Politechnika Szczecińska Wydział Mechaniczny Instytut Technologii Mechanicznej Laboratorium Obrabiarek i Urządzeń Technologicznych instrukcja do ćwiczeń KINEMATYKA TOKARKI Opracował: dr inż. Mirosław Pajor, mgr inż. Marcin Hoffmann
1. Podstawowe pojęcia 1.1. Łańcuch kinematyczny. Każda obrabiarka do metali składa się z pewnej liczby zespołów posiadających różne mechanizmy, które w zależności od rodzaju obrabiarki i wykonywanej na niej pracy nadają zespołom lub ich elementom ściśle określone ruchy. Mechanizmy składają się z elementów, które tworzą pary kinematyczne (np. zazębiające się koła zębate, śruba z nakrętką itp.). Natomiast szereg par współpracujących ze sobą tworzy łańcuch kinematyczny. Łańcuch kinematyczny może otrzymywać ruch bezpośrednio ze źródła napędu albo za pośrednictwem innego łańcucha kinematycznego. 1.2. Łańcuch kinematyczny zewnętrzny. Łańcuch kinematyczny zewnętrzny to taki łańcuch, który przenosi ruch ze źródła napędu na mechanizmy robocze obrabiarki i mający wpływ na szybkość ruchu głównego i posuwowego. 1.3. Łańcuch kinematyczny wewnętrzny. Łańcuch kinematyczny wewnętrzny to taki, który ma wpływ na kształtowanie powierzchni obrabianej. Dwa lub więcej łańcuchów kinematycznych powiązanych ze sobą funkcjonalnie tworzy układ kinematyczny obrabiarki. 1.4. Schemat kinematyczny Schemat kinematyczny jest to przestawienie w postaci rysunku złożonego z symboli graficznych układu kinematycznego obrabiarki. Czytanie schematów kinematycznych wymaga poznania symboli stosowanych do oznaczeń elementów obrabiarki. Symbole graficzne przyjmuje się wg Polskich Norm PN-82/M-01088 i PN-82/M-01089. Zestawienie symboli przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Symbole elementów układu kinematycznego obrabiarki.
1.5. Funkcja kinematyczna Funkcja kinematyczna to wyrażenie matematyczne definiujące położenie członu końcowego względem członu początkowego łańcucha kinematycznego x ( n ) k y( ) (1) s n WR Funkcja ta określa zależność wielkości wyjściowych y do wielkości wejściowej x łańcucha kinematycznego. Dla funkcji liniowej: y = k (2) x gdzie: k - współczynnik proporcjonalności. Wielkościami wejściowymi i wyjściowymi mogą być: - przemieszczenie liniowe L, - przemieszczenie kątowe ϕ, - prędkości liniowe v, - prędkości kątoweω. 1.6. Błędy kinematyczne Błąd kinematyczny jest to wartość funkcji błędu kinematycznego dla określonej wartości położenie członu początkowego. K = f ( ϕ x ) f o ( ϕ x ) (3) gdzie: K - błąd kinematyczny. Błędy kinematyczne powodowane są: - błędami wykonania elementów łańcucha kinematycznego, - błędami dobom przełożenia przekładni gitarowej, - błędami wynikającymi z podatności elementów łańcucha kinematycznego, związane z działaniem zmiennych obciążeń. 2. Elementy łańcucha kinematycznego napędu głównego 2.1. Odboczka Najczęściej spotykane są odboczki dwu i trzystopniowe, stosowane jako ostatnie przekładnie w skrzynkach przekładniowych. Odboczka służy do rozszerzania zakresu prędkości. Za pomocą przekładni odboczkowej można uzyskać od 2 do 5 różnych przełożeń. Minimalne przełożenie odboczki może wynosić 1 1 1 i min = = (4) 4 4 16 a największa rozpiętość przełożeń R max = 16. W przekładni odboczkowej dwu stopniowej
napęd ze skrzynki prędkości jest doprowadzany do luźnej tulei wrzeciona. Po włączeniu sprzęgła napęd zostaje przeniesiony bezpośrednio na wrzeciono. Po wyłączeniu sprzęgła i włączeniu odboczki wrzeciono otrzyma prędkość obrotową zmienną w stosunku do prędkości obrotowej tulei o przełożenie odboczki. Przełożenie odboczki z zasady jest mniejsze od jedności. Rys. 1 przedstawia schemat kinetyczny odboczki dwustopniowej. i odb z1 z3 = (5) z2 z4 Rys. 1. Schemat kinetyczny odboczki dwustopniowa. 2.2. Przekładnia pasowa Przekładnie pasowe znajdują szerokie zastosowanie w obrabiarkach Do ich podstawowych zalet należą: - łagodne i bez drganiowe przenoszenie napędu, - możliwość przenoszenia napędu na znaczną odległość, - występowanie poślizgu (wyjątek stanowią tylko pasy uzębione w przypadku występowania nadmiernego obciążenia). Ostatnia z podanych cech eliminuje konieczność użycia w napędzie sprzęgieł przeciążeniowych lub sprzęgieł bezpieczeństwa. W napędach obrabiarek stosuje się przekładnie z pasami płaskimi, z pasami klinowymi lub z pasami uzębionymi. Rys. 2 przedstawia przykładowe koła pasowe stosowane do pasów płaskich, pasów klinowych, pasów uzębionych. Rys. 2. Koła pasowa: a). do pasków płaskich, b). do pasków klinowych, c). do pasków zębatych.
