Зажимное устройство и станок, оборудованный таким устройством
Группа изобретений относится к механической обработке заготовок, а именно, к устройству их зажима и обрабатывающему станку. Зажимное устройство содержит корпус (4), в радиальных пазах (11) которого расположены кулачки (6) с возможностью их перемещения от поворота спирального диска (5), соединенного напрямую или через промежуточный фланец (12) со шпинделем (3), кинематически связанным с приводным средством, например, электродвигателем, в частности, серводвигателем. Корпус (4) установлен на шпинделе (3) посредством управляемой сцепной муфты (13) с возможностью осуществления выборочно либо поворота относительно шпинделя, либо взаимной фиксации с возможностью вращения в унисон. Муфта (13) содержит первый и второй передаточные элементы (14, 15), соединенные соответственно с корпусом (4) и передней бабкой (16) станка, и коаксиально расположенные на оси вращения шпинделя (3), соединительный элемент (17), установленный подвижно в направляющих (18) корпуса, и средство (19) управления движением соединительного элемента в корпусе. Предложены зубчатая или фрикционная конфигурации элементов (15, 17) муфты (13) для замыкания пневматическим, гидравлическим или электрическим образом. Варианты станка могут содержать на шпинделе (3) передней бабки (16) одно или два зажимных устройства. Достигается повышение виброустойчивости, надежности, ремонтопригодности и безопасности зажимного устройства, универсализация крепления под стандартные типы на шпинделе станка. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 15 ил.
В настоящей заявке испрашивается приоритет по предварительной заявке на патент Республики Беларусь №а 20200068 под названием «Зажимное устройство и станок оборудованный таким устройством», поданной 2 марта 2020 года, содержание которой включено в данное описание путем ссылки.
Изобретение относится главным образом к области механической обработки материалов, а именно к зажимным устройствам для центрирования и закрепления заготовок на металлорежущих станках. Объектом изобретения является также станок, содержащий упомянутое зажимное устройство.
В известных устройствах [1-5] зажима заготовок на шпинделе в рабочей зоне обрабатывающего станка приводной двигатель механизированного самоцентрирующего патрона обычно либо закреплен на заднем конце шпинделя и вращается вместе с ним во время работы станка, либо установлен неподвижно, а вращение от него передается через редуктор и соединительную муфту спирально-реечному механизму перемещения зажимных кулачков. Вращение шпинделя станка обычно осуществляется с помощью отдельно закрепленного на станине электромотора, либо он может быть интегрирован с валом в конструкцию, иначе называемую электрошпиндель (мотор-шпиндель), представляющую собой корпус со статором, внутрь которого помещен вал с пакетом ротора, а на передней и задней части вала устанавливаются высокоскоростные радиально-упорные подшипники для обеспечения жесткости и точности, а также для восприятия осевых нагрузок. Такие традиционные конструкции зажима, в которых используются различные источники приводной мощности для главного привода станка и вспомогательного привода зажимного механизма, имеют недостатки, среди которых можно выделить сложность устройств и систем их управления, малая надежность в эксплуатации, завышенные габаритно-массовые и стоимостные показатели.
Известно зажимное устройство [6], содержащее патрон с исполнительным механизмом перемещения кулачков в его корпусе для удерживания или освобождения заготовки, причем патрон установлен на шпинделе для вращения с помощью привода станка, средство передачи, посредством которого привод станка обычно соединен со шпинделем, чтобы вызвать его вращение, и средство для выборочного отсоединения упомянутого средства передачи от шпинделя так, что вращение отцепленного средства передачи относительно шпинделя приводит в движение исполнительный механизм перемещения зажимных кулачков патрона. Реализация данного технического решения позволяет избежать в устройстве станка с вращательным шпинделем автономных приводов, совместив главный привод станка (шпинделя) функционально с приводом зажима-разжима заготовки в патроне. Таким образом, отсоединение шпинделя от средства передачи может быть выполнено посредством управляемой соединительно-разобщительной муфты имеющей, например, несколько торцевых зубчатых (или шлицевых) частей, которые в деактивированном состоянии обычно сцеплены друг с другом пружинными элементами, чтобы передавать вращение от привода станка к шпинделю. С помощью электромагнита или альтернативно пневматическим/ гидравлическим способом муфта может быть избирательно приведена в состояние между первым положением, в котором первая часть муфты сцепляется с частью передней бабки, тем самым разблокировав средство передачи (например, ведущий шкив) от шпинделя, в то же время, фиксируя его на передней бабке, и вторым положением, в котором вторая часть муфты сцепляется с частью, прикрепленной к шпинделю, тем самым блокируя средство передачи со шпинделем, одновременно отпирая его от передней бабки.
В данной области техники неоднократно предпринимались попытки создать улучшенное зажимное устройство для станков, в которых главный привод был совмещен со вспомогательным приводом зажима-разжима заготовки в патроне. При этом соединительно-разобщительная муфта, как правило, располагалась с обратной стороны по отношению к установленному на шпинделе зажимному патрону и избирательно связывалась посредством пустотелого вала с исполнительным механизмом перемещения кулачков. Например, известны технические решения, раскрытые в изобретениях СССР и Украины [7-9]. Однако существенным недостатком таких конструкций является наличие пропущенного через всю длину шпинделя промежуточного полого вала, который в определенной степени затрудняет возможность расширения проходного отверстия в шпинделе станка с тем, чтобы пропускать при обработке сквозь него длинномерные заготовки увеличенного диаметра. Вследствие этого усложняется оборудование, повышается его металлоемкость, а значит увеличиваются затраты в производстве. Другим недостатком данных технических решений, ограничивающим сферу их применения, является сложность реализации конфигураций, в которых зажимные устройства устанавливались бы с противоположных сторон шпинделя, расположенного с возможностью вращения в передней бабке станка. Например, такие конфигурации зажимных устройств востребованы для использования в трубонарезных станках [10-13], токарных станках [14-15] с ЧПУ или модулях [16] гибких производственных систем, а также в ином оборудовании [17-19], где требуется крепление инструмента/заготовки одновременно с двух сторон.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является механизированный самоцентрирующий токарный патрон [20], содержащий зажимные кулачки, спиральный диск, жестко закрепленный на длинной конусной поверхности шпинделя станка, корпус, предназначенный для установки на шпинделе с возможностью относительного вращения, соединительный элемент, установленный в направляющих корпуса с возможностью продольных перемещений и имеющий контактные поверхности, взаимодействующие с ответными контактными поверхностями, расположенными в патроне, привод перемещения соединительного элемента и устройство торможения корпуса. Направляющие соединительного элемента выполнены на внутренней поверхности корпуса, ответные контактные поверхности расположены на спиральном диске. При этом привод перемещения соединительного элемента выполнен в виде постоянного силового привода для соединения контактных поверхностей и автоматически управляемого силового привода для разъединения контактных поверхностей. Контактные поверхности соединительного элемента и спирального диска могут быть выполнены конусными. Однако, принятый за прототип, патрон сконструирован не оптимально, поскольку не исключает возможности возникновения вибрации корпуса из-за люфтов в сопряжении с соединительным элементом, которые обусловлены фактическими допусками на посадочные поверхности для их взаимного аксиального перемещения, а также наличием некоторого зазора между корпусом и спиральным диском с тем, чтобы обеспечить их относительное вращение. При вращении патрона на шпинделе корпус может дискретно перекатываться под действием силы тяжести, выбирая люфты в сопряжениях вокруг соединительного элемента и спирального диска, центрирование которых между собой на шпинделе осуществляется конусными поверхностями. Таким образом, наличие изменяющегося зазора между внутренним диаметром корпуса с одной стороны и наружным диаметром спирального диска, а также поверхностями соединительного элемента с другой стороны создает переменные нагрузки, вызывая вибрации корпуса патрона при вращении, что отрицательно сказывается на точности обработки зажимаемых заготовок. Кроме того, решение для патрона, в котором спиральный диск базируют на длинной конусной поверхности шпинделя, не является универсальным с точки зрения крепления, поскольку нужно отходить от установленных стандартов по посадке патронов на шпиндель (см. ГОСТ 1654-86), что затрудняет возможности реализации данных изделий на рынке. В этом заключается основной потенциальный недостаток такого устройства зажима. Ко всему патрон обладает малой ремонтопригодностью и удобством обслуживания: устранение дефекта в силовом приводе и устройстве торможения корпуса, которые выполнены в виде установленного на стенке передней бабки станка соосно со шпинделем управляемого кольцевого электромагнита, сопряжена с демонтажем патрона со шпинделя, что увеличивает трудоемкость ремонта или технического обслуживания конструкции.
