2. Обработка на токарных многорезцовых станках и станках с копировальными устройствами

Обтачивание на многорезцовых станках. Принцип концентрации операций при токарной обработке осуществляется при обтачивании одновременно нескольких поверхностей вращения несколькими инструментами — резцами — на многорезцовых станках. Такие станки-полуавтоматы широко применяются в серийном и массовом производстве. Обычно на многорезцовых станках имеются два суппорта — передний и задний. Передний суппорт, имеющий продольное (а также и поперечное) движение, служит большей частью для продольного обтачивания заготовок — валов или других деталей (тел вращения). Задний суппорт, имеющий только поперечное движение, предназначен для подрезания торцов, прорезания канавок, фасонного обтачивания. Многоместные суппорты могут быть оснащены большим количеством резцов, доходящим до 20. Многорезцовые станки с большим расстоянием между центрами имеют два передних и два задних суппорта. Движение суппортов автоматизировано; закончив обработку, суппорты возвращаются в исходное положение автоматически. Останавливается станок также автоматически, рабочий только устанавливает и снимает заготовки и пускает станок.

На многорезцовых станках детали обрабатывают в центрах, на оправках или в патронах.

На многорезцовых станках в результате сокращения основного и вспомогательного времени достигается значительное снижение трудо- и станкоемкости обработки.

Отечественные заводы выпускают токарные многорезцовые полуавтоматы моделей 1721 и 1731, позволяющие обрабатывать детали соответственно диаметром 200 и 320 мм, длиной 828 и 870 мм, и ряд других моделей.

На рис. 2 изображены схемы обтачивания вала на однорезцовом (рис, а) и многорезцовом (рис, б) токарных станках.

Рис.2. Схемы обтачивания вала.

В первом случае длина пути суппорта с резцом равна l, во втором — резцы двигаются одновременно, каждый на своем участке, и длина пути суппорта и каждого резца равна l/3 — , так как на суппорте установлено 3 резца.

Основное время в первом случае равно: , а во втором случае – .

l — длина обрабатываемой поверхности в мм; п — число оборотов шпинделя в мин; s — подача в мм/об

Еще большая экономия времени получается при обработке на многорезцовых станках ступенчатых валов, так как одновременно с обтачиванием всех ступеней производится их подрезание или протачивание канавок с помощью заднего суппорта. Настройка резцов производится так, чтобы обработка всех участков вала заканчивалась одновременно.

На рис, в резцы 1 и 2 обрабатывают ступень вала ; резец 3 — ступень Б; резцы 4 и 5 протачивают канавки и все они заканчивают обработку одновременно. В этом случае основное время уменьшается по сравнению с работой на универсальном токарном станке благодаря сокращению длины пути резцов и их одновременной работе; вспомогательное время сокращается вследствие того, что исключается необходимость смены резцов, поворотов резцедержателя и добавочных перемещений суппорта. Основное время подсчитывается по резцу, который обтачивает наиболее длинную поверхность.

Многорезцовое обтачивание можно выполнять тремя различными способами.

Первый способ — обтачивание с продольной подачей (рис.3, а). В этом случае каждый резец установлен на определенный диаметр. По мере продольного движения суппорта резцы последовательно вступают в работу. Длины отдельных ступеней вала, которые надо получить при обтачивании, определяются взаимным расположением резцов.

Рис.3. Три способа обтачивания вала на многорезцовом станке.

По схеме рис.3, а резец 1 совершает путь, равный сумме длин участков: , резец 2 — путь, равный 1₂ + lз, и резец 3 — путь, равный l₃.

Второй способ — обтачивание с врезанием и последующей продольной подачей (рис.3, б). При этом способе резцы 1, 2 и 3, расположенные, как в предыдущем примере, начинают обработку заготовки одновременно в различных точках, а не с конца вала последовательно один за другим, как при первом способе. Вначале суппорт перемещается в поперечном направлении (от специального копира или линейки), резцы врезаются на требуемую глубину, и затем суппорт движется в продольном направлении. Каждая ступень вала (l₁; l₂; lз) обтачивается одним резцом, вследствие чего суппорт передвигается на длину наиболее длинной ступени l₁. Этот способ применим при условии, что весь припуск может быть снят каждым резцом за один проход.

