Обработка металла

Токарная обработка

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

14.1. Основные сведения

В своей деятельности человек создавал технические устройства, облегчающие труд и повышающие его физические возможности. Для приведения в действие этих устройств человек применял силу своих мускулов или преобразовал и использовал силы природы.

Так появились машины, которые состоят из приводной части, преобразующей различные виды энергии в энергию движения, исполнительных механизмов — рабочих органов, выполняющих полезную работу, и механических передач, которые передают энергию движения от приводной части машины к рабочим органам.

Энергия движения в машине передается при взаимодействии различных деталей, некоторые из них являются неподвижными и обеспечивают возможность подвижным деталям преобразовывать и изменять механическую энергию и направление передачи движения внутри машины. В некоторых случаях взаимодействующие детали для удобства их применения и в соответствии с их назначением конструктивно объединяются в сборочные единицы (узлы). Для рассмотрения процесса передачи механической энергии внутри машины взаимодействующие детали и сборочные единицы принято рассматривать парами.

Кинематической парой называют подвижное соединение двух соприкасающихся звеньев. Свойства пары зависят от формы тех поверхностей, которыми звенья соприкасаются при своем возможном относительном движении. Пара, в которой отсутствует относительное движение между соприкасающимися звеньями, называется соединением. Звенья могут состоять из отдельных деталей или нескольких деталей, неподвижно скрепленных друг с другом.

В кинематических парах следует различать ведущие и ведомые звенья. Звено, задающее движение в кинематической паре, называют ведущим, а звено, получающее     движение,— ведомым      или иногда рабочим.

Система подвижно соединенных звеньев представляет собой кинематическую цепь. Если кинематическая цепь предназначена для получения вполне определенных движений ведомых звеньев, ее называют м е х а н и з м о м. Для графического изображения кинематических пар применяют условные обозначения. Кинематические цепи, вычерченные с использованием условных обозначений кинематических пар, называют кинематическими схемам и. Кинематические схемы представляют собой систему последовательно расположенных взаимодействующих звеньев, связывающих рабочие звенья с источником движения.

14.2. Механические передачи токарных станков

Механизмы, предназначенные для передачи энергии (с преобразованием скоростей и соответствующим изменением сил и моментов), называют механическими   передачами.

Ременные передачи в токарных станках применяют в основном для изменения частоты вращения при передаче движения от электродвигателя к коробке скоростей. Ременная передача состоит из ведущего А и ведомого В шкивов и соединяющего их бесконечного ремня (14.1, а), который может быть плоским (14.1, б), поликлиновидным, т. е. состоять из набора клиновых ремней (14.1, в), и зубчатым (14.1, г, д).

Оба шкива ременной передачи вращаются в одну сторону. Частота вращения ведомого шкива может быть больше или меньше частоты вращения ведущего в зависимости от соотношения диаметров шкивов.

Зубчатые передачи (14.2) используют для изменения частоты и направления вращения при передаче движения от ведущего к ведомому валу, которые могут быть расположены параллельно и под углом друг к другу.

Передаточное отношение зубчатых колес, находящихся в зацеплении, определяют по формуле м =/ii/«2 = 22/21, где п2 и л, — частота вращения ведомого и ведущего зубчатых колес, a z-2 и Z\ — соответственно число их зубьев. Зубчатые колеса, зубья которых располагаются параллельно оси вращения, называются прямозубыми цилиндрическими и могут быть наружного (14.2, а) и внутреннего (14.2, б) зацепления. У косозубых зубчатых колес зубья (для увеличения длины контакта) располагают под углом коси вращения (14.2, в). Для передачи вращения валом, расположенным под углом, служат конические передачи (14.2, г), которые могут быть выполнены с прямым и криволинейным зубом. Винтовые (14.2, д) и червячные (14.2, е) передачи соединяют валы с перекрещивающимися валами.