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить различные технические решения, которые привносят новые возможности в этой области по сравнению с зажимными устройствами в составе станков, используемых в технике известного уровня.
Задачей настоящего изобретения является создание зажимного устройства, в котором предусмотрена возможность компенсации позиционных и производственных допусков между корпусом и соединительным элементом, что повысит устойчивость изделия к динамическим нагрузкам с возможностью улучшения качества обработки закрепляемых в нем деталей.
Другой задачей настоящего изобретения является создание зажимного устройства, которое бы имело широкий выбор использования различных конфигураций силового и/или геометрического замыкания управляемой муфты для избирательного переключения устройства в один из приводимых от главного движения станка режимов: токарной обработки или зажима-разжима заготовки.
Еще одна из задач настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить зажимное устройство, которое соответствовало бы требованиям широко применяемых норм и стандартов.
Следующая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить зажимное устройство, которое может быть реализовано несложным и надежным образом, гарантирующим безопасность использования.
Дополнительная задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить зажимное устройство, которое является простым в техническом обслуживании и ремонте для пользователя с точки зрения удобств доступа к элементам устройства в составе станка.
Наконец, еще одна задача изобретения состоит в предложении обрабатывающего станка с таким зажимным устройством, который будет более универсальным, иметь недорогостоящую, упрощенную конструкцию с высокой вариативностью решений по управлению, несложную в применении и адаптируемую к известным зажимным устройствам, которые уже используются.
Решение этих задач достигается с помощью объектов изобретения, заявленных в независимых пунктах 1 и 18 формулы. Обладающие преимуществами и/или предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения, при этом информация об особых дополнительных модификациях может быть почерпнута из последующего краткого раскрытия настоящего изобретения.
В соответствии с первым аспектом изобретения предлагается зажимное устройство для закрепления обрабатываемой заготовки с приводом от вращательного главного движения станка, содержащее установленный в рабочей его зоне на шпинделе корпус, соединенный посредством управляемой сцепной муфты с возможностью осуществления выборочно либо поворота относительно шпинделя, либо взаимной фиксации с возможностью вращения в унисон. Внутри корпуса расположена спирально-реечная передача для перемещения зажимных кулачков в радиальном направлении между позицией ожидания, в которой кулачки расположены на расстоянии от заготовки, соответствующей режиму нулевой нагрузки, и рабочей позицией, в которой кулачки имеют возможность контактирования с заготовкой для удержания ее в режиме под определенной нагрузкой. Управляемая сцепная муфта включает в себя первый передаточный элемент, жестко соединенный с корпусом, второй передаточный элемент, соединенный неподвижно с передней бабкой станка, причем названные передаточные элементы расположены друг с другом концентрическим образом на оси вращения шпинделя, соединительный элемент, подвижно установленный в направляющих корпуса и средство управления муфтой для избирательного перемещения соединительного элемента в корпусе. Соединительный элемент имеет возможность ограниченного перемещения в направляющих корпуса для сцепления и расцепления первого и второго передаточных элементов и снабжен центрирующей частью, которая выполнена с, по меньшей мере, частично конической рабочей поверхностью. В положении сцепления первого и второго передаточных элементов зажимное устройство переводится в конфигурацию свободного поворота корпуса относительно шпинделя так, что в этом состоянии кулачки имеют возможность перемещения в корпусе с помощью приводного средства вращательно связанного через шпиндель со спиральным диском для зажима/разжима заготовки. В положении расцепления соединительный элемент разъединяет первый и второй передаточные элементы друг от друга для перевода устройства в конфигурацию взаимной фиксации корпуса со шпинделем с возможностью удержания кулачков в позиции ожидания при обездвиживании шпинделя, либо рабочей позиции для последующей обработки заготовки при вращении шпинделя в унисон с корпусом от упомянутого приводного средства. Центрирующая конусная часть соединительного элемента имеет возможность силового взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью, выполненной непосредственно на шпинделе или опосредованно на промежуточном фланце, расположенном отсоединяемым образом между шпинделем и спиральным диском. Преимущество такого решения состоит в том, что удается сделать связь корпуса с соединительным элементом муфты относительно нечувствительным к изменениям между ними размеров, связанных с производственными допусками или износом.
Зажимное устройство согласно изобретению может дополнительно иметь один или более отличительных признаков, которые могут быть скомбинированы друг с другом.
Предпочтительно, рабочая коническая поверхность центрирующей части соединительного элемента может быть выполнена с внешней его стороны с возможностью взаимодействия с ответной конической поверхностью, выполненной в корпусе.
В качестве альтернативы рабочая коническая поверхность центрирующей части соединительного элемента может быть выполнена с внутренней его стороны с возможностью взаимодействия с ответной конической поверхностью, выполненной непосредственно на шпинделе или опосредованно на промежуточном фланце, расположенном отсоединяемым образом между шпинделем и спиральным диском.
Дополнительно, центрирующая конусная часть соединительного элемента может быть выполнена в виде цанги, которая имеет с ее торца продольные прорези, равномерно расположенные по образующим конуса с образованием упругих лепестков.
Согласно изобретения в одном из вариантов исполнения средство управления муфтой включает в себя электромагнит, размещенный со стороны передней бабки станка, снабженный, по меньшей мере, одним упругим элементом, установленным с возможностью поджатая соединительного элемента центрирующим конусом к корпусу. В активированном состоянии электромагнит под действием магнитного притяжения совершает перемещение соединительного элемента ко второму передаточному элементу для их сцепления, а при деактивированном состоянии электромагнита упругий элемент осуществляет возврат соединительного элемента в исходное расцепленное со вторым передаточным элементом положение.
В следующем варианте исполнения средство управления муфтой включает в себя функционально соединенную с передней бабкой станка напорную камеру объемного действия для приложения давления текучей среды на соединительный элемент, и которая содержит, по меньшей мере, одну полость с возможностью изменения рабочего объема, регулируемого давлением возвратно наполняемой текучей среды, и приводное звено в виде подвижно сопряженного со стенками напорной камеры узла по типу «поршень-шток» или «мембрана-шток». При этом, опционально, приводное звено дополнительно снабжено возвратной пружиной, которая поджата в направлении противоположном выдвижению поршня или мембраны под давлением текучей среды. Причем шток подвижно связан разъемным образом, непосредственно или через дополнительные компоненты, с соединительным элементом для обеспечения его возвратно-поступательного движения в направляющих корпуса между положениями сцепления/расцепления первого и второго передаточных элементов.
В одном из частных примеров напорная камера выполнена во внутренней полости торцевой поверхности передней бабки станка вокруг шпиделя, коаксиально ему, и отчасти ограничена торцем второго передаточного элемента. Камера снабжена герметичной упругой мембраной с внутренним и наружным бортовыми кольцами. Часть мембраны с наружным бортовым кольцом обжата торцом передней бабки и вторым передаточным элементом, а часть мембраны с внутренним бортовым кольцом обжата прижимным фланцем и вторым передаточным элементом. В камере образована герметичная полость с изменяемым рабочим объемом со стороны второго передаточного элемента, в котором выполнен канал с возможностью соединения с линией избыточного давления текучей среды, и незаполняемая ею полость, в которой расположен приводной шток. Шток содержит опорную тарелку с разнесенными от ее центральной оси, по меньшей мере, тремя тягами предпочтительно Г-образной или П-образной формы в плане, которые пропущены параллельно оси шпинделя через предусмотренные в прижимном фланце и втором передаточном элементе отверстия так, чтобы с равными интервалами охватывать концевыми полками торец соединительного элемента.