Pasy płaskie dzięki dużej podatności na zginanie są stosowane zwłaszcza do pracy przy dużej prędkości. Niewielka wypukłość wieńca koła pasowego f = 0,01 B ma na celu zapobieżenie spadania podczas pracy. Pasy klinowe w porównaniu z pasami płaskimi lepiej przylegają do koła pasowego, umożliwiają stosowanie mniejszego kąta opasania oraz mniejszego napięcia wstępnego. Pasy klinowe najczęściej występują w układach równoległych po kilka pasów obok siebie. Pasy uzębione na wewnętrznym obwodzie mają wykonane występy zapobiegające ich poślizgowi. Pasy takie są wzmacniane wewnątrz stalowymi linkami, które zapobiegają rozciągnięciu się pasa oraz umożliwiają przenoszenie przez przekładnie większych obciążeń. 2.3. Skrzynka prędkości Skrzynki prędkości - są to zespoły napędowo-przekładniowe składające się z przełączalnych przekładni zębatych powiązanych między sobą w ten sposób, aby z jednej lub kilku prędkości obrotowych wałka wejściowego (pierwszego) można było otrzymać ciąg prędkości n 1, n 2... n k wałka wyjściowego (ostatniego). Skrzynki prędkości spełniają rolę organów stopniowej zmiany przełożenia w łańcuchach kinematycznych ruchów głównych. Skrzynki prędkości wchodzące w skład łańcuchów kinematycznych ruchów posuwowych nazywamy skrzynkami posuwów. 2.3.1. Liczba prędkości, przekładnie z kołami wymiennymi, przekładnie z kołami przesuwnymi, przekładnie sprzęgłowe W skład skrzynek prędkości wchodzą przeważnie dwu, trzy lub cztero stopniowa przekładnie zębate z kołami przesuwnymi lub przełączane sprzęgłami. W skrzynkach prędkości o uproszczonej konstrukcji stosowane są także przekładnie z kołami wymiennymi. Wszystkie wymienione przekładnie są podstawowymi członami skrzynek prędkości. Z tego powodu nazywane są podstawowymi przekładniami. Zestawiając szeregowo g przekładni podstawowych o ilościach stopni p 1, p 2,, p g można otrzymać na wyjściowym wałku skrzynek k stopni różnych prędkości przy czym g k = p1 p2... p g = p j (6) liczba stopni prędkości jest więc iloczynem ilości przełożeń występujących w poszczególnych grupach przekładniowych. Jak łatwo zauważyć, liczba stopni prędkości k nie zależy od porządku w jakim umieszczone są w skrzynce przekładnie podstawowe. Na przykład sześcio stopniową skrzynkę prędkości można zbudować kojarząc ze sobą dwójkę i trójkę = 3 x 2. Dla skrzynki dwunasto stopniowej otrzymuje się: 12 = 2 x 2 x 3 = 2 x 3 x 2 = 3 x 2 x 2 = 3 x 4 = 4 x 3 = 6 x 2 = 2 x 6 W przekładniach z kołami wymiennymi odległość osi tych przekładni jest stała i z tego względu sumy zębów współpracujących par kół muszą by stałe Dlatego, że graniczne wartości przełożeń dla jednej pary kół przyjmuje się zazwyczaj w granicach 1 4 2 min + i i max + 1 5 2,8 j= 1 (7a) (7b)
zatem dla przekładni pojedynczej rozpiętości przełożeń wynosi: imax R = = 8 14 (8) i max + min Przekładnie te mają zastosowanie w skrzynkach prędkości obrabiarek w których czas wymiany kół takiej przekładni jest mały w stosunku do czasu maszynowego. Przekładnie z kołami przesuwnym w zależności od liczby występujących w nich elementarnych przekładni noszą nazwę dwójek, trójek lub czwórek przesuwnych. Na przykład dwójka przesuwna ma 2 przekładnie elementarne umożliwiające zrealizowane dwóch różnych prędkości obrotowych Przekładnie sprzęgłowe nadają się do preselekcyjnego i programowego sterowania. Umożliwia także stosowane kół o zębach śrubowych co polepsza płynność pracy przekładni. Wada jest stałe zazębienie się obu par kół. 2.3.2. Stopniowanie prędkości ruchów głównych i posuwowych Większość obrabiarek jest przeznaczona do obróbki przedmiotów o różnych wymiarach, wykonanych z rozmaitych materiałów z użyciem różnych narzędzie. W celu wykorzystania możliwości technologicznych takich obrabiarek oraz własności skrawnych narzędzia jest niezbędne jest stosowanie podczas obróbki różnych prędkości skrawania v. Wymagane zakresy prędkości mchów - głównego i posuwowego określa się przez podanie ich rozpiętości, tj. stosunku największej do najmniejszej prędkości tych ruchów, zgodnie z następującymi zależnościami: - dla ruchu głównego - dla ruchu posuwowego v max R v = (9) v f min t max R f = (10) f t min gdzie: v max, v min - największa i najmniejsza prędkość skrawania, f max, f min - największa i najmniejsza prędkość posuwu. Rozpiętość prędkości ruchów skrawania zależy od średnic obrabianych przedmiotów i stosowanych narzędzi obróbkowych, rodzaju obrabianych materiałów, materiałów narzędzi i ich geometrii, dokładności obróbki, trwałości ostrzy narzędzi oraz rodzaju wykonywanych operacji obróbkowych. Aby umożliwić uzyskanie odpowiednich prędkości ruchów skrawania, układ napędowy obrabiarki musi dysponować odpowiednimi prędkościami obrotowymi wrzeciona. Zależność między prędkościami ruchu głównego v a parametrami geometrycznymi obrabianego przedmiotu i prędkością obrotową n określana jest w następujący sposób: - dla ruchu obrotowego d n v = π m (11) 1000 min gdzie: d - średnica przedmiotu obrobionego lub narzędzia. n - prędkość obrotowa wrzeciona
