ruchy w maszynie

2. Układ funkcjonalny maszyny
2.1. Układ roboczy maszyny
Proces roboczy maszyny (obrabiarki) obejmuje wszystkie czynności niezbędne do ukształtowania obrabianego przedmiotu. Pod względem metodycznym w procesie tym można wyodrębnić dwa składniki, występujące
jednocześnie, ale częściowo niezależne, a mianowicie (rys.2.1):
- kształtowanie powierzchni,
- zdejmowanie naddatku obróbkowego.
a)
b)
Powierzchnia obrabiana
N
Wiór
PO
N
PO
Pręt Płyta
Rys. 2.1. Kształtowanie powierzchni przez skrawanie naddatku obróbkowego
z przedmiotu wyjściowego w postaci: a) walcowanego pręta, b) płyty
Kształtowanie powierzchni jest zasadniczym celem procesu roboczego i stanowi jego jakościową stronę, która decyduje o prawidłowości
kształtu i wymiarach obrabianego przedmiotu.
Zdejmowanie naddatku obróbkowego np. przez skrawanie polega
na usuwaniu z przedmiotu wyjściowego (surówki lub półwyrobu) mate-
riału w postaci wiórów i stanowi ilościową stronę procesu roboczego, gdyż
decyduje o jego wydajności.
Z przeznaczenia obrabiarki wynika, że główną rolę w procesie roboczym odgrywają przedmiot obrabiany PO oraz narzędzie N, które stanowią
tzw. parę roboczą (technologiczną).
Przedmiot obrabiany PO, narzędzie N oraz obrabiarka O tworzą podstawowe człony układu roboczego obrabiarki oznaczanego skrótowo OPN
(rys. 2.2). Często do tego układu zalicza się również uchwyt U i wtedy stosuje się oznaczenie skrótowe OUPN.
O
U
PO
N
Rys. 2.2. Układ roboczy obrabiarki
b)
Drz
D
T/2
Drz
D
T
a)
T/2
Rozpatrując proces kształtowania na obrabiarce, przyjmuje się powierzchnię kształtowaną jak twór geometryczny nominalnie zgodny
z rysunkiem przedmiotu (tzn. bezbłędny). Ukształtowana na obrabiarce
powierzchnia rzeczywista Drz różni się od powierzchni teoretycznej D na
skutek błędów własnych samej obrabiarki i błędów spowodowanych zjawiskami towarzyszącymi procesowi obróbki. Różnica ta nie może przekraczać określonych tolerancji wykonania T wymiarów, kształtu
i chropowatości powierzchni (rys. 2.3).
c)
Rys.
Rys.2.3.
2.3.Błędy
Błędyobróbki:
obróbki:a)a)wymiaru,
wymiaru,b)
b)kształtu
kształtu
18
2.2. Kształtowanie powierzchni
W celu zaistnienia procesu kształtowania powierzchni są niezbędne określone ruchy narzędzia względem obrabianego przedmiotu. Wynika to
z faktu, że narzędzie styka się z kształtowaną powierzchnią najczęściej
punktowo lub, co najwyżej liniowo i aby móc tę powierzchnię ukształtować musi się względem niej przemieszczać.
Liczba i rodzaj ruchów potrzebnych do ukształtowania powierzchni
zależą od rodzaju narzędzia i kształtu powierzchni.
W procesie kształtowania powierzchnie kształtowane określa się za
pomocą tzw. linii charakterystycznych. Ponieważ każdą powierzchnię
można określić za pomocą dwóch linii, przyjęto więc linie charakterystyczne powierzchni oznaczać jako I i II. Linie charakterystyczne mogą
być proste lub złożone oraz stałe lub zmienne. Do prostych linii charakterystycznych zalicza się linię prostą i okrąg, a do złożonych wszystkie pozostałe.
Przykłady powierzchni z zaznaczonymi liniami charakterystycznymi
I i II przedstawiono na rys. 2.4.
Linie charakterystyczne stałe
Proste
II
I
Złożone
I
I
II
Powierzchnia walca
prostego
II
I
Powierzchnia
krzywki tarczowej
Powierzchnia zęba
koła walcowego
Płaszczyzna
II
Linie charakterystyczne zmienne
Złożone
Proste
II
I
Powierzchnia
stożkowa
I
II
Powierzchnia wałka
kształtowego
II
I
Powierzchnia zęba
koła stożkowego
II
I
Powierzchnia
dowolna
Rys. 2.4. Przykłady powierzchni i ich linii charakterystycznych: I - pierwsza
linia charakterystyczna, II - druga linia charakterystyczna
19
W przypadku stałych linii charakterystycznych powierzchnię można
wyznaczyć jako ślad jednej z tych linii podczas jej ruchu po torze będącym
drugą linią, jak to zaznaczono na rys. 2.4 strzałkami.