Реечную передачу используют для пре-образования     вращательного    движения

в поступательное (14.3, а, в), она может быть выполнена с прямозубым или косозубым зацеплением цилиндрического колеса с рейкой. Перемещение рейки определяют по формуле S=2nmzn, где т — модуль, г — число зубьев колеса, п — частота вращения зубчатого колеса. Для реечной передачи с червяком (см. 14.3, в) перемещение рейки определяют по формуле S = nmzn, где z— число заходов червяка.

Винтовую передачу используют также для преобразования вращательного движения в поступательное, она состоит из винта и гайки (см. 14.3, б). При одном обороте винта или гайки сопрягаемый элемент перемещается на шаг резьбы. В винтовой паре скольжения затрачиваются значительные усилия на преодоление сил трения, которые приводят к износу витков сопрягаемых элементов и увеличению зазоров. Для обеспечения точности и стабильности перемещения рабочих органов применяют передачу винт — гайка качения, в которой винт и гайка сопрягаются посредством шариков.

14.3. Соединения

Размещение и установка механических передач в станке, а также их взаимная связь обеспечиваются соединениями (14.7).

Различают разъемные и неразъемные соединения. К разъемным относят такие соединения, которые при необходимости можно разобрать на составные части для выполнения необходимых работ, например по ремонту и смазке, и опять соединить вместе. К неразъемным относят соединения, которые не подлежат разборке на составные части, например сварные, клепаные.

Соединения могут быть подвижными и неподвижными. К подвижным относят соединения, у которых детали перемещаются без нарушения взаимных связей. К неподвижным относят неразъемные и разъемные соединения.

Клиновые соединения образуются при соединении клином / деталей 2 и 3 (14.8). Этот метод позволяет быстро разъединить или соединить детали 2 и 3. Наиболее распространено соединение деталей цилиндрическими и коническими штифтами, которые имеют различное назначение: фиксируют взаимное положение деталей, передают осевое усилие или момент между соединяемыми деталями и др

Резьбовые соединения наиболее распространены при креплении деталей. В одних случаях резьба может быть выполнена непосредственно на соединяемых деталях, в других — для соединения деталей применяют стандартизованные детали (болты, гайки, шпильки и др.), которые называют крепежными.

В большинстве случаев основным элементом, определяющим точность резьбового соединения, является средний диаметр резьбы dcp- Резьбовые соединения собирают с предварительным натяжением стержня крепежной детали и без предварительного натяжения.

Предварительную затяжку для создания натяжения в теле соединительной крепежной детали (болта, шпильки и т. д.) определяют по закону Гука. Под действием силы Q болт удлиняется на величину Al = Ql/ES, где /, Е и 5 — соответственно

длина, модуль упругости материала и площадь поперечного сечения болта. Если закрепляемые детали соединены так, что в стержне болта не создано натяжение, то в процессе работы под действием силы Q возможно раскрытие стыка деталей на величину Д/. Чтобы избежать образования зазора в стыке, необходимо после закрепления деталей без зазора дополнительно повернуть болт или гайку еще на некоторый угол и тем самым создать предварительную затяжку соединения. Чтобы полностью избежать образования зазора в стыке деталей, необходимо предварительную затяжку болта довести до величины А/, что будет соответствовать минимально необходимой затяжке.

Для затягивания гайки или болта с осевой силой W (14.10) необходимо приложить момент M3=Fl, где F — сила, приложенная к рукоятке ключа на плече длиной /. Так как высота профиля резьбы невелика по сравнению с ее диаметром, то, развертывая среднюю винтовую линию на плоскость, можно получить клин. Угол наклона рабочей поверхности заменяющего клина (т. е. угол подъема винтовой линии резьбы) X = arctg(P/ndCp), где Р и dcp— шаг и средний диаметр резьбы.

