Роторная токарная обработка.

Если последовательные операции выполнять непрерывно, то процесс становится наиболее эффективным. Осуществить такую схему позволяет планетарное движение заготовок относительно инструмента. При двух вращательных движениях инструмента и заготовки способ выражается формулой ТkВ. Контакт инструмента с заготов­кой возможен по схеме внешне­го и охватывающего касания (рис. 7.6). Охватывающее каса­ние обеспечивает многократное увеличение дуги контакта зоны отвода стружки, свободный до­ступ к инструменту и удобство обслуживания. Заготовки полу­чают вращение вокруг своих осей О с частотой п и на расстоянии L вокруг оси блока шпинделей Oб с частотой п₆ (см. рис. 7.6). Кон­такт резца на дуге ABC (угол Ок) на расстоянии R от оси вращения

блока обеспечивает съем припус- ка t по схеме охватывающего касания. Результирующая скорость резания в точке В равна алгебраической сумме скоростей вращения заготов­ки: v_T = 2пкn/1000 и кругового движения подачи блока на радиусе R = L + r. v₆ = 2пRn/1000. При одном и том же направлении вращения заготовки и блока скорость резания равна сумме v_е = v_T + v₆, а при противополож­ном - разности упомянутых скоростей v_е = v_T - v₆. Когда скорость заготов­ки на два порядка превышает скорость кругового движения подачи блока, процесс резания соответствует тангенциальному точению, при соизмери­мых встречных скоростях - фрезоточению, а при окружной скорости блока на два-три порядка больше скорости заготовки - фрезерованию.

Тангенциальное точение по схеме внешнего касания было реализова­но на вертикальном двенадцатишпиндельном роторном автомате КА-350 [7, 12]. Он был разработан в конце 1960-х годов XX в. творческом содруже­стве ученых МГТУ им. Н.Э. Баумана, конструкторов московских ПО «Станкозавод им. С. Орджоникидзе», «Красный пролетарий» и Киев­ского завода станков-автоматов. Реализация роторной токарной обработки стала возможной благодаря технологической дифференциации припуска. Опыт дифференциации припуска в схемах протягивания, накопленный за три столетия существования этого способа, был распространен на тангенци­альное точение. В конце 1940-х годов нашего столетия была разработана практичная схема тангенциального протягивания, а двадцать лет спустя путем укрупнения срезаемых слоев - тангенциального точения.

Рис. 7.6. схема роторной обработки тел вращения с тангенциальной и продольной подачами.

Автомат КА-350 (рис. 7.7) имеет предельно простую конструкцию. Ротор l со шпинделями 2 установлен на вертикальном валу 3 и снабжен червячным приводом 4. Неподвижный инструмент в виде резцовых блоков 5 располагается на кольце­вой станине 6. Для подналадки резцов во время работы без останова автомата предусмот­рены простые приспособления. В кольцевом проеме станины размещается роторный транс­портер 7 с радиальными стен­ками для уборки стружки. Ус­тановленный на том же верти­кальном валу, что и шпиндель­ный блок, транспортер враща­ется совместно с ним и эффек­тивно отводит стружку в боко­вые окна станины.

Двухпоточная система транспортирования заготовок и предельно простые устройства по их загрузке и выгрузке яв­ляются особенностями автома­та. Проектная производитель­ность 12-15 подшипниковых колец диаметром 70 ... 80 мм в 1 мин.

Работа автомата осуществ­лялась следующим образом. Заготовки подшипниковых ко­лец 310/02, вращаясь на шпин­делях со скоростью резания, медленно, со скоростью круго­вого движения подачи, прохо­дили мимо неподвижных рез­цов. Проходные резцы, смещенные на осевой шагP₀, и торцовые резцы снимали припуск в соответ­ствии со схемой резания (рис. 7.8, а) до полного формирования фасонно­го профиля. Обработка одного кольца в двухпоточной системе осуществ­лялась за половину оборота шпиндельного блока. Стружка под собствен­ным весом падала в свободное кольцевое пространство под шпинделями на транспортер 7 (см. рис. 7.7).

Рис. 7.7. Схема двенадцатишпиндельного роторного автомата КА-350

Рис. 7.8. Схема срезания припуска: коротких тел вращения типа подшибникового кольца с тангенциальным движением подачи; б- длинных валов с тангенциальным и продольным движением подачи.