Gdy jedna z linii charakterystycznych jest zmienna, powierzchnię
można wyznaczyć tylko jako ślad linii stałej po linii zmiennej. Jeśli obydwie linie charakterystyczne są zmienne, powierzchnię można wyznaczyć
za pomocą siatki tych linii.
Oznaczenie linii charakterystycznych jest umowne. Jako I linię charakterystyczną przyjmuje się tę, której powstanie jest uzależnione od rodzaju zastosowanego narzędzia. Są to, więc linie zgodne z zarysem krawędzi skrawających narzędzi kształtowych, linie powstające w wyniku ruchu
tocznego narzędzi obwiedniowych oraz linie powstające w wyniku ruchu
posuwowego narzędzi punktowych. Przykłady oznaczania linii charakterystycznych dla trzech rodzajów narzędzi, z zaznaczeniem niezbędnych do
ukształtowania powierzchni ruchów, pokazano na rys. 2.5.
a)
II
PO
I
W
P
b) II
N
W1
I
W
PO
N
c)
I
PO
W2
N
P
II
Rys. 2.5. Przykłady obróbki powierzchni z oznaczeniem linii charakterystycznych i niezbędnych ruchów kształtowania: a) toczenie nożem punktowym,
b) toczenie nożem kształtowym, c) toczenie nożem obwiedniowym
Kształtowanie powierzchni następuje w wyniku ruchu narzędzia po
torze zgodnym z przyjętym układem linii charakterystycznych. Ponieważ
są dwie linie charakterystyczne, więc do ukształtowania powierzchni są
potrzebne dwa ruchy po torach zgodnych z I i II linią charakterystyczną,
nazywane ruchami kształtowania. Ruchy te może wykonywać zarówno
narzędzie, jak też i przedmiot obrabiany.
W przypadku zastosowania narzędzi kształtowych wystarcza jeden
ruch kształtowania, gdyż zarys kształtowanej powierzchni jest odwzorowaniem kształtu krawędzi skrawającej narzędzia.
20
Większość wykonywanych powierzchni można podzielić na trzy następujące grupy (rys. 2.6):
a) powierzchnie obrotowe, których liniami charakterystycznymi są okrąg
i linia prosta lub dwa okręgi,
b) powierzchnie płaskie, których liniami charakterystycznymi są linie proste ciągłe lub łamane,
c) powierzchnie mające jedną lub obydwie linie charakterystyczne złożone, którymi mogą być np. linia śrubowa, spirala Archimedesa lub
ewolwenta.
a)
b)
c)
Rys. 2.6. Przykłady najczęściej występujących powierzchni: a) powierzchnie obrotowe, b) powierzchnie płaskie, c) powierzchnie, których jedna z linii
charakterystycznych jest linią złożoną
Do powierzchni grupy a) należą głównie zewnętrzne lub wewnętrzne
powierzchnie cylindryczne, stożkowe i kuliste, które występują we
wszystkich elementach obrotowych, stanowiących znaczną liczbę części
maszyn.
Do powierzchni grupy b) należą płaszczyzny oraz powierzchnie płaskie kształtowe, które występują w elementach wykonujących ruchy prostoliniowe oraz w elementach ustalających części nieruchome.
21
Do powierzchni grupy c) należą powierzchnie śrubowe, większość
powierzchni krzywkowych oraz powierzchnie uzębień kół zębatych.
Powierzchnie grup a) i b) są stosunkowo łatwe do wykonania, gdyż
wymagają prostych ruchów kształtowania. Powierzchnie grupy c) wymagają zastosowania złożonych ruchów kształtowania, które są zazwyczaj
realizowane na obrabiarkach specjalizowanych, np. obrabiarkach do gwintów i uzębień.
Największe trudności wykonawcze sprawiają powierzchnie nie mieszczące się w żadnej z wymienionych grup, a więc te, które mają złożone i
zmienne linie charakterystyczne. Powierzchnie takie wymagają zastosowania ruchów kształtowania o skomplikowanych torach i są wykonywane
na obrabiarkach kopiarkach lub na obrabiarkach sterowanych numerycznie.
