5.3. Токарные полуавтоматы и автоматы. Конструкции и особенности проектирования

Токарные полуавтоматы и автоматы (ТПА) предназначены для выполнения боль­шинства видов токарных работ в крупносе­рийном и массовом производстве.

ТПА выпускаются с горизонтальной или вертикальной осью вращения шпинделя. По­следние имеют преимущество по занимаемой площади, по удобству отвода стружки из зоны резания и защите от нее направляющих, обес­печивают, по сравнению с горизонтальными ТПА, более высокую точность обработки ввиду отсутствия влияния сил тяжести заготовки на поперечные деформации шпинделя. Эти стан­ки используют для патронной обработки заго­товок в условиях серийного производства, а для повышения производительности конст­руируются с несколькими суппортами и шпинделями.

На горизонтальных ТТ1А обрабатываются преимущественно заготовки пруткового и трубчатого вица, хотя не исключена обработка предварительно обработанных штучных заго­товок.

По числу шпинделей различают одно и много шпиндельные ТПА.

Конструкции одно шпиндельных ТПА ха­рактеризуются наличием нескольких одновре­менно работающих салазок, что позволяет совмещать рабочие ходы с целью сокращения основного машинного времени при обработке нескольких деталей. В зависимости от харак­тера обработки различают ТПЛ продольного или поперечного фасонного точения, причем первые применяются при соотношении длины L и диаметра D L / D Z 2,5, вторые - при L/DZ 2,5.

Рис.5.4. Токарные полуавтоматы:

а - фасонно-отрезной; б - продольного точения

Рис..5.6. Токарные одно шпиндельные программируемые полуавтоматы:

а - фронтальный; б - с инструментальным магазином; в - с устройством загрузки заготовки и выгрузки готовой детали

Рис.5.6. Вертикальный патроннный одно шпиндельный полуавтомат

Рис.5.7. Многошпиндельный горизонтальный полуавтомат с вращающимися заготовками

Рис.5.8. Много шпиндельные горизонтальные полуавтоматы с вращающимися инструментами: а - постельная конструкция; б - рамная конструкция

Рис.5.9. Много шпиндельный вертикальный полуавтомат

Рис 5.10. Фронтальные полуавтоматы:

а – одно шпинделъный; 6 – двух шпиндельный

Таблица 5.8.. Основные подвиды токарных полуавтоматов и автоматов

Рисунок	Основные компоновочные и конструктивные особенности	Область применения
1	2	3
Попереч­ного и продольно­го точения, рис.5.4	Простейшие одно шпиндельные горизонтальные ТПА с РВ. Поперечное точение ведется при неподвижно за­фиксированной заготовке методом поперечного вреза­ния. Некоторые модели имеют продольный суппорт для сверлильных работ. При продольном точении заготовка со шпиндельной бабкой получает продольное переме­щение. Наличие поперечных суппортов при соответст­вующем сочетании их движений со шпиндельной баб­кой, позволяет получать требуемые фасонные поверхно­сти. При отношении длины к диаметру обработки L / D = 1,5 -г 2,5 используют поперечное точение, при L/ D > 2,5 - продольное. Оснащаются гидравлическими копи­ровальными устройствами для фрезерования резьбы, обточки некруглых изделий, автоматической загрузкой, системами контроля и т. д.	Применяются в крупносерийном и массовом производ­стве деталей из прутка или бунта
Одно шпин- дельные програм­мируемые, рис.5.5	Являются развитием горизонтальных ТПА с кулачковым управлением. Целесообразно деление на группы в зави­симости от диаметра проходного отверстия шпинделя. В конструктивном отношении повышается вариабельность и степень унификации при решении различных техно­логических задач, возможность агрегатирования ТПА с ПУ. Характеризуются вертикально-наклонной станиной, наличием гидравлического цангового или патронного зажима для прутковых и штучных заготовок. Главный привод - реверсируемый с бесступенчатым регулирова­нием в сочетании с мало ступенчатой коробкой скоро­стей. Пиноли могут содержать неподвижные или вра­щающиеся инструменты с многократным использовани­ем. Возможна установка РГ различной формы напротив рабочего шпинделя. Количество суппортов обычно не превышает пяти. Часто ТГ1А с ПУ работают в комплексе с загрузочно-разгрузочными устройствами и инструмен­тальными магазинами	Применяются в мелко- и среднесе­рийном производстве. Оснащаются допол­нительными устрой­ствами для выполне­ния комплексной обработки. Комплек­туются магазинными загрузочными устрой­ствами
Одно шпин- дельные вертикаль­ные, рис.5.6	TTLA с вертикальной осью вращения шпинделя изделия обычно многорезцовые. Конструкция обеспечивает при тех же размерах обрабатываемой заготовки сокращение производственной площади для установки, улучшения отвода стружки. Для обработки конусных поверхностей используется наклоняемый инструментальный шпин­дель. Повышение точности обеспечивается за счет меньших деформаций от сил тяжести заготовки. Управ­ление ТПА как ручное, так и программное. Некоторые модели имеют подвижный стол и инструментальный магазин	Используются в условиях серийного производства при обработке в патроне штучных заготовок