Рис. 4. Схемы наладки многорезцового станка для обтачивания:

а — двухвенцового зубчатого колеса; б — ступенчатого вала

Разновидность этого способа показана на рис. 3, в; здесь для сокращения длины прохода суппорта длинная ступень 1_Х обтачивается двумя и более резцами (в других подобных случаях применяют и более двух резцов). Если длина каждой ступени примерно кратна длине наиболее короткой ступени, то длина пути каждого резца равна длине этой наиболее короткой ступени. По схеме рис. 3, в каждый резец совершает путь, равный длине .

Третий способ — обтачивание поперечной пода­чей (рис.3, г). При этом методе каждый резец обтачивает данную ступень путем поперечной подачи (s_non), причем ширина каждого резца соответствует ширине обрабатываемой ступени. Этот метод имеет ограниченное применение; он может быть использован при обработке коротких цилиндрических, конических и фасонных шеек валов.

На рис. 4, а изображена схема наладки многорезцового станка для обтачивания заготовки двухвенцового зубчатого колеса.

Заготовка обтачивается на шлицевой оправке, которую предварительно запрессовывают в точно обработанное шлицевое отверстие. Оправка устанавливается в центры и вращается за левый квадратный конец 2 поводковой скобой 1.

Резцы устанавливают по специально обточенной заготовке или по специальному шаблону. Наладка станка занимает сравнительно немного времени. Так как время обработки одной заготовки на многорезцовом станке значительно меньше, чем на обычном токарном, то партию в 5—10 заготовок уже выгодно обтачивать на многорезцовом станке. На рис. 4, б показана схема обтачивания ступенчатого вала на многорезцовом станке. Неодинаковая глубина центровых отверстий вызывает различное положение заготовки на станке. Но погрешности центрования не будут иметь влияния при использовании плавающего переднего центра 2, фиксирующего только радиальное положение заготовки, причем положение ее вдоль оси определяется тем, что она своим торцом упирается в неподвижный торец 1 приспособления.

Центр 2 фиксируется винтом 3. Вращение заготовки осуществляется самозажимным поводковым патроном 4 с двумя эксцентриковыми кулачками 5.

Рис. 5. Специальные центры с зубьями, вращающие обтачиваемые заготовки.

Для обтачивания вала пo всей длине применяются передние плавающие центры (рис. 5), имеющие несколько острых зубьев, врезающихся в торец обрабатываемой заготовки при нажиме заднего центра и благодаря этому передающих ей вращение.

Пустотелые заготовки вращаются также передним центром (рис. 5), имеющим острые зубья на конической поверхности (так называемый «ерш»).

Гладкие (бесступенчатые) жесткие валы весьма целесообразно обтачивать минералокерамическими резцами, позволяющими применять скорости резания, превышающие в два и более раза скорости, применяемые при резании твердосплавными резцами. Основное (технологическое) время для точения на токарных станках определяется, как указывалось ранее, по основной формуле: , которая для этого вида работ остается без изменения.

Основное время для обтачивания валов на многорезцовых станках определяется также по вышеуказанной основной формуле. Для этого случая в указанной формуле — расчетная длина пути резца, имеющего наибольшую длину обтачивания, в мм; — число оборотов шпинделя в минуту; s — подача резца за один оборот шпин­деля в мм; i — число ходов (i = 1).

Время работы других резцов, у которых длина обтачивания меньше, перекрывается временем работы резца с наибольшим ходом.

Расчетная длина пути резца /, как было указано ранее равна: где ₀ —длина поверхности, обтачиваемой резцом, в мм; _вр— величина врезания резца, включая путь на подход резца, в мм; — величина перебега резца (принимается равной от 1 до 5 мм).

