CC BY
55
Машиностроение. Строительство. Материаловедение. Металлообработка
УДК 621.226-31.001.24
РЕЗЬБООБРАБАТЫВАЮЩИЕ СТАНКИ С ВНУТРЕННИМИ ГИДРАВЛИЧЕСКМИ СВЯЗЯМИ ДЛЯ НАРЕЗАНИЯ РЕЗЬБ С НЕРАВНОМЕРНЫМ ШАГОМ В.А. Ванин1, О.Н. Трифонов2, В.И. Иванов2
Кафедра «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты», ТГТУ (1);
Московский государственный технический университет СТАНКИН (2)
Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: гидравлические связи; гидравлический шаговый привод; модульный принцип построения техники; резьбообрабатывающие станки.
Аннотация: Рассматривается возможность применения гидравлических связей на основе шагового гидравлического привода во внутренних (формообразующих) цепях резьбообрабатывающих станков для нарезания резьб с неравномерным шагом с целью повышения точности, снижения металлоемкости, создания рациональной конструкции кинематической цепи, используя модульный принцип построения кинематических цепей.
В ряде отраслей промышленности с целью перемещения определенной массы с последующим ее уплотнением в процессе перемещения и придания ей требуемой формы, например, в резиновой промышленности (кабели, шланги); в пищевой промышленности (производство макарон); в производстве пластмасс, применяются винты с переменным шагом, которые обеспечивают уплотнение в осевом направлении.
Имеются также конструкции винтов с переменным шагом, предназначенных для передачи движения рабочему органу с переменной скоростью при равномерном вращении винта.
В связи с отсутствием до последнего времени достаточно производительных методов изготовления винтовых поверхностей с переменным шагом их заменяют:
1) винтовыми поверхностями постоянного шага;
2) составными секциями, причем каждая секция имеет постоянный шаг, но величина шага для всех секций различна;
3) винтовыми поверхностями с постоянным шагом и переменной глубиной. Недостатком таких винтов является то, что уплотнение переменной массы происходит главным образом в радиальном направлении, и перемещение массы значительно затрудняется.
Характерными примерами винтов с переменным шагом являются винты с наружной нарезкой для червячных прессов, применяемых в резиновой промышленности для получения заготовок в виде профильных пластинок; для винтовых пневматических питателей, применяемых для транспортировки материалов; для пластификаторов, применяемых в химическом производстве для придания каучуку способности смешиваться с другими веществами и для облегчения обработки резиновых смесей.
Вне зависимости от функционального назначения существуют четыре типа винтов:
1) с постоянным шагом и постоянной глубиной;
2) с постоянным шагом и переменной глубиной;
3) с переменным шагом и постоянной глубиной;
4) с переменным шагом и переменной глубиной.
При нарезании винтов с переменным шагом исполнительное движение инструмента происходит по винтовой линии, имеющей неравномерный шаг. Такая резьба не может характеризоваться ходом Т винтовой линии. Здесь должны быть известны: Т0 - ход первого витка; Т2 - ход последнего витка; z - число витков на заданной длине резьбы S (длина перемещения инструмента); Т ф const - переменный ход (шаг) винтовой линии.
В таких станках сложные формообразующие движения составляются из нескольких элементарных движений, но из них одно - обязательно неравномерное. Закон изменения скорости этого движения определяется условиями образования требуемой поверхности [1].
Неравномерное движение чаще всего получают суммированием равномерного движения с неравномерным, применяя суммирующий механизм и дополнительную внутреннюю кинематическую цепь, которая преобразует равномерное движение в неравномерное.
Одним из важнейших показателей в создании новой конструкции металлорежущего станка, рациональной по функциональной точности, металлоемкости и другим признакам, является разработка кинематической схемы станка, особенно внутренних (формообразующих) цепей, обеспечивающих кинематическую связь между заготовкой и инструментом.
Кинематическая связь между исполнительными звеньями станка для создания определенного исполнительного движения и кинематическая связь этих звеньев с источником движения осуществляется с помощью механических звеньев (валов, шестерен, муфт и т.п.). Наиболее существенными недостатками кинематических цепей, составленных из механических звеньев, являются:
- значительная протяженность кинематических цепей, особенно при сложном пространственном расположении рабочих органов и при большом расстоянии между исполнительными органами станка;
- кинематические цепи из механических звеньев имеют непостоянную жесткость, так как крутильная жесткость определяется протяженностью цепи и жесткостью стыков в кинематических парах;
- индивидуальное проектирование и построение внутренних кинематических цепей под каждую отдельную компоновку станка одного и того же типа и назначения, но разного габарита.