- dla ruchu prostoliniowego 2 H n m v = 1000 min 2H - podwójny skok, czyli powtarzalna cyklicznie droga zespołu roboczego wykonującego ruch główny. Przykładowo dla najbardziej rozpowszechnionego przypadku ruchu głównego obrotowego z prędkością obwodową jak we wzorze (11) rozpiętość prędkości obrotowej R n można wyznaczyć, znając v max, v min, d max, d min na podstawie zależności: (12) gdzie: n n 1000 v = max max π d min, 1000 v = min min π d max, R n n = n max min v = v max min d d max min = R R v - rozpiętość prędkości skrawania, R d - rozpiętość średnic obrabianych przedmiotów. v R d (13) Prędkości ruchów głównych i posuwowych mogą być w obrabiarkach zmienne w sposób bezstopniowy lub stopniowy. Napęd bezstopniowy pozwala na uzyskanie dowolnej prędkości ruchu w zakresie rozpiętości R n. W obrabiarkach gdzie stosowany jest napęd stopniowy zmiana prędkości ruchów skrawania odbywa się w sposób skokowy. Wówczas dobór parametrów skrawania jest uzależniony od liczby stopni prędkości układu napędowego oraz sposobu uszeregowania tych prędkości. Prędkości ruchów głównych i posuwowych obrabiarek, a tym samym prędkości obrotowe ich układów napędowych, są stopniowane geometrycznie. Wyjątek od tej zasady stanowią posuwy uzyskiwane za pomocą mechanizmów zapadkowych oraz posuwy w tokarkach uniwersalnych, otrzymywane za pomocą skrzynek gwintowych Dla stopniowania geometrycznie ciągu prędkości obrotowych o ilorazie ϕ, którego kolejne wyrazy opisane są zależnością: n 1, n 2 = n 1 ϕ można wyznaczyć: - rozpiętość ciągu prędkości, n 2 3 = n1 ϕ n = =,, k 1 nk = n1 ϕ (14) k k 1 Rn ϕ (15) n1 - iloraz ciągu prędkości - liczba stopni swobody ϕ R (16) = k 1 n R n lg k = + 1 (17) lgϕ
3. Elementy łańcucha kinematycznego napędu posuwu 3.1. Nawrotnica Nawrotnica jest mechanizmem służącym do zmiany kierunku ruchu obrotowego, występuje głównie w napędach ruchów posuwowych. Najczęściej stosowane są nawrotnice składające się z kół zębatych walcowych, przełączonych sprzęgłem lub kołem przesuwnym (rys. 3). Gdy jej przełożenie jest dla obu kierunków takie samo tzn. gdy z 1 = z 2 (18a) oraz z 1 = 3 (18b) z 4 z z 4 koło zębate z2 (koło pośrednie) musi mieć podwójną szerokość wieńca. W ten sposób można uniknąć jednoczesnego zazębienia się trzech kół (z1 z2 z3) co unieruchomiłoby napęd. Sposób zmiany kierunku ruchu zależy od rodzaju zastosowanego napędu. Przy napędzie elektromechanicznym zmianę kierunku ruchu można uzyskać w dwojaki sposób: - przez zastosowanie elektrycznych silników nawrotowych, w tym przypadku zmianie kierunku ruchu podlegają wszystkie elementy łańcucha kinematycznego, - przez zastosowanie nawrotnicy. Rys. 3. Schemat kinetyczny nawrotnicy. 3.2. Gitara Przekładnie gitarowe znajdują szerokie zastosowanie w obrabiarkach do gwintów i uzębień. Służą one do ścisłego powiązania dwóch lub więcej mchów kształtowania. Typowa przekładnia gitarowa składa się co najmniej z trzech kół zębatych. Zwane są one kołami wymiennymi, z których pierwsze i ostatnie osadzone są na wałach o niezmiennym położeniu osi obrotu. Koła pozostałe (pośrednie) osadzone są obrotowo na czopie, przesławnym w dość szerokim zakresie promieniowo w rowku ramy przekładni gitarowej i obrotowo z przekładnią gitarową. Do określenia wielkości przełożenia przekładni gitarowej, a następnie do doboru kół wymiennych służy wzór użytkowy, ustalony przez projektanta obrabiarki. Jeżeli za
parametr określający wymiar przedmiotu obrabianego uzyskiwanego przez dany łańcuch kinematyczny weźmiemy x to wzór na przełożenie gitary będzie miał postać: lub gdzie: A - wielkość stała danego łańcucha kinematycznego. A i x = (19a) x i x = A x (19b) Nastawienie przełożenia gitary podwójnej polega na wyznaczeniu żądanego przełożenia ix, dobraniu zestawu 4 kół zmianowych o liczbie zębów z a, z b, z c, z d spełniających równanie i z z a c x =, (20) zb zd a następnie założeniu tych kół na końcówki wałków (rys. 4). W zależności od liczby kół zmianowych w zestawie (wynoszącej zazwyczaj od kilkunastu do kilkudziesięciu kół) jest możliwe uzyskanie od kilkunastu do kilkuset tysięcy różnych wartości przełożeń. Jednym z podstawowych zadań gitary jest odwzorowanie liczby n. Przekładnia gitarowa służy do uzyskania przełożeń niezbędnych do zmiany jednostek miar wycinanych gwintów jak również do uzyskania przełożeń, których nie można uzyskać przez przełączenie skrzynki posuwów. Rys. 4. Przekładnia gitarowa składająca się z dwóch par kół zmianowych. 3.3. Skrzynki posuwów Skrzynki posuwów służą do stopniowej zmiany przełożenia w łańcuchach kinematycznych ruchów posuwowych. W skład łańcucha kinematycznego poza skrzynką posuwów wchodzą: przekładnia napędowa łącząca skrzynkę posuwów ze źródłem ruchu (przekładnia zębata, łańcuchowa, pasowa, gitarowa) oraz przekładnia przenosząca napęd od skrzynki posuwów na mechanizm pociągowy przekształcający ruch obrotowy na prostoliniowy.
