Подача прутка это один из механизмов перемещения заготовки в рабочую зону металлообрабатывающего оборудования, в основном используется в токарных автоматах и револьверных станках с различными системами управления. В последнее время они претерпевают значительные изменения. Это объясняется тем, что на автоматах после подачи прутка до упора и его зажима обычно не достигается достаточно стабильное положение переднего торца, и поэтому для получения точной длины детали приходится дополнительно подрезать передний торец прутка, что приводит к излишнему расходу материала, режущего инструмента, дополнительным затратам времени.
К механизмам подачи прутка предъявляются следующие требования:
- обеспечение точности длины прутка при взаимодействии с другими механизмами, которая определяется отклонением длин деталей, отрезанных с поперечного суппорта из прутка, поданного до упора (отсутствие отскока прутка);
- возможно меньшее время подачи прутка до упора (быстродействие);
- обеспечение осевой силы сцепления, исключающей проскальзывание прутка при подаче. Эта сила должна быть выбрана из условия преодоления суммарных сил инерции и сил трения прутка о направляющие, учитывая запас на износ;
- предохранение от поломки механизма, наличие блокировки при израсходовании прутка (поломка механизма может произойти при подаче остатка прутка торцом подающего патрона или подающей цанги);
- долговечность и износостойкость механизма;
- удобство и простота загрузки прутка в линию шпинделя;
- снижение шума при работе вращающегося прутка.
Таким образом, основное требование к механизму подачи: обеспечение точности подачи прутка по длине в требуемых пределах после его разжима при заданной продолжительности этого процесса в течение гарантированного периода эксплуатации.
Качество той или иной конструкции механизма подачи прутка можно оценить по тому, насколько рассматриваемый механизм удовлетворяет указанным требованиям, удобен в эксплуатации, долговечен и надежен. Уменьшение надежности работы механизма подачи прутка, как и других механизмов, обнаруживают при появлении отказов.
По характеру перемещения прутка и конструкции привода все механизмы подачи делятся на три основные группы. К первой группе относятся механизмы подачи, перемещающие пруток к упору с постоянной скоростью, ко второй - с постоянным ускорением, к третьей - с переменным ускорением. Каждая основная группа делится на три подгруппы в зависимости от конструкции привода. К первой подгруппе относятся механизмы подачи, которые перемещают пруток к упору пружиной при ограничении скорости перемещения кулачком; ко второй - перемещение прутка к упору под действием веса груза, собственного веса, сжатого воздуха постоянного давления; к третьей - перемещение прутка к упору кулачком, а возвращение по дающих звеньев в исходное положение контркулачком.
Различают следующие способы подачи прутка у станка с ЧПУ:
- Изнутри шпинделя: а) подающими упругими, заклинившими и упруго-заклинивающими патронами; б) толкателем (с приводом от груза, пневмо-гидро-приводом); в) фрикционными роликами за шпинделем; г) под действием собственного веса при наклонной или вертикальной компоновке;
- Снаружи шпинделя: а) захватом или патроном вытяжного типа; б) суппортом, имеющим продольное перемещение.
- Силы сцепления подающих элементов с прутком могут быть расположены: а) в одном месте (за зажимным патроном); б) в двух местах (по концам подающей трубы); в) распределенными (по всей длине подающей трубы).
Подача прутка в станках с ЧПУ может быть безупорной и до упора (выдвижного или поворотного действия) в торец прутка или внутри привода подачи.
Прутки заправляются в станок длиной 1...6 м (магазинная загрузка или с поддержкой их в направляющих трубах, ограничивающих биение свободного конца прутка при действии центробежных сил).
Типовая линия шпинделя пруткового автомата содержит: направляющую трубу с демпфирующим (шумопоглощающим) устройством или средой, подающую трубу с подающим патроном, расположенную внутри зажимной трубы, зажимной патрон на переднем конце шпинделя, упор для прутка.
Для снижения биения прутка и шума демпфирующие устройства направляющих труб выполняют в виде пружин переменного шага или диаметра (волнистые), опор из древесных или пластических материалов, сыпучей или текучей среды. В последнее время получило применение гидравлическое устройство подачи прутков - гидробар (hydrobar), состоящее из трех алюминиевых профилей, в которых расположены направляющие трубы разных диаметров с проталкивающими поршнями. Во избежание трения между прутком в момент подачи и направляющей трубой в последнюю заливается определенное количество масла, Гидравлическая схема устройства приведена на рис. 1, α. Вращающийся внутри трубы пруток создает масляную пленку по (рис. 1, в), которая способствует снижению шума и вибрации. Если пруток не вращается, гидродинамическое воздействие равно нулю и пруток прилегает к направляющей трубе (рис. 1, б). Чем больше число оборотов прутка, тем больше будет гидродинамическое воздействие (рис. 1, г).