В другом предпочтительном частном примере напорная камера представляет собой отдельный силовой модуль, установленный на передней бабке станка, что упрощает обслуживание и ремонт. При этом модуль снабжен упругой мембраной, которая разделяет поперечно его оболочку на заполняемую текучей средой полость с возможностью изменения рабочего объема и незаполняемую текучей средой полость. Мембрана выполнена с возможностью знакопеременной деформации, направленной, в зависимости от давления, как в сторону заполняемой полости, так и в сторону незаполняемой полости упомянутого модуля, в торцевой стенке которого предусмотрено отверстие, сквозь которое пропущен приводной шток с определенной поперечной степенью свободы. Выходной конец штока проходит, по существу, поперек продольной протяженности шпинделя и шарнирно сочленен с втулкой, оборудованной захватом. Данная втулка установлена снаружи на цилиндрические части второго передаточного элемента и соединительного элемента с возможностью ограниченного поворота и дополнительного поступательного осевого движения с помощью, по меньшей мере, трех размещенных между втулкой и вторым передаточным элементом опор вращения по винтовой линии, и с обеспечением возможности избирательно перемещать за собой соединительный элемент посредством упомянутого захвата для переключения между положениями сцепления/расцепления первого и второго передаточных элементов.
В третьем предпочтительном частном примере напорная камера представляет собой отдельный модуль в виде силового цилиндра, который установлен на передней бабке станка с возможностью качания, по существу, поперек продольной протяженности шпинделя. Цилиндр содержит подвижный поршень, который разделяет его внутреннее пространство на две полости с возможностью изменения их рабочего объема, регулируемого давлением возвратно наполняемой текучей среды. В торцевой стенке цилиндра предусмотрено отверстие, сквозь которое пропущен связанный с поршнем приводной шток. Выходной конец штока шарнирно сочленен с втулкой, оборудованной захватом, установленной снаружи на цилиндрические части второго передаточного элемента и соединительного элемента с возможностью ограниченного поворота и дополнительного поступательного осевого движения с помощью, по меньшей мере, трех размещенных между втулкой и вторым передаточным элементом опор вращения по винтовой линии, и с обеспечением возможности избирательно перемещать за собой соединительный элемент посредством упомянутого захвата для переключения между положениями сцепления/расцепления первого и второго передаточных элементов.
В следующем варианте исполнения средство управления муфтой представляет собой электрический линейный двигатель, который содержит стационарную часть, прикрепленную к передней бабке станка, подвижную часть, которая имеет возможность совершать возвратно-поступательное движение относительно стационарной части, с которой связана кинематически и посредством коммутируемой магнитной индукции напрямую или опосредованно. При этом подвижная часть проходит, по существу, поперек продольной протяженности шпинделя. Конец подвижной части шарнирно сочленен разъемным образом с втулкой, оборудованной захватом. Втулка установлена снаружи на цилиндрические части второго передаточного элемента и соединительного элемента с возможностью ограниченного поворота и дополнительного поступательного осевого движения с помощью, по меньшей мере, трех размещенных между втулкой и вторым передаточным элементом опор вращения по винтовой линии, и с обеспечением возможности избирательно перемещать за собой соединительный элемент посредством упомянутого захвата для переключения между положениями сцепления/расцепления первого и второго передаточных элементов.
В вышеописанных конфигурациях, первый передаточный элемент может быть сцеплен с соединительным элементом муфты посредством их зубчатого замыкания или посредством шпонок, в частности, сферических. Кроме этого, предложен вариант реализации зажимного устройства, в котором первый передаточный элемент может быть выполнен в виде закрепленных в корпусе параллельно симметрично его оси штифтов с возможностью сцепления с соединительным элементом муфты для восприятия окружных сил и/или осевого относительного смещения. В этой конфигурации зажимное устройство дополнительно может быть оснащено средством для регулировки усилия, прикладываемого упругим элементом для осуществления возврата соединительного элемента в исходное расцепленное со вторым передаточным элементом положение.
Предложены варианты осуществления настоящего изобретения, в котором сцепление второго передаточного элемента с соединительным элементом при активированном состоянии электромагнита муфты может быть выполнено посредством их зубчатого замыкания или фрикционной связи.
Предпочтительно приводное средство, вращательно связанное через шпиндель с механизмом перемещения кулачков может представлять собой двигатель вращения с частотно-регулируемым управлением, например, такой узел, интегрированный в конструкцию шпинделя станка можно выполнить в виде реверсивного электродвигателя, в частности, серводвигателя.
В любом из предложенных вариантов осуществления настоящего изобретения корпус может быть снабжен в целях безопасности механическим ограничителем конечного положения, по меньшей мере, одного зажимного кулачка при его перемещении от центра к периферии.
Предлагаемое изобретение также касается станка преимущественно для механической обработки, оборудованного зажимным устройством описанного выше типа с избирательным приводом перемещения в корпусе кулачков от вращательного главного движения станка. В некоторых воплощениях станка неподвижная передняя бабка может содержать два зажимных устройства, расположенных на противолежащих концах подвижного шпинделя. Станок может быть дополнительно оснащен программируемым блоком управления.
Существенность отличий предлагаемого зажимного устройства от известного технического решения заключается в том, что при механизированном зажиме в нем заготовки от вращательного главного движения станка шпиндель напрямую или через промежуточный фланец упруго сцентрирован посредством конусной части соединительного элемента с корпусом (у прототипа - со спиральным диском) с возможностью максимальной компенсации погрешностей его изготовления и монтажа в нем подвижных элементов муфты, что снижает динамическую податливость корпуса. В результате устраняются, допустимые в сопряжениях соединительного элемента муфты с корпусом зазоры, способствующие появлению дебаланса, оказывающего вредное влияние на качество и точность обработки. Данное техническое решение может быть реализовано на шпинделях станков со стандартными типами крепления путем использования сменных промежуточных фланцев между шпинделем и спиральным диском, что обеспечивает универсальность его применения. Предусмотрены различные конфигурации муфты, как по исполнению силового воздействия (с помощью электромагнита, пневмокамеры, гидро- или пневмоцилиндра, линейного электродвигателя), так и геометрического замыкания (зубчатое, фрикционное), что расширяет функциональные возможности по управлению устройством/станком и повышает гибкость в удовлетворении широких потребностей производителя/клиента. Предложенные изделия отличаются простотой изготовления, удобством обслуживания и ремонта, например, замену ряда компонентов муфты можно выполнить без снятия со шпинделя корпуса зажимного устройства, что повышает его технологичность и ремонтопригодность. Кроме всего, оснащение корпуса дополнительно ограничителем вылета кулачков повышает эксплуатационную безопасность (надежность) зажимного устройства.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми предпочтительными примерами осуществления изобретения, которые далее будут подробно раскрыты со ссылками на приложенные чертежи, где: на фиг.1 показан общий вид в изометрии станка с зажимным устройством согласно изобретению; на фиг.2 - вид А с торца зажимного устройства с фиг.1 в увеличенном масштабе; на фиг.3 - вид в разрезе Б-Б зажимного устройства с фиг.2 по варианту с зубчатым зацеплением между передаточными и соединительным элементами; на фиг.4 -вид в изометрии зажимного устройства в разрезе по линии Б-Б с фиг.2; на фиг.5 - изображение в разрезе соединительного элемента муфты с фиг.3; на фиг.6 - разрез зажимного устройства плоскостью проходящей через ось ограничительного упора вылета кулачков (местное сечение В-В на фиг.2); на фиг.7 - изометрическое изображение кулачка; на фиг.8 - вариант зажимного устройства, в котором соединительный элемент подвижно сопряжен с корпусом шариковыми шпонками; на фиг.9 - выносной вид Г с фиг.8; на фиг.10 - изометрическое частичное изображение зажимного устройства по варианту осуществления с фрикционной муфтой; на фиг.11 - изометрическое частичное изображение показанного на фиг.10 соединительного элемента муфты в сборе с задней частью корпуса; на фиг.12 - изометрическое частичное изображение зажимного устройства по варианту осуществления с интегрированным в переднюю бабку средством пневматического управления муфтой; на фиг.13 - изометрическое частичное изображение зажимного устройства по варианту осуществления с муфтой управляемой отдельной пневмокамерой, на фиг.14 - изометрическое частичное изображение зажимного устройства по варианту осуществления с муфтой управляемой пневматически или гидравлически отдельным цилиндром, на фиг.15 - общий вид в изометрии зажимного устройства с частичным разрезом шариковинтового узла втулки по варианту осуществления с муфтой управляемой отдельным линейным электродвигателем.
Для большей ясности одинаковые или аналогичные элементы на всех чертежах обозначены одинаковыми номерами позиций.