Ze względu na sposób doprowadzenia napędu skrzynki posuwów można podzielić na: - napędzane niezależnie od wrzeciona - przez silnik główny lub oddzielny i takie skrzynki występują w obrabiarkach w których posuw wyrażony jest w [mm/min] frezarki, - napędzane od wrzeciona; występują one w obrabiarkach, w których posuw określany jest w [mm/obr] - tokarki, wiertarki. 3.3.1. Skrzynki posuwów gwintowych - zasady stopniowania skoków gwintowych Znormalizowane skoki gwintów w metrycznym układzie jednostek miar oraz odwrotności skoków gwintów calowych stopniowane są wg zwielokrotnienia ciągów arytmetycznych. Zasadę stopniowania wyjaśniono w tabela 2. Zestawione w niej wg określonego porządku wartości tworzą tzw. liczbowy układ skoków gwintów, złożony z czterech części obejmujących oddzielnie gwinty metryczne, modułowe, calowe i diametralpitch (DP). W każdej części wyodrębniony jest arytmetyczny ciąg podstawowy, zwykle o różnicy A = 0,5 oraz ciągi pochodne (również arytmetyczne), których odpowiednie wyrazy są 1 1 1 iloczynami liczb ciągu podstawowego przez mnożnik zwielokrotniający k =,,,2,4, 8. 8 4 2 Tabela 2. Układ liczbowy skoków gwintów metrycznych, modułowych, calowych i diametral pitch (DP)
a). Gwinty metryczne i modułowe. Liczby znajdujące się w pierwszej ćwiartce tablicy wyrażają bezpośrednio skoki gwintów metrycznych. Natomiast liczby zawarte w tabeli gwintów modułowych są wartościami modułów m albo ich wielokrotnościami z m. Skok gwintu modułowego h m = zmπ [mm] (21) Pomiędzy wartościami h M skoków gwintów metrycznych a wielokrotnościami modułów zm zachodzi następująca odpowiedniość ważna dla tych samych okienek tablicy (określonych symbolem wyrazu ciągu A H i zwielokrotnieniem k) b). Gwinty calowe i diametral-pitch. Układ liczbowy tych gwintów zawiera nie skoki, lecz odwrotność skoków albo inaczej liczby zwojów gwintu calowego na długości jednego cala, a dla gwintów DP - na długości n cali. Przy zachowaniu widocznej z tablicy odpowiedniości h M = j c (22) oraz zm = j DP (23) skoki gwintów systemu calowego wzrastają w kierunku odwrotnym niż skoki gwintów metrycznych. Z tego powodu gwinty calowe i DP określa się niekiedy nazwą gwintów o skokach odwrotnych, w przeciwieństwie do gwintów metrycznych i modułowych, których skoki wyrażają się liczbami prostymi Pomiędzy wartościami j c oraz j DP zachodzi odpowiedniość j = j j (24) c DP = c). Gwinty drobnozwojne. W tabeli 2. przedstawiono układ skoków gwintów zwykłych, który może być rozszerzony również na gwinty drobnozwojne przez wprowadzenie 1 dodatkowo mnożnika zwielokratniającego k d =. 5 Wykorzystując zwielokrotnienia zwykłe 1, 2 1, 4 1 oraz zwielokrotnienia dodatkowe 5 1 można uzyskać gwinty drobnozwojne o skokach zmniejszonych odpowiednio 5, 10 i 20 razy w stosunku do skoków gwintów metrycznych w tablicy. To samo dotyczy również modułów. 1 1 1 Np. przy mnożniku = otrzymujemy ciąg skoków 0,4-0,45-0,5-0,6-0,75. 2 5 10 3.3.2. Związek pomiędzy układem skoków gwintów i konstrukcją skrzynek posuwów Wyodrębniony w układzie skoków ciąg podstawowy odpowiada konstrukcyjnie przekładni podstawowej w skrzynce posuwów. Przekładnia ta zawiera tyle przełożeń, ile skoków występuje w ciągu podstawowym. Ciągi zwielokrotnione uzyskuje się przez zastosowanie w skrzynce posuwów przekładni zwielokratniającej. Ponieważ tabele układu gwintów zawierają w odpowiadających sobie okienkach te same liczby, wszystkie skoki gwintów systemu metrycznego i calowego mogą być zrealizowane przy użyciu jednej przekładni podstawowej i takiej samej przekładni zwielokratniającej, pod warunkiem zastosowania dodatkowych przekładni umożliwiających przejście z jednego układu jednostek miar na inny (z metrycznego na calowy, z gwintów o skokach wymiernych na skoki niewymierne zawierające czynnik n). Ponieważ skoki gwintów calowych i DP wyrażają się odwrotnościami skoków metrycznych i modułowych, wynika stąd, że przy nacinaniu gwintów systemu calowego
kierunek przebiegu napędu przez przekładnię podstawową powinien być odwrotny niż przy nacinaniu gwintów systemu metrycznego. Zatem w skrzynce posuwów powinna znajdować się przekładnia pełniąca rolę przekładni odwracającej. 3.3.3. Łańcuch kinematyczny posuwów gwintowych i jego podstawowe człony Łańcuch kinematyczny posuwów gwintowych jest łańcuchem wewnętrznym wiążącym ruch obrotowy wrzeciona z mchem prostoliniowym narzędzia równolegle do tworzącej walca podziałowego obrabianego gwintu. W czasie odpowiadającym pełnemu obrotowi wrzeciona narzędzie (nóż, frez) przesuwa się o drogę równą skokowi h obrabianego gwintu. Jeżeli skok śruby pociągowej oznaczyć przez s p, a przełożenie pomiędzy wrzecionem i śrubą pociągową przez I p, otrzymuje się podstawową zależność 1 I s h (25) p p = która w dalszym ciągu będzie zapisana w postaci h = I (26) p s p Ponieważ skok śruby pociągowej jest stały, wynika stąd, że aby zapewnić możliwość uzyskania różnych skoków nacinanych gwintów, trzeba umieścić w łańcuchu kinematycznym organ umożliwiającym