Рис. 1. Гидравлическое устройство подачи прутка типа Super Hydrobar HS LNS: 1 - электродвигатель; 2 - насос двухстороннего действия; 3 - регулятор скорости и давления: 4 - манометр; 5- регулируемый дроссель; 6 - реле давления; 7 - фильтр; G - сила тяжести прутка; n - рабочая частота вращения прутка; п0 - начальная частота вращения прутка
Рассмотрим некоторые схемы и конструкции механизмов подачи прутка у станков с ЧПУ, работающие во взаимодействии с зажимными механизмами.
В автоматах продольного точения (рис. 2) пруток 5, закрепленный в шпинделе 7 зажимной цангой 6, неподвижной в осевом направлении, одновременно может вращаться и продольно перемещаться вместе со шпиндельной бабкой 8 (или с пинолью шпинделя). Резцы 2 (до 4...5 штук), закрепленные в суппортах 3, могут в процессе обработки получать поперечные перемещения или оставаться неподвижными, При неподвижных резцах в продольной подаче шпиндельной бабки вместе с прутком обтачиваются цилиндрические поверхности.
Рис. 2. Линия шпинделя автомата продольного точения с механизмами подачи и зажима прутка
Нарезание правой резьбы осуществляется за счет левого обгонного вращения резьбового инструмента 1 (плашки или метчика), т. е. nи > n, а вывинчивание левым вращением прутка при остановленном инструменте (nи = 0). Исключение биений конца прутка с обрабатываемой деталью обеспечивается люнетом 4. Для блокировки при израсходовании прутка служит конечный выключатель 9, на который наезжает флажок 12 толкателя 11, расположенный в продольном пазу трубы подачи 10 и связанный с грузом 13.
В токарных автоматах с ЧПУ основным приводом для подачи и зажима прутка является гидравлический по аналогии, например, с токарно-револьверными станками с ЧПУ 1В340Ф30 (рис. 3).
Рис. 3. Гидравлическая схема механизмов подачи и зажима прутка токарно револьверного станка с ЧПУ
Для гидравлического привода механизма зажима и подачи прутка 9 используется насосная установка с гидропанелью, расположенная в станине. Электродвигатель и насос 1 закреплены на корпусе гидропанели. Гидравлическая схема механизма зажима и подачи прутка показана в положении «Пруток зажат, идет набор». Цикл работы механизма, состоящий из освобождения, подачи и зажима прутка, выполняется в следующем порядке.
После команды «Подача прутка» включается электромагнит ЭМ1, перемещающий золотник 14. Масло через маслоподводящее кольцо 5 поступает в левые полости цилиндров разжима и подачи прутка, двигая поршень 11 и каретку 10 влево. В конце подачи прутка ЭМ1 выключается и золотник 14 переключается. Масло направляется в правую полость цилиндра 4. Происходит зажим прутка 9 цилиндрической цангой 8 при движении трубы зажима и затяжной цанги 7 внутрь шпинделя 6. По окончании зажима движение поршня в цилиндре 4 прекращается, в результате чего давление масла в системе повышается и через редукционный клапан 13, дроссель 12 с обратным клапаном поступает в правую полость цилиндра подачи, перемещая поршень 11 влево. Происходит «набор» прутка. Через редукционный клапан 15 масло поступает на смазку коробки скоростей.
Описанная последовательность работы подачи прутка предотвращает его оттягивание от упора до окончания зажима. При зажиме прутка срабатывает реле давления 3, подающее команду для начала обработки детали. Масло, идущее через переливной (предохранительный) клапан 15, используется для смазки. Давление масла в системе контролируется манометром 2.
Станки с ЧПУ типа прутковых автоматов, встраиваемые в гибкие производственные системы, начали применять роликовые механизмы подачи следующих один за другим мерных прутков. Однако из-за расположения роликов за шпинделем может увеличиваться остаток последнего прутка. Чтобы этого избежать, применяется механизм подачи прутка с роликом, расположенным вблизи рабочей зоны за зажимным патроном (рис. 4).