Анализируя результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также данные производственной эксплуатации станков со сложными кинематическими связями, можно отметить, что в последнее время для создания внутренних кинематических связей делаются попытки применять цепи с немеханическими элементами, используя для этого электрические, электронные, гидравлические связи или их комбинации. Электрические, гидравлические и другие виды немеха-
нических связей, несмотря на ряд преимуществ по сравнению с механическими связями (допускают большую протяженность, элементы их меньше изнашиваются, дольше сохраняется первоначальная кинематическая точность), все же не получили широкого распространения при построении внутренних (формообразующих) кинематических цепей металлорежущих станков.
Одним из возможных направлений повышения точности внутренних (формообразующих) цепей металлорежущих станков и сохранения ее в процессе эксплуатации является сокращение протяженности кинематических цепей за счет создания и применения высокоточных приводов, обеспечивающих возможность прямого непосредственного соединения двигателя с нагрузкой, исключая при этом коробки подач, редукторы, промежуточные передачи.
В основе применения гидравлических связей во внутренних цепях металлорежущих станков лежит гидромеханическая синхронная передача «гидравлический вал» [1 - 3].
В качестве силового органа в шаговом гидроприводе используется специальный гидравлический шаговый двигатель (ГШД), выходное звено которого отрабатывает дискретные управляющие сигналы с высокой точностью и большим усилением по мощности. Звеном настройки такой передачи служит генератор гидравлических импульсов, который соединен с шаговым гидродвигателем.
При использовании во внутренних кинематических цепях шаговых гидродвигателей в качестве силового исполнительного звена кинематическая связь между заготовкой и инструментом осуществляется благодаря тому, что расход рабочей жидкости с помощью генератора гидравлических импульсов преобразуется в определенную последовательность гидравлических импульсов. Формирование управляющих импульсов реализуется посредством рабочих щелей вращающейся золотниковой втулки генератора гидравлических импульсов. Управляющие гидравлические импульсы распределяются по рабочим камерам шаговых гидродвигателей привода заготовки и инструмента, при этом каждому из них соответствует определенный угол поворота выходных валов, шаговых гидродвигателей, пропорциональный количеству импульсов, а скорость вращения выходных валов пропорциональна частоте их следования. Передаточные отношения между исполнительными органами гидравлической связи - заготовкой и инструментом - зависят от соотношения частот гидравлических импульсов, подаваемых к шаговым гидродвигателям, осуществляющим вращение инструмента.
При применении во внутренних (формообразующих) цепях гидравлических связей на основе шагового гидропривода возможно заменить силовые кинематические цепи значительной протяженности короткими цепями для непосредственного привода исполнительных звеньев станка - заготовки и инструмента.
Принципиальной особенностью применения гидравлической связи во внутренних цепях станков является то, что каждый исполнительный орган кинематической группы имеет свой источник движения - шаговый гидродвигатель, позволяющий изменять направление и скорость движения в требуемом диапазоне.
Используя высокие компоновочные свойства гидравлического шагового привода, представляется возможным применить гидравлические связи к построению внутренних кинематических цепей металлорежущих станов, имеющих сложные разветвленные многозвенные механические переналаживаемые цепи значительной протяженности, где необходимо обеспечить жесткую кинематическую связь для создания взаимосвязанных формообразующих движений заготовки и инструмента, таких как зубо- и резьбообрабатывающие станки различных типов.
В данной статье рассматривается принципиально новый подход к построению внутренних (формообразующих) цепей, требующих точного взаимосвязанного движения заготовки и инструмента, используя для этого гидравлические связи на основе гидравлического шагового привода.
Рис. 1 Структурная схема резьбофрезерного станка с гидравлическими внутренними связями для нарезания винтовых поверхностей переменного шага
На рис. 1 представлена структурная схема резьбофрезерного станка с гидравлическими формообразующими связями для нарезания винтовых поверхностей переменного шага [4].
Станок включает в себя инструмент 8, совершающий вращательное движение от электродвигателя Д1 через звено настройки \у1 и заготовку 9, которая совершает вращение от электродвигателя Д2 через звено настройки 1у1.
