4.1.6. Приводы главного движения и подачи

Приводом называется совокупность устройств, приводящих в движение исполнительные органы станка. Обычно привод состоит из электродвигателя и механизма, передающего движение от двигателя к исполнительным органам. Большинство современных высокопроизводительных станков имеют несколько самостоятельных приводов: привод главного движения, привод подачи, привод вспомогательных и установочных перемещений. Наиболее распространены электромеханические приводы, также используются гидро- и пневмоприводы. Приводы главного движения обычно скоростные, приводы подачи – тихоходные. Основные технические характеристики привода:

- диапазон регулирования частоты вращения (соотношение максимальных и минимальных частот вращения);

- точность поддержания частоты вращения (разность между заданной частотой вращения и выходной частотой);

- чувствительность привода к изменению параметров;

- коэффициент полезного действия.

Поскольку станки предназначены для обработки заготовок разных размеров и из различных материалов, привод должен обеспечивать возможность изменения скорости движения исполнительных органов станка в определенных интервалах. Это обычно учитывается при проектировании станка. Для шпинделя станка n_max = 1000v_max/πD_min;

n_min = 1000v_min/πD_max, где n_max и n_min – верхний и нижний пределы регулирования частоты вращения шпинделя; v_max и v_min – предельные значения скорости резания, зависящие от физико-механических свойств обрабатываемого материала, а также от материала режущей части инструмента. D_max и D_min – предельные значения диаметра обработки (обрабатываемой поверхности или вращающегося режущего инструмента). Обычно D_min/ D_max = 0,120,25.

Отношение пределов регулирования R = n_max/ n_min называется диапазоном регулирования частот вращения и является важной характеристикой привода, определяющей степень универсальности станка. Для станков токарных, расточных, фрезерных R = 50150, для сверлильных R = 1550, для шлифовальных R = 13.

В приводах станков применяется ступенчатое или бесступенчатое регулирование скоростей главного движения и подачи. Приводы со ступенчатым регулированием обычно выполняются в виде коробок скоростей подач, позволяющих получать ряд фиксированных значений частот вращения. При бесступенчатом регулировании возможно плавное изменение скорости резания или подачи на ходу, т.е. без остановки станка, с получением любых их значений в заданных пределах.

Регулирование скорости движения исполнительного органа станка может осуществляться как двигателем привода, так и элементами передаточного механизма (коробкой скоростей или подач, вариатором и т.п.).

Электродвигатели. Наибольшее распространение в приводах станков получили асинхронные электродвигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором. Они просты по конструкции, надежны в эксплуатации и имеют невысокую стоимость. Электродвигатели могут быть с жесткой или мягкой характеристикой. Если цепь двигателя не содержит каких-либо дополнительных сопротивлений, его характеристика является жесткой. При этом изменение момента вызывает лишь незначительное изменение частоты вращения его вала. В противном случае характеристика является мягкой и изменение момента приводит к существенному изменению частоты вращения вала. В станках обычно применяются двигатели с жесткой характеристикой.

Асинхронные электродвигатели имеют частоту вращения магнитного поля статора (синхронную частоту вращения), мин ^-1: n = 60f/p, где f – частота питающего переменного тока, с^-1; р – число пар полюсов обмотки статора. Из формулы видно, что регулирование двигателя переменного тока можно осуществлять изменением числа пар полюсов статора и изменением частоты тока.

Ступенчатое регулирование изменением числа пар полюсов путем переключения обмоток статора используется в многоскоростных асинхронных двигателях.

Тяжелые станки могут оснащаться электродвигателями постоянного тока с параллельным возбуждением, отличающимися жесткой механической характеристикой.

В последнее время для электрического бесступенчатого регулирования скорости применяют в основном двигатели постоянного тока с тиристорными (полупроводниковыми) преобразователями. Двигатели постоянного тока дороже и тяжелее асинхронных, требуют специального питания, поэтому их применение в станках должно быть технически и экономически обосновано.

По исполнению электродвигатели бывают на лапах для горизонтального расположения и фланцевые для горизонтальной и вертикальной установки.

Приводы со ступенчатым регулированием получили наибольшее распространение ввиду их сравнительной конструктивной простоты и надежности в эксплуатации. Ступенчатый ряд частот вращения шпинделя получают в станках при помощи коробок скоростей с переключающимися зубчатыми передачами (механическое регулирование), многоскоростных электродвигателей (электрическое регулирование) или сочетания тех и других (электромеханическое регулирование). Наиболее часто в станках применяют коробки скоростей с односкоростными асинхронными двигателями. Их основные достоинства: небольшая стоимость, высокий КПД, компактность, сохранение постоянства мощности на всем диапазоне регулирования; простота обслуживания. По способу переключения ступеней коробки скоростей выполняются со сменными зубчатыми колесами и с передвижными блоками колес, механическими и электромагнитными муфтами и комбинированным переключением.

Основные достоинства приводов с бесступенчатым регулированием скорости: возможность получения на станке скорости резания, обеспечивающей наивысшую производительность обработки или минимальную ее себестоимость; возможность плавного изменения ее во время работы без остановки станка; простота автоматизации процесса переключения скоростей. Поэтому бесступенчатое регулирование, несмотря на его сравнительно высокую стоимость, находит в современных станках все более широкое применение. По способу осуществления бесступенчатое регулирование может быть электрическим, механическим и гидравлическим.

Приводы подачи служат для формообразующего движения в направлении обрабатываемой поверхности (продольном, поперечном и др.) со скоростью, обеспечивающей заданную толщину среза. Конструктивно привод подачи обычно выполняется в виде механизма, называемого коробкой подач. Приводы подач являются тихоходными. Скорость подачи в среднем на два порядка ниже скорости резания. Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к коробкам подач, является редукция (уменьшение) скорости. Кроме того, они должны обеспечивать широкий диапазон регулирования подач и расширенный ряд ступеней переключения. Коробки подач большинства станков обеспечивают точную кинематическую связь между шпинделем (ползуном) и суппортом (столом) станка, сообщая режущему инструменту или обрабатываемой заготовке необходимую скорость непрерывного или периодического перемещения.

У большинства станков подачи непрерывные, в строгальных и долбежных станках – периодические. Привод механизмов подачи может быть общим с главным движением (токарные, сверлильные, расточные, зубообрабатывающие и др. станки) и раздельным (фрезерные, шлифовальные станки). Для механизмов подач ряда станков (резьбонарезных, зубообрабатывающих) характерна высокая точность кинематических цепей.

Для осуществления прямолинейных подач в станках широко применяют гидравлический привод. Отсутствие вибраций при работе гидропривода обеспечивает возможность обработки поверхностей деталей с низкой шероховатостью. Поэтому гидропривод особенно часто применяют в цепях подачи шлифовальных и доводочных станков.