Продолжение табл..5.8

1	2	3
Много шпин­дельные горизонталь­ные с вра­щающимися заготовками, рис.5.7	ТПА горизонтального типа параллельного или последо­вательного принципа действия на шесть-восемь шпин­делей. На продольном суппорте призматической формы устанавливается до восьми инструментальных салазок, пинолей или револьверных салазок с возможностью корректирования положения инструмента. Общие тен­денции развития связаны с повышением общей жестко­сти. Останов или фиксация части шпинделей позволяет использовать дополнительные устройства, расширяющие технологические возможности ТПА. Помимо попереч­ных суппортов столового типа с прямоугольными на­правляющими предусматривается комплект базирования для нижнего бокового суппорта, возможность установки инструментальных приспособлений с автономным при­водом. У ТПА с вращающимися заготовками главный вал управления имеет дисковые плоские кулаки. Инст­рументальная оснастка прутковых и патронных ТПА различается только устройством зажимных приспособле­ний. Для манипулирования заготовками на прутковых ТПА используются прутковые магазины для сокращения внецикловых потерь времени. Для большинства форм деталей при загрузке на патронных ТПА используется поворотный загрузочный кронштейн	Используются в массовом производ­стве деталей точени­ем из прутковых и штучных заготовок. Возможна встройка системы активного контроля, много­проходного копиро­вального устройства или крестовых сала­зок
Много­шпиндель­ные гори­зонтальные с вращаю­щимися инструмен­тами, рис 5.8	ТПА данного подвида являются патронными. Резание осуществляется инструментами, закрепленными в глав­ных шпинделях, а заготовки закрепляют в многоместной поворотной головке. Станина имеет постельную (а) или рамную (б) конструкцию. Барабан с заготовками уста­новлен на центральном валу, подшипниковые опоры которого расположены в шпиндельных бабках. Силовые головки ТПА рамной конструкции снабжены выдвиж­ной пинолью с гидроприводом, а сами головки приво­дятся во вращение от главного привода с разной часто­той вращения. Установка пути перемещения главного шпинделя - кулачковая. Каждая силовая головка имеет независимый главный привод и привод подачи. Пово­ротный барабан индексируется с помощью цилиндриче­ских зубчатых колец с гидро зажимом в пределах 60 - 120°. Управление ТПА - программное. Для деталей с фланцевыми поверхностями используются двух- и трех- кулачковые патроны, для прутковых заготовок - зажим­ные цанги. ТПА имеют широкую гамму инструменталь­ных приспособлений	Используются в серийном производ­стве для оконча­тельной двусторон­ней обработки заго­товок относительно сложной конфигу­рации, особенно несимметричного сечения относитель­но оси вращения

Продолжение табл.5.8

1	2	3
Много- шпиндель­ные верти­кальные, рис.5.9	ТПА последовательного и параллельного действия. Первые отличаются от вторых отсутствием поперечных суппортов, ввиду чего используются специальные суп­порты для преобразования продольного перемещения в поперечное. Шпиндели с вертикальной осью располага­ются на периодически поворачивающемся горизонталь­ном столе относительно неподвижной колонны с суп­портами. Цикл обработки заканчивается полным оборо­том стола в позицию загрузки-выгрузки, по времени, лимитируемом наиболее продолжительной операцией. Большое количество устанавливаемых инструментов позволяет обрабатывать достаточно сложные заготовки. ТПА параллельного действия имеют меньшие тех­нологические возможности, поскольку обработка заго­товки ведется инструментами, расположенными только на одной позиции, от начала до конца. При этом стол вместе с суппортами поворачивается относительно не­подвижной колонны с управляющими кулачками	Предназначены для обработки деталей в патроне в серийном производстве
Фронталь­ные, рис.5.10	ТПА имеют предельно короткую наклонную станину и не более двух горизонтальных шпиндельных бабок. В штатный состав одно шпиндельных ТПА (а) входят пра­вые и левые крестовые салазки, симметрично располо­женные относительно шпинделя. Двух шпиндельные ТПА (б) могут иметь дополнительно до трех суппортов для каждого из шпинделей. ТПА оснащаются электро- и гидроавтоматикой с путевым управлением. Последова­тельность циклов перемещения салазок задается со ште­керного поля. При ЧПУ привод подачи осуществляется от индивидуального регулируемого электропривода че­рез шариковинтовую передачу. ТПА можно использо­вать для обработки заготовок с двумя перестановками	Предназначены для обработки дискооб­разных заготовок. При ручной загрузке используются в мел­ко- и среднесерий­ном производстве с автоматической за­грузкой и контроль­но-измерительными устройствами - в крупносерийном