Обрабатывающий станок 1, показанный очень символично на фиг.1, снабжен зажимным устройством 2, которое согласно предпочтительному варианту (см. фиг.2-5) реализации настоящего изобретения, содержит расположенный на полом шпинделе 3 в рабочей зоне станка составной корпус 4, внутри которого установлен с возможностью вращения спиральный диск 5 для передачи движущей силы зажимным кулачкам 6 посредством спирально-реечного зацепления. Корпус 4 выполнен из соединенных средствами крепления передней и задней частей 7 и 8 со сквозным центральным отверстием, которое со свободной стороны задней части имеет участок с конической поверхностью 9. Передняя часть 7 снабжена ступицей 10, на которой снаружи размещен диск 5, а на лицевой стороне в радиальных Т-образных пазах 11 установлены с возможностью перемещения кулачки 6 между позицией ожидания, в которой кулачки расположены на расстоянии от заготовки, соответствующей режиму нулевой нагрузки, и рабочей позицией, в которой кулачки имеют возможность контактирования с заготовкой для удержания ее в режиме под определенной нагрузкой. Части корпуса 4 скреплены так, что задняя часть 8 удерживает в нем от осевого смещения спиральный диск 5, жестко соединенный через промежуточный фланец 12 со шпинделем 3 станка. При этом корпус 4 соединен со шпинделем 3 посредством соосно расположенной с ним управляемой сцепной муфты 13 с возможностью осуществления выборочно либо поворота относительно шпинделя, либо взаимной фиксации с возможностью вращения в унисон со шпинделем. Для осуществления главного вращательного движения станка шпиндель 3 кинематически связан с приводным средством (не показано), например, реверсивным электродвигателем, в частности, серводвигателем с регулированием скорости (частоты) вращения и/или момента от программируемого блока управления в соответствии с режимом зажима заготовки в корпусе. Блок управления может быть интегрирован в панель управления (не показана) станком. Управляемая сцепная муфта 13 включает в себя первый передаточный элемент 14, жестко соединенный с корпусом 4, и второй передаточный элемент 15, соединенный неподвижно с передней бабкой 16 станка, причем указанные передаточные элементы расположены друг с другом концентрическим образом на оси вращения шпинделя 3, соединительный элемент 17, установленный подвижно в направляющих 18 корпуса, и средство 19 управления муфтой с возможностью обеспечения избирательного перемещения соединительного элемента в продольном направлении для кинематического и силового взаимодействия первого и второго передаточных элементов между собой. Соединительный элемент 17 выполнен с двумя зубчатыми венцами 20 и 21 для согласованного сопряжения с первым и вторым передаточными элементами 14 и 15, аналогично последние также будут представлять собой венцы 22 и 23, соответственно, с комплементарными в парах зацеплений профилями зубьев. В частности, зубчатый венец 20 соединительного элемента и венец 22 на внутренней поверхности в задней части 8 корпуса имеют постоянно сцепленные друг с другом осевые шлицевые зубья, причем внутренняя шлицевая поверхность 24 корпуса 4 служит в качестве направляющей 18 скольжения для продольного перемещения в нем соединительного элемента 17. Венцы 21 и 23, соответственно, соединительного элемента 17 и передней бабки 16 для периодического сцепления друг с другом выполнены с V-образным мелким (мышиным) торцовым зубом. Зубчатый венец 21 установлен на соединительном элементе 17 разъемным образом: посредством шлицевого соединения удерживается на нем от окружного смещения, а в осевом направлении фиксируется с помощью винтов 25 и закладных элементов 26, которые расположены с охватом шлицевого участка в кольцевой выточке 27 соединительного элемента. Кроме этого, соединительный элемент 17 со стороны зубчатого венца 20 снабжен центрирующей конусной частью 28 с возможностью силового взаимодействия с внутренней поверхностью задней части 8 корпуса и наружной поверхностью, выполненной на промежуточном фланце 12. Центрирующая конусная часть 28 соединительного элемента 17 выполнена в виде цанги 29, которая имеет с ее торца продольные прорези 30 равномерно расположенные по образующим конуса с образованием упругих лепестков 31 с рабочей конической поверхностью 32 по внешней их стороне для взаимодействия с ответной конической поверхностью 9 корпуса, выполненной комплементарно. Средство 19 управления сцепной муфтой 13 выполнено в виде электромагнита 33, расположенного со стороны передней бабки 16 станка, и одного или нескольких упругих элементов 34, предпочтительно дисковых пружин, установленных снаружи промежуточного фланца 12 с возможностью поджатия соединительного элемента центрирующим конусом 28 к корпусу 4. Так, что в активированном состоянии электромагнит 33 под действием магнитного притяжения совершает перемещение соединительного элемента 17 ко второму передаточному элементу 15 для их сцепления. При деактивированном состоянии электромагнита 33 упругий элемент 34 осуществляет возврат соединительного элемента 17 в исходное расцепленное со вторым передаточным элементом 15 положение.
На фиг.6 показан вариант осуществления изобретения, в котором зажимные кулачки 6 в передней части 7 корпуса, снабжены подпружиненным упором 35 ограничивающим их перемещение от центра к периферии. Упор 35 представляет собой цилиндрический стержень 36, который поджат пружиной 37 относительно задней части 8 корпуса и выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении, параллельном оси корпуса 4. Стержень 36 упора установлен и зафиксирован от осевого вращения в передней части 7 корпуса посредством выполненных в нем скосов 38, сопряженных с боковой поверхностью кулачка 6. Причем между скосами 38 цилиндрического стержня 36 расположен гребень 39 с возможностью взаимодействия с лыской 40 выполненной на рабочую длину L в боковой грани кулачка 6 (см. фиг.7).
На фиг.8 представлен вариант осуществления изобретения, в котором первый передаточный элемент 14 имеет возможность сцепления с соединительным элементом 17 муфты для восприятия окружных сил и/или их осевого относительного смещения посредством шпонок 41, выполненных в форме сферических тел - шариков. Как показано на фиг.9, шарики 41 частично входят в полуцилиндрические канавки 42, выполненные продольно на внутренней поверхности задней части 8 корпуса и частично в радиальные отверстия 43, имеющиеся на цилиндрической внешней поверхности соединительного элемента 17 муфты. Предпочтительно, в каждом радиальном отверстии 43 размещено несколько шариков 41 для минимизации трения качения сопряженного с канавками 42 шарика при осевом перемещении соединительного элемента 17 в корпусе 4.
В варианте осуществления согласно фиг.10-11, зажимное устройство имеет конструкцию идентичную с описанной выше, за исключением того, что сцепление второго передаточного элемента 15 с соединительным элементом 17 осуществлено посредством их фрикционной связи, например, через выполненные из материала с высоким коэффициентом трения вкладыши 44 муфты, когда последняя находится в активированном состоянии. Для этого соединительный элемент 17 муфты со стороны передней бабки 16 содержит съемную корзину 45, имеющую один или более вкладышей 44, расположенных на внутренней поверхности. Корзина 45 установлена на соединительном элементе 17 съемно: посредством шлицевого соединения удерживается от окружного смещения, а в осевом направлении фиксируется винтами 25 и закладными элементами 26 расположенными в кольцевой выточке 27 соединительного элемента. В качестве второго передаточного элемента 15 на стенке передней бабки 16 закреплен неподвижно держатель 46 вкладышей муфты, на котором также имеется один или более вкладышей 44 расположенных на внешней поверхности.