Продольное перемещение суппорта 10 с инструментом 8 осуществляется шаговым гидродвигателем 11, который управляется генератором гидравлических импульсов 7, золотниковая втулка с расчетным числом рабочих щелей этого генератора получает вращение от приводного зубчатого колеса 6, закрепленного на шпинделе заготовки.
Приращение шага резьбы осуществляется кулачком 2, который вращается шаговым гидродвигателем 3 и воздействует на диск 13, закрепленный на ходовом винте 12 продольной подачи. Управление шаговым гидродвигателем производится генератором гидравлических импульсов 4, золотниковая втулка которого с расчетным числом рабочих щелей получает вращение от зубчатого колеса 6.
Рабочая жидкость к генераторам гидравлических импульсов подводится от насосной станции 1 по трубопроводу 5.
На рис. 2 представлена структурная схема резьбонарезного станка для нарезания цилиндрических винтовых поверхностей переменного шага [5].
Станок включает в себя заготовку 6, получающую вращение от электродвигателя Д через звено настройки ¡у и связанную винторезной цепью с инструментом 8, установленном в верхних салазках 9 суппорта. Продольное перемещение режущего инструмента осуществляется от гидравлического шагового двигателя 2, кинематически связанного с ходовым винтом 12 продольной подачи суппорта 7 и управляемого генератором гидравлических импульсов 4, золотниковая втулка с рабочими щелями которого вращается от зубчатого колеса 5, закрепленного на шпинделе заготовки 6.
Дополнительное перемещение инструмента производится от шагового гидродвигателя 13, кинематически связанного посредством червячной передачи 14 с суммирующим механизмом 15 в виде дифференциала с коническими колесами и
Рис. 2 Структурная схема резьбонарезного станка с внутренними гидравлическими связями нарезания винтовых поверхностей переменного шага
Рис. 3 Структурная схема резьбонарезного станка с внутренними гидравлическими связями для нарезания конических винтовых поверхностей переменного шага
управляемого от генератора гидравлических импульсов 10, золотниковая втулка с рабочими щелями которого получает вращение от зубчатого колеса 11, закрепленного на ходовом винте 12 продольного перемещения суппорта.
Рабочая жидкость к генераторам гидравлических импульсов поступает от насосной установки 1 по трубопроводам 3.
На рис. 3 представлена структурная схема резьбонарезного станка для нарезания конических винтовых поверхностей переменного шага с гидравлическими связями во внутренней цепи [6].
Станок включает в себя заготовку 9, совершающую вращательное движение от электродвигателя Д через звено настройки 1У и связанную винторезной цепью с инструментом 17.
Продольное перемещение продольного суппорта 16 с инструментом осуществляется от шагового гидродвигателя 1, кинематически связанного с ходовым винтом 12 продольной подачи суппорта и управляемого генератором гидравлических импульсов 5, золотниковая втулка с рабочими щелями которого получает вращение от зубчатого колеса 8, закрепленного на шпинделе заготовки. Поперечное перемещение резцовой каретки с инструментом 17, связанное определенной зависимостью с продольным перемещением продольного суппорта осуществляется от шагового гидродвигателя 11, кинематически связанного с ходовым винтом поперечной подачи 10 резцовой каретки и управляемого генератором гидравлических импульсов 3, золотниковая втулка с рабочими щелями которого получает вращение от генератора гидравлических импульсов 5, расположенного в цепи привода продольного перемещения суппорта через несиловую гитару сменных зубчатых колес 4.
Дополнительное перемещение инструмента, равное приращению шага резьбы, осуществляется от шагового гидродвигателя 13, кинематически связанного через червячную передачу 14 с суммирующим механизмом 15 в виде дифференциала из конических колес и управляемого генератором гидравлических импульсов 7, золотниковая втулка с рабочими щелями которого получает вращение от зубчатого колеса 8. Рабочая жидкость к генераторам гидравлических импульсов подводится от насосной установки 6 по трубопроводу 2.
На рис. 4 представлена схема резьбообрабатывающего станка с гидравлическими связями для нарезания конических винтовых поверхностей с переменным шагом и переменной глубиной профиля [7, 8].
Станок включает в себя заготовку 21, которая получает вращательное движение от электродвигателя Д через звено настройки ¡у.
