Шпиндельные блоки (барабаны) и шпиндельные столы

Шпиндельные блоки (барабаны) и шпиндельные столы, выполняемые в виде чугунных отливок, широко применяются в многопозиционных и многошпиндельных автоматизированных станках, а также в машинах непрерывного действия ротационного типа. Диаметр шпиндельных блоков и столов зависит от диаметра заготовки, для обработки которой предназначается автомат или полуавтомат, от конструкции опор шпинделей, диаметра центральной трубы или колонны и системы привода.

Выбранный диаметр блока или стола должен обеспечивать достаточно удобное и жесткое расположение суппортов, головок и других узлов станка и легкий доступ к ним. Точность работы станка тем больше, при прочих одинаковых условиях, чем меньше диаметр окружности, на которой расположены оси шпинделей или зажимных устройств.

Вес стола действует в осевом направлении, вес шпиндельного блока — в радиальном: поэтому стол работает в более благоприятных условиях, чем шпиндельный блок. Износ направляющих шпиндельного блока отражается на точности его работы сильнее, чем износ стола.

Шпиндельные блоки применяются в токарных многошпиндельных автоматах, многопозиционных фрезерных и агрегатных станках и выполняются большей частью в виде цельных отливок.

Применяются две разновидности шпиндельных блоков: с постоянными опорами и с комбинированными. При постоянных опорах поворот блока происходит на тех же направляющих, к которым он прижимается во время обработки изделий, при комбинированных — направляющие различные.

Применение самостоятельных опор для поворота блока способствует уменьшению износа блока и опор, на которых он лежит при обработке изделий. Отсюда — более высокая точность работы станка при длительной эксплуатации. Приподнимание блока производится от кулачка распределительного вала через рычажную систему или гидравлику.

Приподнимаясь, шпиндельный блок прижимается к двум роликам, расположенным над ним слева и справа, т. е. поворот блока производится на трех точках, образуемых двумя роликами сверху и бронзовым башмаком снизу. Высота подъема шпиндельного блока на время его поворота составляет 0,3—0,4 мм. Обычно предусматривается специальное устройство для периодического контроля высоты подъема. В новых моделях во время обработки блок дополнительно прижимается к основанию механическими средствами или гидравлическим цилиндром.

При конструировании шпиндельного блока нужно стремиться к минимальным размерам его при соблюдении, однако, требований в отношении жесткости и удобства эксплуатации станка. Диаметр шпиндельного блока и диаметр окружности, на которой располагаются оси расточек под подшипники шпинделей, ориентировочно определяются из простых геометрических соотношений. Окончательные размеры шпиндельного блока выбираются с учетом необходимости обеспечить достаточную жесткость суппортов или головок, удобство наладки и отвода стружки, что требует определенной свободы в рабочем пространстве.

В многошпиндельных патронных полуавтоматах диаметр шпиндельного блока определяется наружными диаметрами патрона и приводных зубчатых колес или фрикционных муфт.

Обработка шпиндельных блоков производится с высокой точностью, и на каждый блок составляется паспорт, в котором указывается точность изготовления данного шпиндельного блока.

Столы имеют то же назначение, что и шпиндельные блоки. Основное отличие столов — вертикальное расположение оси. Столы часто центрируются не по наружному диаметру, как блоки, а по внутреннему.

Червячный вал стола при включении двигателя смещается вправо до упора и освобождает хомут. После этого начинает вращаться колесо до тех пор, пока фиксатор не войдет в гнездо. Конечный переключатель реверсирует двигатель, после чего происходит натяг всей системы, зажим стола и выключение электродвигателя от конечного переключателя.

Столы вертикальных многопозиционных станков представляют собой сложные отливки с точно обработанными центральным отверстием и торцом. В отечественных полуавтоматах этого типа стол центрируется конусом. Износ этого конуса компенсируется тем. что при помощи гаек стол несколько приподнимается, и таким образом уничтожается образовавшийся зазор между отверстием стола и конусом колонны.