2.3. Ruchy w maszynie
2.3.1. Podział ruchów
Wszystkie występujące w obrabiarce ruchy można podzielić na dwie następujące grupy:
- ruchy podstawowe, tj. ruchy, które są niezbędne do przeprowadzenia
procesu roboczego obrabiarki,
- ruchy pomocnicze, tj. ruchy, które uzupełniają proces roboczy obrabiarki.
Do ruchów podstawowych zalicza się ruchy, które są potrzebne do
ukształtowania przedmiotu oraz skrawania naddatku obróbkowego.
Ruchami podstawowymi, które decydują o ukształtowaniu powierzchni, są:
- ruchy kształtowania,
- ruchy podziałowe,
- ruchy nastawcze.
Ruchami podstawowymi, które wpływają na proces skrawania, są:
- ruchy główne,
- ruchy posuwowe.
Do ruchów pomocniczych zalicza się:
- ruchy dosuwu i odsuwu narzędzia oraz obrabianego przedmiotu,
22
- ruchy zakładania i mocowania oraz zdejmowania narzędzia i obrabianego przedmiotu,
- ruchy włączania i wyłączania czynności roboczych obrabiarki,
- pozostałe ruchy pomocnicze.
2.3.2. Ruchy kształtowania
Ruchy kształtowania decydują o prawidłowym wykonaniu przedmiotu
i ich zadaniem jest przemieszczenie narzędzia względem obrabianej powierzchni po torach zgodnych z przyjętymi liniami charakterystycznymi.
Ruchy kształtowania mogą być proste lub złożone. Do prostych ruchów kształtowania zalicza się ruch obrotowy i prostoliniowy, a do ruchów złożonych wszystkie pozostałe.
Za pomocą prostych ruchów kształtowania można wykonać wszystkie
powierzchnie określone liniami charakterystycznymi, będącymi prostą lub
okręgiem, a więc powierzchnie grupy a) i b), (rys. 2.6), oraz te powierzchnie, których złożona linia zarysu (I linia charakterystyczna) jest wykonana
narzędziem kształtowym.
Złożony ruch kształtowania jest geometryczną sumą ruchów składowych (elementarnych), którymi są ruchy obrotowe i prostoliniowe, wykonywane przez zespoły prowadnicowe obrabiarki, przemieszczające narzędzie lub obrabiany przedmiot.
W celu uzyskania złożonego ruchu kształtowania obrabiarka musi być
wyposażona w mechanizmy zapewniające takie sprzężenie ruchów, składowych, aby ruch złożony odbywał się po zamierzonym torze. Do najczęściej występujących ruchów złożonych należą:
- ruchy składające się z elementarnego ruchu obrotowego W i prostoliniowego P; jako ruchy śrubowe lub toczne są one stosowane do obróbki
gwintów i uzębień, tj. do wykonywania powierzchni zaliczanych do grupy c), (rys. 2.6),
- ruchy składające się z dwóch ruchów prostoliniowych P1 i P2; są one stosowane do obróbki złożonych zarysów powierzchni obrotowych
i płaskich, a więc powierzchni zaliczanych do grupy c).
Przykłady kształtowania powierzchni z zastosowaniem ruchu złożonego utworzonego z ruchów składowych W i P oraz ruchów składowych
P1 i P2 przedstawiono na rys. 2.7.
23
a)
b)
c)
W
W
P
P1
P
P
P2
Rys. 2.7. Przykłady obróbki powierzchni wymagających zastosowania ruchów
złożonych: a) ruchu złożonego W-P w przypadku linii śrubowej, b) ruchu złożonego W-P w przypadku spirali Archimedesa, c) ruchu złożonego P1-P2
w przypadku powierzchni walcowej o złożonym kształcie
2.3.3. Ruchy podziałowe
Ruchy podziałowe są ruchami, które występują wtedy, gdy kształtowana
powierzchnia składa się z powtarzalnych elementów cząstkowych, których
obróbka jest dokonywana kolejno (w sposób nieciągły). Ruchy te występują podczas obróbki kół zębatych, gwintów wielokrotnych, narzędzi wieloostrzowych itp.
Ruchy podziałowe służą do uzyskiwania podziału kątowego lub liniowego (rys. 2.8).
a)
ϕp
b)
ϕp=3ϕp
c)
p
Rys. 2.8. Przykłady ruchów podziałowych: a) podział kątowy kolejny,
b) podział kątowy mijany, c) podział liniowy
W praktycznych zastosowaniach występuje najczęściej podział kątowy, który może być realizowany jako tzw. podział kolejny albo podział
mijany. W przypadku podziału kolejnego podziałkę ϕp przemieszczenia
kątowego określa zależność:
24
ϕp =
360 o 2π
[rad ] = 1 [obr ]
=
z
z
z
gdzie: z - liczba podziału (liczba powierzchni cząstkowych).