Держатель 46 вкладышей муфты вставлен в корзину 45 соединительного элемента муфты так, чтобы соответствующие вкладыши 44 муфты были посажены во встречно-гребенчатом порядке и могли входить в зацепление и выходить из зацепления друг с другом. Когда вкладыши 44 муфты находятся в зацеплении друг с другом, корзина 45 соединительного элемента и держатель 46 вкладышей муфты заторможены передней бабкой 16 станка. Когда вкладыши 44 расцеплены, корзина 45 соединительного элемента может вращаться относительно держателя 46 вкладышей при осуществлении главного движения станка в деактивированном состоянии муфты 13. Первый передаточный элемент 14 выполнен в виде закрепленных продольно симметрично в корпусе 4 цилиндрических штифтов 47, которые одновременно служат направляющими 18 скольжения для соединительного элемента 17. В деактивированном состоянии электромагнита 33 соединительный элемент 17 центрирующей конусной частью 28 цанги прижимается к внутренней поверхности задней части 8 корпуса и наружной поверхности промежуточного фланца 12 с помощью упругих элементов 34, которые на свободных концах направляющих штифтов 47 снабжены тарельчатыми опорами 48. Опора 48 выполнена с возможностью изменения своего положения относительно штифта 47 с помощью сопряженного с ним винтового средства 49 регулировки усилия, прикладываемого упругим элементом 34 для осуществления возврата соединительного элемента 17 в исходное расцепленное со вторым передаточным элементом 15 положение. Рабочая коническая поверхность 32 центрирующей части 28 соединительного элемента 17, в отличие от рассмотренных выше вариантов, выполнена с внутренней его стороны с возможностью взаимодействия с ответной конической наружной поверхностью 50 выполненной на промежуточном фланце 12. При этом фланец 12 расположен отсоединяемым образом между шпинделем 3 и спиральным диском 5. Крепление промежуточного фланца 12 к шпинделю 3 выполнено, в частности, по ГОСТ 12593-93 (ISO 702-3-75) с помощью поворотной шайбы 51 с фигурными (грушевидными) отверстиями 52 под пальцы 53 с гайками 54 на конце, а с диском 5 упомянутый фланец соединен винтами 55. Возможна конфигурация устройства, в которой фланец 12 можно выполнить на конце шпинделя 3, объединив их в одну деталь, что позволяет повысить жесткость и эксплуатационную надежность конструкции. Здесь центрирующая конусная часть 28 соединительного элемента 17 имеет возможность силового взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса 4 и наружной поверхностью 50, выполненной непосредственно на шпинделе 3. Таким образом, будет возможно стандартизировать компоненты зажимного устройства и станка, что позволит снизить расходы на их изготовление. Предложенное решение зажимного устройства 2 может быть реализовано на станке 1 в конфигурации как с регулируемым, так и нерегулируемым по частоте вращения приводным средством.
На фиг.12 проиллюстрирован вариант осуществления изобретения, в котором первый передаточный элемент 14 через шарики 41 взаимодействует с соединительным элементом 17 муфты, а сцепление второго передаточного элемента 15 с соединительным элементом выполнено с возможностью их зубчатого замыкания, подобно примеру, показанному на фиг.8, однако имеет существенные от него отличия. Так, средство 19 управления муфтой 13 включает в себя интегрированную с передней бабкой 16 станка напорную камеру 56 объемного действия для приложения давления текучей среды на соединительный элемент 17. Напорная камера 56 выполнена во внутренней полости торцевой поверхности передней бабки 16 станка и расположена вокруг шпиделя 3, коаксиально ему, и отчасти ограничена торцом второго передаточного элемента 15. Камера 56 снабжена герметичной упруго-податливой мембраной 57 с внутренним и наружным бортовыми кольцами 58 и 59, соответственно. Часть мембраны 57 с наружным бортовым кольцом 59 обжата торцем передней бабки 16 и вторым передаточным элементом 15, а часть мембраны с внутренним бортовым кольцом 58 обжата прижимным фланцем 60 и вторым передаточным элементом так, что в камере 56 образована герметичная полость 61 с изменяемым рабочим объемом со стороны второго передаточного элемента, в котором выполнен канал 62 с возможностью соединения с линией избыточного давления текучей среды, и незаполняемая ею полость 63, в которой расположен шток 64, выполненный в виде опорной тарелки 65, соединенной тремя тягами 66, которые по совокупности образуют подвижный узел с мембраной, называемый иначе приводным звеном 67 по типу «мембрана-шток». Тяги 66 имеют Г-образную или П-образную форму в плане, разнесены от центральной оси опорной тарелки 65, к которой жестко прикреплены. Тяги 66 штока пропущены параллельно оси шпинделя 3 через предусмотренные в прижимном фланце 60 и втором передаточном элементе 15 отверстия так, чтобы с равными интервалами охватывать концевыми полками 68 торец соединительного элемента 17. Приводное звено 67 в полости 63 камеры дополнительно снабжено возвратной пружиной 69, которая поджата в направлении противоположном выдвижению мембраны 57 под давлением текучей среды для обеспечения возвратно-поступательного движения соединительного элемента 17 в направляющих 18 корпуса 4 между положениями сцепления/расцепления первого и второго передаточных элементов (14, 15).
На фиг.13 показан вариант осуществления изобретения, в котором напорная камера 56 выполнена в виде отдельного силового модуля, установленного съемным образом на передней бабке 16 станка, что обеспечивает свободный доступ к нему для ремонта и обслуживания. Данный модуль снабжен упругой мембраной 57, которая разделяет поперечно его оболочку 70 на заполняемую текучей средой полость 61 с возможностью изменения рабочего объема и незаполняемую текучей средой полость 63. Мембрана 57 выполнена с возможностью знакопеременной деформации, направленной в зависимости от давления, как в сторону заполняемой полости 61, так и в сторону незаполняемой полости 63 упомянутого модуля, в торцевой стенке которого предусмотрено отверстие, сквозь которое пропущен приводной шток 64 с определенной поперечной степенью свободы. Шток 64 дополнительно поджат через опорную тарелку 65 к мембране 57 возвратной пружиной 69. При этом выходной конец штока 64 проходит поперек продольной протяженности шпинделя 3 и шарнирно сочленен разъемным образом с втулкой 71, которая оборудована захватом 72 в виде кольцевого буртика на торце для взаимодействия с соединительным элементом 17. Втулка 71 установлена снаружи на цилиндрические части второго передаточного элемента 15 и соединительного элемента 17 с возможностью ограниченного поворота и дополнительного поступательного осевого движения с помощью, по меньшей мере, трех опор 73 вращения по винтовой линии, и с обеспечением возможности избирательно перемещать за собой соединительный элемент 17 посредством упомянутого захвата 72 для переключения между положениями сцепления/расцепления первого и второго передаточных элементов (14, 15). Опоры 73 вращения выполнены в виде шариков, размещенных съемно между накладкой 74 втулки 71 и вторым передаточным элементом 15, в котором выполнено не менее трех винтовых желобков, глубиной около половины диаметра шариков. Таким образом, приводное звено 67 по типу «мембрана-шток» связано с соединительным элементом 17 через дополнительные компоненты (шариковинтовой узел -втулку 71, опоры 73).
В показанных на фиг.12 и фиг.13 примерах осуществления изобретения приводное звено 67 напорной камеры 56 опционально снабжено возвратной пружиной 69, что дает определенные преимущества. В случае выхода из строя (поломки) пружины 69 и/или при ее отсутствии в комплектации узла типа «поршень-шток» или «мембрана-шток» соединительный элемент 17 также функционален, т.е. будет способен занимать свое исходное положение благодаря действию упругого элемента 34, что в целом повышает надежность зажимного устройства. Хотя, упомянутая здесь опциональность возвратной пружины 69 в составе приводного звена 67 может быть продиктована и иными обстоятельствами, в частности, конструктивными особенностями, когда напорная камера 56 содержит несколько полостей с возможностью изменения рабочего объема, регулируемого давлением возвратно наполняемой текучей среды.
Так, на фиг.14 показан другой вариант исполнения зажимного устройства, в котором сцепление второго передаточного элемента 15 с соединительным элементом 17 муфты выполнено с возможностью их фрикционной связи, а напорная камера 56 представляет собой отдельный модуль в виде силового цилиндра 75, который установлен на передней бабке 16 станка с возможностью качания, по существу, поперек продольной протяженности шпинделя 3. Приводное звено 67 выполнено в виде подвижно сопряженного со стенками цилиндра 75 узла по типу «поршень-шток», в котором поршень 76 разделяет внутреннее пространство цилиндра на две рабочие полости (77, 78) с возможностью изменения их рабочего объема, а шток 79 пропущен сквозь отверстие в торцевой стенке цилиндра. Выходной конец штока 79 шарнирно сочленен разъемным образом с втулкой 71, которая сопряжена через шариковые опоры 73 со вторым передаточным элементом 15 и установлена на нем с возможностью поворотно-поступательного перемещения для взаимодействия посредством захвата 72 с соединительным элементрм 17 муфты. Поршень 76 подвержен в полостях (77, 78) двухстороннему воздействию избыточного давления агента объемного расширения в форме текучей среды. В этом описании термин «текучая среда» используется в инженерном смысле, и включает в себя, по меньшей мере, жидкости и газы. Наиболее распространенным агентом текучей среды является сжатый атмосферный воздух. Данный пример устройства - альтернатива конфигурации, в которой приводное звено 67 имеет механическую возвратную пружину 69.