zmianę przełożenia I p Rys. 5. Podstawowe człony łańcucha kinematycznego posuwów gwintowych tokarki. W skład łańcucha kinematycznego posuwów gwintowych wchodzą następujące podstawowe człony (rys. 5): przekładnia we wrzecienniku (i s ), nawrotnica, przekładnia gitarowa (i g ), skrzynka posuwów i śruba pociągowa z nakrętką. Przekładnia we wrzecienniku służy do przeniesienia napędu z wrzeciona na wał wejściowy nawrotnicy. Jest to najczęściej przekładnia przełączalna dwustopniowa, powiązana z wrzecionem w sposób umożliwiający otrzymanie dwóch przełożeń o wartościach 1:1 i 8:1 (niekiedy 1:1 i 4:1). W przekładni przedstawionej na rys. 6 mamy 32 36 i a1 = = 1 (27) 36 32 64 64 32 36 i a2 = = 8 (28) 16 32 36 32 Umieszczenie we wrzecienniku przekładni dwustopniowej daje tę korzyść, że
pozwala na zmniejszenie liczby przełożeń zwielokratniających w skrzynce posuwów. Na przykład przy przełożeniu we wrzecienniku i a =1:1 i 8:1 oraz trzech stopniach zwielokratniających w skrzynce posuwów 1:1, 1:2 i 1:4 można uzyskać w rezultacie sześć różnych zwielokrotnień ciągu podstawowego 8:1,4:1,2:1, 1:1, 1:2 i 1:4. Rys. 6. Przekładnia we wrzecienniku: a) przykład tokarki szybkobieżnej odciążonym wrzecionem, b) schemat ogólny odprowadzenia napędu z wrzecionu. Nawrotnica (rys.6 -II) jest niezbędna do zmiany kierunku ruchu suportu, co ma miejsce przy nacinaniu gwintów prawych i lewych. Przełożenie nawrotnicy jest jednakowe dla obu kierunków obrotów i wynosi przeważnie 1: 1. Na rys. 5.: 1 32 32 32 36 27 = i = 1. 36 24 36 W nowoczesnych tokarkach do gwintów przełączanie nawrotnicy odbywa się najczęściej za pomocą dwustronnego sprzęgła jednokłowego (współpracujące części sprzęgła mają jeden kieł i jeden wrąb). Sprzęgło takie zapewnia łączenie wałów w tym samym położeniu kątowym względem siebie i dzięki temu trafienie noża w bruzdę gwintu przy rozpoczynaniu następnego przejścia. Przekładnia gitarowa łączy wyjściowy wałek nawrotnicy ze skrzynką posuwów. Oprócz tego ma ona na celu uzyskanie przełożeń niezbędnych do zmiany jednostek miar nacinanych gwintów, jak również przełożeń, których nie da się otrzymać za pośrednictwem skrzynki posuwów (np. przy obróbce gwintów o nienormalnych skokach). Poza tym przekładnia gitarowa odpowiedzialna jest za odwzorowanie liczby π. Skrzynka posuwów jest podstawowym organem zmiany przełożenia w.łańcuchu kinematycznym WR - SP. W nowoczesnych tokarkach pociągowych o dużej uniwersalności skrzynki posuwów są tak skonstruowane, że zapewniają obróbkę gwintów wszystkich czterech rodzajów (metryczny, modułowy, calowy i DP). Przełączanie przekładni w skrzynce dla żądanego skoku odbywa się za pomocą dźwigni lub kółek ręcznych wg wskazań na tabliczce instrukcyjnej, obwodzie bębna nastawczego itp. W rozwiązaniu najbardziej uniwersalnym w skład skrzynki posuwów wchodzą następujące przekładnie: przekładnia podstawowa zapewniająca stopniowanie skoków gwintów metrycznych oraz odwrotności skoków gwintów calowych wg ciągu arytmetycznego; jak przekładnia podstawowa może być zastosowana
przekładnia Nortona lub przekładnia z kołami przesuwnymi; przekładnia zwielokratniająca umożliwiająca uzyskanie przy tej samej przekładni podstawowej gwintów o skokach wielokrotnych większych lub mniejszych; przełożenia przekładni zwielokrotniającej tworzą ciąg geometryczny o ilorazie ę w = 2; przekładnia zwielokratniająca może być umieszczona przed lub za przekładnią podstawową; przekładnia do zmiany jednostek miar nacinanych gwintów, dzięki której ta sama skrzynka nadaje się do przenoszenia napędu przy obróbce gwintów metrycznych, modułowych, calowych i DP; zadanie przekładni do zmiany jednostek miar, jeśli nie w pełni, to przynajmniej częściowo spełnia przekładnia gitarowa (przestawnie z gwintów metrycznych na modułowe odbywa się nieomal zawsze za pomocą przekładni gitarowej); przekładnia odwracająca, za pomocą której przełącza się kierunek przebiegu napędu przez przekładnię podstawową; obok tego zadania przekładnia odwracająca często służy równocześnie do zmiany jednostek miar metrycznych na calowe i odwrotnie; przekładnia do włączania śruby lub wałka pociągowego, występująca w skrzynkach posuwów tokarek przeznaczonych zarówno do nacinania gwintów jak i do zwykłego toczenia; przekładnia do łączenia wyjściowego wałka przekładni gitarowej ze śrubą pociągową z ominięciem wszystkich pozostałych przekładni w skrzynce; połączenie takie jest często potrzebne przy nacinaniu gwintów o szczególnych wartościach skoków (tzw. dzikich") lub gwintów bardzo dokładnych. Śruba pociągowa z nakrętką (dzieloną, otwieraną lub segmentową - tzw. półnakrętką). Skok śruby pociągowej jest dostosowany do ogólnych wymiarów obrabiarki i wynosi: dla śrub metrycznych 6 lub 12 mm (rzadziej 4 mm lub 8 mm), dla śrub calowych ½ lub ¼. W (w tokarkach ciężkich 1 "). Schemat kinematyczny skrzynki nieodwracalnej przystosowanej wyłącznie do gwintów o skokach prostych przedstawiono na rys. 8. Skrzynka ma przekładnię podstawową złożoną z kół przesuwnych oraz przekładnię zwielokratniającą typu meander, nie zawiera natomiast przekładni odwracającej. 