Момент для затяжки резьбового соединения М3 = Мр-1гМт, где Мр — момент сопротивления вращению в резьбе; Л1Т — момент от сил трения на опорной поверхности. Момент M?=W (dcp/2) tg (/C-f-p). Здесь р — приведенный угол трения; tg p = //(cos a/2), где а — угол при вершине резьбы, / = 0,14-0,15—коэффициент трения при плоском контакте двух сопрягаемых деталей.

В резьбовом соединении, смазанном машинным маслом, при моменте затяжки M3==10-f-25 Н-м создается осевая сила W = 5-M0KH. При повторной затяжке с тем же моментом осевая сила будет больше, так как уменьшаются силы трения благодаря приработке поверхностей резьбового соединения.

Шпоночные   соединения

(14.11) в основном применяют для соединения деталей по цилиндрической или конической поверхности, когда необходимо исключить их взаимное вращение при передаче крутящего момента. Промежуточным элементом, участвующим в передаче крутящего момента между соединенными деталями, является шпонка, которая бывает призматической и сегмент-

ной. Шпонка с одной стороны заглубляется в вал, образуя неподвижное соединение, а с другой стороны входит в паз отверстия, образуя подвижное соединение. Благодаря этому шпонка не только соединяет сопрягаемые детали, но и позволяет перемещать одну деталь относительно другой.

Прочность шпоночного соединения на смятие (14.12) упрощенно определяют следующим образом. Находят крутящий момент УИКр, передаваемый шпонкой, и вычисляют силу F, действующую на шпонку, по формуле F = MK?/0,5d, где d — диаметр вала. Затем определяют напряжение смятия на рабочей поверхности шпонки и     сравнивают     его     с     допускаемым:

ответственно длина, ширина и высота шпонки, [ае] — допускаемое напряжение смятия для шпонки. Для неподвижных стальных и чугунных деталей [ае]=80-=--j-150 МПа, а для подвижных (если перемещение вдоль шпонки происходит под нагрузкой)  [<те]= 10-ьЗО МПа.

Шлицев ые соединения   (14.13)   применяют   в   тех   случаях,   когда

требуется передать большой по величине крутящий момент, который не может быть передан шпоночным соединениям. Зубья шлицевого соединения бывают прямоугольного, треугольного или эвольвентного профиля. Напряжение смятия на рабочих поверхностях шлицев ас = 2Мкр/ (dcpzlh\p), где Мкр — передаваемый крутящий момент, dcp — средний диаметр шлицевого соединения, z — число зубьев, h — рабочая высота зуба, I — длина поверхности контакта зубьев, ф = 0,7 -г 0,8 — коэффициент неравномерности распределения напряжения по отдельным зубьям.

Шлицевое соединение работоспособно, если ас^[а<.|- Для неподвижных соединений при средних условиях работы [ае}= = 80—120 МПа. Детали шлицевого соединения центрируют по наружному диаметру, внутреннему диаметру, боковым сторонам зубьев. Наиболее распространено центрирование по наружному диаметру.

14.4. Муфты, механизмы обгона.

Реверсивные и кулачковые

механизмы

Муфты. Они служат для постоянного или периодического соединения валов между собой (с зубчатыми колесами и шкивами), чтобы передать вращение без изменения направления и частоты вращения.

Втулочная муфта (14.14, а) предназначена для передачи вращения с вала / на вал // с помощью втулки / и шпонок 2. Втулочно-пальце-в а я муфта (14.14, б), состоящая из полумуфт 3 и 4, с помощью резиновых колец 5, установленных на пальцах 6, амортизирует ударную нагрузку, передаваемую с вала / на вал //. Если оси ведущего и ведомого валов расположены со смещением от оси вращения, то применяют муфту (14.14, б), каждая половина которой жестко закреплена на конце вала. Полумуфты 1 и 3 сопряжены между собой диском 7, имеющим крестообразно расположенные выступы, которые входят в пазы полумуфт.

Для периодического соединения валов применяют зубчатую муфту (14.14, г). Левая полумуфта 3 при перемещении вправо наружными зубьями входит в зацепление с внутренними зубьями полумуфты 4.