Многошпиндельные TTIA имеют пово­ротный узел для многоместного закрепления заготовок с последовательным подводом к разным группам инструментов, расположен­ным на различных рабочих позициях станка. В результате возможно получение принципиаль­но различных конструктивных форм ТПА - с вращающейся заготовкой или инструментом, а также с одновременным их вращением.

Управление рабочим циклом ТПА с по­мощью кулачкового распределительного вала (РВ) до настоящего времени в целом ряде случаев остается наиболее экономичным (например, в крупносерийном и массовом производстве), несмотря на достижения в об­ласти гидравлических и электронных средств управления.

В качестве основных параметров ТПА, как и для токарных станков вообще, прини­маются наибольший диаметр и длина обраба­тываемой заготовки.

Данные ТПА приведены на рис.5.4 -5.10 и в табл.5.8.

Конструкции подгрупп рассматриваемых ТПА мало отличаются друг от друга, вследст­вие чего ниже отмечаются только нетривиаль­ные конструктивные решения.

Станины TTIA поперечного и продоль­ного точения могут дополнительно устанавли­ваться на основании. Для направления и под­держания прутковых заготовок в процессе работы ТПА используется загрузочное устрой­ство трубчатого вида, закрепляемое на отдель­ной стойке. Подача заготовки в зону резания осуществляется с помощью салазок, а ее фик­сация в продольном направлении - системой зажимных устройств.

Совместно со станиной выполнен редук­тор привода распределительного вала. Червяч­ное колесо редуктора - разрезное, что позво­ляет регулировать люфт в зацеплении. Червяк свободно сидит на валу включения зубчатых муфт.

Вертикальные суппорты (рис. 5.11) смонтированы на стойке, имеющей неподвиж­ный (подвижный) люнет для поддержания обрабатываемого конца заготовки. Суппорты имеют независимые движения от кулачков распределительного вала через промежуточные механизмы.

Балансир расположен в нижней части суппортной стойки и представляет собой два диаметрально установленных поперечных суппорта для отрезки готовой детали посредством его движения от кулачка вместе с несущим их коромыслом.

Рис. 5.11. Вертикальные суппорты токарного полуавтомата

Суппорты балансира регулируются по глубине резания, длине детали и относительно оси обрабатываемой заготовки.

Шпиндельная бабка (рис.5.12), в от­личие от бабки ТПА поперечного точения, имеет вращающийся шпиндель, расположен­ный в продольно перемещающемся по на­правляющим станины литом корпусе. Подача бабки осуществляется кулаком распредвала, а величина хода устанавливается рычажно- винтовым механизмом. Обратный ' ход бабки - пружинный с ограничением по жесткому упору.

Рис.5.12. Шпиндельная бабка токарного полуавтомата

Одно шпиндельные программируемые TIIA технологически являются более гибкими и в известной степени являются усовершенство­ванным симбиозом одно шпиндельных патронно-прутковых 11В станков и ТПА попе­речного (продольного) точения больших типо­размеров. Особенностью этих TI1A является высокая степень механизации, автоматизации и оснащенности различными агрегатами со­гласно технологической задаче. Движение ра­бочего шпинделя обеспечивается переключае­мой четырехступенчатой коробкой скоростей в сочетании с электромагнитными муфтами и парой сменных колес.

Дополнительно соосно продольной оси ГПА напротив рабочего шпинделя могут быть установлены одна или две пиноли, служащие для установки неподвижных или вращающих­ся инструментов, а также револьверные голов­ки с собственным приводом или копироваль­ное устройство.