3.4. Śruby i wały pociągowe Do podstawowych wymagań jakie stawiamy śrubom pociągowym, należą: wysoko dokładność wykonania - dokładność skoku, odporność powierzchni roboczych na ścieranie, duża sztywność skrętna i dobra obrabialność materiału. Śruby wykonywane w najwyższych klasach dokładności, stosowane są w obrabiarkach do gwintów, poddawane są przed montażem dokładnemu sprawdzeniu i zaopatrywane w tzw. metrykę błędów skoku. Do wyrobu śrub pociągowych używana jest najczęściej stal ulepszona 45 lub 55 o twardości na powierzchni gwintu HB = 230 260. Powszechnie stosowane są śruby z normalnym gwintem trapezowym symetrycznym o kącie zarysu 30. Kierunek linii śrubowej jest najczęściej prawy. Gwint lewe używane np. w suportach poprzecznych tokarek. Wały pociągowe służą do przeniesienia ruchu obrotowego na elementy np. koła zębate, ślimaki, które osadzone na wale pociągowym mogą się jednocześnie wzdłuż niego przesuwać. Do łączenia piast przesuwnych elementów z wałem pociągowym mogą być stosowane wpusty czopkowe, specjalne wpusty łączone za pomocą wkrętów lub spawania, ciągnione wały kształtów wykonane z rury, a dla krótkich przesuwów - wały wielowypustowe. Na element przesuwny względem wału pociągowego działu dość znaczna
siła tarcia, proporcjonalna do przenoszonego przez wał momentu obrotowego M. M Siła ta przy jednym wpuście wynosi T = 2 µ, a przy dwu lub więcej wpustach jest dwa razy mniejsza. r o 4. Tokarka TUM-25a 4.1. Opis ogólny obrabiarki Tokarka uniwersalna typu TUM-25a przeznaczona jest do prac tokarskich przy produkcji jednostkowej i seryjnej przedmiotów małych i średniej wielkości, wykonywanych ze stali, żeliwa, metali kolorowych i stopów lekkich. Przy obróbce zgrubnej z szybkością skrawania 80 [m/min] toczyć można średnice do 250 [mm]. Przy wydajnej obróbce wykańczającej stali uzyskanie szybkości skrawania 140 [m/min] możliwe jest dla średnic od 18 [mm] w zwyż. Nacinanie gwintów z szybkością skrawania 10 m/min możliwe jest dla średnic do 112 [mm]. Zastosowanie wyposażenia specjalnego pozwala uzyskać specjalizację tokarki: - do seryjnej produkcji wałków obrabianych metodą toczenia kopiowego, - do prac typu remontowego z możliwością wykonywania niektórych prac frezarskich i wiertarskich. Tokarka TUM-25a odznacza się łatwą obsługą i wygodnym rozmieszczeniem elementów sterujących. Pulpit z przyciskami oraz wyłącznikiem głównym znajduje się w prawym górnym rogu podstawy, od strony obsługującego. Napęd tokarka otrzymuje od silnika elektrycznego umieszczonego w podstawie. Czternaście różnych prędkości obrotowych wrzeciona uzyskuje się przez; - przesuwanie kół zębatych w reduktorze umieszczonym w podstawie, - przełączenie odboczki znajdującej się we wrzecienniku. Zmiana kierunków obrotów wrzeciona uzyskiwana jest przez przełączanie kierunków obrotów silnika napędowego. Do szybkiego hamowania wrzeciona służy hamulec taśmowy umieszczony na reduktorze. Hamowanie wrzeciona następuje samoczynnie przy wyłączaniu napędu wrzeciona. Wrzeciono tokarki posiada końcówkę i gniazdo stożkowe utwardzone cieplnie. Ułożyskowane tocznie wrzeciono w łożyskach o podwyższonej klasie dokładności gwarantuje dobrą pracę obrabiarki. Przednie łożysko wrzeciona posiada regulację luzu promieniowego. Wrzeciono wraz z osadzonymi na nim częściami jest wyważone dynamicznie. Paski klinowe, przenoszące napęd z reduktora do wrzeciennika znajdują się za tylnym łożyskiem wrzeciona na zewnątrz wrzeciennika. Wymiana ich nie wymaga demontażu wrzeciona. Sterowanie zmiany prędkości wrzeciona jest dźwigniowe z bezpośrednim odczytem nastawianej prędkości. Uniwersalna skrzynka posuwów umożliwia toczenie z posuwami mechanicznymi o zakresie 0,04-0,4 mm/obr, oraz nacinanie gwintów, metrycznych, zwykłych, drobnozwojnych oraz calowych bez konieczności wymiany kół gitary. Gwinty modułowe i DP można nacinać po założeniu odpowiednich kół zębatych zmianowych na gitarze. Skrzynka posuwów posiada budowę całkowicie zamkniętą. Koła pośrednie gitary umieszczone są na sztywno łożyskowanym wałku. Nawrotnica posuwów znajduje się we wrzecienniku. Skrzynka suportowa (zamek) posiada mechanizm włączania posuwów ze sprzęgłami wiełoząbkowymi. Mechanizm ten sterowany jest jedną dźwignią posiadającą następujące położenia:
