Трехкулачковый самоцентрирующийся патрон

Радиальная сборка

Вал с заранее установленным и зафиксированным подшипником (вид д) укладывают в нижнюю половину разъемного корпуса и накрывают верхней половиной. Подшипник фиксируют в корпусе чаще всего заплечиками.

Возможны любые типы и сочетания посадок на валу и в корпусе. Обычно применяют установку в корпус по посадкам с зазором, по переходным посадкам или на посадках с небольшим натягом. Применение посадок с большим натягом затруднено ввиду необходимости обеспечить точное совпадение плоскостей разъема с центром подшипника и опасности перетяжки подшипника при ошибочном смещении плоскости разъема относительно центра подшипника.

Как пользоваться приспособлением

Положите на стол две детали, которые требуется соединить. Отметьте места симметрии для двух шкантиков на каждое соединение (всего у нас будет четыре).

Перенесите разметку на боковую плоскость деталей при помощи угольника.

Установите на доску приспособление. Совместите прицел с разметкой, струбцинами зафиксируйте положение кондуктора.

Просверлите отверстия, направляющими служат алюминиевые трубочки. Если кондуктор сделан правильно, то шкантики войдут идеально.

Положите заготовки на ровную поверхность и нанесите метку расположения шканта.

От разметки прибавьте 15 мм, эта линия нужна для выставления прицела, перенесите ее на торец деталей.

Оденьте кондуктор, выставьте его по прицелу и меткам, высверлите отверстия под шкантик. Засверлите две детали.

Вставьте в отверстие шкант и соедините их. Все должно точно совпадать.

Монтаж парных установок

Рассмотрим установку вала-шестерни с затянутыми на нем через дистанционную втулку подшипниками (рис. 799, а). Вал фиксируется в корпусе крышкой 1 и кольцевым стопором 2, установленным в канавке наружной обоймы малого подшипника.

Способ 1. Установка в корпус вала с заранее посаженными на нем подшипниками (вид б).

Вал в сборе с подшипниками вводят в корпус и фиксируют стопорным кольцом 2 и привертной крышкой 1

Важно, чтобы первый (по ходу монтажа) подшипник заходил в свое посадочное отверстие раньше, чем втором подшипник в свое. Иначе вал может перекоситься, и сборка станет невозможной

Посадка подшипников на вал при этом способе может быть любой. Посадка подшипников в корпус — предпочтительно переходная или с незначительным натягом.

Способ 2. Установка вала в подшипники, заранее посаженные в корпус (вид в).

Подшипники предварительно устанавливают в корпус с заведенной между ними дистанционной втулкой. Крайний подшипник фиксируют в корпусе кольцевым стопором 2 и крышкой 1, после чего в отверстия подшипников вводят вал. Сборка завершается затяжкой гайки 3 вала.

Передний (по ходу монтажа) посадочный пояс вала должен заходить в отверстие своего подшипника раньше, чем второй посадочный пояс в отверстие своего.

Посадка подшипников в корпус может быть любой (плавающий правый подшипник, разумеется, должен быть установлен по посадке не выше Js7). Посадка подшипника на вал — g6 или h6. Сборка по этому способу сложнее, чем по способу 1. Особенно затрудняет сборку необходимость предварительной установки дистанционной втулки при монтаже подшипников в корпус.

Способ 3 (смешанный). На вал (вид г) заранее устанавливают задний (по ходу монтажа) подшипник и дистанционную втулку, а в корпус устанавливают фиксирующий подшипник.

Вал вводят в корпус, причем хвостовик вала входит в отверстие фиксирующего подшипника. а задний подшипник — в посадочное гнездо корпуса. Сборка завершается затяжкой гайки вала.

Посадки заднего подшипника на вал и фиксирующего подшипника в корпус могут быть любыми. Посадка фиксирующего подшипника на вал — g6 или h6. Посадка заднего подшипника в корпус должна быть G6, Н6 или Js6.

Способ монтажа тесно связан с системой крепления подшипников, с конструкцией и расположением элементов, фиксирующих подшипники на валу и в корпусе (рис. 800). Система (а) крепления подшипников допускает применение только способа 1, система (б) — способа 2, система (в) — способа 3, системы (г, д) — способов 2 и 3. Конструкция (е) допускает применение любого из трех способов.

Таким образом, существует тесная взаимосвязь между системой крепления подшипников и системой посадок на валу и в корпусе.

Условия сборки и выбранный наиболее удобный и производительный способ сборки определяют систему крепления подшипников и допустимые посадки подшипников на вал и в корпус, которые могут и не совпадать с посадками, необходимыми по условиям надежной работы узла.

