержания в зацеплении обеих половин 2 и 3 муфты. Левая половина 2 муфты продолжает вращаться, отжимая наклонными поверхностями кулачков правую половину 3. Кулачки начинают проскакивать, муфта 3 и ходовой вал 7 останавливаются и подача прекращается.

В некоторых конструкциях токарно-винторезных станков для автоматического выключения отдельных его механизмов при перегрузке находят применение предохранительные муфты с падающим червяком (см. рис. 37 и описание к нему).