На фиг.15 показан следующий вариант исполнения зажимного устройства, в котором средство 19 управления муфтой представляет собой электрический линейный двигатель 80. Линейный электродвигатель 80 содержит стационарную часть 81, прикрепленную съемным образом к передней бабке 16 станка, и подвижную часть 82, которая имеет возможность совершать возвратно-поступательное движение относительно стационарной части, с которой связана кинематически и посредством коммутируемой магнитной индукции напрямую или опосредованно. Данное техническое решение можно реализовать с использованием коммерчески доступных продуктов от ведущих производителей, таких как FESTO, Camozzi, SMC, Parker, Metal Work, Tolomatic и других. В частности, известны так называемые электрические цилиндры ELION® [Электронный ресурс. Режим доступа к ресурсу: http://privod.news/news/stati/pnevmatika/elektricheskie-tsilindri-elion/, дата обращения к странице 26.10.2020] от подразделения IMI Norgren, входящего в группу компаний IMI Precision Engineering. Подробное описание конструкции здесь не приводится, поскольку это не входит в объем притязаний заявленного изобретения и известно специалистам в данной области. Здесь важно отметить, что подвижная часть 82 линейного электродвигателя 80 проходит, по существу, поперек продольной протяженности шпинделя 3. Конец подвижной части 82 посредством коленчатого шарнира 83 сочленен разъемным образом с поворотной втулкой 71, оборудованной захватом 72. Втулка 71 установлена снаружи на цилиндрические части второго передаточного элемента 15 и соединительного элемента 17 с возможностью ограниченного поворота и дополнительного поступательного осевого движения с помощью, по меньшей мере, трех размещенных между втулкой и вторым передаточным элементом опор 73 вращения по винтовой линии, и с обеспечением возможности избирательно перемещать за собой соединительный элемент 17 посредством упомянутого захвата 72 для переключения между положениями сцепления/расцепления первого и второго передаточных элементов (14, 15).
Далее прежде чем приступить к описанию функционирования указанных вариантов осуществления изобретения отметим, что фиг.1 иллюстрирует вариант осуществления станка 1 в конфигурации с одним зажимным устройством 2, но следует знать, что станок может содержать на передней бабке два зажимных устройства, расположенных на противолежащих концах подвижного шпинделя 3. Согласованная работа зажимных устройств на таком станке может быть обеспечена с помощью программируемого блока управления. Принципы согласованного управления муфтами в данной области техники специалистам должны быть известны. Поэтому в описании, чтобы облегчить понимание изобретения, будем рассматривать работу более простой конфигурации станка в варианте исполнения с одним зажимным устройством.
В варианте исполнения, изображенном на фиг.1-9, зажимное устройство работает следующим образом. Для закрепления заготовок фиксируют корпус 4 устройства. Для этого подают ток в катушку электромагнита 33, магнитные силовые линии которого замыкаются через соединительный элемент 17 и корпус электромагнита. Под действием этих магнитных сил соединительный элемент 17, преодолевая сопротивление упругих элементов 34, притягивается к электромагниту 33 и приводит в зацепление зубчатый венец 21 муфты с неподвижным передаточным венцом 23 передней бабки 16, при этом произойдет разъединение контактирующих конических поверхностей 9 и 32 между, соответственно, корпусом 4 и центрирующей цангой 29 соединительного элемента. С помощью приводного средства вращают на малых оборотах в нужном направлении шпиндель 3 в соответствии с закреплением заготовок за наружную или внутреннюю поверхности и связанный с ним через промежуточный фланец 12 спиральный диск 5. Корпус 4 при этом не вращается, так как он кинематически сблокирован соединительным элементом 17 посредством зацепления зубчатых пар венцов (20, 22) и (21, 23) со стенкой передней бабки 16. Кулачки 6 получают радиальное перемещение в направлении к базовым поверхностям заготовки и зажимают ее. Усилие зажима определяется величиной тока в обмотке возбуждения электродвигателя с частотно-регулируемым управлением, который создает заданный момент вращения на шпинделе станка. По завершению зажима заготовки катушку электромагнита 33 обесточивают. В этот момент магнитное притяжение соединительного элемента 17 ослабевает и он под действием упругого элемента 34 смещается в обратном направлении. Торцевое зацепление между зубчатым венцом 21 соединительного элемента и венцом 23 передней бабки разъединяется, а конусная цанга 29 через промежуточный фланец 12 жестко соединяет шпиндель 3 станка с корпусом 4 зажимного устройства, центрируя их, при этом устраняются допустимые в сопряжениях зазоры, способствующие появлению дебаланса при вращении. Далее осуществляется обработка заготовки в соответствии с заданной программой. Для раскрепления обработанной заготовки осуществляют те же действия, что и для закрепления, с вращением шпинделя в обратном направлении электродвигателем с реверсивной схемой подключения. Для настройки патрона на другой диаметр заготовок отсчитывают программным путем заданное число оборотов шпинделя, обеспечивающее необходимое радиальное перемещение кулачков.
При освобождении заготовки перемещение кулачков 6 в устройстве от центра к периферии корпуса 4 будет ограничено стержнем 36 упора. Кулачок 6 может передвигаться по радиальным пазам 11 только на длину рабочего хода L, которая определяется длиной лыски 40 при касании конца последней с гребнем 39 упора. Таким образом, в конструкции предложенного зажимного устройства предусмотрена защита от вылета кулачков в случае непредвиденного их хода при несовершенстве управления оператором, либо в случае поломки спирально-реечного зацепления, когда кулачок 6 самовольно стремится выпасть в центробежном направлении из корпуса 4. Для снятия кулачков 6 нужно нажать на верхнюю выступающую часть стержня 36, при этом пружина 37 сожмется, гребень 39 упора выйдет из лыски 40, что обеспечит свободное передвижение кулачков. Следовательно, кулачки 6 с помощью механизма их привода можно беспрепятственно извлечь из корпуса 4 предложенного зажимного устройства и произвести замену, действуя в обратном порядке.
Зажимное устройство в примере, показанном на фиг.10-11, работает следующим образом. Для закрепления заготовок фиксируют корпус 4 зажимного устройства. Для этого подают ток в катушку электромагнита 33, который притягивает соединительный элемент 17, преодолевая сопротивление упругих элементов 34, а также разъединяет контактирующие конические поверхности 50 и 32 между, соответственно, промежуточным фланцем 12 и центрирующей цангой 29 соединительного элемента. Включается вращение шпинделя 3 нужного направления в соответствии с закреплением заготовок за наружную или внутреннюю поверхности и связанного с ним через промежуточный фланец 12 спирального диска 5 на малых оборотах. Корпус 4 при этом не вращается, так как он тормозится соединительным элементом 17 через штифты 47. Кулачки 6 получают радиальное перемещение в направлении к базовым поверхностям заготовки и зажимают ее. Усилие зажима определяется напряженностью магнитного поля электромагнита 33, регулируемой величиной тока в обмотке электромагнита. Когда крутящий момент на корпусе 4, создаваемый от шпинделя 3 через спиральный диск 5 на кулачки 6 и на корпус, превысит крутящий момент от магнитных сил, корпус 4 начнет проворачиваться относительно магнита вместе со шпинделем. В этот момент магнит отключается. Под действием упругих элементов 34 соединительный элемент 17 смещается по направляющим штифтам 47 и, взаимодействуя конической поверхностью 32 с ответной конической поверхностью 50 фланца 12, вызывает сближение лепестков 31 цанги с поверхностью части 8 корпуса так, что за счет их фрикционного контакта блокирует поворот корпуса 4 относительно шпинделя 3. Далее осуществляется обработка заготовки на станке в соответствии с заданной программой. Для раскрепления обработанной заготовки осуществляют те же действия, что и для закрепления, с вращением шпинделя 3 в обратном направлении.
