Бесступенчатые Приводы, Вариаторы Станков

Бесступенчатый привод главного движения станка с ЧПУ и движений подачи получил довольно значительное распространение в современных металлорежущих станках. Основные преимущества его - возможность настройки режима обработки с большей точностью, чем при ступенчатом (прерывистом) приводе, и, что практически еще важнее, - возможность изменения скорости главного движения или подачи во время работы станка без остановки его для переключений. Вследствие этого оператор может установить или подобрать наиболее целесообразный режим обработки в каждом отдельном случае. При обтачивании ступенчатых валиков, фасонных деталей, торцовых поверхностей и при отрезке бесступенчатое регулирование дает возможность сохранять постоянную скорость резания (при наличии автоматического управления вариатором) путем изменения угловой скорости в зависимости от поперечного перемещения суппорта.

Сохранение постоянства скорости резания способствует повышению не только производительности, но и долговечности режущего инструмента, особенно минералокерамического и оснащенного пластинками твердого сплава (чувствительного к варьированию скорости), а также однородности качества обработанной поверхности. Возможность работы на оптимальной скорости резания важна потому, что при превышении скорости затраты времени на смену инструмента и средств на замену его возрастают, а при работе со скоростью резания ниже оптимальной снижается производительность, а некоторые твердые сплавы выходят из строя быстрее, чем при работе с оптимальной скоростью резания.

Легкость и плавность изменения скорости на ходу станка позволяют также выходить из области резонансных колебаний.

Применяемые в станках фрикционные бесступенчатые вариаторы работают значительно спокойнее и тише, чем зубчатые и цепные передачи; при нормальном состоянии и должном уходе такие передачи работают практически бесшумно. В тех случаях, когда требуется тонкая градация ступеней скорости (φ=1,06 или 1,12), конструкция привода получится нередко более компактной и дешевой, если вместо сложной многоступенчатой шестеренной коробки передач применить простую коробку этого типа в сочетании с устройством для бесступенчатого варьирования скорости.

Начиная со знаменателя φ=1,26, замена ступенчатого регулирования бесступенчатым дает ощутимый выигрыш в скорости резания (скорости подачи), следовательно, и в величине машинного времени. Возможность быстрого изменения скорости на ходу обеспечивает экономию вспомогательного времени на управление станком. Вследствие этого применение в станках бесступенчатого привода способствует повышению производительности.

В станках применяют различные способы бесступенчатого регулирования скоростей рабочих движений. Выбор способа зависит от многих факторов: назначения станка (станок общего назначения, специализированный, специальный; для черновой, чистовой, отделочной обработки); требуемой мощности резания и вида механической характеристики; необходимого диапазона регулирования; допустимого удорожания станка и др. Каждое из возможных решений - электрическое, гидравлическое, механическое, комбинированное регулирование - имеет свои специфические эксплуатационные достоинства и недостатки и соответственно этому свою область предпочтительного применения.

Электрическое регулирование производится изменением числа оборотов электродвигателя, который приводит в движение соответствующую цепь станка.

Двигатели постоянного тока с шунтовым регулированием применяют главным образом в крупных станках. Для тяжелых станков удобен привод по системе генератор - двигатель с диапазоном регулирования Д=10÷15.

Применение электромашинных усилителей в системе генератор - двигатель (система Леонарда) позволяет сильно расширить диапазон регулирования скоростей привода. Эти системы привода особенно пригодны для таких станков, где требуются большие диапазоны регулирования - порядка 500, 1000 и выше.

Электроприводы с бесступенчатым регулированием позволяют автоматизировать управление скоростями главного движения и подач.

Недостаток указанных систем - относительно большие габариты и себестоимость.

Для бесступенчатого регулирования скоростей прямолинейных движений в станках широко используют гидравлический привод, главным образом подач, но также и главного движения (в строгальных, долбежных, протяжных станках).

Для бесступенчатого регулирования скорости гидравлический привод имеет ряд существенных преимуществ: широкий диапазон регулирования, быстрое изменение величины и направления скорости, плавное реверсирование, удобство дистанционного управления и его автоматизации, автоматическое предохранение от перегрузок, самосмазываемость.

Недостаток гидравлического привода - недостаточно жесткая характеристика вследствие утечек и влияния температуры на вязкость масла. При малых скоростях (v=12÷15 мм/мин) работа гидравлического привода становится неустойчивой.

Для вращательного движения гидравлический привод применяют в станках редко ввиду высокой его стоимости и снижения КПД при износе. Он уступает здесь место другим видам приводов с бесступенчатым регулированием.

Большинство механических вариаторов, применяемых в станках, относится к типу фрикционных, поэтому работа их связана с потерями на трение.

Различают следующие виды таких потерь:

• вызванные неблагоприятными кинематическими условиями в зоне контакта и возникающей поэтому разностью скоростей в сопряженных точках рабочих поверхностей. Кинематические потери на трение уменьшаются, если рабочие поверхности в зоне контакта приближаются по форме к двум цилиндрам с параллельными осями или к двум конусам с общей вершиной;
• вызванные деформациями рабочих поверхностей в зоне контакта; эти потери невелики (2-3%) и уменьшаются при увеличении модуля упругости материала контактирующих тел, например, при замене пластмассы сталью;
• вызванные проскальзыванием рабочих тел вариатора (буксование), аналогичным проскальзыванию в ременных передачах; эти потери увеличиваются при уменьшении запаса силы сцепления рабочих тел вследствие непостоянства силы резания, влияния сил инерции при пуске и реверсировании привода и т. п.

