Размеры каждой ответственной детали станка, необходимые для обеспечения достаточной прочности и жесткости ее, определяют при проектировании станка исходя из совокупности действующих на эту деталь наибольших сил Р и крутящих моментов Мк. Следовательно, устройства, предохраняющие эту деталь от опасных перегрузок, должны автоматически ограничивать предельные значения Рпр и Мк.пр.
N=C1Pv=C2Mкn,
где N - мощность; v - скорость; n - число оборотов в минуту детали, предохраняемой от перегрузки; C1 и С2 - постоянные.
Из соотношений видно, что ограничение мощности в соответствующей кинематической цепи равносильно в смысле эффективности защиты ограничению силы или крутящего момента только при v=const или соответственно при n=const, т. е. в станках узкоспециального назначения, работающих с неизменным режимом резания, если притом цепь главного движения и цепь подач приводятся от отдельных двигателей. Если же эти цепи приводятся от общего двигателя, или v≠const, n≠const, ограничение мощности двигателя каким-либо постоянным предельным значением Nпр не обеспечивает постоянства Мк.пр, или Рпр. Поэтому устройства, ограничивающие мощность приводного электродвигателя станка, вообще говоря, не могут заменить таких предохранителей от перегрузок, какими являются; например, срезные штифты, муфты и прочее, и не устраняют необходимости в последних; функции тех и других в принципе различны.
В металлообрабатывающих станках находят широкое применение предохранительные устройства электрические, гидравлические и механические, причем в одном и том же станке нередко используют одновременно несколько устройств различного рода. Наиболее совершенными в эксплуатационном отношении являются электрические предохранительные устройства (они, однако, не везде применимы) и срабатывающие выключающие муфты (предохранительные муфты мгновенного действия). Выбор системы предохранительных устройств зависит от ряда факторов, в частности от того, что они должны защищать главным образом - станок, инструмент или электродвигатель, от требуемых автоматичности действия, быстроты срабатывания и чувствительности.
Ниже рассматриваются лишь механические устройства для предохранения станков от чрезмерных перегрузок. Наибольшим распространением в станках пользуются следующие механические устройства подобного назначения:
- срезные штифты и шпонки;
- предохранительные муфты - фрикционные, кулачковые (храповые), шариковые и др.;
- падающие червяки.
До некоторой степени от чрезмерных перегрузок защищает станок передача плоским ремнем, который в таких случаях буксует до тех пор, пока нагрузка не уменьшиться до нормальной.
В некоторых случаях бывает недостаточно, чтобы при перегрузке станок только остановился: нужно еще реверсировать движение, так как иначе возобновление работы может повлечь за собой поломку инструмента или станка (станки для глубокого сверления и др.). В подобных случаях предохранительное устройство должно быть скомбинировано с реверсирующим механизмом.
Срезные штифты и шпонки станка
Эти детали, устанавливаемые в соответствующем месте кинематической цепи и соединяющие два вала, вал с зубчатым или цепным колесом, с храповиком и так далее, рассчитываются так, чтобы при Мк>Мк.пр, штифт или шпонка разрушились. При этом происходит разрыв соответствующей кинематической цепи, вследствие чего предупреждается повреждение более ответственных деталей станка или разрушение инструмента.
Рис. 1. Срезной штифт осевой
Типичные конструкции срезных штифтов приведены на рис. 1 (нормаль станкостроения P95-10) и рис. 2. Как видно из этих фигур, срезной штифт вставляется большей частью в стальные закаленные втулки, запрессованные в отверстия соединяемых деталей; поэтому при перерезании штифта края отверстий не сминаются. Деталь α предохраняет срезной штифт от выпадения.
Рис. 2. Срезной штифт радиальный
Величина силы, перерезающей штифт, зависит главным образом от материала, термической обработки штифта и его наименьшего диаметра. Поэтому силу можно регулировать в довольно широких границах при неизменном диаметре отверстия под срезной штифт, варьируя материал, термическую обработку и применены штифты с прямоугольными или V-образными выточками различного внутреннего диаметра либо гладкие штифты во втулках с постоянным наружным и различными внутренними диаметрами.
Материалом для изготовления срезных штифтов служат сталь 45 (нормаль Р95-10), пружинные и машиноподелочные стали 15, 20, 35 и др. Перерезывающие втулки изготовляют чаще всего из стали 40х с закалкой и отпуском до HRC 48-53.
Аналогично используются в станках предохранительные срезные шпонки. Их изготовляют из тех же материалов, что и срезные штифты, иногда из пластмассы.
Срезные предохранительные детали уместны в таких узлах, в которых чрезмерная перегрузка редко имеет место.
Предохранительные муфты станка
Предохранительные муфты обладают тем преимуществом перед срезными штифтами и шпонками, что они при перегрузке не разрушаются, а проскальзывают или проскакивают, разрывая соответствующую кинематическую цепь, и снова автоматически восстанавливают ее, как только нагрузка снижается до нормальной.
Предохранительные муфты требуют лишь периодической подрегулировки или замены изношенных частей. В качестве предохранительной может быть использована в принципе Всякая сцепная муфта, обладающая способностью самовыключаться, когда передаваемый крутящий момент превышает некоторую предельную для нее величину. Чаще всего для этой цели используют в станках фрикционные муфты.