Регулировка положения неподвижных резцов проста и доступна непосредственно в ходе обработки. Равномер­ная силовая загрузка шпинделей позволила в 1,5 раза по сравнению с го­ризонтальными многошпиндельными автоматами уменьшить мощность главного электродвигателя (до 40 кВт).Отладка роторного двенадцатишпиндельного автомата для подшип­никовых колец показала низкую надежность наладки вследствие чрез­мерной дифференциации припуска (80 резцов) и низкой стойкости рез­цов. Поэтому непрерывную токарную обработку с двумя вращательными движениями ТкВ можно рекомендовать при минимальном числе резцов для коротких тел вращения: колец, фланцев, втулок, шестерен. Однако для обработки валов по схеме TAB потребовались бы не десятки, а сотни рез­цов.В результате автомат непрерывного действия непрерывно простаивал бы из-за частой смены вышедших из строя резцов. Для надежной роторной обработки валов необходимо значительно уменьшить число резцов. Это возможно при замене конструктивного смещения

резцов Р₀ по длине обра­батываемой заготовки (см. рис. 7.8, а) на кинематическое движение подачи Ds (v_c) (рис. 7.8, б). Новый способ определяется сочетанием трех движений по формуле krTBkсC. Применительно к токарной обработке соотношение скоростей определяется формулой (10 ... 20)ТВ10-^{(2 3)}С, т.е. окружная скорость заготовки на полтора порядка выше окружной скорости шпин­дельного блока (кругового движения подачи) и на три порядка - скорости поступательного движения резца (подачи) [А.с. 465274 (СССР)]. Для ро­торной обработки валов в горизонтальном положении используется блок l шпинделей 2 и блок 3 центров 4 (рис. 7.9). В патронах и центрах уста­новлены валы 5. Патроны имеют торцовые зубья для передачи крутящего момента и не выходят за габариты вала.

При вращении шпиндельного блока 1 в направлении стрелки nб шпиндели 2 вращаются с частотой п. Резец б получает движение подачи D_s и, следуя профилю копира 7, обрабатывает соответствующий контур на валах 5, которые поочередно входят в соприкосновение с ним. На угле контакта 0_К резца с заготовкой происходит срезание припуска (рис. 7.9, А-А). Параметры среза - толщина и ширина - являются пере­менными. Толщина среза определяется известной зависимостью

где S_K = IIR/i - касательная подача блока на оборот заготовки; i = п/п₆; n - остающееся число оборотов заготовки до выхода из контакта с рез­цом на участке АВ (см. рис. 7.6).

Наибольшее значение толщина среза имеет за первый оборот после резца в заготовку при

Ширина среза является переменной величиной :

Рис. 7.9. Схема многошпиндельной токарной обработки с тангенсальным и продольным движениями подачи (а) и циклограмма (б) сил резания

Ее наибольшее значение, равное подаче на оборот блока, будет в положении резца в точке B на линии центров (см. рис. 7.6. и рис. 7.8. б); В отличие от обычного тангенциального точения при двух вращениях заготовки и ин­струмента (k ТВ) в способе тангенциального точения с продольным дви­жением подачи D_s (k ТВk_сС) резание продолжается и после прохождения резцом линии центров (точка В). За ней толщина среза постепенно убы­вает, а ширина среза остается неизменной. На участке ВС (см. рис. 7.6 и рис. 7.8, б) ширина среза равна доли подачи S₀ на оборот заготовки 6, = S₀/ i.

Стружка прерывается в интервалах между валами и короткими спи­ральками падает в корыто. Кратковременный контакт резца с заготовкой позволяет уменьшить температурные нагрузки. Стружка не успевает на­греться даже до температуры цветов побежалости 0 = 500 °С. В интерва­лах между валами резец интенсивно охлаждается. Благодаря этому при одинаковых с токарной обработкой температурных режимах скорость резания можно увеличить в 2-3 раза (см. рис. 2.2). Например, скорость тангенциального точения заготовок из стали 45 твердосплавным резцом из сплава Т15К6 повышается до 4 ... 5 м/с по сравнению с 2 ... 2,5 м/с при обычном точении. С увеличением скорости сила резания снижается в 1,5-2 раза (см. рис. 2.8). Это позволяет повысить скорость продольной подачи до 3 мм на оборот блока. Производительность дополнительно повышается при установке нескольких резцов, сдвинутых на угол 0_К по дуге вращения ротора. Три-четыре резца, равномерно распределенные по угловому шагу между шпинделями, обеспечивают непрерывную нагруз­ку на привод станка (рис. 7.9, б). Дополнительные резцы используются для снятия фасок, проточки канавок, подрезки уступов и торцов, точения отдельных ступеней вала. Вспомогательные ходы уменьшаются при сближении шпинделей в блоке, а резцов - к оси шпинделя. При располо­жении резцов на диаметре шпиндельных осей можно непрерывно подре­зать торцы втулок, донышки поршней, гильз, стаканов и тому подобной продукции автомобильных заводов.

