Токарно-винторезный станок Советский патент 1985 года по МПК B23G1/04 

1 Изобретение относится к винторез ньм станкам конкретнее к вибрацион ному винторезному станку для нареза ния высокочастотной винтовой резьбы способному нарезать резьбу с высоко эффективностью на труднообрабатывае мых материалах (например, на нержавеющей стали, титане и бершшиевой бронзе) путем вибрационного нарезания, при котором используют импульс ную силу резания. При нарезании резьбы резцом на поверхности труднообрабатываемого материала (например, нержавеющей стали, титана или бериллиевой бронзы) цилиндрической формы с наружным диаметром 10 мм или менее и с тонкой стенкой толщиною 0,5 мм или менее в соответствии с известной технологией механической обработки режущая часть резца изнашивается после обработки порядка 4050 деталей и требует замены. Кроме того, для доводки до определенных размеров требуется проходов. Поэтому такая операция механической обработки непроизводительна. . Даже при условиях обработки ре- Iзанием, при которых возможно нарезание резьбы за один проход, всегда требуется после черновой обработки выполнять чистовой проход со снятием от нуля до десятков микронов с целью обеспечения размерной стабильности и точности профиля. Еще одна трудность состоит в том что при обычной механической обрабо ке в случае, например, образования резьбы ИЗО с шагом ,5 из нержавеющей стали за один проход основна составляющая силы сопротивления резанию имеет большую-величину (приблизительно 230 кг). Для преодолени зтого большого сопротивления привод ные механизмы поперечных салазок для поддержания резца и продольных салазок суппорта, а также резцедержателя или механизма закрепления ре ца, должны иметь высокую прочность и жесткость. Следовательно, связанн с ними конструктивные части или вес станок должны быть сделаны громоздкими и прочньфш. Известен токарно-винторезный станок, содержащий станину с установ-55 ленными на ней и кинематически связанными между собой привод, переднюю бабку, коробку подач, каретку суп6порта с ходовьм винтом и поперечные салазки с резцедержателем и резцом hj. Недостатками известного станка являются низкое качество нарезаемой резьбы на деталях из труднообрабатываемых материалов (нержавеющая сталь, титан или бериллиевая бронза) и низкая стойкость резца. Цель изобретения - повышение стойкости инструмента и качества нарезаемой резьбы. Поставленная цель достигается тем, что в токарно-винторезный станок, содержащий станину с установленньми на ней и кинематически связанными между собой привод переднюю бабку, коробку подач, продольные салазки суппорта с ходовым винтом и поперечные салазки с резцедержателем и резцом, введены установленный на поперечных салазках и связанный с резцом вибратор и установленная на резцедержателе с возможностью поворота и вертикального перемещения рамка, в которой размещен резец. На фиг.1 изображен вариант предлагаемого дтанка, вид сверху; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.З - несущие резец части, вид спереди; на фиг.4 - разрез Б-Б на . фиг.З; на фиг.5 - закрепление клинового элемента; на фиг.6 - резец, вид сбоку, и график для описания колебательных состояний в различных местах на резце-, на фиг.7 - состояние установки резца, вид сбоку, на фиг.8 (а, 5 и в) - варианты направления колебаний, сообщаемых пезцу; на фиг.9 - траектория движения поперечных салазок суппорта станка, вид сверху. Вибрационный винторезный станок М(фиг.1) для нарезания высокоточной резьбы имеет шпиндельную бабку 1 для закрепления и вращения обрабатываемого изделия (заготовки), например цилиндра авторучки, подвижный суппорт, расположенный напротив шпиндельной бабки 1 с правой от нее стороны и удерживающий резец 2, подвижный суппорт 3, расположенный против шпиндельной бабки, управляющее устройство 4 для управленич перемещениями подвижного суппорта 3 и зубчатое управляющее устройство 5 для управления перемещением продольных салаШпиндельная бабка имеет главный шпиндель 6, установленный в опоре 7 с возможностью вращения на подшип никах 8 и вращаемый приводным электродвигателем (не показан). Главный шпиндель 6 выполнен полым и несет на своем переднем конце цанговый па трон 9. В последнем обрабатываемое изделие 10 зажимают так, чтобы его наружный или прг.