Если же исходить из условий работы узла и назначить оптимальные для данных условий посадки, то это определит систему крепления подшипников и способ сборки, который в данном случае может быть и не самым удобным и производительным.

Практически часто приходится выбирать вариант, обеспечивающий соблюдение важнейших условий правильной работы узла и не слишком усложняющий сборку.

Облегчает сборку введение осевой затяжки подшипников на валу и в корпусе. Силовая затяжка вполне заменяет посадки с натягом и позволяет применять более свободные посадки без ущерба для работоспособности узла и при более удобной сборке.

Общая конструкция и устройство токарного патрона для станка по металлу

Вместе с патроном поставляются комплекты:

• прямых кулачков;
• обратных кулачков;
• вне комплекта поставляться кулачковые рейки.

Наиболее распространен трехкулачковый патрон, состоящий из:

• монолитного или составного корпуса с тремя радиальными пазами для кулачков;
• кулачки (прямые и обратные) выполнены из качественной твердой, закаленной стали высокой прочности, связаны с торцевой резьбой спирального диска;
• спирального диска, с большим зубчатым колесом на его обратной стороне. Связан с зубчатой передачей конической шестерни;
• конических шестерен, вращением ключа, вставленного в квадратное отверстие этой шестерни, спиральному диску сообщается вращательное движение.

Простота технологических приёмов базирования деталей стало причиной популярности и распространения трехкулачкового патрона на станках, применяемых в производстве

Ключ

Металлический стержень, на одном конце которого перпендикулярно его оси просверлено отверстие с установленным в нем металлическим рычагом. Превышение длины рычага на 35–40 % относительно высоты ключа, является оптимальной.

На нижнем конце стержня выполнен четырехгранный наконечник, соразмерный с отверстием внутри конической шестерни. Служит ручным приводом кулачков посредством вращения спирального диска во время закрепления заготовки в рабочей зоне станка.

Пружина

Устанавливается на наконечник ключа. По завершении операции, нагрузка от усилий руки на ключ снимается и пружина, распрямляясь, удаляет ключ из гнезда патрона. Если станочник по невнимательности сам не извлекает ключ, то за него это делает пружина.

Втулка

Полый цилиндр, в верхней части которого прорезаны пазы для сухарей-полуколец. Обеспечивает фиксирование конической шестерни в рабочем теле патрона. Во внутренний диаметр втулки устанавливается верхняя часть конической шестерни с канавкой для сухарей-полуколец.

Шестерня

Коническая (или малая) шестерня вставлена в малое отверстие корпуса патрона. Её верхняя часть сопряжена с пазами втулки посредством сухарей-полуколец.

Малая шестерня постоянно зацеплена с зубьями большой шестерни и предназначено для передачи вращательного движения спиральному диску патрона.

Фланец

Переходной фланец, планшайба. Предназначен для прочного и точного соединения патрона с рабочим концом шпинделя станка. К примеру, на шпинделе ТВ-4 нарезана резьба, на неё устанавливается переходной фланец (планшайба), на который крепится токарный патрон.

Спиральный диск

Спираль Архимеда, улитка, планетарка. Металлический диск, на одной стороне исполнены зубья большой шестерни, постоянно зацепленные с зубчатой передачей конической шестерни.

На другой стороне данного диска вырезан профиль спирали, которая в постоянно контактирует с пазами (рейками или гребёнками) кулачков. Последние, синхронно перемещаясь, работают на зажим, центрирование и фиксацию детали в зоне обработки станка.

Извлечение зажатой кулачками детали происходит обратным вращением ключа патрона.

Обратный кулачок

Применяется для зажима деталей больших диаметров. У каждого кулачка имеются две ступени для крепления деталей на разжим и по одной призме, работающие на сжим.

Ступени кулачков используются для устранения торцевого биения детали. Кроме этого, станочники самостоятельно создают на обратных кулачках дополнительную крепящую базу, работающую на разжим.

Корпус

В зависимости от конструкции и способов крепления к шпинделю условно можно разделить на монолитный (корпус – одна базовая деталь) и составной, в котором корпус разделён на две базовые детали:

1. Монолитный с цилиндрическим пояском. Крепится на шпиндель через промежуточный фланец по специальным ГОСТ. Выполняется из качественной стали и реже из чугуна.
2. Составной корпус. Базовая деталь разделена на две составные части:

• передняя часть или корпус (иногда – передний полукорпус), в нем размещен спиральный диск и прорезаны пазы для кулачков;
• задняя часть или фланец (часто – задний полукорпус), в нем размещены конические шестерни.