Продольное перемещение продольного суппорта 18 с инструментом 20 для получения винтовой линии на изделии осуществляется от шагового гидродвигателя 1, кинематически связанного с ходовым винтом продольной подачи 16, и управляемого генератором гидравлических импульсов 4, золотниковая втулка с расчетным числом рабочих щелей которого получает вращение от зубчатого колеса 22, жестко закрепленного на шпинделе изделия.
Рис. 4 Структурная схема резьбообрабатывающего станка с гидравлическими связями для нарезания конических винтовых поверхностей с переменным шагом и переменной глубиной профиля
Поперечное перемещение верхней каретки 19 суппорта с инструментом, необходимое для воспроизведения наклонной образующей и связанного определенной зависимостью с продольным перемещением продольного суппорта 18 производится шаговым гидродвигателем 7, кинематически связанным с ходовым винтом 11 поперечной подачи верхней каретки 19 суппорта и управляемым генератором гидравлических импульсов 2, золотниковая втулка с рабочими щелями которого получает вращение посредством несиловой гитары сменных колес 3 от вращающейся золотниковой втулки генератора гидравлических импульсов 4 цепи продольных подач суппорта 18.
Дифференциальное движение, необходимое для нарезания винтовых поверхностей с переменным шагом, осуществляется от шагового гидродвигателя 17, кинематически связанного с инструментом через суммирующий механизм 23 в виде дифференциала с коническими колесами посредством червячной передачи 24 и управляемого генератором гидравлических импульсов 14, золотниковая втулка с рабочими щелями которого получает вращение от приводного зубчатого колеса 15, жестко закрепленного на ходовом винте 16 продольной подачи суппорта 18.
Дифференциальное движение, необходимое для нарезания винтовых поверхностей с переменной глубиной профиля, зависимой от величины приращения шага винтовой поверхности, осуществляется от шагового гидродвигателя 10, кинематически связанного посредством суммирующего механизма 8 в виде дифференциала с коническими колесами через червячную передачу 9 и ходовым винтом 11 поперечной верхней каретки 19 суппорта и управляемого генератором гидравлических импульсов 12, золотниковая втулка которого получает вращение через несиловую гитару сменных зубчатых колес 13 от вращающейся золотниковой втулки генератора гидравлических импульсов 14 дифференциальной цепи приращения шага резьбы.
Рабочая жидкость к генераторам гидравлических импульсов подводится от насосной установки 5 по трубопроводу 6.
Эффективность построения системы внутренних цепей металлорежущих станков на основе шагового гидропривода заключается в том, что:
- обеспечивается конструктивная однородность кинематических связей между конечными звеньями - заготовкой и инструментом для станков различного технологического назначения и разных типоразмеров, при этом возможно исключить конструктивное и размерное многообразие кинематических цепей, предназначенных для выполнения однотипных функций, и осуществить проектирование и построение внутренних цепей различных зубо- и резьбообрабатывающих станков с большим различием характеристик из небольшого, ограниченного, экономически обоснованного количества типоразмеров одинаковых (типовых или стандартных) агрегатов (модулей), что ведет к упорядочению номенклатуры одноименных внутренних цепей, сходных по функциональному назначению путем установления типоразмерных рядов гидравлических связей;
- обеспечивается конструктивная преемственность при создании станков, благодаря типизации конструкций внутренних кинематических цепей на основе гидравлической связи в виде шагового гидропривода, состоящего из конструктивно и функционально завершенных агрегатов (модулей), имеющих унифицированные габаритно-установочные и присоединительные элементы, способные выполнять заданные функции либо самостоятельно, либо совместно с аналогичными модулями в зависимости от назначения, сложности внутренней цепи, количества формообразующих движений;
- уменьшается накопленная погрешность изделия, так как общая протяженность кинематической цепи между согласуемыми органами, обуславливающая накопление ошибки за счет увеличения угла закручивания по ее длине в случае применения гидравлической связи предельно сокращается, так как погрешность гидравлической связи не зависит от расстояния между задающим устройством и исполнительным шаговым гидродвигателем, а будет определяться точностью конечных делительных звеньев цепи (червячные, винтовые передачи), точностью изготовления элементов шагового гидродвигателя, инструмента и заготовки;
- уменьшается металлоемкость и масса станков, так как уменьшаются габаритные размеры узлов, несущих инструмент и заготовку, повышается жесткость их корпусов, благодаря устранению окон и полостей в них для размещения механических кинематических передач, отпадает потребность в больших наборах сменных зубчатых колес для гитар сменных колес, сокращается до возможного минимума количество промежуточных элементов, составляющих механическую кинематическую цепь (зубчатые колеса, подшипники, валы и т. п.) при замене ее гидравлической связью, что существенно упрощает кинематику станка и одновременно приводит к повышению жесткости и точности цепей, а также позволяет создать более рациональную компоновку, предельно сблизить при этом узел инструмента и узел заготовки при сложном пространственном расположении рабочих органов станка.