1. posuw podłużny włączony 2. posuw wyłączony 3. posuw poprzeczny włączony Do współpracy ze śrubą pociągową tokarki zastosowana jest półnakrętka, której regulacja niezbędna dla kompensacji zużycia dokonywana jest z zewnątrz Specjalnie blokowanie zabezpiecza przed równoczesnym włączeniem napędu posuwu przez wałek i śrubę pociągową. Tokarka wyposażona jest w stożkowe sprzęgło przeciążeniowe napędu posuwu, umieszczone na wałku pociągowym przy skrzynce posuwów. Moment przenoszony przez to sprzęgło może być w łatwy sposób regulowany. Suport tokarki wyposażony jest w długie sanie poprzeczne, co pozwala na założenie dodatkowych tylnych imaków względnie kopiału hydraulicznego na tylnej części sań poprzecznych. Suport narzędziowy umieszczony jest na obrotnicy. W skład normalnego wyposażenia tokarki wchodzi zderzak posuwu podłużnego ograniczający przesuw w stronę wrzeciennika oraz dwa zderzaki posuwu poprzecznego, ograniczające przesuw sań poprzecznych w obu kierunkach. Suport narzędziowy wyposażony jest w imak czteronożowy z obsługą jednodźwigniową. Konik tokarski zaciskany jest na łożu dźwignią z mimośrodem. Istnieje możliwość poprzecznego przestawienia konika w niewielkich granicach dla toczenia długich stożków o małej zbieżności. Łoże tokarki o klasycznym układzie prowadnic przykręcone jest na stałe do jednolitej podstawy. Podstawa o mocnej i sztywnej konstrukcji odlana w całości zapewnia dużą dokładność pracy obrabiarki. Wewnątrz podstawy mieści się szafka na narzędzia i wyposażenie tokarki, zbiornik z pompą instalacji wodnego chłodzenia (wchodzący w skład wyposażenia specjalnego) oraz aparatura elektryczna. Reduktor, wrzeciennik oraz skrzynka posuwów smarowane są obiegowo pompką zębatą, umieszczoną w łatwo dostępnym miejscu na zewnątrz reduktora. Do kontroli prawidłowości smarowania służy wziernik, umieszczony w dobrze widocznym miejscu na wrzecienniku. Skrzynka suportowa posiada smarowanie centralne Pozostałe elementy smarowane są indywidualnie. 4.2. Opis elementów obsługi Na rys. 7 przedstawiono elementy obsługi tokarki TUM-25a: 29 - Dźwignia do przełączania odboczki 1:8 lub 1 : 1, położenie środkowe, - wrzeciono odłączone od napędu 30 - Dźwignia do sterowania nawrotnicy posuwów 32 - Dźwignia do przełączania rodzaju gwintu - A - gwint metryczny i modułowy drobnozwojny - C - gwint calowy o D.P. - B - gwint metryczny i modułowy 33 - Dźwignia sterująca przekładnie podstawową skrzynki posuwów 34 - Dźwignia sterująca przekładnie podstawową skrzynki posuwów, służy również do włączania i odłączania napędu śruby pociągowej 35 36 - Dźwignia sterowania prędkości wrzeciona 37 - Kółko do ręcznego przesuwu suportu wzdłuż łoża 38 - Korbka do ręcznego przesuwu suportu poprzecznego 39 - Dźwignia do włączania posuwu mechanicznego 40 - Dźwignia do włączania półnakrędki śruby pociągowej do nacinania gwintów 41 - Dźwignia na wałku sterującym do włączania i zmiany kierunku obrotów wrzeciona. Górne położenie dźwigni prawe obroty wrzeciona, środkowe - wrzeciono zatrzymane, dolne lewe obroty wrzeciona 42 - Pokrętło do przesuwu ręcznego suportu górnego 43 - Dźwignia obrotu i zacisku imaka 4-nozowego 44 - Dźwignia zacisku tulei konika 45 - kółko do przesuwu tulei konika
46 - Dźwignia zacisku konika na prowadnicach 47 - Dźwignia zacisku suportu na prowadnicach 48 - Lampa sygnalizacyjna 49 - Pokrętło wyłącznika głównego 50 - Przyciski guzikowe: elektrolampki, chłodziwa obwód sterujący, silnika pompy olejowej kopiału hydraulicznego względnie konika hydraulicznego 51 - Mikroprzełączniki kierunku obrotów wrzeciona (umieszczonego pod pokrywą) 52 - Śruba do podłączenia uziemienia. Rys. 7. Elementy obsługi tokarki TUM-25a. Odpowiednie położenie dźwigni obsługowych określają tabliczki przymocowane na obrabiarce.
4.3. Ustawienie żądanych obrotów wrzeciona Na rys. 8 przedstawiony jest schemat sterowania obrotami wrzeciona. Dźwignią 35 ustawiamy piastę dźwigni 53 z nabitą tabliczką obrotów w ten sposób by żądane obroty znajdowały się w okienku wskaźnika 55. Dźwignią 36 ustawiamy piastę dźwignią 54 z nabitą tabliczką w ten sposób by strzałka wskazywała żądane obroty ale jednocześnie strzałka musi znajdować się w szczerbince wskaźnika 55. Na rys. 8 strzałka wskazuje 2500 (lub 315 przy włączonej odboczce). Przy toczeniu z posuwem mechanicznym dźwignia 34, rys. 12 może mieć dwa położenia. Wówczas w okienku wskaźnika 58 (rys.9) musi być widoczny znak wybity na piaście 56 ( rys. 9c). Przy takim położeniu dźwigni 34 nie obraca się niepotrzebnie śruba pociągowa. Położenie dźwigni 33, (rys. 9) w przypadku toczenia z posuwem mechanicznym jest obojętne. Rys. 8. Mechanizm sterowania obrotów wrzeciona. Rys. 9. Sterowanie przekładni podstawowej. W tabeli 5 zamieszczono optymalne szybkości skrawania.
Tabela 3. Zalecane szybkości skrawania 4.4. Gwintowanie na tokarce Podczas gwintowania zderzaki powinny być odsunięte poza obszar; przesuwu suportu. Skoki gwintów, które uzyskuje się ze skrzynki posuwów podaje umieszczona na niej tabliczka. Przy nacinaniu gwintów metrycznych j zwykłych i drobnozwojnych oraz calowych nie zachodzi potrzeba wymiany żadnych kół zmianowych gitary. Należy wówczas jedynie przełączyć dźwignię 32 (rys. 7) w położenie odpowiadające rodzajowi gwintów i tak: A - gwint metryczny i modułowy (drobnozwojne) C - gwint calowy i DP B - gwint metryczny i modułowy W tabliczce znamionowej (tab. 4) podane są ilości zębów kół zębatych, które należy założyć na gitarę przy nacinaniu odpowiedniego rodzaju gwintu jak również położenie dźwigni 31, 33, 34 (rys. 7).
Tabela 4. Tabliczka znamionowa do nacinania gwintów.