Величину врезания резца _вр определяют исходя из того, что резцы врезаются на глубину резания по копиру, установленному под углом , или поперечным перемещением продольного суппорта. Величина врезания по копиру определяется по формуле:

Величина врезания поперечным перемещением продольного суппорта определяется по формуле:

Здесь t — глубина резания в мм; — угол наклона копира ( = 15°); — главный угол резца в плане.

Основное время при обработке на многорезцовом станке заготовки цилиндрического зубчатого колеса с отверстием (деталь типа дисков) определяется работой заднего (поперечного) суппорта 1 (рис. 4), так как путь резцов в направлении поперечной подачи значительно больше пути резцов, закрепленных в переднем суппорте 2, в направлении продольной подачи.

При торцовой обточке указанной заготовки (с отверстием):

где _поп — расчетная длина пути резца в поперечном направле­нии в мм; п — число оборотов шпинделя в минуту; s_non — подача резца в поперечном направлении за один оборот шпинделя в мм; d_d — наружный диаметр заготовки в мм; d_m — диаметр отверстия заготовки в мм.

Рис.6. Схема обработки заготовки цилиндрического зубчатого колеса.

В тех случаях, когда по размерам обрабатываемой детали путь резцов в направлении поперечной подачи незначительно больше пути резцов в направлении про­дольной подачи или наоборот, а продольный и поперечный суппорты работают с различными величинами подач, следует установить расчетом, какой из суппортов определяет наибольшее основное (технологическое) время обработки.

При торцовой обточке заготовки без отверстия:

В тех случаях, когда по размерам обрабатываемой детали путь резцов в направлении поперечной подачи незначительно больше пути резцов в направлении про­дольной подачи или наоборот, а продольный и поперечный суппорты работают с различными величинами подач, следует установить расчетом, какой из суппортов определяет наибольшее основное (технологическое) время обработки.

Обтачивание на токарных станках с копировальными устройствами. В последнее время получило широкое распространение обтачивание ступенчатых валов на токарных станках с копировальными устройствами или на токарно-копировальных станках со следящей системой.

Рис. 7. Полуавтоматическое приспособление конструкции В. К. Семинского для обтачивания ступенчатых валов

На рис.7 показано полуавтоматическое приспособление конструкции новатора В. К. Семинского для обтачивания ступенчатых валов на токарно-центровых станках, обеспечивающее получение прямых углов на ступенях вала. Копировальное приспособление устанавливается на место резцедержательной головки токарного станка.

В корпусе 2 на скользящей посадке 2-го класса точности установлена пиноль 3 с закрепленным на ней сухарем 4. Пружины 7 и 8, упирающиеся одним концом в дно стакана 9, а другим — в шайбу, создают постоянный контакт между сухарем 4. и копиром 5.При включении самохода суппорт станка вместе с приспособлением, движется по направлению к передней бабке. Резец 1, установленный в приспособлении, протачивает первую шейку вала, а сухарь 4 скользит по копиру, закрепленному с помощью шарнирной пары, помещенной в специальном кронштейне 6. Последний установлен на станине станка со стороны задней бабки.

Встречая на своем пути ступеньку, вышлифованную в копире 5, сухарь 4 соскальзывает на эту ступеньку, а резец вместе с пинолью 3 под действием пружины оттягивается в горизонтальной плоскости по глубине ступеньки копира и начинает обтачивать вторую ступень вала.

Для сохранения прямого угла между ступенями вала применяется резец с углом в плане 75°. Пиноль 3 в корпусе 2 устанавливается под углом 15°, вследствие чего при переходе резца с обтачивания одной ступени на другую резец отходит от детали в направлении, обратном движению суппорта. Так как резец с пинолью отходит в направлении, обратном движению суппорта, на сотые доли секунды, то он значи­тельно опережает скорость движения суппорта и прямой угол между ступенями вала сохраняется. После протачивания вала поперечный суппорт с резцом отводят на 20—30 мм от детали и с помощью эксцентрика 10 подают пиноль вперед вместе с резцом так, чтобы при возвращении суппорта в перво­начальное положение сухарь 4 не касался копира. Затем отводят эксцентрик 10, и пиноль с резцом устанавливается в рабочее положение, после чего весь процесс обработки повторяется.