В некоторых моделях стол во время индексирования несколько приподнимается над круговой направляющей, зазор в центрирующем конусе увеличивается, а самый .поворот стола осуществляется на роликовых опорах.

Столы находят широкое применение также в станках с непрерывным вращением для самых различных видов обработки. В этих станках на стол большей частью устанавливаются устройства для зажима обрабатываемых заготовок. Столы этих станков в большинстве случаев имеют круговые направляющие, расположенные близко к наружному диаметру. Непрерывное вращение стола производится обычно от индивидуального электродвигателя через редуктор и одну или две пары сменных колес. Число об/мин стола определяется продолжительностью обработки и временем цикла.

Периодический поворот (индексирование) шпиндельных блоков и столов в многопозиционных станках производится автоматически поворотным устройством, которое должно быть сблокировано с фиксаторами так, чтобы последние сначала были выведены из фиксирующих гнезд и освободили блок или стол. Затем, после индексирования, фиксирующее устройство должно придать блоку или столу окончательное положение, достаточно устойчивое и стабильное для восприятия нагрузок, возникающих во время резания.

Поворотные механизмы обычно конструируют так, чтобы отклонение было односторонним; в этом случае фиксирующее устройство, определяющее конечное положение шпиндельного блока или стола, довертывает его в одном определенном направлении.

При выборе знака углового отклонения необходимо учитывать направление вращения при повороте, направление вращения центрального приводного колеса, а также конструкцию и метод фиксирования шпиндельного блока или стола. Только в том случае, если направление индексирования совпадает с направлением вращения центрального колеса, угловое отклонение можно брать с минусом.

В некоторых моделях станков применяют большей частью двойное фиксирование, которое также основано на повороте с положительным угловым отклонением.

К механизмам поворота шпиндельных блоков и столов предъявляют следующие основные требования:
1) точность и равенство углов поворота;
2) отсутствие жестких ударов при повороте, особенно при переходе от движения к покою;
3) минимально возможная затрата времени на индексирование.

Точность поворота зависит главным образом от точности выполнения приводных элементов, точности и надежности индексирующих устройств.

Плавный, безударный переход от движения поворота к покою в значительной степени зависит от типа механизма поворота и правильной конструкции его. Решение этой задачи, а также определение крутящего момента и мощности, необходимой для индексирования шпиндельного блока или стола, производятся так, как это было изложено выше применительно к мальтийскому механизму.

Чтобы создать благоприятные условия поворота, необходимо прилагать усилие на возможно большем радиусе и уменьшить по возможности как поворачиваемые массы, так и угловое ускорение.

Если в шпиндельном блоке или столе не предусмотрено специальное устройство для приподнимания, то во всяком случае необходимо механизм поворота располагать таким образом, чтобы усилие поворота разгружало опорные поверхности.

Время, затрачиваемое на один поворот (одно индексирование) шпиндельного блока или стола, составляет 0,75—3 секунд. Для малых размеров это время приближается к нижнему, а для больших — к верхнему пределу. Общая же продолжительность индексирования и фиксации доходит в станках крупных размеров до 5 сек., а при двойном индексировании превышает и эту цифру.

Для индексирования шпиндельных блоков и столов могут применяться разнообразные механизмы, которые по кинематике подразделяются на две группы: с постоянной скоростью и с переменной скоростью во время индексирования.

К первой группе относятся зубчатые и червячные передачи, у которых ведущее звено имеет постоянную скорость. В этом случае со шпиндельным блоком или столом жестко связано зубчатое или червячное колесо, которое приводится во вращение от зубчатого колеса, зубчатого сектора, рейки или червяка. Индексирующие механизмы этой группы работают с очень высокими угловыми ускорениями, поворот сопровождается сильными ударами, большими напряжениями в передаточных звеньях и значительным изнашиванием трущихся поверхностей. Применение дополнительных устройств в этих механизмах позволяет в некоторой степени смягчить неблагоприятные условия поворота.