Накладные кулачки

Крепятся на кулачковые рейки токарного патрона. Исполняются из незакаленных сортов стали, называются «сырыми кулачками». Предназначены для крепления деталей большого диаметра.

Технические характеристики.

Корпус патрона выполнен из высококачественного специального чугуна

Таблица 1

Наименование параметров	Значения величин
Диаметр наружный D, мм	250
Диаметр присоединительного пояска D2, мм	200H7
Диаметр отверстия в корпус D1, мм	76
Диаметр расположения крепежных отверстий, мм, D3	224
Наружный диаметр изделия, зажимаемого в прямых кулачках,мм наибольший	120
Наружный диаметр изделия, зажима­емого в обратных кулачках, мм наибольший	266
Максимально допустимая частота вращения, мин ‘	2000
Высота бортика под фланец	5
Высота патрона без кулачков	85
Высота патрона в сборе	119
Масса патрона, кг	29
Крепеж	6 болтов М12

С помощью токарного патрона, используя прямые и обратные кулачки, можно зафиксировать заготовки следующего диапазона размеров

Кулачок прямой предназначен для закрепления обрабатываемой заготовки за наружную поверхность для вала или за внутреннюю поверхность отверстия в заготовке. Кулачок обратный предназначен для закрепления обрабатываемой заготовки за наружную поверхность.

Точностные характеристики токарного патрона

Рис.2.1 — Токарный патрон на холостом ходу

патрон обеспечивает следующие точностные характеристики: Радиальное  биение a  – 0,045мм;

Торцевое биение c – 0,025мм.

Закрепляя заготовку в патроне можно добиться следующих характеристик:

Схема I :

диапазон закрепляемых заготовок  от 5 до 118мм;

Радиальное  биение a на длине 80 мм – 0,040мм.

Схема II :

диапазон закрепляемых заготовок  от 77 до 188мм и от 160 до 250мм;

Радиальное  биение a – 0,045мм;

Торцевое биение c – 0,025мм.

Схема III:

Технические характеристики

Токарный 160 патрон трехкулачковый имеет следующие характеристики:

• наружный диаметр корпуса 160 мм;
• количество кулачков – 3;
• биение наружного диаметра корпуса патрона допускается до 0,02 мм;
• максимальное торцевое биение (контрольных колец) – 0,03 мм;
• максимальное число оборотов 2200 об/мин;
• точность обработки закрепленной детали класса П.

Эти данные не зависят от типа кулачков и варианта крепления к шпинделю.

Важно!
Все патроны изготавливаются в соответствии с требованиями ГОСТов и международных стандартов. Независимо от типа исполнения, они испытываются по одной программе.

Материал корпуса

Корпус патрона изготавливается из высокопрочного чугуна марки СЧ30 и выше. Материал должен иметь технические характеристики:

• высокая прочность;
• износостойкость;
• устойчивость к ударам и динамическим нагрузкам;
• высокий коэффициент сопротивления деформации на изгиб и растяжение;
• сопротивление стиранию.

Для изготовления корпуса патрона по данным характеристикам оптимально подходит серый чугун марки СЧ30 и СЧ35, изготовленный в соответствии с ГОСТ 1412-85. Материал хорошо поддается механической обработке резанием, выполнять резьбы с высокой точностью.

Важно!
Серый чугун марок СЧ30 и выше выдерживает удары инструмента и детали при установке без разрушений и сколов. Он сохраняет форму резьбы и позволяет с большим усилием затягивать в кулачках заготовки.

Диаметр цилиндрического центрирующего пояска

Центрирующий поясок патрона должен плотно садиться на фланец шпинделя. Любое послабление увеличивает размер биения детали при обработке и уменьшает точность изготовления.

Посадочный размер пояска – внутренний диаметр, изготавливается Ø130H7–130 мм + (0-0,04 мм). Соответственно фланец выполняется по посадке 130f8 с минусовыми припусками. Патрон плотно садится на фланец без использования запрессовки и нагрева.

Диаметр расположения крепежных отверстий

Расстояние центра крепежного отверстия до оси патрона зависит от способа крепления его на шпинделе:

• крепление на планшайбу – отверстия расположены по диаметру 142 мм;
• для конуса №4 они вкручиваются по диаметру 85 мм;
• при варианте крепления с 5 конусом болты расположены дальше от центра – D104,8 мм.

Отверстия располагаются точно по центру между кулачками, на лицевой стороне, на продолжении оси противоположного паза под кулачки, при креплении на конус и торец фланца. В остальных случаях с обратной стороны.

Количество и размер крепежных отверстий

На токарном патроне диаметром 160 мм с обратной стороны для крепления к шпинделю располагается 4 отверстия с резьбой М8. При посадке на конус и крепления к фланцу шпинделя через весь патрон проходит 3 болта.