Предохранительные фрикционы конструктивно сходны со сцепными фрикционными муфтами, отличаясь от них главным образом отсутствием деталей управления (рис. 3). Увеличение срока службы предохранительной муфты и быстрая остановка перегруженного узла станка могут быть достигнуты связью такой муфты с отключающим устройством.
Рис. 3. Фрикционная предохранительная муфта станка
Для изготовления деталей предохранительных фрикционных муфт используют те же материалы, что и для изготовления фрикционных муфт любого другого назначения.
В качестве предохранительных довольно часто применяют также кулачковые (храповые) муфты, которые успешно выполняют свое назначение при условии правильного выбора наклона граней кулачков и давления пружин.
Муфта на рис. 4 состоит из втулок (полумуфт) 2 и 5 со скошенными кулачками (зубьями), заклиненных соответственно на валах 1 и 7. Сцепление кулачков при передаче крутящих моментов, не превышающих установленного предела Мк.пр, обеспечивается винтовой пружиной 4. Давление пружины, а вместе с тем и величина Мк.пр регулируются подвинчиванием стакана 3. Подпятник 6 необходим здесь потому, что пружина 4 опирается одним торцом на полумуфту 5, жестко связанную с валом 7, а другим - на стакан 3, который связан через полумуфту 2 с валом 1.
Рис. 4. Кулачковая предохранительная муфта станка
Расцепление кулачков в предохранительных устройствах этого рода требует осевого перемещения одной из деталей, снабженных кулачками. Как показывает опыт, сопротивление трения между этой деталью и ее направляющей шпонкой (или шлицами) может быть иногда настолько большим, что осевого перемещения не происходит, и муфта не срабатывает. На рис. 5, верхняя часть которой изображает предохранительную муфту механизма подачи стола продольно-фрезерного станка, показано, каким образом этот недостаток может быть устранен.
Рис. 5. Кулачковая предохранительная муфта (два варианта)
Муфта должна связывать втулку 3 зубчатого колеса (не изображенного на фигуре) с ходовым винтом 1 стола. В прежней конструкции применено обычное решение: втулка 3 сидит на гладком участке ходового винта 1 вхолостую, кулачковая муфта 2 - на шпонке. Для устранения указанного недостатка муфты конструкция ее была изменена так, как показано в нижней части фигуры: между втулкой 3 и муфтой 2, заклиненной на ходовом винте, введена промежуточная муфта 4 со скошенными кулачками, сцепленными с такими же кулачками втулки 3. Муфты 2 и 4 сцеплены пятью большими кулачками с нескошенными шлифованным гранями. При перегрузке муфта 4 легко отходит влево, так как перемещение ее не затрудняется сильным трением на шпонке.
Шариковая предохранительная муфта, показанная на рис. 6, работает точно так же, как кулачковая, от которой она отличается лишь тем, что роль кулачков играют здесь шарики. От выпадения шарики предохранены зачеканкой краев гнезд, в которых они сидят.
Рис. 6. Шариковая предохранительная муфта станка
Расчетный крутящий момент Мк.пр зависит не только от условий использования станка, но и от того, где расположен срезной штифт (или другое предохранительное устройство). Необходимо, чтобы:
- при срабатывании этого устройства ведомая им часть кинематической цепи останавливалась возможно быстрее;
- при пуске станка предохранительное устройство не срабатывало;
- к предохранительному устройству для замены разрушившейся или изношенной детали запасной или для подрегулировки муфты доступ не был затруднен.
Чтобы остановка происходила быстро, кинетическая энергия той части кинематической цепи, которая должна останавливаться при срабатывании предохранительного устройства, должна быть малой. Следовательно, это устройство нужно располагать так, чтобы между ним и местом приложения силы, которая может вызвать перегрузку, не было сколько-нибудь значительных маховых масс. Анализ показывает также, что для предохранения от опасной перегрузки путем ограничения величины передаваемого крутящего момента предохранительное устройство нужно располагать в таком месте соответствующей кинематической цепи, чтобы передаточное отношение на участке между этим устройством и местом приложения силы, угрожающей перегрузкой, было постоянным.
Чтобы предохранительное устройство не срабатывало во время пуска станка (это недопустимо для срезных штифтов и шпонок и очень нежелательно для муфт), необходимо соблюдение условия
Му.пуск<Мк.пр.
где Му.пуск - наибольший крутящий момент на том валу, на котором установлено предохранительное устройство, в периоды пуска станка.
Для соблюдения этого условия может иногда понадобиться расположить предохранительное устройство на валу, более удаленном от конечного звена кинематической цепи, защищаемой от перегрузки.
Срезные шпонки рассчитываются подобно срезным штифтам, фрикционные и кулачковые предохранительные муфты - аналогично сцепным муфтам таких же типов. В расчеты входят коэффициенты трения, которые могут быть оценены лишь приближенно; поэтому конструкция предохранительной муфты должна позволять быстро регулировать ее в достаточно широком диапазоне.
Узнать больше о безопасности металлообрабатывающего оборудования Вы сможете в статье система управления и защиты фрезерного станка.