вый конец немного выс тупал из патрона вперед. Если обрабатьшаемое изделие имеет трубчатую форму с тонкой стенкой, цанговый патрон 9 снабжают С-образным кольцом 11, посредством которого.издели 10 закрепляют соосно с главным шпин делем 6. Заготовки обрабатываемого изделия 10 подают в магазин (приемник)12, установленный с левой стороны от шпиндельной бабки 1. На левом конце главного шпинделя 6 предусмотрен цилиндр 13 для приведения в действие цангового патрона, зажатый по периферийной поверхности зажимным элементом 14. Последний сцеплен с поршневым штоком пневмоцилиндра 15, расположенного параллельно главному шпинделю 6, и может быть приведен пневмоцилиндром в движение, чтобы заставить цилиндр 13 скользить в осевом направлении главного шпинделя и обеспечивать тем самым размыкание и смыкание цангового патрона 9, Для соединения исполнительного цилиндра 13 с цанговым па троном предусмотрен известный механизм (не поклзан). Вблизи от левого конца поршневого штока цилиндра 15 установлен микропереключатель Пу Заготовку проталкиваю- через внутреннюю поверхность главного шпинделя 6 посредством толкателя 16. Недалеко от цилиндра 13 привода цангового патрона на главном шпинделе 6 закреплен шкив 17. Из коробки подач 18 выходит вал 19, на котором закреплен шкив 20, связанный со шкивом 17 через зубчатый ремень 2.1. В коробке 18 подач размещен механизм зубчатой передачи, содержащий разнообразные зубчатые колеса и регу лируемый путем поворота рычагов 22 и 23, установленных на верхней повер ности коробки 18 подач, Механизм зубчатой передачи в коробке 18 подач имеет два выходных вала 24 и 25, скорости вращения которьк могут быть выбраны по желанию путем регулировки механизма зубчатой передачи. Два выходных вала 24 и 25 коробки 18 подач опираются своими наружными частями с возможностью вращения на опорн то плиту 26. На выходном валу 24 установлена муфта для подачи резания (муфта прямого вращения), обеспечивающая перемещение продольных салазок влево для нарезания резьбы.,На другом выходном валу 25 установлена возвратная муфта (муфта обратного вращения) для возврата продольных салазок в исходное положение после завершения нарезания резьбы. На правых концах выходных валов 24 и 25 закреплены шкивы 27 и 28 соответственно, которые соединены друг с другом бесконечным передаточным ремнем 29. Со шкивом 27 соединен электромагнитный тормоз 30, на выходном валу 31 которого закреплен первый двухступенчатьй щкив 32. В соответствии с последним закреплен второй двухступенчатый щкив 33 на конце винта 34 продольной подачи, обеспечиваницего перемещение продольных салазок в продольном направлении. Вокруг двухступенчатых шкивов 32 и 33 проходит с возможностью избирательного перевода бесконечной передаточный ремень 35. Путем перевода передаточного ремня на шкивах 32 и 33 можно изменять скорость подачи продольных салазок 36. Подвижный суппорт 3 содержит продольные салазки 26, установленные с возможностью скольжения в направлении оси главного шпинделя 6, и поперечные салазки 37, установленные с возможностью скольжения на продольных салазках 36 в направлении, перпендикулярном к оси главного шпинделя. Вращение винта 34 продольной подачи заставляет продольные салазки 36 совершать возвратнопоступательное движение в продольном направлении. Поперечные салазки 37 приводятся в движение скольжения в поперечном направлении поршневыми штоками пневмоцилиндров 38, установленных с левой и правой сторон поперечных салазок. Пневмоцилиндры 38 неподвижно закреплены на продольных салазках 36, причем их поршневые штоки проходят сквозь направляющие выступы и соеинены с выступами, выступающими наужу от левой и правой стенок попеечных салазок 37. Управляющее суппортом устройство 4, расположенное вблизи от суппорта 3, между опорными кронштейнами 39 имеет верхний и нижний копирные кулачки 40 и 41, распеложенМые с Некоторьми между ними промежутками справа и слева и отходящими назад от неподвижной конструкции В (фиг.2). Верхний кулачок 40 имеет часть большого и часть малого диаметров. Нижний кулачок 41 имеет диаметр, равный малому диаметру части верхнего кулачка 40. На заднем конце поперечных сапазок 37 установлен следящий штифт 42 для взаимодействия с верхним кулачком 40. На заднем конце выступающего кронштейна 43, отходящего назад от поперечных салазок 37, установлен следяои й штифт 44 для взаимодействия с нижним кулачком 41. Выступающую длину следящих щтифтов, т.