Функционирование зажимного устройства, показанного на фиг.12, осуществляется следующим образом. В режиме закрепления заготовки через канал 62 в стенке второго передаточного элемента 15 подается текучая среда, например, сжатый воздух. Заполняемая воздухом полость 61 напорной камеры 56 изменяет свой рабочий объем, вследствие чего мембрана 57, преодолевая усилие возвратной пружины 69, перемещает шток 64 приводного звена 67 и связанный с ним соединительный элемент 17 в сторону незаполняемой полости 63. В результате указанного смещения зубчатый венец 21 муфты входит в зацепление с неподвижным передаточным венцом 23 передней бабки 16. При этом конусная центрирующая часть 28 соединительного элемента 17 выходит из взаимодействия с внутренней конической поверхностью 9 задней части 8 корпуса и наружной поверхностью промежуточного фланца 12, размыкая жесткую связь корпуса 4 и шпинделя 3. Включаются малые обороты шпинделя 3. Связанный с ним через промежуточный фланец 12 вращающийся спиральный диск 5 перемещает кулачки 6, зажимает или разжимает заготовку в зависимости от направления вращения шпинделя 3. Корпус 4 при этом не вращается, так как он кинематически сблокирован со стенкой передней бабки 16 через шпонки-шарики 41, и зубчатые венцы (21, 23), которые замыкаются под действием давления воздуха передающегося на соединительный элемент 17 через приводное звено 67 в напорной камере 56. Усилие зажима определяется величиной тока в обмотке возбуждения электродвигателя с частотно-регулируемым управлением, который создает заданный момент вращения на шпинделе станка. По завершению зажима заготовки давление воздуха в полости 61 напорной камеры 56 сбрасывают. Приводное звено 67 занимает исходное положение под действием возвратной пружины 69. Соединительный элемент 17 смещается под действием упругого элемента 34 в обратном направлении, приводя к заклиниванию цанги 29 между конической поверхностью 9 задней части 8 корпуса и наружной поверхностью промежуточного фланца 12, что создает их жесткое сопряжение. Корпус 4 начинает вращаться вместе со шпинделем 3. Далее осуществляется обработка заготовки в соответствии с заданной программой.
Для разжима обработанной заготовки все действия осуществляются аналогично с реверсом шпинделя.
Работа зажимного устройства в варианте осуществления на фиг.13, где средство 19 управления муфтой 13 представлено в виде отдельного силового модуля, активируемого, к примеру, пневматическим образом, во многом сходна с показанным на фиг.12 вариантом осуществления и описана только в той части, в которой она отличается от него. В частности, при подаче давления текучей среды в полость 61 напорной камеры 56 приводное звено 67 по типу «мембрана-шток» действует в тангенциальном направлении на охватывающую цилиндрические части второго передаточного элемента 15 и соединительного элемента 17 втулку 71, вызывая ее поворот относительно оси шпинделя 3. Поскольку закрепленный на передней бабке 16 второй передаточный элемент 15 с винтовыми желобками по наружи не может двигаться в осевом направлении, то при повороте втулка 71, взаимодействуя через накладку 74 и шариковые опоры 73, будет смещаться в осевом направлении по винтовым желобкам, увлекая за собой посредством захвата 72 соединительный элемент 17 в сторону передней бабки и преодолевая сопротивление упругого элемента 34. В результате упомянутого смещения зубчатый венец 21 соединительного элемента 17 входит в зацепление с неподвижным передаточным венцом 23 второго передаточного элемента 15 и осуществляет одновременно перевод зажимного устройства в конфигурацию свободного поворота корпуса 4 относительно шпинделя 3. В этом состоянии кулачки 6 имеют возможность перемещения в корпусе 4 с помощью приводного средства вращательно связанного через шпиндель 3 со спиральным диском 5 для зажима/разжима заготовки. При сбросе давления текучей среды из полости 61 силового модуля приводное звено 67 перемещается в обратном направлении под действием возвратной пружины 69. В результате упомянутого выше взаимодействия деталей втулка 71 смещается по винтовым желобкам второго передаточного элемента 15 в противоположную по оси сторону, а соединительный элемент 17 двигается за ней под действием упругого элемента 34, разъединяя первый и второй передаточные элементы (14, 15) друг от друга для перевода зажимного устройства в конфигурацию взаимной фиксации корпуса 4 со шпинделем 3 с возможностью удержания кулачков 6 в позиции ожидания при обездвиживании шпинделя, либо рабочей позиции для последующей обработки заготовки при вращении шпинделя в унисон с корпусом от приводного средства.
Функционирование изобретения в вариантах осуществления, показанных на фиг.14-15, будет достаточно понятным из объема предшествующего описания и потому не нуждается в дальнейшем пояснении.
Конструкции зажимного устройства, описанные в примерах и показанные на чертежах, являются предпочтительными для использования, поскольку простыми средствами при низких издержках позволяют реализовать совмещенный с главным движением станка привод зажима заготовки. В особо предпочтительных вариантах устройства некоторые компоненты, в частности, силовые модули муфты 13 имеют на станке свободный к ним доступ и могут быть легко демонтированы для выполнения технического обслуживания и необходимого ремонта. Также замена, например, отдельных деталей муфты 13 (зубчатый венец 21, электромагнит 33, вкладыши 44, корзина 45) может быть выполнена без снятия корпуса 4 со шпинделя 3, что повышает ремонтопригодность и эксплуатационные качества изделий. Наличие ограничителя вылета кулачков в конструкции зажимного устройства снижает степень влияния человеческого фактора при управлении избирательным приводом перемещения кулачков от главного движения станка.
Таким образом, настоящее изобретение хорошо адаптировано для выполнения поставленных целей и получения упомянутых и других преимуществ. Хотя выше приведено описание предпочтительных в настоящее время вариантов, специалистам понятны многие альтернативные изменения в деталях и процедурах для получения желаемого результата, и которые охвачены изобретательской идеей и объемом приложенной формулы.
Источники информации
1. Авторское свидетельство SU 116244, Класс 49а, 27, 1958.
2. Авторское свидетельство SU 201877, МПК В23В, 1967.
3. Авторское свидетельство SU 209178, МПК В23В, 1968.
4. Авторское свидетельство SU 549271, МПК В23В 31/28, 1977.
5. Патент US 3936060, МПК В23В 31/02, 1976.
6. Патент US 6918327, МПК В23В 25/00, 2005.
7. Авторское свидетельство SU 410879, МПК В23В 31/28, 1974.
8. Авторское свидетельство SU 1349890 А1, МПК В23В 31/24, 1987.
9. Патент UA 40781 А, МПК В23В 31/26, 2001.
10. Патент RU 40933 U1, В23В 5/08, 2004.
11. Патент RU 58410 U1, В23В 19/00, 2006.
12. Патент RU 60412 U1, В23В 21/00, 2007.
13. Патент CN 106938342 А, В23В 3/30, В23В 5/16, 2017.
14. Патент CN 201791975 U, В23В 3/06, В23В 31/10, B23Q 5/04, 2011.
15. Патент CN 103372656 А, В23В 7/14, B23Q 5/10, 2017.
16. Авторское свидетельство SU 1551515 A1, B23Q 3/157, 1990.
17. Патент RU 71920 U1, В23В 21/00, В23В 17/00, 2008.
18. Патент CN 203804235 U, В23В 19/00, B23Q 3/12, 2014.
19. Патент RU 2564186 C1, В23В 7/14, В23В 31/30, 2015.
20. Патент RU 2667564 С2, МПК В23В 31/16, В23В 31/28, 2018 (прототип).
1. Зажимное устройство для закрепления обрабатываемой заготовки в зажимных кулачках с приводом их перемещения от вращательного главного движения станка, содержащее корпус, установленный в рабочей зоне станка на шпинделе и выполненный посредством соединения с управляемой сцепной муфтой с возможностью осуществления выборочно либо поворота относительно шпинделя, либо взаимной фиксации с возможностью вращения, расположенную в корпусе спирально-реечную передачу для перемещения упомянутых зажимных кулачков в радиальном направлении между позицией ожидания, в которой кулачки расположены на расстоянии от заготовки, соответствующей режиму нулевой нагрузки, и рабочей позицией, в которой кулачки контактируют с заготовкой для удержания ее в режиме под определенной нагрузкой, при этом управляемая сцепная муфта включает в себя первый передаточный элемент, жестко соединенный с корпусом, второй передаточный элемент, выполненный с возможностью неподвижного соединения с передней бабкой станка, причем названные передаточные элементы расположены друг с другом концентрическим образом на оси вращения шпинделя, соединительный элемент, подвижно установленный в направляющих корпуса и снабженный центрирующей частью с, по меньшей мере, частично конической рабочей поверхностью, средство управления сцепной муфтой для избирательного перемещения соединительного элемента между положением сцепления, в котором он соединяет первый и второй передаточные элементы с обеспечением перевода устройства в конфигурацию свободного поворота корпуса относительно шпинделя так, что в этом состоянии кулачки имеют возможность перемещения в корпусе с помощью приводного средства, вращательно связанного через шпиндель со спиральным диском для зажима-разжима заготовки, и положением расцепления, в котором соединительный элемент разъединяет первый и второй передаточные элементы друг от друга для перевода устройства в конфигурацию взаимной фиксации корпуса со шпинделем с возможностью удержания кулачков в позиции ожидания при обездвиживании шпинделя, либо рабочей позиции для последующей обработки заготовки при вращении шпинделя с корпусом от упомянутого приводного средства, отличающееся тем, что коническая поверхность центрирующей конусной части соединительного элемента выполнена с возможностью силового взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью, выполненной непосредственно на шпинделе или опосредованно на промежуточном фланце, расположенном отсоединяемым образом между шпинделем и спиральным диском.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочая коническая поверхность центрирующей конусной части соединительного элемента выполнена с внешней его стороны с возможностью взаимодействия с ответной конической поверхностью, выполненной в корпусе.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочая коническая поверхность центрирующей конусной части соединительного элемента выполнена с внутренней его стороны с возможностью взаимодействия с ответной конической поверхностью, выполненной непосредственно на шпинделе или опосредованно на промежуточном фланце, расположенном отсоединяемым образом между шпинделем и спиральным диском.