Диаметр отверстия в корпусе

Отверстие в патроне и шпинделе позволяет изготавливать детали, используя в качестве заготовки прокат, а не резаный пруток. Это значительно упрощает процесс обработки изделий средними и крупными партиями.

Диаметр отверстия в корпусе патрона зависит от варианта установки его на шпиндель. При креплении на торец фланца, отверстие больше и составляет 45 мм. В узлах, которые устанавливаются с помощью конуса, отверстие 40 мм.

Высота корпуса в сборе

Высота в сборе состоит из двух значений:

• высота самого корпуса 60 мм;
• размер выступающей части кулачков – 30,5 мм.

Фактический размер высоты собранного патрона по крайним точкам составляет 90,5 мм.

Максимальная частота вращения

Любой узел имеет предельные значения для его использования. У токарного патрона 160 мм, частота вращений ограничена значением 2200 об/мин. При движении с большей скоростью снижается надежность крепления детали, сцепление кулачков с поверхностью заготовки. При возрастании центробежной силы выше допустимой нормы, увеличивается биение, деталь может вырвать.

Масса 3-х кулачкового патрона

Масса узла зависит от типа его крепления – конструкции. У патрона с посадкой на фланец вес составляет 8,6–8,8 кг. Модели, крепящиеся на конус тяжелее, их стандартный вес в комплекте 13,4 кг.

Справка! Вес узла в сборе может изменяться в зависимости от вида установленных кулачков.

Процесс изготовления

Из небольшого дубового полена сделайте планку, предварительно его надо пропустить через рейсмус и циркулярную пилу. Ширина планки 18 мм.

Из клееной фанеры толщиной 12 мм и шириной 3 см сделайте основу приспособы. Установите на столе дисковой пилы упор и подготовьте детали. Понадобится одна заготовка из фанеры 120×40×20 мм, в ней устанавливаются трубки разметки и две планки из дуба 120×18×18 мм для боковых прижимных элементов.

Если центральная деталь слишком широкая, то ее можно сузить с помощью циркулярки. В нашем случае ширина уменьшена до 26 мм.

Отрежьте два куска алюминиевой трубки. Внутренний диаметр 8 мм под размер шкантиков, внешний 10 мм. Длина кусочков 20 мм и отвечает толщине центральной детали из фанеры. Отрезать трубку можно на самодельном станке из лобзика или ножовкой по металлу.

Отрежьте два куска алюминиевой полосы размером 100×20×2 мм.

Посередине центральной детали выпилите прицел в форме треугольника. С его помощью контролируется положение приспособления. Если он немного сбился – не проблема, поправьте вручную и сдвиньте линию симметрии (базу) в ту или иную сторону.

Сделайте разметку отверстий под трубки, расположите их точно посередине детали. У нас расстояние между шкантиками 30 мм, соответственно, от прицела каждое отверстие на расстоянии 15 мм. Пользуйтесь штангенциркулем и угольником.

В основной детали высверлите два отверстия диаметром 10 мм под трубки, запрессуйте их в тисках. Трубки входят плотно, никакой дополнительной фиксации не требуется.

В алюминиевых пластинках сверлом диаметром 4 мм просверлите по три отверстия. Одно в центре и два по бокам на расстоянии 5 мм то торца.

Зенкуйте отверстия сверлом диаметром 8 мм. Центральное отверстие надо зенковать с одной стороны, а боковые с противоположной. Это связано с тем, что саморезы вкручиваются с различных сторон.

Расположите заготовки на ровной поверхности и собирайте все детали при помощи саморезов. Метизы до конца не затягивайте, планки должны свободно двигаться, но не шататься.

Вначале соберите боковины, а потом прикрутите их к основной центральной детали. Проверьте ход приспособления.

Принцип работы и особенности

Патрон ставится в универсальный или узкоспециализированный станок. Нужен он для монтажа элементов на оси шпинделя. Они дают надёжный захват заготовочного предмета, и заодно улучшают зажим при высоких оборотах.

Эксплуатируются в чистом сухом месте, все химические жидкости, провоцирующие коррозию, удаляются для сохранности патрона. Затем перед работой все стяжные болты закручиваются до упора гаечным ключом. Следующее действие — это крепёж патронного элемента в токарный агрегат, болты затягиваются гайками и включают станок.

Лучше всего запускать агрегат на малых оборотах, дабы проверить прочность сборки и заодно откалибровать значения торцевого и радиального биений на холостом ходу.