В состав программируемых ТПА вклю­чаются устройства коррекции или активного контроля, что позволяет вводить поправки в размерную настройку инструмента.

Программное управление ТПА весьма разнообразно и его выбор диктуется простотой и экономичностью использования.

Одно шпиндельные вертикальные ТПА со­ответствуют основным принципам конструи­рования современных станков общего назна­чения. Существуют два варианта компоновки шпинделя изделия - верхнее и нижнее. По­следнее применяют наиболее часто, так как это способствует достижению наибольшей жесткости и виброустойчивости. Некоторые конструкции одно шпиндельных вертикальных ТПА содержат расточный суппорт, устанавли­ваемый на поворотной плите.

Приводы суппортов гидрофицированных ТПА имеют копировальные устройства. Работа гидросистемы выполняется по схеме дроссели­рования на входе. Программно управляемые ТПА в качестве приводов суппортов имеют индивидуальные электромеханические переда­чи с регулируемыми двигателями постоянного тока.

Многошпиндельные горизонтальные ТПА с вращающимися заготовками. По принципу работы различают ТПА параллельного и по­следовательного действия, по форме обрабаты­ваемых заготовок - прутковые и патронные.

Станина несет на своей верхней плоскости уалы стоек привода и шпиндель­ной, для жесткости соединенных траверсой. Она служит также для размещения верхнего бокового суппорта и направляющих продоль­ного.

Стойка привода содержит меха­низмы главной передачи и установки частоты вращения РВ с электродвигателем, а также механизм передачи движения на инструменты с самостоятельным приводом.

Шпиндельная стойка в качестве основного элемента включает барабан с уста­новленными в нем шпинделями, несущими заготовки. Она является внешним узлом, оп­ределяющим точность обработки в зависимо­сти от точности изготовления и фиксации барабана после поворота с помощью мальтий­ского механизма. В стойке расположены также механизмы закрепления и подачи заготовки.

Вращение шпинделей осуществляется от центрального зубчатого колеса, установленного на центральном приводном валу и получаю­щим движение посредством клиноременной передачи от главного привода. Центральный вал имеет также зубчатые колеса для привода приспособлений с вращающимися инструмен­тами с возможностью реверса при нарезании резьбы. Привод поворота барабана устроен таким образом, что скорость и направление его поворота не сказывается на движении шпинделей, скорость которых можно менять на ходу.

Траверса, помимо обеспечения жест­кости, служит для размещения распредели­тельного вала управления ТПА, получающим движение через систему передач от полого вала, концентрично установленного по отно­шению к центральному приводному валу. РВ управления имеет кулачки для перемещения продольных салазок и бокового суппорта, по­дачи и зажима заготовок, управления фикса­тором барабана, выполнения специальных команд для приспособлений.

Блок продольных салазок в значительной мере определяет размеры рабо­чей зоны, жесткость центрального вала и вер­оятность столкновения работающих суп­портов, зависящую от схемы их расположения. Варианты схем показаны на рис.6.13, а и б для прутковых и патронных ТПА соответст­венно. Продольные салазки установлены на полом валу и имеют возможность перемеще­ния вдоль него посредством рычажного меха­низма от соответствующих кулачков РВ управ­ления. Для правильного взаимного располо­жения граней салазок относительно осей шпинделей следует предусматривать соответст­вующие регулировки.

Рнс.5.13. Схемы расположения суппортов в токарных полуавтоматах:

а - прутковых; б - патронных

Нижние боковые суппорты, испытываю­щие значительные нагрузки, устанавливают на нижней части станины. Их ход можно регули­ровать в .определенном диапазоне независимо от профиля кулачка.

В зависимости от исполнения ТПА - пруткового или патронного - станки оснащают широкой номенклатурой различных дополни­тельных устройств - как для инструмента, так и для заготовок.

Многошпиндельные горизонтальные TI1A с вращающимися инструментами - это по сути патронные ТПА с инструментальными шпин­делями, имеющими несколько направлений подачи для обработки заготовки с двух сторон или более. При этом заготовки закрепляют в поворотной револьверной головке, зажимные устройства которых обычно имеют более крупные размеры, соответствующие форме заготовок.

Шпиндельные бабки с встроен­ными приводами несут по пять инструмен­тальных шпинделей. Противоположные бабки соединены центральным валом, на котором между бабками расположен поворотный бара­бан с шестью позициями зажима. Вал закреп­лен в упорных подшипниках шпиндельных бабок.