е. положение их кончиков, регулируют с помощью микрометров, СООТ-ветственно соединенных с штифтами. Кроме того, положение имеющей большой диаметр части верхнего кулачка 40 регулируют в продольном направлении посредством микрометра, установленного с левой стороны левого опор,ного кронштейна 39. Йа задней поверхности продольных салазок 36 предусмотрен выступаю щий элемент, положение которого отно сительно указанной задней поверхности в продольном направлении можно при необходимости регулировать. При движении в продольном направлении выступаюп№1й элемент входит в контак с приводными элементами т,., и т, конечных выключателей т и т , уста новленных с заданным промежутком между ними в заданный местах на неподвижной конструктивной части, и, перемещая их, приводит в действие конечные выключатели т, и т,, . Пол ченные от конечных выключателей сиг налы используют для того, чтобы при вести в действие электромагнитный тормоз 30, муфту для подачи резания и возвратную муфту. Аналогичным образом на правой по верхности поперечных салазок 37 пре дусмотрен выступающий элемент, пред назначенный для приведения в действие конечных выключателей т и tm Полученный от конечного выключателя fYij сигнал использук т для приведения в действие муфты прямого вращения, а КОНЕЧНЫЙ выключатель n.- для подтверждения положения поперечных салазок 37, На поперечных салазках 37 (фиг.З и 4) установлен резцеде1 жатель 45, содержащий опорные рамки 46 неподвижно закрепленные на поперечных салазках и разнесенные в направлении спереди назад. Между опорньми рамками 46 установлена качающаяся (допускающая установку под углом) рамка 47 для поддержания резца 2, опирающаяся с возможностью поворота на опорные рамки таким образом, что позволяет регулировать угол ее наклона в направлении ее качания. К средней части качающейся рамки 47 прикреплены отходящие наружу оси 48 качания, вставленные в поддерживающие их с возможностью поворота передвижные элементы 49, которые могут скользить в вертикальном направлении в опорных рамках 46. Каждый передвижной элемент 49 опирается (фиг.З) на клиновой элемент 50, в более толстый конец которого упирается стержень 51. На более тонкий противоположный конец клинового элемента 50 упруго нажимает пружина 52 сжатия. Таким образом, продвигая каждый клиновой элемент 50 путем перемещения стержня 51 в направлении к клиновому элементу или от него, можно поднимать или опускать передвижной элемент, благодаря чему можно поднимать или опускать местоположение по вертикали соответствующей оси качания (т.е. поднимать или опускать местоположение по .вертикали центра резца 2). Левый конец качающейся рамки 47 имеет швеллерообразное поперечное сечение ив углубленной его части две швеллероббразные рамки 53, резец 2 зажимают сверху и снизу. Верхнюю швеллерообразную рамку 53 неподвижно закрепляют путем затяжки двух винтов 54, позади которых проходит сквозь качающуюся рамку 47 от верхней.ее поверхности до нижней . длинный винт 55, который доходит до поперечных салазок 37 и упирается в их верхнюю поверхность. Качающаяся рамка 47 имеет на правом конце хвостовую часть 56, которая снабжена регулировочным винтом 57, конец которого упирается в верх нюю поверхность поперечных салазок Путем регулируемого вращения регулировочного винта 57 и длинного винта 55 можно регулировать и устанавливать угол наклона рамки 47 относительно поперечных салазок 37. Между опорными рамками 46 неподвижно закреплены на поперечных салазках 37 неподвижная рамка 58, на которюй установлен ультразвуковой вибратор 59 с отходящим вниз рупором (концентратором) 60. Нижний конец концентратора 60 соединен с пра вым концом (т.