Список литературы
1. Трифонов, О.Н. Применение гидравлических шаговых моторов в цепи обката зубодолбежного станка / О.Н. Трифонов, В. А. Ванин // Гидравлические системы металлорежущих станков : межвузовский сб. научн. трудов. Вып. 2 / под ред. О.Н. Трифонова. - М.: Станкин, 1977. - С. 98-104.
2. Трифонов, О.Н. «Гидравлический вал» в приводе металлорежущих станков / О.Н. Трифонов, В.А. Ванин // Гидравлические системы металлорежущих станков : межвузовский сб. научн. трудов. Вып. 4 / под ред. О.Н. Трифонова. - М.: Станкин, 1979. - С. 178 - 184.
3. Ванин В.А. Унификация формообразующих кинематических цепей металлорежущих станков на основе модульного принципа / В.А Ванин. // СТИН. -2002, №7. - С. 17.
4. Патент РФ №2165829 7Б2301/12, 1/32 Резьбофрезерный станок с гидравлическими связями для нарезания резьб с неравномерным шагом / В. А. Ванин, В.В. Жирняков, С.В. Евлампиев Бюл. № 12, 2001.
5. Патент РФ №2074807 6B23Q/26 Гидравлическая цепь подач токарновинторезного станка / В.А. Ванин и др. Бюл. № 7, 10.03.97.
6. Патент РФ №2132256 6Б23Б5/46 Станок для нарезания конических винтовых поверхностей с переменным шагом / В.А. Ванин, С.В. Евлампиев. Опубл. Б. И. №18, 1999.
7. Патент РФ №2142866 Б23Б5/46 Станок для нарезания винтовых поверхностей переменного шага / В. А. Ванин, Д.Ю. Баркалов. Опубл. Бюл. № 35, 1999.
8. Патент РФ №2147974 МКИ 7Б23Б5/46, Б2303/10 Винторезный станок с гидравлическими связями для нарезания конических винтовых поверхностей / В.А. Ванин, В.В. Жирняков, С.В. Евлампиев Бюл. № 12, 27.04.2000.
Tread Processing Machines with Internal Hydraulic Links for Cutting Threads with Irregular Pitch
V.A. Vanin1, O.N. Trifonov2, V.I. Ivanov2
Department “Technology of Machine Engineering,
Metal-Cut Machines and Instruments ”, TSTU (1);
Moscow State Technical University STANKIN (2)
Key words and phrases: hydraulic links; hydraulic pitch drive; module principle of machine design; thread processing machines.
Abstract: The possibility of using hydraulic links on the basis of hydraulic drive in internal forming chains of thread processing machines for cutting thread with irregular pitch in order to increase accuracy, reduce metal consumption, create rational structure of kinematical chain, using module principle of machine design is considered.
Gewindeerarbeitende Maschinen mit den inneren hydraulischen Verbindungen für das Gewindeschneiden mit dem ungleichmäßigen Schritt
Zusammenfassung: Es wird die Möglichkeit der Benutzung der hydraulischen Verbindungen auf Grund des hydraulischen Schrittantriebes in den inneren (formbildenden) Ketten der gewindebearbeitenden Maschinen für das Gewindeschneiden mit dem ungleichmäßigen Schritt mit dem Zweck der Präzisionserhöhung, der Metallanteilsenkung und der Schaffung der Rationalkonstruktion der kinematischen Kette betrachtet.
Machines à rectifier avec des liens intérieurs hydrauliques pour le filetage avec le pas irrégulier
Résumé: Est examinée la possibilité de l’application des liens hydrauliques à la base de la commande hydraulique pas à pas dans les chaînes intérieures des machines à rectifier pour le filetage avec le pas irrégulier dans le but d’augmenter la précision, de diminuer la capacité métallique, de créer les chaînes cinétiques en utilisant le principe modulaire pour la construction des les chaînes cinétiques.
