Кулачковые Механизмы Станка

На рис. 1 показана схема элементарного кулачкового механизма. Ось вращения кулачка смещена с линии движения толкателя. На схеме (и далее) приняты следующие обозначения: θ (угол давления) - угол между нормалью к профилю кулачка и линией направления движения толкателя; δ (угол смещения) - угол между радиусом-вектором и линией направления движения толкателя; θп (угол подъема профиля кулачка) - угол между радиусом-вектором и нормалью к профилю кулачка (между перпендикуляром к радиусу-вектору и касательной к профилю кулачка); P - сила, действующая в направлении движения толкателя; N - сила, нормальная к профилю кулачка.

Коэффициент возрастания силы ε = N/P служит силовой характеристикой кулачкового механизма. С возрастанием ε увеличиваются нормальная сила N, напряжение смятия на рабочей поверхности кулачка и ее износ. Коэффициент ε возрастает с увеличением угла давления θ и угла подъема профиля кулачка θп. Обычно ε = 1,35÷2.

Рис. 1. Схема элементарного кулачкового механизма

При возрастании угла θп, возрастает опасность заклинивания кулачкового механизма в результате увеличения сил трения в направляющих толкателя и на поверхности кулачка и снижения ηк - КПД кулачкового механизма до ηк = 0.

При уменьшении угла давления θ уменьшаются нормальная сила N, действующая на рабочей поверхности кулачка, и опасность заклинивания механизма.

С другой стороны, при уменьшении угла θ возрастает центральный угол поворота кулачка, необходимый для данной длины перемещения толкателя при данных габаритах кулачка.

Как видно из рис. 2, при повороте кулачка на малый угол ∆α с практически достаточной точностью

∆R = ab tg (θ + δ) = R∆α tg (θ + δ);

перемещение толкателя

∆S = ∆R cos δ = R∆ tg (θ + δ) cos δ;

отсюда

∆α = ∆S/(Rtg (θ + δ) cos δ)

С уменьшением угла давления θ центральный угол поворота ∆α возрастает. При определенной скорости вращения кулачка увеличение угла ∆α потребует большей затраты времени на данное перемещение толкателя, т. е. поведет к уменьшению производительности автомата. Это имеет особое значение для быстрых холостых перемещений основных рабочих органов (например, для подвода и отвода суппортов). Оно учитывается и при кулачковом приводе вспомогательных рабочих органов.

Рис. 2. Зависимость центрального угла поворота кулачка от угла давления

Величина центрального угла поворота кулачка служит основным показателем времени на рабочее или холостое перемещение основных или вспомогательных рабочих органов автомата. Это необходимо учитывать при назначении угла давления и угла подъема профиля кулачка.

Увеличение угла давления позволяет уменьшить габариты кулачкового механизма.

В практике применяют для кривых рабочих ходов θ = 10÷40°, для кривых холостых ходов θmax = 45÷60°.

Для увеличения коэффициента запаса в отношении заклинивания, увеличения угла давления и соответственно уменьшения центрального угла поворота стремятся уменьшить трение в башмаках кулачковых механизмов и в направляющих толкателя.

Вместо скользящих башмаков применяют ролики (рис. 3, а) или ролики на роликах, иглах или подшипниках качения (рис. 3, б).

На величину центрального угла поворота можно повлиять смещением оси вращения кулачка, так как при увеличении угла смещения δ (рис. 1) центральный угол поворота ∆α уменьшается.

Практически для каждого существующего станка наибольшие габариты кулачков установлены и задаются максимальными диаметрами заготовок кулачков. В этих условиях при проектировании наладок станка предпочитают применять для рабочих ходов кривые с возможно большими радиусами, что ведет к уменьшению угла θ давления и коэффициента ε возрастания нормальной силы на поверхности кулачка.

Рис. 3. Ролик с опорой скольжения (а); ролик с опорой качения (б)

Для переналадки кулачкового станка-автомата на обработку заготовок деталей различных размеров требуется изменить длины ходов его основных, а иногда и вспомогательных рабочих органов.