К механизмам индексирования второй группы относятся зубчатые передачи, у которых ведущее звено имеет переменную скорость — кривошипные, кулисные и другие многозвенные механизмы. Их конструируют с таким расчетом, чтобы скорость в начале и конце поворота была равна или близка к нулю и плавно изменялась в течение поворота. Угловое ускорение узла, поворачиваемого с помощью таких механизмов, в начале и конце индексирования сравнительно невелико.

Эти условия могут быть обеспечены также зубчатыми передачами в случае, если ведущему звену сообщается вращение, соответствующее заданному закону.

Переменная скорость поворота может быть осуществлена зубчатыми передачами в сочетании с гидравлическим механизмом (шток гидравлического цилиндра - рейка - зубчатое колесо). Гидропривод может комбинироваться также с храповым механизмом поворота стола. При этом возможно получить желаемые кинематическую и динамическую характеристики процесса индексирования. Плавное изменение скорости поворота достигается регулированием подачи масла в цилиндр по пути перемещения штока. К концу поворота скорость плавно снижается до нуля.

Гидравлический привод часто оказывается наиболее выгодным для индексирующих механизмов, в особенности для поворота крупных шпиндельных блоков и столов.

Электрический привод отличается эксплуатационной гибкостью, необходимой для построения любого цикла поворота, поэтому можно предвидеть все большее распространение его. При помощи реверсируемого электродвигателя цикл поворота стола может быть построен следующим образом: быстрый поворот стола на угол, несколько превышающий требуемый угол индексирования; обратный медленный поворот стола до позиции, где он должен быть фиксирован.

Однако наиболее широкое распространение для индексирования шпиндельных блоков и столов получили мальтийские механизмы.

В многошпиндельных станках токарного типа применяются почти исключительно мальтийские кресты внешнего зацепления с радиальными пазами.

Для индексирования шпиндельных блоков применяют мальтийские кресты с 4-6 пазами. Они выполняются конструктивно в двух вариантах: мальтийский крест связан непосредственно со шпиндельным блоком либо расположен на промежуточном валу, сообщающем вращение шпиндельному блоку через зубчатые колеса. Первое выполнение проще, но имеет серьезные недостатки: все динамические нагрузки во время поворота передаются непосредственно шпиндельному блоку, что ухудшает условия его работы; при изменении числа шпинделей необходим мальтийский крест с другим числом пазов, чем затрудняется унификация механизма индексирования для станков с разными числами шпинделей, размещенных в блоках равного диаметра.

В новых моделях автоматов и полуавтоматов применяется почти исключительно второй вариант.

В многошпиндельных станках со столом большого размера индексирование может производиться также при помощи мальтийских крестов с внутренним зацеплением. В таких конструкциях можно сократить общие размеры и поместить механизм индексирования в станину. Конструкция мальтийских крестов с внутренним зацеплением широко применяется для автоматического поворота столов в агрегатных станках. Для возможности создания самодействующих узлов механизм поворота имеет индивидуальный электродвигатель. В редукторе предусмотрено специальное устройство, благодаря которому приводной вал водила каждый раз включается только на один оборот.

Для поворота столов в многошпиндельных вертикальных полуавтоматах широко применяются кривошипно-кулисные механизмы. Работают они следующим образом. После того как произведено торможение цепи главного движения и приводные скользящие зубчатые колеса выключены, включается вспомогательный распределительный вал, осуществляющий все вспомогательные движения, в том числе и индексирование стола. Индексирование происходит после того, как фиксатор выведен из гнезда. Через зубчатое колесо сообщается один оборот зубчатому колесу, вращающему кривошип кулисы. С обеих сторон кулисы имеются пазы, правый паз скользит по подшипнику на центральном валу, левый служит для захватывания ролика очередного шпиндели, который находится в соответствующей позиции.

Передаточное отношение колес равно единице, поэтому индексирование стола на одну позицию производится за один оборот распределительного вала. Так как правый конец кулисы может иметь поступательное и качательное движение относительно центрального вала, левый конец кулисы описывает замкнутую кривую, которая легко может быть построена по заданным параметрам. Сравнительная простота конструктивного выполнения кривошипно-кулисного механизма для поворота на различные углы и удовлетворительные динамические условия поворота являются достоинствами этого механизма.