При установке приспособления на станок достаточно настроить его только на получение линейного размера первой шейки первого вала партии и затем установить в нулевое положение показание лимба, соответствующее диаметру первой шейки вала. После чего при обтачивании всех остальных валов данной партии все линейные и диаметральные размеры, указанные в чертежах, будут получаться автоматически.

Это приспособление находит широкое применение на машиностроительных заводах при обтачивании ступенчатых валов с перепадом между ступенями вала до 5 мм разницей между наибольшим и наименьшим диаметром шеек до 30 мм.

На токарно-винторезном станке моделей 1К62 и 16К20 завода «Красный пролетарий» ступенчатые валики обтачиваются с помощью специального гидравлического суппорта.

Это устройство позволяет обрабатывать методом автоматического копирования по эталонной детали или плоскому копиру различные ступенчатые валики (а также детали фасонного профиля) с подрезанием торцов, расположенных под углом 90° к оси обрабатываемой детали. При этом можно применить более высокие режимы резания, чем при работе с ручным выключением подачи, резко сократить количество измерений, значительно уменьшить вспомогательное время.

Гидравлическое копировальное устройство состоит из следующих основных узлов: гидрокопировального суппорта 1 (рис.8 а), приспособления 3 для установки копира и бака 2.

Основание гидрокопировального суппорта устанавливается своими направляющими на продольных салазках. Обычный резцедержатель 4 закрепляют в передней части основания; во время работы гидрокопировального устройства он не работает.

В задней части основания сделаны направляющие для корпуса цилиндра, расположенные под углом 45° к направлению продольной подачи (рис. 8, б). По этим направляющим под углом 45° к оси обрабатываемой детали может перемещаться корпус цилиндра и передавать движение резцедержателю и резцу 2. Копир 3 устанавливается в специальном приспособлении и прикрепляется с помощью кронштейнов к станине.

Гидравлическое устройство работает следующим образом.

Масло из насоса 13 под давлением 20—25 am (196-2—2452,5 кН/м²) поступает по каналу 8 в полость 9 цилиндра, соединенного трубкой 7 с золотником 5 через выходное отверстие в нижней полости 12 цилиндра.

Рис.8. Гидрокопировальный суппорт к токарному станку.

Золотник при помощи пружины 6 прижимает со слабым усилием щуп 4 к копиру 3, с помощью которого обрабатывается деталь 1. В поршне 10 имеется втулка 11с калиброванным отверстием, соединяющим обе полости цилиндра.

Золотник щупа и корпус цилиндра с резцом 2 перемещаются под углом 45° к направ­лению продольной подачи.

Если копир отодвинет золотник назад, то масло из полости 12 цилиндра перетекает в сливной бак. Вследствие разности давлений масла в полостях 12 и 9 (в результате гидравлической потери давления и отверстии калиброванной втулки 11) корпус цилиндра вместе с резцом 2 также отходит назад.

Если щуп, следя за копиром, перемещает золотник вперед, то прекращается движение масла в сливной бак, в полостях 12 к 9 устанавливается разное давление и вследствие разности площадей в обеих полостях корпус цилиндра вместе с резцом перемещается также вперед.

Механическое перемещение продольных салазок вдоль станины совершается по стрелке 1, перемещение резца относительно продольных салазок происходит в направлении 11. При соответствующем сочетании скоростей в направлениях 1 u 11 можно получить абсолютное перемещение резца в направлении ///, перпендикулярном оси детали. Когда щуп перемещается в направлении, перпендикулярном на­правлению продольной подачи, что бывает, например, при подрезании торцов, резец перемещается назад в направлении 11 и, в сочетании с направлением 1, движение резца будет происходить в направлении ///, перпендикулярном оси детали.

Точность обтачивания с использованием такого гидросуппорта от ±0,02 до 0,05 мм.

В качестве копиров могут быть использованы плоские и круглые копиры или специально обточенная заготовка.