W przypadku podziału mijanego przemieszczenie kątowe ϕ'p jest nastawiane na wybraną liczbę podziałek zi według zależności:
ϕ ′p = ϕ p ⋅ zi =
zi
[ obr ]
z
w której z - liczba podziału nie może być podzielna przez zi, gdyż
w przeciwnym razie nie mogą być obrobione wszystkie powierzchnie
cząstkowe.
W przypadku podziału liniowego następuje przemieszczenie liniowe
narzędzia lub obrabianego przedmiotu o wartość podziałki p.
2.3.4. Ruchy nastawcze
Ruchy nastawcze (ruchy nastawienia wymiarowego) są to ruchy, za pomocą których uzyskuje się żądane nastawienie wymiarowe narzędzia
względem obrabianego przedmiotu (rys. 2.9).
N
c)
PO
x
N
b)
PO
x
a)
N
y
x
PO
Rys. 2.9. Przykłady ruchów nastawczych w procesie: a) toczenia, b) frezowania,
c) wiercenia otworów; x, y - nastawiane wymiary
25
Ponieważ od prawidłowego położenia wyjściowego narzędzia (określonego wymiaru nastawczego) zależy bezpośrednio dokładność wymiarowa kształtowanej powierzchni, ruchy te są zaliczane do grupy ruchów
podstawowych.
2.3.5. Ruchy skrawania
Ruchy skrawania - obrotowe lub prostoliniowe - służą do usunięcia
z kształtowanej powierzchni naddatku obróbkowego. Występujące w maszynach ruchy skrawania są albo ruchami głównymi, albo ruchami posuwowymi (rys. 2.10).
a)
b)
n
H
d
v
v
c)
d)
n [obr/min]
n [obr/min]
fz [mm/ostrz.]
f [mm/obr]
ft [mm/min]
f [mm/obr]
ft [mm/min]
Rys. 2.10. Ruchy skrawania i ich podstawowe parametry: a) ruch główny obrotowy, b) ruch główny prostoliniowy, c) ruch posuwowy narzędzia jednoostrzowego, d) ruch posuwowy narzędzia wieloostrzowego
Ruchem głównym jest ruch narzędzia lub przedmiotu obrabianego
warunkujący istnienie procesu skrawania. Parametrem tego ruchu, który
decyduje o wydajności procesu obróbki, jest prędkość skrawania.
W przypadku najczęściej występującego ruchu głównego obrotowego
(rys. 2.10a) prędkość skrawania określa zależność:
26
v=
π ⋅d ⋅n ⎡ m ⎤
π ⋅d ⋅n
lub v =
⎢
⎥
1000 ⎣ min ⎦
1000 ⋅ 60
⎡m⎤
⎢s⎥
⎣ ⎦
gdzie: n - prędkość obrotowa przedmiotu obrabianego lub narzędzia,
[obr/min],
d - średnica przedmiotu obrabianego lub narzędzia, [mm].
Jeśli ruch główny jest ruchem prostoliniowym (rys. 2.10b), to prędkość skrawania określa zależność:
v=
2⋅H ⋅n ⎡ m ⎤
1000 ⎢⎣ min ⎥⎦
gdzie: H - skok, czyli droga narzędzia lub przedmiotu obrabianego,
[mm],
n - liczba podwójnych skoków na minutę, [p.sk/min].
Ruchem posuwowym jest ruch narzędzia lub przedmiotu obrabianego niezbędny do usunięcia warstwy naddatku obróbkowego z całej powierzchni obrabianej. Parametrem ruchu posuwowego, który decyduje
o wartości sił występujących podczas skrawania oraz jakości obrabianej
powierzchni, jest posuw.
W zależności od zastosowanego narzędzia oraz sposobu obróbki parametr ten jest określany i oznaczany następująco:
a) w przypadku narzędzi jednoostrzowych rozróżnia się:
- posuw na jeden obrót f [mm/obr], określany jako długość liniowego
przemieszczenia narzędzia lub przedmiotu obrabianego podczas jednego
obrotu elementu pary roboczej wykonującego ruch główny,
- posuw na podwójny skok f [mm/p.sk], określany jako długość liniowego przemieszczenia narzędzia lub przedmiotu obrabianego podczas
podwójnego skoku elementu wykonującego ruch główny,
b) w przypadku narzędzi wieloostrzowych rozróżnia się:
- posuw na jedno ostrze (ząb) fz [mm/ost.], określany jako długość liniowego przemieszczenia przedmiotu obrabianego podczas obrotu narzędzia
o kąt podziałki międzyostrzowej,
- posuw na jeden obrót f [mm/obr], określany jako długość liniowego
przemieszczenia narzędzia lub przedmiotu obrabianego podczas jednego
obrotu narzędzia lub przedmiotu.