Фиксирование шпиндельных блоков и столов производится при помощи фиксаторов, которые перед поворотом выводятся из пазов или отверстий (гнезд) в индексируемой части станка, а в конце поворота ее снова садятся в эти гнезда.

Назначение фиксирующих механизмов состоит в доведении стола или блока в точное рабочее положение и в жестком фиксировании этого положения во время обработки заготовки.

В современных станках применяются две принципиально различные конструкции механизмов фиксирования — с одним и с двумя фиксирующими элементами.

Перед началом поворота блока фиксатор (индексный палец) принудительно выводится из гнезда при помощи управляющего механизма — в автоматах с управляющим валом чаще всего кулачком, в некоторых моделях — гидравлическим цилиндром. В таком положении фиксатор удерживается в течение большей части поворота блока. Перед окончанием поворота фиксатор освобождается и под действием пружины прижимается к цилиндрической (реже — к торцевой) поверхности блока. По ней он скользит до тех пор, пока под ним не окажется следующее гнездо, в которое он заскакивает под действием той же пружины. Конец фиксатора имеет наклонную и прямую фиксирующие грани.

Если блок или стол поворачивается на угол больше угла индексирования, фиксатор входит в соприкосновение с гнездом только наклонной гранью и начинает поворачивать блок в противоположную сторону, постепенно углубляясь в гнездо. Поворот заканчивается, когда прямая грань сухаря прижимается к прямой фиксирующей грани индексного пальца.

Угол между прямой и наклонной гранями фиксатора делают близким к углу самоторможения. Часть фиксатора, находящаяся в корпусе стойки, изготовляется круглой или призматической. Несмотря на более сложную технологию обработки, предпочтение следует отдавать призматической форме, так как она обеспечивает возможность компенсации износа, возникающего при перемещении фиксатора, чем сохраняется более длительно точность его работы.

Для увеличения точности деления сухари в блоке или столе следует располагать на возможно большем радиусе. Пружины фиксаторов должны быть в состоянии достаточно быстро довернуть блок на нужную величину. Расчет этих пружин следует вести по суммарному моменту трения на опорах блока и шпинделей.

К недостаткам системы одинарной фиксации следует отнести недостаточные точность работы и жесткость, а также сильные удары в момент фиксирования.

Принцип двойного фиксирования заключается в том, что функции фиксирования положения и доворота блока разделены между двумя индексными рычагами; один из них фиксирующий имеет прямую рабочую грань, а другой (доворачивающий) — наклонную. Доворачивающий рычаг выводится из гнезда блока принудительно кулачком, фиксирующий рычаг выжимается самим блоком в начале его поворота. Когда блок повернется, фиксирующий рычаг входит в гнездо с зазором под влиянием пружины. Доворачивающий рычаг, освобожденный управляющим кулачком, входит в диаметрально противоположное гнездо блока под действием своей пружины. Нажимая скосом на скос гнезда, индексный рычаг заставляет блок поворачиваться до тех пор, пока прямая грань гнезда не упрется в прямую грань фиксирующего рычага.

Преимущесгвами такой системы являются большая жесткость и точность работы. На блок действуют взаимно уравновешивающиеся усилия в трех точках по его окружности:
1) давление доворачивающего рычага;
2) реакция фиксирующего рычага;
3) реакция подушки, на которую опирается блок. Точность работы этого механизма является результатом выборки зазоров при отсутствии относительного скольжения поверхностей гнезда и рычага, которые определяют точность положения.

Механизмы фиксирования столов конструктивно отличаются от тех, которые применяются в шпиндельных блоках: здесь фиксация часто производится относительно центральной колонны, что вызывает увеличение погрешности индексирования, так как радиус фиксации меньше радиуса окружности центров (осей) шпинделей. Фиксирующее устройство желательно располагать на максимально возможном радиусе, во всяком случае превышающем радиус окружности осей шпинделей, так как неточность фиксатора при расположении ближе к колонне приведет к большему линейному отклонению шпинделя, находящегося дальше от колонны.