Для того чтобы закрепить заготовку на станке, чаще всего применяют патрон с двумя или тремя кулачками. При этом есть детали с независимым движением кулачков.

Эти самые зубцы двигаются вместе в радиальную сторону, за счёт чего происходит удержание заготовки в зоне обработки.

Кулачки перемещаются посредством диска, который на одной своей части имеет пазы «архимедова спираль», а с другой стороны, находится коническое зубчатое колесо, взаимодействующее с остальными колёсами.

Через ключ начинает двигаться первое колесо, а заодно начинает работу диск, который одновременно двигает кулачки. Если они движутся ближе к середине патрона, то заготовка сжимается, если же наоборот, отдаляются, то заготовка освобождается.

Самоустанавливающиеся подшипники

Самоустанавливающиеся подшипники применяют, когда:

1) технологически невозможно обеспечить полную соосность опор (опоры, расположенные в различных корпусах или в частях корпусов, недостаточно точно зафиксированных одна относительно другой);

2) корпусные детали нежесткие и деформируются под действием рабочих сил (тонкостенные корпуса, например, корпуса из листовых материалов);

3) вал вследствие недостаточной жесткости или больших действующих на него радиальных сил деформируется под нагрузкой (длинные валы с не вполне отбалансированными роторами).

Применение жестких подшипников в подобных случаях нередко приводит к защемлению тел качения, односторонней нагрузке на подшипник, во много раз превышающей рабочие нагрузки, и вызывает быстрый износ и выход подшипников из строя. Особенно резко выражены эти явления в подшипниках, в которых по форме тел качения и беговых дорожек не обеспечивается самоустановка (роликовые подшипники с цилиндрическими и коническими роликами). Шариковые подшипники несколько лучше компенсируют перекосы вследствие имеющегося у них углового зазора.

Применение самоустанавливающихся подшипников целесообразно и в тех случаях, когда нет видимых источников перекосов и несносности. Производственные неточности, погрешности монтажа, трудноучитываемые тепловые деформации системы — все это может создать в подшипниках местные нагрузки, от которых можно избавиться приданием подшипникам свободы установки.

Самоустанавливаемость является действенным средством повышения надежности тяжелонагруженных и быстроходных подшипников качения.

Однорядные шариковые подшипники со сферической рабочей поверхностью наружной обоймы (рис. 801, а) сейчас почти не применяют, так как подшипники этого типа отличаются пониженной несущей способностью, склонностью к защемлению шариков при приложении осевой нагрузки и недостаточно точной фиксацией вала в осевом направлении.

По тем же причинам редко применяют однорядные роликовые подшипники с бочкообразными роликами (вид б). Наиболее распространенный тип самоустанавливающегося подшипника — двухрядный шариковый подшипник с шахматным расположением шариков (вид в).

По форме дорожки качения эти подшипники мало приспособлены к восприятию осевых нагрузок. Повысить осевую несущую способность можно путем разноса шариков, сопровождающегося переходом поверхностей контакта на участки сферы, расположенные под большим углом к поперечной плоскости симметрии (вид г).

Самоустанавливающиеся роликовые подшипники выполняют в виде двухрядных подшипников с бочкообразными роликами (вид д).

Сфероконические самоустанавливающиеся подшипники применяют в одиночной установке (вид е) как упорные, а в парной установке (вид ж) — как радиально-упорные. Для правильной работы спаренных установок необходимо точно выдерживать расстояние между подшипниками, обеспечивая совпадение центров сферических поверхностей качения.

Предпочтительнее установка стандартных подшипников в сферические корпуса (рис. 802). Способ применяют, как правило, для многоопорных установок (с двумя и большим числом подшипников). Ограничений в типе подшипников нет.

В таких установках тела качения работают в условиях чистого качения, тогда как у самоустанавливающихся подшипников при перекосах происходит периодическое (при больших частотах вращения — высокочастотное) перемещение тел качения по сферической поверхности (скобление), сопровождающееся усиленным износом.

Отношение диаметра сферы к наружному диаметру подшипников в парных установках делают равным D_сф/D = 1,25—1,3 (вид а). Это соотношение обеспечивает благоприятную ориентацию несущих поверхностей сферы относительно осевой и радиальной нагрузок. При больших осевых нагрузках отношение D_сф/D повышают до 1,4—1,5 для увеличения высоты h несущей части сферы (вид б).

При повышенной осевой нагрузке одностороннего действия сферу делают асимметричной (вид в), развивая ее несущую поверхность h.

Для обеспечения самоустанавливаемости необходим подвод смазки (предпочтительно под давлением) к сферическим опорным поверхностям. В труднодоступных местах применяют твердые смазочные материалы.