27
Między prędkością posuwu ft a posuwem na obrót f oraz posuwem na
ostrze fz występuje następująca zależność:
f t = f ⋅ n = f z ⋅ z ⋅ n [mm min ]
gdzie: f - posuw na jeden obrót lub na podwójny skok,
fz - posuw na ostrze,
n - prędkość obrotowa narzędzia lub przedmiotu obrabianego,
z - liczba ostrzy narzędzia.
Ruch skrawania jest jednocześnie ruchem kształtowania wtedy, gdy
jego tor jest identyczny z linią charakterystyczną kształtowanej powierzchni. Występuje to najczęściej w przypadku prostych ruchów kształtowania (rys. 2.10a, b).
Odrębne ruchy skrawania i kształtowania występują w przypadku ruchów złożonych oraz zastosowania takich narzędzi, jak frezy lub ściernice,
których ruch obrotowy jest ruchem skrawania, ale z reguły nie jest ruchem
kształtowania. Wynika to z tego, iż kątowy tor ruchu skrawania tych narzędzi jest zazwyczaj inny niż linia charakterystyczna toru ruchu kształtowania (rys. 2.11).
PO
a)
I
nPO
vPO
P
II
nN
b)
N
I
nN
N
P
v
II
PO
Rys. 2.11. Przykłady obróbki, w których ruch główny narzędzia nie jest ruchem
kształtowania: a) szlifowanie wałka, b) frezowanie płaszczyzny
28
2.4. Układ kształtowania maszyny
Układ kształtowania obrabiarki stanowią elementy i mechanizmy, które
zapewniają uzyskanie wymaganego kształtu wykonywanych przedmiotów.
Podstawowymi elementami układów kształtowania są zespoły prowadnicowe ruchu obrotowego lub prostoliniowego, w których są mocowane narzędzia i przedmioty obrabiane. Zespoły te stanowią pary kinematyczne o jednym stopniu swobody, które wyznaczają tory prostych ruchów kształtowania. Zespoły prowadnicowe są usytuowane przestrzennie
za pomocą korpusów, tworząc układ geometryczny obrabiarki.
W przypadku obrabiarek o prostych ruchach kształtowania ich układ
geometryczny jest zarazem ich układem kształtowania. W takich obrabiarkach zmianę kształtu przedmiotu (wykonywanej powierzchni) można uzyskać tylko przez zmianę wzajemnego usytuowania zespołów prowadnicowych. Na przykład na tokarce mającej poziomo usytuowany zespół prowadnicowy ruchu obrotowego (wrzeciono przedmiotu obrabianego),
zmieniając położenie zespołu prowadnicowego ruchu prostoliniowego narzędzia, można wykonywać następujące powierzchnie (rys. 2.12):
a) powierzchnię walcową, gdy zespół prowadnicowy jest usytuowany
równolegle do osi wrzeciona,
b) powierzchnię płaską, gdy zespół prowadnicowy jest usytuowany prostopadle do osi wrzeciona,
c) powierzchnię stożkową, gdy zespół prowadnicowy narzędzia jest usytuowany pod kątem do osi wrzeciona.
a)
W
b)
W
c)
W
PO
P
P
N
PO
N
PO
N
P
Rys. 2.12. Przykłady powierzchni kształtowanych na tokarce w wyniku zmiany
usytuowania zespołu prowadnicowego narzędzia: a) powierzchnia walcowa,
b) powierzchnia płaska, c) powierzchnia stożkowa
29
Do obrabiarek o prostych ruchach kształtowania zalicza się tokarki,
wiertarki, frezarki, wytaczarki, przeciągarki, szlifierki, strugarki itp.