4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что центрирующая конусная часть соединительного элемента выполнена в виде цанги, которая имеет с торца продольные прорези, равномерно расположенные по образующим конуса с образованием упругих лепестков.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство управления сцепной муфтой включает в себя электромагнит, размещенный со стороны передней бабки станка, снабженный по меньшей мере одним упругим элементом, установленным с возможностью поджатия соединительного элемента центрирующей конусной частью к корпусу так, что в активированном состоянии электромагнит под действием магнитного притяжения совершает перемещение соединительного элемента ко второму передаточному элементу для их сцепления, а при деактивированном состоянии электромагнита упругий элемент осуществляет возврат соединительного элемента в исходное расцепленное со вторым передаточным элементом положение.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство управления сцепной муфтой включает в себя выполненную с возможностью функционального соединения с передней бабкой станка напорную камеру объемного действия для приложения давления текучей среды на соединительный элемент, которая содержит по меньшей мере одну полость с возможностью изменения рабочего объема, регулируемого давлением возвратно наполняемой текучей среды, и приводное звено в виде подвижно сопряженного со стенками напорной камеры узла по типу «поршень-шток» или «мембрана-шток», при этом, опционально, приводное звено дополнительно снабжено возвратной пружиной, которая поджата в направлении, противоположном выдвижению поршня или мембраны под давлением текучей среды, причем шток подвижно связан разъемным образом с соединительным элементом для обеспечения его возвратно-поступательного движения в направляющих корпуса между положениями сцепления-расцепления первого и второго передаточных элементов.
7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что напорная камера выполнена с возможностью размещения во внутренней полости со стороны торцевой поверхности передней бабки станка вокруг шпинделя, коаксиально ему и ограничена торцом второго передаточного элемента и герметичной упругой мембраной с внутренним и наружным бортовыми кольцами, при этом часть мембраны с наружным бортовым кольцом выполнена с возможностью обжатия торцом передней бабки и вторым передаточным элементом, а часть мембраны с внутренним бортовым кольцом обжата прижимным фланцем и вторым передаточным элементом так, что в камере образована герметичная полость с изменяемым рабочим объемом со стороны второго передаточного элемента, в котором выполнен канал с возможностью соединения с линией избыточного давления текучей среды, и не заполняемая текучей средой полость, в которой расположен приводной шток, выполненный в виде опорной тарелки с разнесенными от ее центральной оси по меньшей мере тремя тягами, предпочтительно, Г-образной или П-образной формы в плане, которые пропущены параллельно оси шпинделя через выполненные в прижимном фланце и втором передаточном элементе отверстия с обеспечением охвата концевыми полками через равные интервалы торца соединительного элемента.
8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что напорная камера выполнена в виде отдельного силового модуля с возможностью установки на передней бабке станка, при этом модуль снабжен упругой мембраной, которая разделяет поперечно его оболочку на заполняемую текучей средой полость с возможностью изменения рабочего объема и не заполняемую текучей средой полость, мембрана выполнена с возможностью знакопеременной деформации, направленной в зависимости от давления в сторону заполняемой полости или в сторону не заполняемой полости упомянутого модуля, в торцевой стенке которого предусмотрено отверстие, сквозь которое пропущен приводной шток с требуемой поперечной степенью свободы, а выходной конец штока проходит поперек продольной протяженности шпинделя и шарнирно сочленен с оборудованной захватом втулкой, которая установлена снаружи на цилиндрические части второго передаточного элемента и соединительного элемента с возможностью ограниченного поворота и дополнительного поступательного осевого движения с помощью по меньшей мере трех размещенных между втулкой и вторым передаточным элементом опор вращения по винтовой линии с обеспечением возможности избирательно перемещать за собой соединительный элемент посредством упомянутого захвата для переключения между положениями сцепления-расцепления первого и второго передаточных элементов.
9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что напорная камера выполнена в виде отдельного модуля, содержащего силовой цилиндр, выполненный с возможностью установки на передней бабке станка с возможностью качания поперек продольной протяженности шпинделя, при этом силовой цилиндр содержит подвижный поршень, который разделяет его внутреннее пространство на две полости с возможностью изменения их рабочего объема, регулируемого давлением возвратно наполняемой текучей среды, в торцевой стенке цилиндра предусмотрено отверстие, сквозь которое пропущен связанный с поршнем приводной шток, выходной конец которого шарнирно сочленен с оборудованной захватом втулкой, установленной снаружи на цилиндрические части второго передаточного элемента и соединительного элемента с возможностью ограниченного поворота и дополнительного поступательного осевого движения с помощью по меньшей мере трех размещенных между втулкой и вторым передаточным элементом опор вращения по винтовой линии с обеспечением возможности избирательно перемещать за собой соединительный элемент посредством упомянутого захвата для переключения между положениями сцепления-расцепления первого и второго передаточных элементов.
10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство управления сцепной муфтой выполнено в виде электрического линейного двигателя, который содержит стационарную часть для прикрепления к передней бабке станка и связанную с ней кинематически и посредством коммутируемой магнитной индукции напрямую или опосредованно подвижную часть, выполненную с возможностью возвратно-поступательного движения относительно стационарной части, при этом подвижная часть проходит поперек продольной протяженности шпинделя, а концом шарнирно сочленена разъемным образом с оборудованной захватом втулкой, установленной снаружи на цилиндрические части второго передаточного элемента и соединительного элемента с возможностью ограниченного поворота и дополнительного поступательного осевого движения с помощью по меньшей мере трех размещенных между втулкой и вторым передаточным элементом опор вращения по винтовой линии с обеспечением возможности избирательно перемещать за собой соединительный элемент посредством упомянутого захвата для переключения между положениями сцепления-расцепления первого и второго передаточных элементов.
11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сцепление второго передаточного элемента с соединительным элементом выполнено с возможностью их зубчатого замыкания.
12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сцепление второго передаточного элемента с соединительным элементом выполнено с возможностью их фрикционной связи.
13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый передаточный элемент выполнен с возможностью сцепления с соединительным элементом муфты для восприятия окружных сил и/или осевого относительного смещения посредством их зубчатого замыкания.
14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый передаточный элемент выполнен с возможностью сцепления с соединительным элементом сцепной муфты для восприятия окружных сил и/или осевого относительного смещения посредством шпонок, в частности, сферических.
15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый передаточный элемент выполнен в виде закрепленных в корпусе параллельно симметрично его оси штифтов с возможностью сцепления с соединительным элементом сцепной муфты для восприятия окружных сил и/или осевого относительного смещения.
16. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус снабжен механическим упором для ограничения конечного положения по меньшей мере одного зажимного кулачка при его перемещении от центра к периферии.
17. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приводное средство выполнено с частотно-регулируемым управлением.
18. Станок для механической обработки, содержащий установленное на шпинделе передней бабки по меньшей мере одно зажимное устройство для закрепления обрабатываемой заготовки в зажимных кулачках с приводом их перемещения от вращательного главного движения станка по любому из пп.1-17.
19. Станок по п.18, который дополнительно содержит программируемый блок управления.