Если оси шпинделей установить на различных расстояниях L и L₁ от оси вращения блока, то за один установ можно одновременно обработать тела вращения различного диаметра (см. рис. 7.9, А-А). Это позволяет объединить в крупные партии мелкие серии деталей типа подшипников, веретенных колец, шестерен, втулок, фланцев, валов электродвигателей, имеющих одинаковый профиль, но отличающихся диаметральными раз­мерами. Перевод производства из мелкосерийного в среднесерийное в 3-5 раз повышает его рентабельность.

Пример. Рассмотрим многошпиндельную обработку на токарном станке 16К20, оснащенном шестишпиндельным блоком диаметром 140 мм по центрам шпинделей (рис. 7.10). Обрабатываемая заготовка - ходовой винт диаметром 55 мм

и длиной 310 мм, материал - сталь 40Х. Режимы резания: припуск 2 мм, скорость резания v = 300 ... 320 м/мин, частота вращения шпинделей п = 2000 мин"¹, блока п₆ = 40 мин¹ (i = 50), подача в продольном направлении на обо­рот блока S₀ = 3 мм/об. Для рав­номерной загрузки главного дви­гателя обработка ведется двумя резцами, установленными на глу­бину резания t = 1 мм и сдвину­тыми один относительно другого на половину углового шага шпинделя . При попутном направлении скоростей шпинделя и блока результирующая скорость резания равна 317 м/мин. Наибольшая толщина среза равна настроенной глубине a = 1 мм. ; ширина среза по (7.3) , соответствующая максимальной толщине среза , равна

b = S₀(1- 2n /i) = [3 (1 - 2) • 3/50] = 2,64 мм

Рис. 7.10. Общий вид многошпиндельного устройства на токарном станке 16К20 1- корпус; 2- блок шпинделей 3- заготовка; 4- суппорт 5- блок центров; 6- задний центр

Касательная составляющая силы резания, рассчитанная по формуле F_t =C_F a^0.78 bv ^-0.42 HB ^0.35 k _v [8] (для ста­ли 40Х НВ - 156, C_F = 166, К = 1,0), равна F, = 226 даН. Время обработки шести валов Tмаш = l / (nбSо) = 310 / (40 • 3) = 2,59 мин. Выгрузка и загрузка заготовок

совмещена с обработкой и осуществляется с обратной стороны станка в процессе вращения блока.

В режиме фрезоточения частота вращения блока выбирается равной п₆ = = 150 мин (i = 13,3), результирующая скорость резания составляет v_e = v_T - v₆ = = 345 - 92 = 253 м/мин. Для полного срезания припуска необходимо, чтобы один и тот же участок встречался с заготовкой 3-4 раза. По этой причине подача на оборот блока выбирается меньше, чем при точении: S₀ = 1 мм/об. При фрезоточе-нии стружка снимается короткими отрезками переменной толщины, максималь­ная толщина равна глубине припуска. Время фрезоточения шести валов составля­ет т_р = 310/(150 • 1,0) = 2,07 мин. Вследствие быстрого вращения шпиндельного блока при фрезоточении (п₆= 150 мин"¹) совместить загрузку и выгрузку загото­вок с рабочим процессом не удается. Для выполнения загрузочной операции тре­буется дополнительное время т_х = 0,22 мин.

Машинное время фрезоточения составляет т_маш = т_р + т_х = 2,07 + 0,22 = = 2,3 мин, и в пересчете на один вал т_маш1 = 0,38 мин. Для сравнения время обыч­ного точения вала на одношпиндельном токарном станке при режимах: скорость резания v = 147 м/мин (п = 900 мин"¹), подача 0,3 мм/об - составляет т_маш =1,1 мин.

Таким образом, многошпиндельная обработка увеличивает произво­дительность резания в 2,5 раза, обеспечивает автоматическое деление стружки при обработке материалов любой вязкости, имеет малую энер­гоемкость вследствие рационального распределения срезов. Строгая пе­риодичность срезов, высокий маховой момент шпиндельного блока вме­сте с заготовками позволяют эффективно эксплуатировать двигатель при кратковременных перегрузках и повысить его загрузку до 90 ... 100 %. Для сравнения, по данным ЭНИМСа, мощность главного электродвига­теля универсальных станков используется в среднем на 20 %.

Многошпиндельная обработка позволяет варьировать режим от фре-зоточения (неответственные участки валов) до точения (посадочные мес­та, шейки под подшипники). Переключение скоростей осуществляется автоматически по программе станка.

Роторный многоцелевой автомат с ЧПУ, оснащенный револьверной го­ловкой, позволяет выполнять широкий спектр операций при обработке валов

и коротких тел вращения. Особенно он эффективен в быстросменном серийном и

крупносерийном производстве .

Рис.7.11. а) Схема многошпиндельного шлифования б) план скоростей