При основной тенденции расширить область применения станка-автомата и упростить и ускорить его переналадку применение различных способов регулирования длины хода зависит не столько от характера производства и его серийности, сколько от условий применения кулачкового механизма для движения исполнительных органов станка.

Смена кулачков применяется для наладки автомата на каждую отдельную деталь и на две и три или несколько размерных групп деталей, охватывающих всю область применения автомата.

В первом случае сменный кулачок осуществляет сложные перемещения основного рабочего органа (суппорта), обусловленные фасонной обработкой детали (колокольный кулачок подачи шпиндельной бабки продольно-фасонного автомата) или же рядом последовательных операций (переходов), производимых с одного суппорта, приводимого одним кулачком (кулачком револьверного суппорта или суппортов продольно-фасонного автомата). Кулачок в этом случае строго индивидуален.

Во втором случае рабочий цикл простой и, кроме сменных кулачков для наладки на размерную группу деталей, имеются другие устройства для регулирования длины хода при наладке на отдельную деталь этой размерной группы. Сменные кулачки такого вида применяются, например, для привода продольного суппорта многошпиндельных автоматов.

Кулачки с регулируемой длиной хода (рис. 4) применяют редко: при регулировании кулачка нарушается закон движения толкателя, подача суппорта становится неравномерной, конструкция кулачка получается нежесткой. Регулировать такие кулачки трудно.

Рис. 4. Схема регулируемого кулачка

Частичное использование длины рабочего хода. Вследствие соответствующей установки (выставления) инструмента резание производится лишь на части длины рабочего хода, а на остальной его части происходит подвод инструмента по кривой рабочей подачи. Это вообще невыгодно и практически оправдывается, если подвод совмещается с рабочими ходами других инструментов или производится при ускоренном вращении кулачка, как это делается при групповых наладках автоматов.

В приводах вспомогательных рабочих органов, при высоких скоростях перемещений, частичное использование длины рабочего хода вызывает меньшие потери времени. В качестве примера можно привести регулирование длины подачи прутка до упора в некоторых многошпиндельных автоматах.

Регулирование длины хода изменением плеч рычагов, передающих движение от кулачка к суппорту. Для увеличения длины хода суппорта конец шатуна крепится на меньшем радиусе ведомого рычага (рис. 5, а), а на ведущем рычаге - на большем радиусе (рис. 5, б). Недостатки этой системы регулирования: изменение длины подвода суппорта вместе с длиной рабочего хода; изменение скорости подвода и отвода и величины рабочей подачи при регулировании длины хода, при постоянстве времени на рабочий и холостые ходы; неравномерная подача при рычажной системе передачи с кривошипом и шатуном, что заставляет применять пружинные компенсаторы в приводе подач резьбонарезных головок.

Достоинства системы - значительный диапазон регулирования длины хода, простота и удобство регулирования, надежность регулирующего устройства.

Этот способ широко применяется для регулирования длины хода поперечных суппортов одношпиндельных и многошпиндельных автоматов, так как у этих суппортов длина подвода невелика, и изменение ее не имеет практического значения, особенно когда подвод и отвод совмещаются с другими переходами.

Рис. 5. Регулирование длины хода суппорта изменением длины плеча: а - ведомого рычага; б - ведущего рычага

Если рабочий ход суппорта чередуется с делительным циклом (поворотом) для смены позиции заготовки (шпиндельный блок многошпиндельного автомата) или инструментов (револьверная головка одношпиндельного револьверного автомата), то суппорты с инструментами, расположенными соосно с заготовкой, приходится быстро отводить из зоны обработки во избежание аварии во время смены позиций и затем быстро подводить в зону резания.

В таких случаях для быстрого отвода и подвода в зону обработки применяются специальные устройства: для привода продольного суппорта многошпиндельного автомата - дополнительный кулачок для быстрого подвода и отвода, спаренный с кулачком рабочей подачи, а для подвода и отвода суппорта револьверной головки - особый кривошипный механизм, срабатывающий от быстроходного привода.