В к у л а ч к о в о и    м у ф т е (14.14, д) вращение передается через кулачки полумуфт 3 и 4, которые сопрягаются силой пружины 8, регулируемой гайкой 9 с шайбой. При перегрузках скошенные поверхности кулачков позволяют раздвигать полумуфты и нарушать синхронность вращения валов.

В фрикционной муфте (14.14, е) передачу вращения выполняют фрикционные диски. Диски 10 с внутренними выступами соединены с полумуфтой 3, а диски11 с наружными выступами — с полумуфтой 4. Величина передаваемой нагрузки с вала / на вал // определяется силой Р сжатия дисков.

Многодисковая электромагнитная   муфта   (14.15) состоит из корпуса /, который вращается вместе с валом 13, катушки 2, дисков //, вращающихся с корпусом /, и дисков 6, размещенных между дисками // и вращающихся вместе с зубчатым колесом 7, якорей 9 и 10 и стопорного кольца 8. Питание муфты осуществляется через щетку 5 и токосъемники 3 и 4.

При выключенной муфте зубчатое колесо 7 свободно вращается на втулке 12 вала 13 на подшипниках. При включенной муфте якоря 9 и 10 прижимают диски б и 11 к корпусу/. Форма дисков и их малая толщина обеспечивают большое магнитное сопротивление в радиальном направлении. Таким образом обеспечивается передача вращения от вала 13 через втулку 12 зубчатому колесу 7. Однодисковые муфты работают по такому же принципу.

Механизмы обгона. Их применяют в тех случаях, когда валу, имеющему медленное вращение, требуется периодически сообщать быстрое вращение. Обгонная муфта (см. 14.14, ж) соединяется полумуфтой 3 с одним валом и полумуфтой 4 — с другим. Между полумуфтами располагаются ролики 12, которые заклиниваются между полумуфтами усилием пружины 8 при вращении полумуфты 3 по часовой стрелке. При вращении полумуфты 4 в том же направлении, но с большей частотой, ролики 12 увлекаются движением полумуфты 4 в более широкую часть выемки, при этом полумуфта 4 свободно вращается относительно полумуфты 3.

В храповом механизме (14.16) вращение от колеса 5 на вал 3 передается через диск /, который свободно вращается на валу 3, защелку 2 и храповое колесо 4, закрепленное на валу 3. Вместе с тем вал 3 может вращаться с большей частотой, чем частота вращения диска 1.

Реверсивные и кулачковые механизмы. Реверсивные механизмы служат для изменения направления движения механизмов станка. Чаще всего реверсирование осуществляется с помощью цилиндрических или конических зубчатых колес. В механизме с цилиндрическими зубчатыми колесами (14.17, а) муфта М может соединить с верхним валом зубчатое колесо Z\. При этом вращение будет передаваться с верхнего вала через муфту М и зубчатую передачу г, и г2 на нижний вал. Если муфта М соединяет с верхним валом зубчатую передачу г3, z'i и 24, нижний вал вращается в противоположном направлении.

Реверсивный механизм, изображенный на 14.17, б, изменяет направление вращения нижнего вала при перемещении скользящего колеса z2, которое входит в зацепление с колесом z\ или колесом Z-i-

На 14.17, в показана кинематическая схема реверсивного механизма, у которого изменение направления вращения нижне-го вала может быть осуществлено зацеплением скользящего блока зубчатых колес Z) и 2;) либо с зубчатыми колесами 2J, либо с паразитным зубчатым колесом 2о.   На   14.17,  г  показана  схема   ретального вала изменяется переключением кулачковой муфты.

Кулачковые   механизмы

служат для преобразования вращательного движения кулачка в поступательное движение механизмов станка. Кулачковые механизмы бывают с плоским (14.18, а), цилиндрическим (14.18, б) или торцовым (14.18, в) кулачками.