Ступенчатые валы обрабатываются на токарных гидрокопировальных полуавтоматах моделей 1712, 1722К, МР-27, МР-29, 1732. Такие станки легко встраивать в автоматические линии; при этом транспортирование заготовок осуществляется сквозное (через отверстие в станине) или сверху. Обтачивают валы обычно одним резцом, расположенным в верхнем, перемещающемся по копиру суппорте. Подрезные, или канавочные, резцы располагаются в нижнем суппорте.

Станок настраивают на размер только по одной шейке вала, так как получение остальных размеров обеспечивается копиром и следящей системой станка.

На многорезцовых станках ступенчатые валы обтачивают резцами из быстрорежущей стали со скоростью резания 30—50 м'/мин, а на гидрокопировальных — резцами, оснащенными пластинами из твердых сплавов, со скоростью резания 100—200 м/мин.

Гидрокопировальные станки благодаря значительной жесткости конструкции обеспечивают большую точность и более высокий класс чистоты обработки, чем универсальные станки со специальными гидрокопировальными суппортами.

Многорезцовые и токарно-копировальные станки могут быть оснащены автоматическими загрузочными устройствами и встроены в автоматические линии.

Обтачивать валы на гидрокопировальных станках можно за 1,2, 3 и 4 прохода. Каждый проход осуществляется по отдельному копиру. После каждого прохода суппорт с резцом перемещается в первоначальное положение, а барабан, на котором установлены все копиры, автоматически повертывается в соответствующее положение.

Применение двухскоростного электродвигателя в приводе главного движения позволяет автоматически изменять скорость вращения шпинделя при одновременном изменении величины подачи копировального суппорта. Предусмотрена возможность прохода копировальным суппортом необрабатываемых участков детали на ускоренном ходу. Применение инерционного самодействующего патрона дает воз­можность автоматически зажимать деталь при вращении шпинделя и разжимать при его остановке.

Многие детали типа ступенчатых валов можно обрабатывать на горизонтальном одношпиндельном многорезцовом токарном полуавтомате и гидрокопировальном токарном полуавтомате. Выбор технологического варианта выполнения операции обтачивания затруднителен, так как у каждого из вариантов есть преимущества и недостатки, вытекающие из ряда производственных факторов: вид производства, конструкция и особенности заготовки, требуемые точность и класс шероховатости обработанной поверхности, производительность, себестоимость обработки и пр.

При обработке на многорезцовом токарном полуавтомате, когда одновременно работают несколько резцов, основное (машинное) время меньше, чем при обработке одним резцом на гидрокопировальном токарном полуавтомате. Это различие особенно эффективно проявляется при многорезцовом обтачивании по методу деления длины обработки, когда каждая ступень вала обрабатывается за один проход. В этом случае основное время определяется по длине пути того резца, который обрабатывает наиболее длинную ступень вала.

Если для изготовления ступенчатого вала в качестве заготовки используется прокат, многорезцовое обтачивание ведется по методу деления припуска, так как на ступенях с меньшим диаметром припуск не может быть снят за один проход; впереди расположенные резцы проходят несколько смежных ступеней. Основное время в этом случае определяется суммарной длиной всех обрабатываемых ступеней вала.

Если в отношении основного времени многорезцовое обтачивание имеет преимущество по сравнению с обтачиванием на гидрокопировальных полуавтоматах, то в отношении штучно-калькуляционного времени это не всегда бывает так. Происходит это потому, что подгото­вительно-заключительное время и время на техническое и организационное обслуживание на многорезцовых станках достигает значитель­ных размеров. Наладка таких станков с большим количеством обраба­тывающих резцов (более 10) вызывает такую затрату времени, что применение многорезцового обтачивания становится нецелесообразным.

Следует также иметь в виду, что количество одновременно работающих резцов ограничивается жесткостью обрабатываемой детали, мощностью станка, конструкцией резцедержателей. Валы нежесткой конструкции нельзя обрабатывать одновременно многими резцами.