Спаренные кулачки станка монтируют на распределительном валу автомата рядом друг с другом. Длина рабочего хода регулируется изменением плеч рычагов, передающих движение от кулачка рабочей подачи к суппорту, а длина и скорость подвода от кулачка подвода суппорта остаются постоянными. Для повышения скорости подвода и отвода распределительный вал, несущий спаренные кулачки, получает, как правило, вращение ускоренное по сравнению с его вращением при рабочей подаче суппорта от кулачка рабочей подачи.

Спаренные кулачки бывают барабанными и дисковыми. На рис. 6 показана схема привода продольного суппорта 2 многошпиндельного автомата модели 1240-6 при помощи кулачка рабочей подачи 6 и установленного рядом с ним на распределительном валу кулачка 8 быстрого подвода. Длина хода рабочей подачи настраивается перемещением конца шатуна, закрепленного на рычаге 5. Механизм работает по следующей схеме.

Рис. 6. Механизм привода суппорта спаренными кулачками: 1 - центральная труба; 2 - продольный суппорт; 3 - ползун; 4 - упорный винт; 5 - рычаг: 6 и 7 - кулачок и ролик рабочих ходов; 8 и 19 - кулачок и ролик быстрого подвода: 10 и 11 - ползуны: 12 - винт ручного регулирования

Подвод суппорта 2. Быстрое вращение распределительного вала, несущего спаренные кулачки. Рычаг 5 и ползун 3 неподвижны, так как ролик 7 рычага 5 идет по кривой «выдержки». Ползун 10 движется влево от кулачка 8 подвода, по кривой которого идет ролик 9 ползуна. Вместе с ползуном 10 перемещается палец реечного колеса, которое, обкатываясь по рейке неподвижного ползуна 3, ведет с удвоенной скоростью ползун 11 и связанный с ним (регулируемый винтом 12) продольный суппорт 2.

Рабочая подача. Медленное вращение распределительного вала.

Ползун 10 прижат к упору 4, так как ролик 9 ползуна идет по кривой выдержки на кулачке 8.

Рычаг 5 перемещается кулачком 6 вправо, ведя ползун 3 вправо. Через реечное колесо ползун 11 и суппорт 2 перемещаются влево со скоростью рабочей подачи. Крайнее левое положение суппорта регулируется винтом 12.

Отвод суппорта. Быстрое вращение распределительного вала.

Рычаг 5 и ползун 3 перемещаются влево от кулачка 6. Ползун 10 и палец реечного колеса получают от кулачка 8 быстрое перемещение вправо. Ползун 11 и суппорт 2 быстро перемещаются с суммарной скоростью вправо.

В пазах продольного суппорта шестишпиндельного автомата перемещаются с независимой от движения продольного суппорта подачей суппорты сверлильного и резьбонарезного шпинделей (рис. 7).

Для быстрого подвода и отвода суппортов применены спаренные кулачки с рычажным передаточным механизмом.

Суппорт 1 получает движение рабочей подачи от постоянных кривых, расположенных на барабане 5 (слева для позиции V, справа для позиции Vl), а движение подвода и отвода - от кривых быстрого хода, расположенных на барабане 7. Ролик 4 сектора 3 при рабочей подаче качает сектор около оси 2 влево и через шатун 6, рычаг 11 и регулируемую тягу 12 подает суппорт шпинделя влево. При этом ролик скалки 9, несущий ось 8 конца рычага 11, стоит на кривой кулачка 7 подвода неподвижно.

При подводе ролик подвижной скалки 9 перемещает скалку и ось 8 рычага 11 вправо. При этом ролик 4 сектора з остается неподвижным на кулачке 5 рабочей подачи. При отводе сектор 3 качается вправо, а ось 8 рычага 11 движется со скалкой 9

Для уменьшения длины хода рабочей подачи и ее скорости палец шатуна 6 перемещается по пазу сектора ближе к оси качания сектора.

Рис. 7. Привод суппортов инструментальных шпинделей с независимой подачей станка 1240-6

В качестве спаренных применяются также и дисковые кулачки. У шестишпиндельного автомата мод. 1A225-6 часть распределительного вала расположена перпендикулярно оси станка, и продольный суппорт приводится спаренными дисковыми кулачками (рис. 8).

