ГОЛОВКА ОБРАБАТЫВАЮЩЕГО СТАНКА

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована, в частности, в конструкции фрезерной головки металлорежущих, деревообрабатывающих или иных станков, для зажима перемещаемой пиноли с вращающимся шпинделем.
Известна поворотная головка, входящая в состав вертикального фрезерного станка US 2011142562 (А1) - 2011-06-16 «Method and System including a Horizontal Turning Head and Turning Bar for a Milling Machine». Головка имеет цилиндрическую форму. Однако в описании не раскрыта конструкция механизма фиксации пиноли, толщина стенки корпуса и материал из которого изготовлен корпус.
Известно «Зажимное устройство» по патенту RU №128265 от 25.12.2012, предназначенное для зажима цилиндрической детали. Однако такое устройство также выполнено отдельно от станка и представляет собой не элемент станка, а станочное приспособление.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой головке, является головка вертикально фрезерного станка СФ 676 (Приложения 1).
Головка отлита из чугуна и представляет собой цилиндрический корпус, переходящий с половины ее длины вниз в усеченный конус, и выполнена за одно целое с цилиндрическим фланцем, размещенным сзади головки, предназначенным для ее установки на станине станке под необходимым для обработки углом.
Внутри головки размещена цилиндрическая перемещающаяся пиноль, в которой установлен в подшипниках вращающийся шпиндель для закрепления в нем обрабатывающего инструмента (Приложение 2).
Фиксация, перемещаемой пиноли, в необходимом положении осуществляется посредством фрикционно-винтового клеммового устройства (далее по тексту «клеммовое устройство»), размещенного между ее нижним торцом и цилиндрическим фланцем.
Устройство представляет собой две проушины в виде цилиндрических бобышек, расположенных сзади головки перпендикулярно оси перемещаемой пиноли, и выполненных за одно целое с головкой. В проушинах выполнено сквозное отверстие для установки в него стягивающего винта, взаимодействующего с зажимной гайкой на другом конце винта. Выше и ниже проушин, а также между ними выполнены сквозные прорези, позволяющие стягивать корпус головки в области клеммового устройства при зажиме пиноли (Приложение 3, 4).
Возможен вариант, когда между бобышками, выше их и до нижнего торца корпуса выполнено не три, а одна косая сквозная прорезь, позволяющая стягивать корпус головки для зажатия пиноли (Не показано).
Недостаток конструкции головки, включая оба упомянутых варианта клеммового устройства, заключается в том, что при зажиме пиноли клеммовым устройством, на корпусе головки возникают трещины в области проушин (Приложение 3) и одна из проушин в последующем отламывается (Приложение 4).
Причиной поломок являются два обстоятельства. Это изготовление головки из литого чугуна, плохо работающего на изгиб и конструкция клеммового устройства.
По сравнению с отливками из стали у отливок из чугуна допускаемые напряжениями на изгиб  почти в два раза ниже, то есть чугун более хрупкий, чем сталь. Определить необходимую толщину стенки кольцевой конструкции клеммового соединения, работающего на изгиб при стягивании проушин винтовым соединением можно только опытным путем.
Это обстоятельство подтверждается в книге Захаров С.Е. «Поршневые компрессоры» 1961 г. в разделе «Расчеты прочности».
«Определение толщины стенок s литого чугунного цилиндра не поддается точному расчету. На ряде заводов пользуются эмпирическими зависимостями, полученными опытным путем, но гарантирующими достаточную прочность и жесткость цилиндра».
Второй причиной появления трещин и отламывания проушин является конструкция корпуса головки в виде усеченного конуса.
В силу конусной конструкции головки, толщина ее стенки в области клеммового устройства убывает сверху вниз. В этих обстоятельствах, при затягивании клеммового устройства, зажим пиноли осуществляется не одновременно по всей длине клеммового устройства. Сначала сжимается нижняя более тонкая часть стенки корпуса, а затем верхняя часть в области стягивающего винта, причем усилие стягивания оказывается не равномерным и возрастает в более толстой части стенки и менее податливой на изгиб. Таким образом к поперечному изгибу добавляется еще и продольный изгиб корпуса головки. В результате воздействия общих сил, сначала в области проушины появляется трещина, а затем отламывается и сама проушина.
Задачей полезной модели является исключение образования трещин на корпусе головки и отламывания проушин.
Устранить причину поломок можно изменением материала корпуса головки, путем замены отливки головки из чугуна, на отливку из стали. При такой замене головка будет работать надежно, поскольку допускаемые напряжения на изгиб у стали выше, чем у чугуна почти в два раза.
Однако такая замена не целесообразна по двум причинам.