е. концом, противоположным рабочему .концу) резца 2. Точка соединения концентратора 60 с резцом 2 расположена на участке максимальной амплитуды волны колебаний (фиг.6), а точки, в которых швеллерообразные рамки 53 зажимают и фиксируют резец 2, расположены в точках нулевой амплитуды Режущая часть резца 2 расположена в точке, соответствующей максимальной амплитуде. Наиболее желательной установкой резца .2 под углом .является установ- ка, при которой угол наклона резца делают путем регулирования качающей ся рамки 47 равным углу подъема винтовой линии резьбы (фиг.7). При такой установке угла наклона резца под углом подъема винтовой линии ре жущая часть резца вибрирует (в случае использования обычных колебаний изгиба) в направлении винтовой резь бы, причем уменьшается не только со противление резанию, но и режущая часть не сталкивается с гребнями резьбы при движении ее в направлени противоположном направлению резания, даже если шаг винтовой резьбы очень мал. Кроме того, хотя обычно используют изгибные колебания, которые заставляют резец вибрировать в направлении вверх и вниз (фиг.8ц), мо гут быть использованы крутильные ко лебания, заставляющие резец вибриро вать на кручение (фиг. 8S), или про дольные колебания, заставляюпцсе резец вибрировать в продольном направ лении (фиг. 8 8) и используемые в случаях нарезания охватываемой . (наружной) резьбы. Токарно-винторезный станок работ ет следуюпшм образом. Перед операцией нарезания резьбы устанавливают скорость вращения винта 34 продольной подачи в соответствии с шагом нарезаемой винтовой резьбы путем ре.улирующего поворота рычагов 22 и 23 для регулировки передаточных отношений в коробке 18 подач. Одновременно длинным 55 и регулировочным 57 винтами устанавливают определенный угол наклона качающейся 47, чтобы установить резец 2 под углом, равным углу подъема винтовой линии нарезаемой резьбы. Кроме того, для управления пере.мещениями продольных 36 и поперечных 37 салазок в соответствии с диаметром обрабатываемого изделия 10 регулируют длину выступания следящих штифтов 42 и кулачкового механизма . управляющего суппортом устройства 4 путем вращения микрометров. Расстояние, на которое резец отходит от поверхности резания в направлении, перпендикулярном к продольной оси обрабатьгоаемого изделия, после обработки регулируют выступающей длиной следящего штифта 42, а глубину нарезания резьбы регулируют выступающей длиной следящего штифта 44. Кроме того, для регулирования времени отхода резца от изделия после обработки регулируют положение имеющей большой диаметр части кулачка 40 путем вращения микрометра. При состоянии станка, на котором уже закончен один цикл нарезания резьбы (внутреннего резьбонарезания) в изделии 10 (фиг.1), зажатом в цинговом патроне 9, и когда должен начаться следующий цикл резьбонарезания, продольные салазки 36 перемещаются в крайнее правое положение Перед этим толкатель 16 движется вправо и подает самую нижнюю заготовку в магазине во внутреннюю полость главного шпинде- ля 6. Как раз перед тем, как заготов-. ка, поданная во внутреннюю полость главного шпинделя, упрется в изделие 10, нарезание резьбы на катором уже закончено, поршнево.й шток пневмоцилиндра 15 втягивается, в результате чего раскрывается цанговый патрон 9. После этого вновь поданная заготовка упираете в уже обработанное изделие 10 и выталкивает его из патрона 9. В то же время новая заготовка останавливается во внутренней полости цангового патрона 9. В это время поршневой шток пневмоцилиндра 15 немного выдвигается, обеспечивая тем самым смыкание патр на 9, который зажимает заготовку. После этих действий поперечные салазки 37 э.