Schematyczne przedstawienie układów kształtowania niektórych z tych
obrabiarek pokazano na rys. 2.13.
b)
a)
P
c)
W
W
W
P
P
d)
e)
P2
W
P
P1
Rys. 2.13. Układy kształtowania obrabiarek o prostych ruchach kształtowania: a)
tokarka, b) wiertarka, c) wytaczarka, d) szlifierka do otworów, e) strugarka
wzdłużna
W przypadku obrabiarek o złożonych ruchach kształtowania tory tych
ruchów powstają w wyniku sprzężenia prostych ruchów składowych wykonywanych przez zespoły prowadnicowe narzędzia i przedmiotu obrabianego. Układ kształtowania w takich obrabiarkach składa się z układu
geometrycznego, który wyznacza tory ruchów składowych, oraz układu
kinematycznego kształtowania, który realizuje odpowiednie sprzężenia
między ruchami składowymi.
Sprzężenia te są realizowane przez tzw. wewnętrzne łańcuchy kinematyczne o przełożeniu I (II, III), układy kopiowe oraz sterowane elektronicznie układy serwonapędowe. Schematyczne przedstawienie układów kształtowania niektórych z tych obrabiarek pokazano na rys. 2.14.
30
a)
PO W
b)
h
PO
W
P
III
N
N
P
SP
III
P1
c)
W2
P2
N
PO
K
d)
X
PO
Z
P1
P
N
P2
SP
II
K
Rys. 2.14. Układy kształtowania obrabiarek o złożonych ruchach kształtowania:
a) tokarka do gwintów, b) tokarka zataczarka, c) obrabiarka do uzębień,
d) tokarka kopiarka
Układy kształtowania wraz z mechanizmami napędowymi i silnikami
stanowi układ roboczy obrabiarki. Układ ten zapewnia kształtowanie
przedmiotu obrabianego z zastosowaniem określonych parametrów obróbki, tj. prędkości skrawania i posuwów. Przykład układu kształtowania,
układu napędowego i układu roboczego tokarki pokazano na rys. 2.15.
Na rysunku tym zaznaczono parę roboczą PO-N oraz kierunki ruchów
kształtowania W i P, które są niezbędne do wykonania powierzchni walcowej. Pokazano również przebieg napędu od silnika elektrycznego
Ev,p przez skrzynkę prędkości SPr do wrzeciona WR oraz od wrzeciona
przez skrzynkę posuwów SPp do suportu SUP. W skrzynce prędkości i
skrzynce posuwów są nastawiane przełożenia iv oraz ip, za pomocą których
uzyskuje się żądane wartości prędkości skrawania v i posuwu f.
31
b)
a)
SPr
W
iv
W
Z
ip
P
P
SPp
KZ
SUP.W
c)
iv
N PO
W
WR
P
ip
Ev,p
Z
KZ
WP
SUP.W
Rys. 2.15. Tokarka: a) układ kształtowania, b) układ napędowy,
c) układ roboczy
2.5. Układ konstrukcyjny maszyny
2.5.1. Podstawowe zespoły maszyny
Obrabiarka jako maszyna technologiczna stanowi zespół mechanizmów,
których konstrukcja i spełniane funkcje zależą od przeznaczenia produkcyjnego oraz od stopnia automatyzacji i wyposażenia.
W każdej maszynie technologicznej można wyodrębnić zespoły, mechanizmy i urządzenia, które spełniają podobne zadania (rys. 2.16).
Silnik napędowy E, w sposób ciągły lub okresowy, przetwarza energię elektryczną na mechaniczną, która jest źródłem energii układu napędowego maszyny UN. Energię silnik pobiera z sieci elektroenergetycznej.
32
2
4
5
4
4
6
1
6
2
E
1
3
Rys. 2.16. Podstawowe zespoły maszyny technologicznej: 1 - zespoły robocze,
2 - zespoły napędowe, 3 - korpus, 4 - uchwyty, 5 - elementy sterowania,
6 - mechanizmy nastawcze i pomiarowe
Układ napędowy UN maszyny jest to układ składający się z różnych
mechanizmów i przekładni. Przenosi on ruch ze źródła napędu na zespoły
robocze maszyny ZR, najczęściej z jednoczesną wymaganą zmianą prędkości przenoszonego ruchu.
Zespoły robocze ZR są to zespoły, które realizują w procesie pracy
maszyny niezbędne ruchy narzędzia i przedmiotu. Do zespołów tych zalicza się wrzeciona robocze WR, suporty SUP, stoły ST itp. Zespoły te mogą
wykonywać ruchy obrotowe lub posuwowe.
Poza tymi głównymi zespołami występują ponadto w każdej maszynie
inne zespoły pomocnicze.
Zespół uchwytowy służy do połączenia narzędzia lub przedmiotu obrabianego z odpowiednim zespołem roboczym maszyny. Do zespołów
tych należą np. imaki narzędziowe, uchwyty, imadła itd.