Шпиндель получает подачу, не связан­ную с ускоренными рабочими ходами шпин­дельной бабки, имеющей гидравлический при­вод.

Силовые головки ТПА рамного типа (рис. 5.14) имеют гидравлическую подачу; вращательное движение шпиндели получают от электродвигателей через зубчатую или ременную передачу. Величина продоль­ного перемещения устанавливается кулачками, связанными с выдвижной пинолью. Скорость подачи регулируется бесступенчато.

Барабан с заготовками (рис.5.15) имеет механизм фиксации после его поворота гидравлическим ШД через предохранительную муфту.

На ТПА горизонтального типа элементы поворота и фиксации барабана расположены в левой шпиндельной бабке У, в правой 2 - вспомогательное устройство с фиксированием. Включение поворота барабана - гидравличе­ское.

В ТПА рамной конструкции поворот ба­рабана индексируется цилиндрическими зубча­тыми кольцами с гидравлическим зажимом.

Рис.5.14. Силовая головка токарного полуавтомата рамного типа

Рис.5.15. Механизм фиксации барабана с заготовками

Управление всеми движениями ТПА - электрическое программное управление, уста­новка пути - аналоговая кулачковая.

Зажимные устройства показаны на рис.5.16 (а - обычное исполнение; б - с пово­ротным устройством; в - с двух- и трех кулачковыми патронами; г - с зажимной цангой; д - с зажимной оправкой; е - с палетами).

Многошпиндельные вертикальные TTIA, несмотря на различие в принципах работы, имеют тождественные компоновочные реше­ния. Ввиду больших технологических возмож­ностей распространены ТПА последователь­ного принципа действия.

Станина (основание) с центральной тумбой служит для монтажа основных узлов ТПА, размещения емкостей для смазки и гид­равлики. Тумба - неподвижная вертикальная пустотелая колонна с конической поверхно­стью в нижней части, сопряженная с поворот­ным столом и являющаяся главным опорным элементом несущей системы. На продольных плоских гранях колонны установлены направ­ляющие суппортов. К верхнему торцу колон­ны крепится фланец для размещения коробок скоростей и подач, редукторы и стойки со встроенным гидроцилиндром с тягой, управ­ляющей синхронизаторами вращения шпинде­лей и тормозом на загрузочной позиции стола. В загрузочной позиции основания расположе­ны механизмы поворота стола и фиксации.

Рис. 5.16. Зажимные устройства токарных полуавтоматов

Поворотный стол расположен в горизонтальной плоскости относительно вер­тикальной колонны на специальном двойном упорном шарикоподшипнике, удерживающем стол от вертикальных перемещений. В столе установлены вертикальные шпиндели с заго­товками, причем на позиции загрузки- выгрузки вращение шпинделя отсутствует. Каждый шпиндель снабжен приводным зубча­тым колесом, включаемым через синхрониза­тор, упорными планками мальтийского меха­низма, стопором фиксатора и гидрораспреде­лительным устройством, управляющим гидро­цилиндром зажима заготовки.

Синхронизатор с тормозом (рис.5.17) установлены на каждой шпин­дельной позиции с .целью безударного сцеп­ления с приводом главного движения после поворота стола и разгона шпинделя до уста­новленной скорости. Включение синхрониза­торов всех шпинделей одновременное и вы­полняется штоком гидроцилиндра, встроен­ного в раздаточные шестерни, посредством рычагов. Тормоз шпинделя на загрузочной позиции включается одновременно с синхро­низаторами.

Суппорты. Применяются четыре типа суппортов: простые с вертикальной (продольной) подачей; последовательного дей­ствия (с вертикальной и поперечной подача­ми); универсальные (подача под углом); двой­ного действия (вертикальная и две противопо­ложных поперечных подачи). Они обеспечи­вают четыре цикла работы суппортов на каж­дой рабочей позиции посредством механиче­ских командоаппаратов.

Фронтальные ТПА являются раз­новидностью токарных патронных автоматов, обслуживаемых с торцовой стороны патрона рабочей зоны. Двух шпиндельные конструкции исключают силовое взаимодействие шпинде­лей друг с другом в процессе резания.

Рис. 5.17. Синхронизатор с тормозом

Список литературы

1. Металлорежущие станки. Номенклатурный справочник. М.: ЭНИМС,

ЦНИТИ, 1993, 116 с.

2. Металлорежущие станки. Токарные станки: Отраслевой каталог/ВНИИТЭМР М.: ВНИИТЭМР, 1992 , 132 с.