Рабочая подача продольного суппорта 1 производится от дискового кулачка рабочей подачи через рычаг 7, поворачивающийся около оси 8, через шатун 10, коромысло 3 и регулируемую тягу - шатун 2.

Длина рабочего хода регулируется перестановкой пальца 11 шатуна 10 по дуговому пазу 9.

При подводе кулачок подвода поворачивает рычаг 6 около оси 5 и перемещает ось 4 коромысла 3 влево, подводя суппорт к зоне резания; рычаг 7 при этом неподвижен.

В конце подвода рычаг 6 упирается в упор 12, жестко фиксируясь между кулачком и упором, и остается в этом положении за время рабочего хода.

При отводе ролики на концах рычагов 6 и 7 отходят от оси распределительного вала. Ось 4 коромысла 3 идет вправо так же, как и нижний палец коромысла 3.

По сравнению с приводом суппорта одним кулачком с регулированием длины хода изменением плеч рычагов передаточной рычажной системы спаренные кулачки имеют следующие преимущества:

• длина и скорость подвода остаются постоянными независимо от регулирования длины рабочего хода;
• общая длина хода суппорта может быть получена большой при достаточной величине подвода и отвода.

Основная область применения спаренных кулачков - смонтированных на них инструментальных шпинделей с независимой подачей.

Во время отвода и подвода требуется быстрое (ускоренное) вращение распределительного вала, несущего спаренные кулачки.

Рис. 8. Привод продольного суппорта токарного автомата модели 1А225-6

Кроме структурных свойств, общих с другими цикловыми механизмами, кулачковый механизм отличается рядом особенностей, существенно влияющих на структуру станка автомата.

Тяговое устройство привода подач кулачковый механизм влияет на приводной механизм большой величиной шага, т. е. подачи за один оборот тягового вала (кулачка).

Если значение шага велико, то степень редукции цепи подач от шпинделя до тягового (распределительного) вала всегда очень велика и требует введения одной, а чаще двух червячных передач, из которых одна примыкает к распределительному валу, чтобы уменьшить моменты на предшествующих валах.

Вследствие большой величины шага тягового устройства крутящий момент на тяговом валу кулачкового механизма получается большим.

Цикловой исполнительный механизм кулачковый механизм отличается тем, что закон движения рабочего органа устанавливается в некоторых пределах произвольно - за счет профиля кулачка. Это значит, что включение и выключение движения рабочего органа, длина его пути, скорость движения и закон ее изменения, направление движения, изменение направления, остановка (выдержка) - все эти элементы цикла рабочего органа можно варьировать за счет профиля кулачка. Это сообщает гибкость кулачковому исполнительному механизму при координации времени включения и выключения движения различных рабочих органов в общем автоматическом цикле. В пределах частного цикла одного рабочего органа каждое элементарное движение цикла можно осуществлять по оптимальному закону, профилируя соответствующим образом кулачок.

Это свойство делает кулачковый механизм универсальным в некоторых границах цикловым исполнительным механизмом для рабочих органов с различными законами движения. В этом заключается большое преимущество кулачкового механизма перед другими цикловыми исполнительными механизмами, закон движения которых вполне определенный. Поэтому кулачковый механизм является основным цикловым исполнительным механизмом для основных и вспомогательных органов автоматизированных станков.

Структура кулачковых автоматов зависит от системы замыкания пары кулачок - толкатель, примененной в исполнительных механизмах основных рабочих органов. Различают две системы замыкания: силовое и кинематическое.

Силовое замыкание, когда ролик прижимается к кулачку пружиной (редко - грузом), расположенной в суппорте и действующей на каретку, несущую инструменты.

При силовом замыкании суппорт перемещается при отводе под действием пружины (рис. 9). Ролик движется по кривой спада на кулачке, определяющей закон движения, но не ведущей суппорт. Поэтому кривая спада расположена под углом подъема профиля, близким к 90°. Отвод суппорта совершается при очень небольшом центральном угле поворота кулачка (обычно 2-6 сотых долей его оборота). Поэтому при силовом замыкании отвод суппорта происходит достаточно быстро при постоянной скорости вращения кулачка за весь цикл, и ускоренного вращения распределительного вала во время отвода не требуется.