Возможность регулирования скорости вращения ведомого вала на ходу является большим преимуществом бесступенчатых механических вариаторов, но оно обычно связано с невозможностью или затруднительностью установки скорости при остановленном вариаторе.

К недостаткам механического бесступенчатого регулирования относятся также нежесткая кинематическая характеристика фрикционных вариаторов и изменение максимальной передаваемой мощности при регулировании скорости у большинства вариаторов.

Диапазон регулирования механических бесступенчатых вариаторов зависит от схемы и конструкции вариатора и может составлять от Дб≈2÷4 (вариаторы с широким клиновым ремнем и раздвижными конусами) до Дб≈10÷25 (цепные, шариковые вариаторы). Чаще всего Дб=4÷6. Такой диапазон регулирования позволяет заменить вариатором основную и первую переборные группы передач приводов со ступенчатым регулированием; поэтому применение устройств с бесступенчатым регулированием значительно упрощает (подобно группам со сменными колесами) структуру привода, что также является преимуществом устройств с бесступенчатым регулированием.

Хотя в некоторых случаях диапазон Дб»4÷6, все же для получения необходимого диапазона Д регулирования всего привода требуется бесступенчатое устройство дополнить переборным устройством со ступенчатым регулированием.

В станках применяют разнообразные механические вариаторы, преимущественно фрикционные, различающиеся как по конструкции, так и по эксплуатационным параметрам, к числу которых относятся: тип, мощность Nэ, и число об/мин nэ приводного электродвигателя; предельные скорости вращения выходного (ведомого) вала n max, n min, следовательно, и диапазон регулирования Д; значения мощности N max и N min на ведущем валу при n min и n max; величина КПД η; габаритные размеры и вес. На основании сопоставления технических характеристик и выбирают тип и типоразмер вариатора, наиболее подходящего для проектируемого станка.

Из большого числа существующих моделей механических вариаторов в современных станках используются:

Вариаторы с непосредственным контактом ведущего и ведомого элементов, в том числе лобовые вариаторы с ведущим роликом или ведущим диском и вариаторы, регулируемые изменением угла между осями дисков за счет поворота шарнирно подвешенного электродвигателя. Для примера на рис. 1 показан лобовой вариатор в приводе подач тяжелого поперечно-строгального станка КУ-39 Коломенского завода тяжелого станкостроения (КЗТС). Привод подач бабки ползуна состоит из асинхронного двигателя, трехступенчатой коробки подач с диапазоном регулирования Дк=16 и бесступенчатого вариатора с Дб=4; таким образом получается необходимый диапазон регулирования подач Дs=64.

Рис. 1. Лобовой вариатор привода подач тяжелого поперечно-строгального станка КУ-39

Вариаторы с двумя парами раздвижных конических дисков, образующих попарно шкивы с регулируемым рабочим диаметром, связанные ремнем. Ряд типоразмеров подобного вариатора с широким клиновым ремнем разработан ЭНИMСом. Они имеют диапазон регулирования чисел оборотов выходного вала Дn = 4 (n max / n min = 3000 / 750 или 2000 / 500) и Дn = 2 (n max / n min = 3000 / 1500). Мощность на ведущем валу при n min составляет для разных типоразмеров от 2,8 до 7 кВт. Предусмотрены варианты для работы с постоянной мощностью или с постоянным моментом на ведомом валу. На рис. 2 дан продольный разрез такого вариатора, встроенного в привод главного движения зубофрезерного станка 5К301.

Рис. 2. Продольный разрез вариатора, встроенного в привод главного движения зубофрезерного станка 5К301

В некоторых конструкциях вариаторов этой группы раздвижной сделана лишь одна пара дисков, другой шкив - обычного типа (рис. 3, а, б).

Рис. 3. Вариатор с одним раздвижным шкивом

Вариатор с двумя парами раздвижных конических дисков, образующих шкивы с регулируемым рабочим диаметром, связанные вместо ремня стальным кольцом. Такой вариатор, встроенный в переднюю бабку круглошлифовального станка, показан на рис. 4. Он применен также в приводе подач координатно-расточного станка 2В440.

Рис. 4. Передняя бабка круглошлифовального станка

Торовый вариатор с наклоняющимися роликами системы ЦНИИТМАШa (В. А. Светозарова). В исполнении завода «Красный пролетарий» (рис. 5) вариатор нашел применение в одной из моделей токарно-винторезных станков этого завода.

В некоторых моделях станков зарубежных фирм для бесступенчатого регулирования скоростей используется вариатор, основными частями которого являются две пары раздвижных конических желобчатых дисков и цепь специальной конструкции с выдвижными в поперечном направлении пластинками (вариатор PIV). В отечественном станкостроении вариатор этого типа распространения не получил.

Рис. 5. Торовый вариатор системы ЦНИИТМАШ (В. А. Светозарова) в исполнении завода «Красный пролетарий»