Во-первых, стальные отливки дороже чугунных, и поэтому их применяют в основном в конструкциях силовых машин, испытывающих большие ударные и динамические нагрузки, например в тяжелой строительной, горнодобывающей технике, а также сельхозмашинах.
Во-вторых, во взаимодействующих стальных деталях, не подвергнутых термообработке, как правило, возникают задиры. Применительно к конструкции фрезерной головки, обрабатывающий шпиндель, которого не должен иметь отклонения от его продольной оси более, чем на 0,02 мм, задиры недопустимы.
Исключение задиров путем термробработки пиноли и корпуса головки значительно повышает трудоемкость, себестоимость изготовления и становится нецелесообразной.
Таким образом, становится очевидным, что материалом для отливки головки должен оставаться чугун, а решать проблему следует путем изменения конструкции клеммового устройства.
Очевидным и наиболее приемлемым решением является уменьшение толщины стенки корпуса головки в области клеммового устройства.
Но здесь возникает две проблемы.
Во-первых, снижение толщины стенки корпуса в области проушин клеммового устройства уменьшает прочность конструкции и вследствие этого повышается вероятность появления трещин и обрыва проушины, как это было у прототипа.
Кроме того, при уменьшении стенки корпуса головки только в области клеммового соединения и прежней ее толщине на самом корпусе, как в прототипе, возникают технологические проблемы, связанные с формованием отливки разной толщины на коротком участке, и возникновением нежелательных концентраций напряжения из-за разной толщины стенки головки, при этом ухудшается и общий вид всей головки, с точки зрения дизайна.
Для решения проблемы целесообразнее уменьшить толщину стенки головки на всей ее длине от ее нижнего торца до фланца для поворота головки, включая и область клеммового устройства. В этом случае решается сразу две проблемы: технологическая и дизайнерская, поскольку изготовлять цилиндрический участок без уступов, гораздо проще, и при этом улучшается общий вид станка.
Однако, как было отмечено выше, просчитать для чугуна, как поведет себя конструкции при измененной толщине стенки, практически не возможно. И здесь возникает две проблемы.
Во-первых, как было отмечено выше при уменьшении стенки корпуса головки в области проушин снижается и прочность стенки, вследствие чего может повториться появление трещин и обрыв проушины.
Во-вторых, при уменьшении стенки корпуса головки снижается и ее прочность. Элементы головки, включая и ее корпус, испытывают нагрузки, возникающие от усилий резания в процессе обработки деталей. Поскольку корпус головки закреплен на станине станка в верхней части и является консольным, то возникают изгибающие моменты, образованные усилием резания, помноженным на плечо, равное вылету консольной части.
Таким образом, наиболее приемлемое решение проблемы устранения трещин и обламывания проушин заключается в выполнении головки в области клеммового устройства в виде цилиндрического участка корпуса головки от ее нижнего торца до поворотного фланца.
При кажущейся простоте решения, сложность проблемы заключается в том, что необходимо определить толщину стенки корпуса головки в упомянутой области, которая обеспечивала бы прочность головки в области проушин и одновременно исключала бы вероятность отклонения пиноли и шпинделя головки более, чем на 0,01 мм.
Поставленная задача достигается за счет того, что в головке обрабатывающего станка, в частности вертикально-фрезерного, с клеммовым фрикционно-винтовым устройством зажима перемещаемой пиноли, включающей чугунный корпус, проушины клеммового устройства, выполненные за одно целое с корпусом, по меньшей мере, одну прорезь на корпусе, и винтовой элемент для обеспечения стягивания проушин, согласно полезной модели, корпус головки, от ее нижнего торца и в области клеммового устройства выполнен в форме цилиндра с толщиной h стенки, определяемой зависимостью:
h=(0,14-0,25)D где D диаметр пиноли.
Поскольку определение оптимальной толщины стенки для конструкции из чугуна не поддается теоретическим расчетам, то оптимальная толщина h стенки на цилиндрическом участке корпуса головки в области клеммового устройства была определена опытным путем по результатам испытаний специально изготовленных для этого четырех головок с различной толщиной h стенки корпуса головки.
При значении толщины h стенки корпуса в области клеммового устройства менее 0,14D начинает отклоняться консольный корпус головки с пинолью и отклонения шпинделя выходят за пределы допустимого значения 0,01 мм.
При значении толщины h стенки корпуса в области клеммового устройства более 0,25D начинают возникать трещины в области проушин и повышается вероятность отламывания проушины.
На этих же испытаниях была определена оптимальная длина l цилиндрического участка корпуса головки, считая от ее нижнего торца, обеспечивающая надежную работу головки, которая выражается зависимостью:
l=(0,85-1,3)D где D диаметр пиноли.
