Зажимные патроны для станков с ЧПУ с автоматической сменой достаточно актуальны по причине частого внедрения на металлообрабатывающих производствах гибких производственных систем (ГПС) механической обработки. Разработка автоматических зажимных патронов важна для осуществления вспомогательных движений, связанных с быстрой переналадкой технологической оснастки, систем инструментального обеспечения, загрузочно-разгрузочных устройств и транспортно-накопительных систем.
Создание быстропереналаживаемых и широкодиапазонных механизмов и устройств автоматического манипулирования заготовками связано с решением ряда технических и экономических проблем, что позволяет существенно повысить технико экономические показатели станков с ЧПУ, станочных модулей и гибких производственных систем, а также расширить их технологические возможности в условиях мелкосерийного производства.
К устройствам типа зажимных патронов для станков предъявляются следующие основные требования:
- точность и быстродействие позиционирования;
- гибкость, быстропереналаживаемость и широкодиапазонность;
- надежность стыковки и функционирования;
- чувствительность и самонастраиваемость;
- трудоемкость, экономичность изготовления и обслуживания.
В некоторой степени эти требования противоречивы и их удовлетворение связано с решением оптимизационных задач на различных уровнях проектирования.
Аналогично способам регулирования скоростей (частот и подач) в приводах станков можно выделить три основных способа автоматического манипулирования заготовками с охватом различных размеров и форм:
- ступенчатым (дискретным);
- бесступенчатым (непрерывным);
- комбинированным (дискретно непрерывным).
В настоящее время широкое распространение получил дискретный принцип охвата за счет автоматической смены: зажимных устройств и их элементов (патронов, цанг, основных и промежуточных кулачков); оправок, шпиндельных узлов и бабок.
Второй принцип охвата является наиболее перспективным, но пока не получил широкого распространения из-за сложности удовлетворения противоречивых требований, необходимости применения новых физических эффектов и явлений. Характерными примерами устройств, реализующими этот принцип, являются: следящие люнеты для длинномерных деталей; программно-перестраиваемые приспособления для корпусных заготовок; зажимные патроны для станков с автоматически регулируемыми (по длине хода) кулачками; самонастраивающиеся и широкодиапазонные зажимные механизмы переменной структуры и др.
Гибкость токарного станка с ЧПУ по диапазону размеров обрабатываемых заготовок от d1 = dmin до dn = dmax и широкодиапазонности зажимного механизма (ЗМ) может определяться коэффициентом охвата, показателем дискретности или комплектности, числом сменяемых элементов или их комплектов, числом ступеней многоступенчатых зажимных элементов.
Быстропереналаживаемые зажимные патроны с дискретной схемой охвата могут быть созданы с применением системно морфологического подхода, где в качестве двух основных морфологических признаков взяты переналаживаемая часть и способ переналадки. Этот подход успешно реализован при создании быстропереналаживаемых зажимных патронов.
Принцип непрерывного охвата реализуется в самонастраивающихся и широкодиапазонных зажимных механизмах, при этом может быть постоянным или переменным положение и площадь базирующих и рабочих поверхностей, а также объем зажимных элементов. Для самонастраивающихся и широкодиапазонных зажимных патронов для станков характерно наличие не менее двух кинематических цепей, одна из которых служит для натяга упругой системы, а другая - для выборки зазоров и перестройки элементов и структуры механизма.
В широком смысле широкодиапазонность зажимных механизмов может быть:
- по размеру (диаметру и длине заготовки);
- по форме заготовки (круглая, граненная, профильная);
- по силе зажима;
- по жесткости зажима;
- по чувствительности к изменению свойств и состояния заготовки, характера воздействия на нее сил резания, центробежных и др.
Основная трудность при создании широкодиапазонных зажимных механизмов заключается в ограниченных возможностях достижения в рамках одной конструкции двух противоречивых требований. С одной стороны, необходимо обеспечить сравнительно высокий уровень сил, создающих эффект удержания одной поверхности относительно другой при наличии значительных внешних силовых воздействий, обусловленных инерционными нагрузками и силами резания, с другой - необходимо сохранить этот уровень сил при минимальных затратах на переналадку в широком диапазоне изменения диаметров. Дополнительные трудности связаны с необходимостью учета и количественной оценки множества ограничений, определяющих область нормального функционирования широкодиапазонных зажимных механизмов в конкретных условиях производства.