4.5. Sterowanie przekładni podstawowej W celu uzyskania odpowiedniego numeru, odpowiadającego żądanemu skokowi z tabeli 4, należy przy pomocy dźwigni 33 i 34 ustawić piasty 56 i 57 w ten sposób aby wybite na nich cyfry dały w okienku wskaźnika 5H odpowiedni numer. Numery o początkowych cyfrach 1, 2, 3 uzyskujemy przy wciśniętej piaście 57 natomiast numery o początkowych cyfrach 4, 5, 6 uzyskujemy przy piaście 57 wysuniętej. Wciskanie piasty 57 dźwignią 33 może się odbywać tylko wtedy kiedy w okienku będzie symbol strzałki (rys.9b) wybity na piaście 57. Rys. 9a, b i c przedstawiają kolejność przełączania numeru 32 na 52. 4.6. Opisy mechanizmów tokarki 4.6.1. Opis schematu kinematycznego Schemat kinematyczny przedstawia rys. 10. Obroty wrzeciona są stopniowane przez przełączanie kół przesuwnych 9-cio stopniowego reduktora oraz umieszczonej we wrzecienniku odboczki. Wielkość posuwów i skoki nacinanych gwintów są stopniowane przez przesuwanie kół zębatych i sprzęgła zębatego skrzynki posuwów oraz przez wymianę kół gitary. W skrzynce suportowej znajdzie się przekładnia redukująca obroty z wałka pociągowego na zębatkę. Koła przesuwne z = 21 i z = 87, przenoszą napęd na suport podłużny lub suport poprzeczny, w zależności od położenia dźwigni 39 (rys. 7). Koło z = 16 służy do ręcznego napędu posuwu suportu wzdłuż łoża. Zmiana kierunku posuwu mechanicznego jest uzyskiwana przez przełączanie koła zębatego z = 38 znajdującego się we wrzecienniku. Rys. 10. Schemat kinematyczny tokarki kłowej uniwersalnej, typ TUM-25
4.6.2. Reduktor Rys. 11 (załącznik) podaje poprzeczny przekrój reduktora. Koła zębate przesuwne znajdujące się w reduktorze są przesuwane przy pomocy układu dźwigni sterowanych z przedniej podstawy dźwignią 35, 36 (rys. 7). 4.6.3. Wrzeciennik Wrzeciennik bazowany jest na łożu na pryzmatycznej prowadnicy konika. Przekrój podłużny wrzeciennika przedstawia rys. 12 (załącznik) Wrzeciono jest łożyskowane tocznie w łożyskach o podwyższonej klasie dokładności. Przednie łożysko wrzeciona posiada regulację luzu promieniowego. Siły wzdłużne obciążające wrzeciono przejmują łożyska kulkowe osiowe umieszczone w przedniej części wrzeciona. Koło pasowe odbierające napęd z reduktora jest łożyskowane niezależnie od wrzeciona. Odboczka jest przełączana przez przesunięcie koła zębatego z = 16 oraz sprzęgła zębatego 61. Zachowanie odpowiedniej kolejności przełączeń jest uzyskane przez zastosowanie pierścienia 62 z kształtowym otworem, w którym porusza się dźwignia 29 (rys. 7). 4.6.4. Opis gitary Rys. 13 (załącznik) przedstawia konstrukcję gitary oraz sposób umieszczenia kompletu kół zębatych wymiennych gitary. Wałek pośredni gitary łożyskowany jest tocznie. Komplet kół zmianowych na gitarze obejmuje: a) wyposażenie normalne 2 = 30, 41, 45, 60, 69, 84 razem 6 szt. b) wyposażenie specjalne z = 70, 77, 78 razem 3 szt. Koła zmianowe, jakie należy zakładać dla różnych rodzajów gwintów: 30-69-90 1:2 metryczny, calowy 60-69-30 2:1 metryczny i calowy (strome) 69 84 π modułowy i DP = 41 45 69 84 3 modułowy i DP (3-y zwojny) = π 41 30 2 69 77 11 modułowy m = 2,75 i wielokrotność = π 41 45 12 69 78 13 modułowy m = 3,25 = π 41 45 14 69 70 5 modułowy m = 3,75 = π 41 45 6 Umiejscowienie gitary następuje przez dokręcenie śruby 108. Umiejscowienie wałka pośredniego gitary następuje przez dokręcenie śruby109. 4.6.5 Opis skrzynki posuwów Konstrukcję skrzynki pokazuje rys. 14 (załącznik) W lewej komorze znajduje się przekładnia zmiany rodzaju gwintu sterowania dźwignią 32 oraz przekładnia zwielokratniająca sterowaną dźwignią 31. Przekładnia podstawowa posiada 5 stopni dla gwintu metrycznego oraz 7 stopni dla gwintu calowego i przebiega zawsze w jednym kierunku. Przełączanie odbywa się
przy pomocy dźwigni 33 i 34. Przy toczeniu przekładnia podstawowa jest wyłączona dźwignią 34. Jako sprzęgło przeciążeniowe w napędzie posuwów zastosowano sprzęgło umieszczone na wałku pociągowym. 5. Zadania do wykonania w ramach ćwiczenia W ramach ćwiczenia należy: 1. Zapoznać się ze schematem kinetycznym tokarki. 2. Na podstawie analizy schematu kinetycznego tokarki wyznaczyć zależności ogólne na przełożenie przekładni: a) napędu głównego, b) napędu posuwowego. 3. Wyznaczyć wartości przełożeń przekładni obu łańcuchów kinetycznych dla toczenia gwintu określonego przez prowadzącego ćwiczenia. 4. Dobrać koła zmianowe przekładni gitarowej i nastawy łańcucha kinematycznego napędu głównego i napędu posuwu. 5. Ustawić na obrabiarce dobrane parametry toczenia gwintu. 6. Przeprowadzić próbę pracy toczenie gwintów w celu sprawdzenia poprawności dobranych nastaw tokarki. 7. Sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia według wskazówek prowadzącego.
6. Załączniki Rys.11a. Reduktor
Rys.11b. Reduktor przekrój A-A.
Rys. 12. Wrzeciennik.
Rys. 13. Gitara.
Rys.14a. Skrzynka posuwów.
Rys.14b. Skrzynka posuwów przekrój A-A. Rys.14c. Skrzynka posuwów przekrój B-B.