На точность обработки на многорезцовых полуавтоматах влияют, помимо общих, ряд дополнительных факторов, свойственных многорезцовому обтачиванию: неточность размеров, определяющих взаимное расположение резцов по диаметру и длине ступеней обтачиваемого вала (или другой детали), неодинаковый износ резцов, меняющаяся величина отжатия в технологической упругой системе станок — при­способление — инструмент — деталь, что происходит по причине последовательного вступления в работу резцов, закрепленных в резцедержателях.

На одношпиндельных горизонтальных многорезцовых полуавтоматах точность обработки по диаметру обычно достигается: при черновом обтачивании — 5-го класса, при чистовом — 4-го класса, точность по длине — 5-го класса. Точность размеров по диаметру может быть достигнута и выше — до 3-го класса при использовании чистовых широких резцов и весьма тщательной наладке. Попутно следует отметить, что при многорезцовом обтачивании на вертикальных многошпиндельных полуавтоматах параллельного (непрерывного) действия, когда каждая поверхность обрабатывается на одном суппорте за один проход, получают точность 4-го класса.

При обработке же на вертикальных многошпиндельньгх полуавтоматах последовательного действия достигается точность 3-го класса, так как здесь поверхности обрабатываются за несколько проходов.

Рассматривая процесс обработки на гидрокопировальных полуавтоматах, следует отметить, что обтачивание на этих станках имеет во многих случаях ряд преимуществ перед обтачиванием на многорезцовых станках.

Так как для обтачивания на гидрокопировальных полуавтоматах используется обычно один резец, установка копира и кинематическая наладка сравнительно просты, время на наладку и подналадку таких полуавтоматов значительно (в 2—3 раза) меньше, чем на наладку многорезцовых станков; она занимает примерно 20—40 мин.

Помимо этого, на гидрокопировальном автомате обработку можно вести с более высокими скоростями, чем на многорезцовых станках, т. е. при относительно малой затрате основного времени.

Техническое обслуживание гидрокопировальных полуавтоматов проще и требует меньше времени, чем многорезцовых станков.

В результате указанных преимуществ во многих случаях штучно-калькуляционное время на обработку детали на гидрокопировальных полуавтоматах меньше, а производительность больше, чем на горизонтальных многорезцовых станках.

Детали (особенно валы) нежесткой конструкции удобно и рационально обтачивать на гидрокопировальных полуавтоматах. Точно так же целесообразно производить на них чистовое точение валов, когда при повышенных требованиях к качеству поверхности нельзя применить многорезцовое обтачивание методом деления длины обра­батываемой поверхности.

При обработке на гидрокопировальных полуавтоматах, как было отмечено, получают более высокие точность и класс шероховатости поверхности детали (допуск 0,05—0,06 мм обычно соблюдается). Следящая система копировального устройства обеспечивает получение размеров обрабатываемой детали, соответствующих размерам копира. Погрешности .размеров, определяющих взаимное расположение рез­цов и неодинаковый их износ, как это наблюдается при многорезцовой обработке, здесь отсутствуют. Величина отжатия в упругой технологи­ческой системе незначительна, так как количество работающих резцов по сравнению с многорезцовой обработкой малое (считая подрезные и канавочные резцы).

Гидрокопировальные полуавтоматы, так же как и горизонтальные олношпиндельные многорезцовые, применяются и в серийном и в массовом производстве с большой технико-экономической эффективностью. В мелкосерийном производстве обычные токарные станки оснащают гидрокопировальными устройствами, сокращающими вспомогательное время в 3—4 раза по сравнению с обычными токарными

станками. Затрата времени на наладку этого устройства на станке незначительна и поэтому подготовительно-заключительное время мало отличается от времени для токарного станка. В результате штучное время обработки на токарных станках, оснащенных гидрокопировальным устройством, уменьшается в 2—3 раза по сравнению с временем обработки на обычных токарных станках.

Правильно выбрать вариант выполнения операции на том или другом станке можно только на основании технико-экономических расчетов и сравнения технологических вариантов. Основные критерии здесь — производительность труда и себестоимость детали при том или другом варианте.