Если широкодиапазонный зажимной патрон для станка должен обеспечить значительный диапазон изменения размера поперечного сечения зажимаемой заготовки, превышающей диапазон, который может быть получен с помощью широкодиапазонного патрона с бесступенчатой схемой охвата размеров, то вводится ступенчатая система охвата, обеспечиваемая сменой патрона или его элементов. В результате получаем комбинированную (непрерывно-дискретную) схему охвата размеров зажимаемых заготовок во всем рабочем диапазоне станка.
В клинореечных быстропереналаживаемых зажимных патронах с двумя рейками на диаметры 200, 260 и 315 мм, например типа 3KGHVNC фирмы «Forkardt» (ФРГ) (рис. 1), в корпусе расположены три пары косозубых реек 4 и 5 соответственно с небольшим и большим углом наклона зубьев, зацепляющихся с зубьями кулачков 3. Рейки соединены с втулкой 2, рейки 5 - с втулкой 1, а обе втулки - со штоком поршней сдвоенного гидроцилиндра. При перемещении реек 4 осуществляется зажим - разжим заготовки (радиальный ход кулачков 7...8 мм). Для изменения положения кулачков рейки 4 выходят из зацепления с последними.
Рис. 1. Клинореечный быстропереналаживаемый зажимной патрон фирмы «Forkardt» (ФРГ)
В рычажно винтовом быстропереналаживаемом зажимном патроне для станка фирмы «New - Britain» (США) (рис. 2) усилие зажима передается от гидроцилиндра, закрепленного на заднем конце шпинделя станка, через тягу 1 и рычаги 2 к основным 3 и накладным 4 (со сменной вставкой 5) кулачкам. Кулачки 3 опираются на подпятники регулировочных винтов 6, которые ввинчены в кулачки 4. Положение кулачков регулируют с помощью валика 7 и конических колес 8.
Рис. 2. Рычажно-винтовой быстропереналаживаемый зажимной патрон фирмы «New — Britain» (США)
Для автоматической смены кулачков в патроне фирмы «SMW» (ФРГ) (рис. 3) шпиндель станка индексируется последовательно в трех положениях, при которых шток поршня цилиндра 2 расположен соосно одному из трех отверстий в патроне 1. Шток, перемещаясь вниз, выводит зубья косозубой рейки, соединенной с приводом патрона, из зацепления с косыми зубьями кулачка 3. После этого захват 4, установленный в одной из позиций револьверной головки станка, перемещается к торцу патрона, входит в торцевое отверстие кулачка и затем перемещает последний в радиальном направлении на заданную величину. После этого поршень цилиндра 2 поднимается и зубья рейки входят в зацепление с зубьями кулачка 3; при этом шпиндель поворачивается на 120°.
Рис. 3. Зажимной патрон для станка с последовательной автоматической сменой кулачков фирмы «SM W» (ФРГ)
Для осуществления черновой и чистовой обработки заготовок на одном станке применяют зажимные патроны с автоматической сменой закаленных и незакаленных кулачков, хранящихся в магазине накопителе или в кассете. Магазины накопители бывают линейные, кольцевые, дисковые, барабанные и цепные.
Применяются также патроны с автоматической сменой комплекта кулачков из кассеты. Сменный патрон 3 системы CAM фирмы «Gamet» (Франция) (рис. 4) базируется на шпинделе 1 станка по короткому конусу. Перед установкой патрона на шпиндель патрон позиционируется промышленным роботом (ПР) соосно шпинделю (поз. 1), после чего две трубы 4 и 5, смонтированные внутри шпинделя и соединенные с вращающимся гидроцилиндром, закрепленным на заднем конце шпинделя, перемещаются вправо, входят в отверстие патрона и поворачиваются на угол 60°; при этом их выступы входят в прорези байонетного замка в патроне 3 (поз. II). Затем трубы 4 и 5 перемещаются влево, прижимая зажимной патрон к торцу шпинделя (поз. III). Датчик 2 контролирует положение патрона.
Рис. 4. Схема закрепления зажимного патрона системы CAM фирмы «Gamet» (Франция)
В автоматически сменяемых зажимных патронах для станков фирмы «Gamet» (Франция) на торце постоянной части, закрепляемой на шпинделе станка, имеются зубья. Эти патроны хранятся в четырехместном поворотном накопителе. Поворотные накопители применяются для автоматической смены зажимных кулачков патронов фирмы «Mazak Aic» (рис. 5).
Рис. 5. Этапы автоматической смены кулачков патрона с помощью зажимного устройства Mazak Aic (Япония)