Силовое замыкание применяется при ограниченной длине хода обратного отвода (120-200 мм), так как при большей длине хода пружина работает плохо.

При большом весе суппорта и больших силах инерции работа пружин связана с сильными ударами в конце отвода, поэтому в подобных случаях силовое замыкание не применимо. Оно применяется в небольших станках при плоских кулачках с максимальной длиной хода не больше 200 мм.

Как было упомянуто, при силовом замыкании для быстрого отвода суппортов быстрое (ускоренное) вращение распределительного вала не требуется, и при небольшой длине подвода (рис. 9, угол ү невелик) можно весь цикл обработки вести при постоянной скорости вращения распределительного вала.

Рис. 9. Силовое замыкание кулачкового механизма: γ - угол подвода: αp - угол рабочего хода; β - угол отвода

Кинематическое замыкание, когда ролик прижимается к кулачку противодействием сил резания при рабочем ходе и сил инерции - при холостом ходе.

При кинематическом замыкании (рис. 10) суппорт отводится кулачком с углом подъема профиля не больше 45-55° при значительном угле поворота распределительного вала. Поэтому для надлежащей скорости отвода суппорта кулачок, а следовательно, распределительный вал должны получать вращение ускоренное по сравнению со скоростью его вращения при рабочей подаче; это осложняет систему управления и привода распределительного вала автомата.

Кинематическое замыкание кулачков применяется в станках среднего размера при длине хода суппортов свыше 200 мм, при значительном весе их, т. е. когда силовое замыкание неприменимо. Кинематическое замыкание используется обычно при барабанных кулачках, которые дают длину хода суппортов до 300 мм.

Большое структурное значение имеет длина подвода суппорта в зону резания. Как при силовом замыкании (см. рис. 9, угол ү), так и при кинематическом (рис. 10, кривая аb) суппорт подводится под воздействием профиля кулачка при ограниченном угле подъема профиля. Несмотря на это, при силовом замыкании и при небольшой длине подвода можно обойтись без ускоренного вращения распределительного вала. Примерами могут служить одношпиндельные продольно-фасонные и поперечно-фасонные автоматы, поперечные суппорты токарно-револьверных автоматов.

Рис. 10. Кинематическое замыкание кулачкового механизма: а-b - подвод суппорта; b-c - рабочий ход; c-d - отвод

Если рабочий ход суппорта чередуется с делительным циклом (поворотом) для смены позиций обрабатываемой заготовки (шпиндельный блок многошпиндельного автомата), то для обеспечения быстрого отвода и подвода суппортов, несущих инструменты, расположенные соосно с заготовкой, применяют спаренные кулачки (см. рис. 6-8).

Спаренные кулачки вызывают увеличение угла поворота распределительного вала для их рабочего цикла и требуют ускоренного вращения распределительного вала при холостых ходах продольного суппорта.

Для быстрого подвода и отвода суппорта револьверной головки токарно-револьверного автомата при ее повороте применяется особый кривошипно-шатунный механизм с приводом от быстроходного вспомогательного вала. При этом функции плоского кулачка револьверного суппорта ограничиваются ходом рабочей подачи и быстрым отводом суппорта при силовом замыкании по кривой спада профиля кулачка в положение начала очередного рабочего хода. В результате емкость плоского кулачка достигает шести последовательных циклов из рабочего и холостого ходов револьверного суппорта за общий цикл станка, а необходимость в быстром (ускоренном) вращении распределительного вала отпадает.

В качестве элементов делительных поворотных механизмов кулачки используются в комбинации с храповым механизмом и с рычагами (рис. 11, а и б). Они срабатывают при малом центральном угле поворота кулачка за рабочий ход деления и не требуют ускоренного вращения распределительного вала.

За счет профиля кулачка можно изменить закон движения при делительном цикле в желаемом направлении.

Рис. 11. Механизм поворота: а - кулачково-храповой; б - кулачково-рычажный