Zespoły nośne (korpusy) są to zespoły łączące w całość wszystkie
zespoły maszyny, w określonym położeniu względem siebie.
Zespół sterowania zapewnia kierowanie ruchami i czynnościami zespołów roboczych maszyny, np. włączaniem i wyłączaniem sprzęgieł, hamulców, uchwytów zaciskowych itp.
33
Urządzenia nastawne i pomiarowe służą do nastawiania i mierzenia
położenia narzędzia względem obrabianego przedmiotu.
Urządzenia smarujące tworzą układ smarowania maszyny, który ma
na celu zmniejszenie tarcia, strat energii i zużycia elementów ze sobą
współpracujących.
Urządzenia chłodzące mają za zadanie chłodzenie narzędzia i obrabianego przedmiotu.
2.5.2. Zespoły zabezpieczające i ochronne maszyny
Współczesne maszyny technologiczne są wyposażone w dodatkowe zespoły eliminujące sytuacje zagrażające operatorowi maszyny oraz grożące
uszkodzeniem maszyny.
Sprzęgła przeciążeniowe mają za zadanie samoczynne rozłączenie
sprzęgniętych wałów, gdy moment obrotowy występujący na wale napędzanym przekroczy wartość dopuszczalną.
Blokady mechaniczne lub elektryczne zabezpieczają zespoły maszyny
przed wykonaniem ruchu w niewłaściwej kolejności.
Bezpieczniki zabezpieczają maszynę przed skutkami przeciążenia
mechanicznego siłą czy momentem lub przeciążenia elektrycznego prądem lub napięciem.
Zawory bezpieczeństwa samoczynnie zabezpieczają przewody lub
zbiorniki przed nadmiernym wzrostem ciśnienia czynnika roboczego (oleju, powietrza).
Hamulce służą do zmniejszenia prędkości lub zatrzymania ruchomych części maszyny i uniemożliwiają ich ruch po zatrzymaniu.
Osłony oddzielają operatora maszyny przed szkodliwymi oddziaływaniami ze strefy roboczej, np. ostrymi i rozgrzanymi wiórami w procesie
skrawania. Poza tym osłony ochraniają zespoły maszyny przed szkodliwymi wpływami np. kurzu, wilgoci, wysokiej temperatury, korozyjnego
działania czynników chemicznych itp.
Urządzenia odprowadzające usuwają wióry w procesie skrawania,
pyły itp.
Urządzenia sygnalizacyjne to urządzenia przekazujące sygnał, stanowiący umowny odpowiednik informacji.
34
2.6. Układ kinematyczny maszyny
Układ kinematyczny obrabiarki stanowią mechanizmy służące do nadawania zespołom roboczym obrabiarki ruchów niezbędnych do wykonania
procesu roboczego. Mechanizmami, z których składa się układ kinematyczny obrabiarki, są najczęściej łańcuchy kinematyczne. Stanowią one
zbiór połączonych ze sobą par kinematycznych, takich jak przekładnie pasowe, przekładnie zębate, przekładnie śrubowe, przekładnie zębatkowe itp.
W każdym łańcuchu kinematycznym można wyróżnić jego element
początkowy (wejściowy), np. silnik i element końcowy (wyjściowy), którym jest zazwyczaj człon roboczy (wrzeciono robocze, suport), (rys. 2.17).
a)
nk
b)
c)
z2
i2
i
n1
I
z1
E
i1
np
np
nk
z2
i3
n2
I
z4
z3
d2
z1
E
d1
Rys. 2.17. Przykłady oznaczania łańcuchów kinematycznych: a) całego łańcucha,
b) pojedynczej przekładni, c) kilku przekładni pojedynczych
Podstawową wielkością łańcucha jest jego przełożenie, które jest
oznaczane literą I i określane jako stosunek parametru kinematycznego
elementu biernego pkb do parametru kinematycznego elementu czynnego
pkc:
p
I = kb
p kc
Do najczęściej występujących parametrów kinematycznych zalicza
się:
- drogę liniową l [mm],
- drogę obrotową ϕ [obr],
35
- prędkość liniową v [m/min], [mm/min],
- prędkość obwodową v [m/min], [m/s],
- prędkość obrotową n [obr/min].
Przyjmując dla łańcucha kinematycznego przedstawionego na rys.
2.17c jako parametr kinematyczny prędkość obrotową n, położenie tego
łańcucha określa się stosunkiem:
I=
nk
np
gdzie: nk - prędkość obrotowa wału wyjściowego (końcowego),
np - prędkość obrotowa wału wejściowego (początkowego).