При значении длины l цилиндрического участка корпуса головки, менее 0,85D повышается жесткость конструкции на цилиндрическом участке, включая и область клеммового устройства, препятствующая сжатию проушин винтовым элементом, и, как следствие, повышается вероятность образование трещин с последующим отламыванием проушины.
При значении длины l цилиндрического участка корпуса головки, более 1,3D снижается жесткость конструкции на цилиндрическом участке, включая и область клеммового устройства. Учитывая консольность конструкции, повышается вероятность отклонения вместе с цилиндрическим участком корпуса головки и пиноли со шпинделем за пределы допустимого значения 0,01 мм.
Головка выполнена поворотной, с возможностью ее установки под разными углами к вертикали, а также может быть неподвижной или с вертикальным перемещением. При этом корпус головки выше клеммового устройства выполнен в виде цилиндра или усеченного конуса.
Для сжатия проушин в области зажима, на корпусе головки выполнена одна наклонная к вертикали прорезь, проходящая между проушинами от нижнего торца головки и выше клеммового устройства.
Кроме того, для обеспечения сжатия проушин в области зажима, на корпусе головки выполнены сквозные прорези поперек продольной оси головки выше и ниже проушин и одна сквозная продольная прорезь между проушинами.
Конструкция корпуса головки в виде цилиндрического участка в его нижней части позволила более равномерно распределить усилия затягивания по всей длине цилиндрического участка и в области проушин.
Достигнутый технический результат заключается в том, что предложенная конструкция корпуса головки обрабатывающего станка, позволяет исключить образование трещин на корпусе головки и отламывания проушин.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
- Фиг. 1. Общий вид головки;
- Фиг. 2. Вид головки с тыльной стороны.
- Фиг. 3 Сечение А-А с фиг. 1.
Головка отлита из чугуна и представляет собой корпус 1 (фиг. 1, 2), выполненный за одно целое с цилиндрическим фланцем 2, размещенным сзади головки, предназначенным для ее установки на станине станка под необходимым для обработки углом. Корпус головки выше клеммового устройства выполнен в виде цилиндра или усеченного конуса.
Головка может быть выполнена неподвижной или с вертикальным перемещением (не показано). Корпус 1 головки выполнен в виде двух усеченных конусов, состыкованных основаниями в области осевой линии, соединяющей центры крепежных отверстий 3, или с цилиндрическим участком между ними, фланца 2. Внутри головки размещена цилиндрическая пиноль 4, в которой размещен вращающийся шпиндель 5 для закрепления в нем обрабатывающего инструмента. Пиноль перемещается вращением рукоятки 6.
Фиксация, пиноли 4, в необходимом положении осуществляется посредством фрикционно-винтового клеммового устройства (далее клеммовое устройство), размещенным между нижним торцом головки и цилиндрическим фланцем 2.
Клеммовое устройство представляет собой две проушины 7 (фиг. 3) в виде цилиндрических бобышек, расположенных сзади головки перпендикулярно оси перемещаемой пиноли, и выполненных за одно целое с корпусом 1 головки. В проушинах и на корпусе выше и ниже проушин, выполнена сквозная косая прорезь 8 (фиг. 2, 3), позволяющая увеличить ее длину по сравнению с прямой прорезью, и осуществлять более равномерное стягивание частей корпуса на всей длине клеммового устройства для зажима пиноли. В в проушинах выполнено сквозное отверстие 9 для установки в него стягивающего винта 10 с маховичком 11.
Возможен вариант, когда сквозные прорези, позволяющие стягивать корпус головки в области клеммового устройства при зажиме пиноли, выполнены, как в прототипе, между проушинами, а также выше и ниже проушин (не показано). Однако такие прорези менее технологичны, более трудоемки и менее предпочтительны по сравнению с одной косой прорезью.
В целях исключения образования трещин в области проушин 7 и их отламывания, корпус головки, от ее нижнего торца и в области клеммового устройства выполнен в форме цилиндра 12 с толщиной h стенки, определяемой зависимостью:
h=(0,14-0,25)D где D диаметр пиноли.
Длина цилиндрического участка 12 корпуса головки диаметром D, считая от нижнего ее торца определяется зависимостью
l=(0,85-0,25)D, где D диаметр пиноли.
Головка работает следующим образом.
Рукояткой 6 перемещают пиноль в необходимое положение и затем вращением маховичка 11 затягивают клеммовое устройство. При этом равномерная и выбранная оптимальная толщина стенки цилиндрического участка головки, в сочетании с косой прорезью, обеспечивают надежную неподвижную фиксацию пиноли и позволяют устранить образование трещин в области проушин и их отламывание.