Рис. 4. Схема механизма подачи прутка с роликовым подающим патроном, расположенным внутри шпинделя: 1 - шпиндель; 2 - прижимной диск; 3 - ролик; 4 - зажимной патрон; 5 - пруток
Выбор конструкции подающего патрона и его элементов должен производиться исходя из предъявляемых требований к механизму подачи, формы и размеров поперечного сечения прутка, габаритов шпинделя, точности и времени подачи.
Рис. 5. Самозаклинивающиеся подающие цанги и патроны подачи прутка: α - с подпружиненной внутренней многолепестковой цангой; б, в, г, e - с подпружиненными шариками; д - с наклонной подпружиненной шайбой
При подаче прутка с большими отклонениями диаметра (свыше 1 мм) в тех случаях, когда позволяют габариты, следует применять самозаклинивающиеся подающие цанги и патроны (рис. 5). При подаче прутка с небольшими отклонениями диаметра (не более 1 мм) применяют - подающие патроны с упругими элементами (рис. 6), чаще всего выполненные в виде подающей цанги.
Рис. 6. Подающие патроны и цанги подачи прутка с упругими элементами: α - стандартная; б - стандартная с впаянными вкладышами; в - капроновая; е - резиновая; д - с регулируемой жесткостью лепестков; е - с лепестками прямоугольного сечения; ж - с дополнительной усилительной пружиной; з, и - с отдельными плоскими лепестками; к - с подпруженными твердосплавными стержнями, л - с двухопорными лепестками; м - с внутренней сведенной в неустойчивом положении цилиндрической пружиной
Для обеспечения основной характеристики подающих цанг - осевой силы сцепления с прутком при подаче — лепестки должны иметь правильно выбранные размеры в продольном (длина губки и лепестка) и поперечном сечениях (центральный угол сектора и толщина лепестка), так как эти размеры в большой мере влияют на изгибную жесткость лепестков. Эта сила должна быть выбрана с запасом, учитывающим износ рабочего отверстия и частичную потерю упругих свойств лепестков при деформациях выше предела упругости в течение определенного срока службы до наступления проскальзывания прутка. Кроме того, при выборе осевой силы сцепления необходимо учитывать конструктивные особенности механизма и условия подачи прутка до упора, вызывающие удар, который сопровождается дополнительным проскальзыванием прутка в цанге.
Сравнительно низкая стойкость подающих цанг, особенно на одношпиндельных токарных автоматах, снижает производительность станков из-за увеличения простоев, связанных с заменой цанг и дополнительной регулировкой механизмов подачи прутка.
Причиной выхода из строя - подающих цанг являются: а) износ рабочего отверстия при проскальзывании цанги во время набора прутка и при подаче его до упора; б) поломка лепестков при ударах во время заправки прутка или при низком качестве термообработки и грубой механической обработке пружинной части (шероховатость поверхности Rz40...Rz20); в) потеря лепестком упругих свойств из-за низкого качества термообработки и напряжений выше предела упругости.
Обмер изношенных подающих цанг свидетельствует о том, что максимальный износ происходит вдоль средней образующей в передней части губки при диаметре рабочего отверстия, равном номинальному диаметру прутка. Износ по крайним образующим примерно одинаков с некоторым увеличением в задней части губки, имеющей меньшую твердость.
Изучение факторов, влияющих на износостойкость подающих цанг, свидетельствует о том, что одним из важных факторов является выбор материала и режимов термообработки цанги. По износостойкости в сторону ее увеличения марки сталей, применяемые для цанг, можно распределить следующим образом: 60С2XФА, 65Г, 18ГХТ цементируемая, 18ХГТ цианированная, углеродистые У8А, У10A и др., 4XC, P9. Однако по упругим свойствам и ударной вязкости эти стали располагаются в обратной последовательности. Наиболее распространенный материал для изготовления цанг - сталь 65Г.
В крупных токарных автоматах, особенно многошпиндельных среднего и тяжелого рядов, необходимы сравнительно большие осевые силы сцепления (1,5...2,5 кН) подающей цанги для надежной подачи прутка. При такой осевой силе сцепления затрудняется заправка прутка в станок из-за значительного увеличения усилия заправки прутка в подающую цангу со стороны направляющих труб или питающего механизма. Силы заправки прутка в подающую цангу, зависящие от жесткости лепестков, размеров встречного конуса и формы рабочей поверхности губок (гладкая или рифленная) должны служить исходными данными при выборе тяговой силы привода питающего механизма. В случае ручной заправки их выбирают исходя из физических возможностей человека, обслуживающего станок.