анимают крайнее правое положение (фиг.9) и выступ поперечных салазок 37 пр иводит в действие конечный выключатель т4 что вызь1вает расцепление возвратной муфты и приведение в действие электромагн ного тормоза 30, останавливающего винт 34 продольной подачи. В этот момент поршневой шток пне моцилиндра 15 вьщвигается, чтобы за тянуть цанговый патрон 9, в котором зажата заготовка, и приводит в действие микропереключатель т. В ре зультате приведения в действие микропереключателя mj вьщвигается поршневой шток пневмоцилиндра 38, заставляя поперечные салазки 37 дви гаться из положения Р в положение Pj (фиг.9). Движение поперечных салазок 37 прекращается, когда следящий штифт 44 входит в соприкосновение с нижни кулачком 41. В этот момент выступ на правой поверхности поперечных са лазок 37 приводит в действие конечный выключатель т , что вызывает отпускание тормоза 30 и сцепление муфты 24 прямого вращения. В результате этого винт 34 продольной подачи вращается в прямом направлении с заданной скоростью и продольные салазки 36 движутся влево или в направлении резьбонарезанчя. После того, как режущая часть резца 2 войдет в контакт с внутренней поверхностью правого конца изделия 10, начинается нарезание резьбы. Затем, когда завершится нарезание резьбы и поперечные салазКи 37 передвинутся в положение Р (фиг.9 приводится в действие конечный выключатель т2 . что вызывает при ведение в действие электромагнитного тормоза 30 и одновременно расцепление муфты прямого вращения и втягивание поршневого штока пневмоцилиндра 38. Затем поперечные салазки 37 перемещают немного назад с целью отвода резца от обработанной поверхности. При этом поперечные салазки 37 пере ходят в положение Р . Во время пере мещения поперечных салазок 37 из положения PJ в положение Р в патрон 9 подают новое изделие. При движении продольных салазок 36 влево следящий штифт 44 скользит по нижнему кулачку 41, а в это время следящий щтифт 42 движется в поперечном направлении на небольшом расстоянии от имеющей большой диаметр части верхнего кулачка 40 и при выдвижении поршневого штока пневмоцилиндра 38 входит в контакт с ней, в результате чего резец немного отходит от обработанной поверхности. Во время отвода резца от обработанной поверхности схема задержки обеспечивает сцепление муфты обратного вращения и продольные салазки 36движутся вправо, причем следящий штифт 42 скользит по имеющей большой диаметр части кулачка 40. Затем, когда поперечные салазки 37 достигнут положения Pg , следящий штифт 42 опускается по наклонной поверхности кулачка 40 и переходит на его часть, имеющую малый диаметр. В это время поперечные салазки 37 перемещаются из положения Pg в положение Pg, после чего под управлением, обеспечиваемым контактом между следящим штифтом 42 и имеющей малый диаметр частью кулачка 40, йозвращаются в положение, показанное на фиг.1. Положение Pj поперечных салазок 37устанавливают так, чтобы оно соответствовало положению, при котором кончик резца перемещается слева от левого конца к наружной стороне изделия 1О. Во время выполнения операции нарезания резьбы режущая часть резца, которому ультразвуковой вибратор 59 сообщает изгибные колебания, вибрирует в направлении подъема винтовой линии (т.е. в направлении нарезания) резьбы. Поэтому сопротивление резанию заметно снижается и становится возможным точное резьбонарезание. Кроме того, благодаря этому заметному снижению сопротивления резанию не требуется, чтобы продольные 36 и поперечные 37 салазк, профильные кулачки 40 и 41 и следящие штифты 42 и 44 имели большую жесткость, к тому же для привода продольных 36 и поперечных 37 салазок достаточна небольшая приводная мощность. Кроме того, может быть уменьшено зажимное усилие цангового патрона 9, что значительно увеличивает срок службы резца, а весь станок может быть вьтолнен малогабаритным. ,1 Кроме нарезания резьбы на внутр ней поверхности обрабатываемого из делия, пред11агаемый винторезный ст нок способен аналогичным образом осуществлять нарезание резьбы и на наружной поверхности обрабатываемого изделия. . Как и при традиционной механиче кой обработке, перемещения продольных и поперечных салазок суппорта предлагаемого станка могут быть ос ществлены гидрокопировальной систе мой или системой рычажно-кулачковой подачи, причем может быть осуществлено цифровое (или Программно управление с использованием сервод гателей (шаговых электродвигателей или электродвигателей постоянного тока). Пример (механическая обработка). Винтовую резьбу