Analogicznie do przełożenia łańcucha kinematycznego, nazywanego
także przełożeniem całkowitym, określa się przełożenie pojedynczej przekładni (rys. 2.17b) i zapisuje się je jako stosunek:
i=
n2
n1
Ponieważ przełożenie całkowite łańcucha jest równe iloczynowi przełożeń poszczególnych przekładni (rys. 2.17c), więc wartość liczbową tego
przełożenia można wyznaczyć z zależności:
I = i1 ⋅ i2 ⋅ i3 ...
gdzie: i1, i2, i3 ... - przełożenia poszczególnych przekładni.
Łańcuch kinematyczny może realizować następujące funkcje:
- przeniesienia napędu,
- zmiany prędkości przenoszonego ruchu (zależy od przełożenia I ),
- zmiany rodzaju przenoszonego ruchu (np. obrotowy na prostoliniowy),
- zmiany kierunku ruchu.
Ze względu na spełniane w obrabiarce funkcje łańcuchy kinematyczne
dzieli się na: napędowe i kształtowania.
Zadaniem łańcuchów kinematycznych napędowych jest doprowadzenie napędu od silnika do zespołów roboczych obrabiarki. Napędowymi
łańcuchami kinematycznymi są:
36
- łańcuch ruchu głównego, który nadaje napędzanemu zespołowi roboczemu określoną prędkość skrawania v,
- łańcuch ruchu posuwowego, który nadaje napędzanemu zespołowi roboczemu określoną prędkość posuwu ft i związaną z nią wartość posuwu f.
Łańcuchy te stanowią układ napędowy obrabiarki, który decyduje o
wydajności obrabiarki.
Zadaniem łańcuchów kinematycznych kształtowania (nazywanych
także łańcuchami wewnętrznymi - rys. 2.14) jest sprzęganie ze sobą dwóch
składowych ruchów kształtowania w celu uzyskania ruchu złożonego. Za
pomocą tych łańcuchów uzyskuje się sprzężenia kinematyczne, które zapewniają ścisłą więź między przemieszczeniami zespołów roboczych wykonujących ruchy składowe. Ponieważ w procesie kształtowania nie jest
istotna prędkość ruchu, tylko wartość wywołanego tym ruchem przemieszczenia, więc przełożenia tych łańcuchów najczęściej określa się jako
stosunek przemieszczeń (drogi), np.
I=
ϕk
ϕp
gdzie: ϕk - droga obrotowa wału końcowego,
ϕp - droga obrotowa wału wejściowego.
Ponieważ łańcuchy kinematyczne kształtowania nie obejmują źródła
napędu, więc przy wyznaczaniu ich przełożeń przyjmuje się umownie jeden z ostatnich elementów łańcucha za początkowy (napędzający), a drugi
za końcowy (napędzany). Rzeczywisty kierunek przeniesienia ruchu w
łańcuchu kształtowania zależy od miejsca doprowadzenia do niego napędu. Nie wpływa to jednak na wartość przełożenia.
Układy kinematyczne obrabiarek przedstawia się rysunkowo w postaci schematów kinematycznych, na których ich poszczególne elementy
są oznaczone za pomocą umownych symboli graficznych (s. 161).
W zależności od przeznaczenia schematy kinematyczne obrabiarek są
rysowane w postaci uproszczonej lub pełnej.
Uproszczony schemat kinematyczny podaje w sposób ogólny rozwiązania układu kształtowania i układu napędowego obrabiarki. Pełny schemat kinematyczny, na którym są podane liczby zębów kół zębatych, średnice kół pasowych, skoki śrub pociągowych, prędkości obrotowe
silników itp., umożliwia dokonywanie obliczeń niezbędnych do projektowania i użytkowania obrabiarek.
37
Przykłady schematów kinematycznych tokarki, w postaci uproszczonej i pełnej, przedstawiono na rys. 2.18.
a)
WR
i1
hp
Z
i2
ip
ist2
KZ(m,z)
ist1
iv
E
b)
100
66
235
WR
33
za
200
17
KZ (3,12)
68
48 42 42 19 30
SP (6)
zb 24 30 30
53 42
60
43 35
188
39
27 39
50
31 56
35
31
20 44
43
20
72
18
E
38
1/1
3/32
z a 19
53
=
lub
z b 53
19
nE=1410 [obr/min]
Rys. 2.18. Schematy kinematyczne tokarki produkcyjnej: a) uproszczony,
b) pełny
38