Для уменьшения усилия заправки прутка диаметром более 50...60 мм необходимо губки цанг выполнять гладкими, а также предусматривать раскрытие цанги с передней стороны рабочего отверстия.
С целью уменьшения колебаний силы сцепления подающих цанг с прутком, увеличения стабильности срока службы цанг необходимо допуски на основные размеры (включая и угол разрезки) устанавливать так, чтобы отклонения пружинящих свойств не превышали, например, 10% для лепестков партии цанг одного размера. Нестабильность силы проталкивания при подаче прутка через подающие цанги одного размера заставляет при наладке механизма подачи устанавливать увеличенную длину хода и тем самым увеличивать путь проскальзывания прутка, что приводит к уменьшению срока службы цанг, а иногда и к поломкам. Кроме того, колебания геометрических размеров и термообработка цанг вызывают колебания их стойкости до 300 %.
При выборе основных размеров подающих цанг и проектировании механизма подачи для оценки принятой первоначальной силы сцепления Рпо цанг с прутком номинального диаметра можно пользоваться среднестатистическими данными, приведенными на рис. 7.
Рис. 7. График для выбора первоначальной силы сцепления подающей цанги с прутком номинального диаметра при подаче прутка
При увеличении количества лепестков цанги (или уменьшении жесткости лепестков) диапазон отклонений диаметров прутка увеличивается, т.е. увеличивается запас на износ при повышении точности подачи. Это основной путь создания широкодиапазонных подающих цанг для токарных автоматов с ЧПУ, встраиваемых в гибкие производственные системы.
На рис. 8 приведены долговечные и широкодиапазонные подающие цанги для подачи прутка, в которых используется многолепестковый и многорядный охват подаваемой заготовки. При этом в цанге (рис. 8, α) за счет эффекта закусывания прутка сила подачи Рп большая, а сила набора Рн незначительная.
Рис. 8. Долговечные подающие цанги подачи прутка: α - многолепестковые; б - широкодиапазонные подающие цанги: 1 - труба подачи; 2 - корпус; 3 - кольцо; 4 - штампованные рабочие лепестки; 5 - пруток
В подающих цангах со скрученными лепестками (рис. 8, б) для обеспечения силы зажима прутка используется потенциальная энергия предварительно изогнутых и закрученных лепестков. Лепестки до скручивания образуются несквозными разрезами на зубофрезерном станке. Достоинством таких цанг является их многократное восстановление за счет дополнительного скручивания.
При создании долговечных подающих цанг, работающих в большом диапазоне диаметров подаваемых прутков, что особенно важно для прутковых автоматов с ЧПУ в гибких производственных системах, необходимо стремиться обеспечить силовую характеристику с двумя участками - крутым для предварительного натяга и пологим при работе.
При подаче прутка на больших скоростях возможен отскок его от упора или совместное колебание с ним, что оценивается амплитудой колебания за период рассогласования работы механизмов подачи и зажима прутка.
Для повышения точности подачи прутка до упора, за счет устранения отскока при высоком быстродействии необходимо: изменять закон подачи так, чтобы при подходе к упору на участке ∆l скорость снижалась с vo дo vo (ползучая скорость) при времени торможения tт (рис. 9, α); использовать силы магнитного притяжения стального прутка к жесткому упору; применять демпфирующий упор (рис. 9, б) при жестком основании, содержащий подвижную часть 1, встречающую пруток с упреждением Ад = 3...8 мм, неподвижную часть 2, представляющую заполненную жидкостью полость 3 с каналами и клапанами в поршне 4 для автоматического регулирования диссипативной связи (рис. 9, в); создавать противодавление движению прутка при встрече с упором.
Рис. 9. Способы повышения точности подачи прутка при высоком быстродействии: α - изменение закона движения; б - применение демпфирующего упора; в - отсекание силы соударения прутка с упором
Применение демпфирующих упоров (рис. 10 α, б, в,) на многошпиндельных токарных автоматах позволило устранить отскок прутка от упора при изменении его кинетической энергии до 1000 и более раз и времени торможения демпфером в пределах 0,03...0,05 с (общее время торможения на демпфирующем упоре составляет 0,05...0,1 с).
Следует решать проблему безупорной подачи прутка за счет вытягивания его захватным устройством.
Рис. 10. Конструкции демпфирующих упоров к многошпиндельным токарным автоматам