нарезают на материале заготовки на вин торезном станке. Материал: нержавеющая, сталь, японские промышленные стандарты (DIS), обозначение SUS 304, твердость HV 200-300, наружный диаметр 8.4мм, внутренний диаметр 7,7 мм, толщина стенки 0,35 мм, профиль тонкостенный полый цилиндр. Параметры резьбы (охватываемой или наружной резьбы) следующие: шаг 0,75 мм, высота резьбы 0,13 мм ширина основания резьбы 0,3 мм, длина нарезки 5 мм, угол профиля резьбы 60. Режим работы станка: 20000 Гц, амплитуда режущей части резца, испытывающего изгибные колебания 1.5мкм, скорость колебаний резца 113 м/мин, метариал режущей части резца UF 10 (обозначение фабричной марки Mitsubishi Kinzoku k.k: Super hard.tip) , частота вращения главного шпинделя 500 об/мин, скорость резания 2,5 м/мин, смазочноохлаждающэя жидкость - эмульсия, продолжительность цикла резания. 6 A результате за один-цикл резьбонйрезания на обрабатываемом изделии нарезана резьба без заусенцев, деформации изделия или без по вреждения резьбы и без износа режу щей части резца, посредством которой нарезают резьбу на tOOOO изделий, прежде чем потребуется ее перезаточка для повторного использов ния. 6 Пример 2 (механическая обработка) . Аналогично режиму работы в примере 1 нарезают метрическую резьбу длиною 20 мм с шагом 0,5 мм (0,75 мм - в другом случае) на наружной и внутренней поверхностях трубчатых заготовок из нержавеющей стали, каждая из которых имеет наружньй диаметр 60 мм, внутренний диаметр 50 мм и толщину стенки 5 мм. В результате получены за один цикл нарезания изделия требуемых форм и размеров. Следов износа на режущей части резца, испытывающего изгибные колебания, нет. Пример 3 (для сравнения). Традиционное надрезание резьбы выполняют на анапогичной в примере 1 заготовке, причем нарезают такую же резьбу с использованием Super hard tip (сверхтвердой пластинки) М10 (обозначение 3IS) в качестве режущей части резца при частоте вращения главного шпинделя 100 об/мин и скорости резания 2,5 м/мин. В результате при нарезании за один цикл резьбы высотою 0,13 мм режущая часть резца сильно изнашивается и резьба разрушается, поэтому отсутствует возможность нарезания резьбы требуемых профиля и размеров. Пример 4 (для сравнения). Традиционное нарезание резьбы выполняют на аналогичной в примере 1 заготовке, причем нарезают такую же резьбу с использованием сверхтвердой пластинки Ml О в качестве режущей части резца при частоте вращения главного шпинделя 100 об/мин и скорости резания 2-5 м/мин. В результате при резании на глубину 0,18 мм за 7 циклов резьбонарезания получена винтовая резьба заданных профиля и размеров, бднако режущая часть резца начала изнашиваться с первого изделия и сильно износилась после обработки 40-50 изделий, так что больше невозможно быпо подучить резьбу заданных профиля и размеров. Продолжительность цикла при этом составляет приблизительно 30 с. Пример 5 (для сравнения). Аналогичную в примере 2 винтовую резьбу нарезают на заготовках из такого же материала и такого же профиля по традиционной технологии нарезания, причем за один цикл нарезания режущая часть резца частично

13116092614

выкрошилась, кроме того, образую- Эксплуатационные качества предтся заусеницы. В результате от- лагаемого станка значительно выше, сутствуют возможность нарезания ре- чем у станка,выполняющего традиционное зьбы заданных профиля и разме,- резьбонарезание, i результате повьшаетpOBiся стойкость резца и качество резьбы.

Фиг. 2

58 59

Ч ЧА

47

/

/5

«

V7

у .„J

гг-г

И

5U9 46 56 31 Фиг.З

ТОКАРНО-ВИНТОРЕЗННЙ СТАНОК, содержащий станину с установленными на ней и кинематически связанными между собой привод, переднюю бабку, коробку подач, продольные салазки суппорта с ходовым винтом и поперечные салазки с резцедержателем и резцом, отличающийся тем, что., с целью повьшения стойкости инстр ента и качества нарезаемой резьбы, в станок введены установлен-, ный на поперечных салазках и связанный с резцом вибратор и установленная на резцедержателе с возможностыо поворота и вертикального перемещения рамки, в которой размещен резец. о N.

Л I

Фиг. 4

Фиг. 5