Как работает токарный станок: принципы резания, узлы и точность обработки
Токарный станок работает по принципу вращательного резания: шпиндель зажимает заготовку и вращает её, а резец медленно движется вдоль или поперёк оси, снимая тонкий слой металла за каждый оборот. Так из грубой заготовки получаются валы, втулки, шестерни, болты и сотни других деталей с точностью до сотых долей миллиметра.
Главное движение и движение подачи
В токарном станке различают два основных движения. Главное движение резания обеспечивает шпиндель с патроном: заготовка вращается со скоростью от 50 до 3000 оборотов в минуту в зависимости от диаметра детали и материала. Мягкие металлы обрабатывают на высоких оборотах, твёрдые стали на низких. Скорость резания на поверхности заготовки диаметром 100 миллиметров при 500 оборотах составляет около 157 метров в минуту.
Движение подачи осуществляет суппорт с резцедержателем. Он движется вдоль оси (продольная подача) или перпендикулярно ей (поперечная подача) с автоматической скоростью 0,05–3 мм за один оборот. Привод подачи берётся от того же двигателя через коробку подач и ходовой вал или ходовой винт. Точное соотношение подачи к вращению позволяет нарезать резьбу любого шага: ходовой винт синхронизирует продольное движение суппорта с оборотами шпинделя.
Узлы станка и их функции
Станина служит основой всей конструкции. Она изготовлена из серого чугуна или сварной стали и должна поглощать вибрацию резания, поэтому её масса у средних станков составляет 1–3 тонны. По направляющим станины скользят каретка суппорта и задняя бабка. Прямолинейность направляющих обеспечивает цилиндричность обработанной детали.
Передняя бабка (шпиндельная) содержит шпиндель на прецизионных подшипниках, коробку скоростей и патрон. Трёхкулачковый самоцентрирующий патрон зажимает детали цилиндрической формы за несколько секунд. Четырёхкулачковый патрон с независимой регулировкой позволяет крепить несимметричные заготовки, выверяя их относительно оси вращения по индикатору.
Задняя бабка поддерживает длинные заготовки через центр, установленный в пиноль. Без поддержки длинный вал прогибается под усилием резания и теряет точность формы. В пиноль задней бабки можно также установить сверло или метчик для обработки центрального отверстия без перестановки детали.
Режущий инструмент и материалы
Токарный резец испытывает колоссальные нагрузки: давление стружки на переднюю грань достигает 200 000 кгс/см², температура в зоне резания при черновой обработке стали составляет 600–800 градусов Цельсия. Поэтому режущая часть резца изготавливается из твёрдых сплавов на основе карбидов вольфрама и кобальта (марки ВК, ТК) или из быстрорежущей стали (Р6М5). Современные сменные режущие пластины из нитрида кремния и кубического нитрида бора позволяют вести обработку при скоростях до 500 метров в минуту.
Глубина резания при черновом точении составляет 3–8 миллиметров, подача 0,3–1 мм/об. При чистовом точении глубина уменьшается до 0,1–0,5 миллиметра, подача до 0,05–0,15 мм/об. Такой режим даёт шероховатость поверхности Ra 0,8–1,6 мкм, что достаточно для посадочных поверхностей подшипников и шестерён.
Точность токарной обработки
Универсальные токарные станки обеспечивают точность по диаметру IT7–IT9 (допуск 10–35 мкм для вала диаметром 50 мм) без специальных приёмов. При тонком точении с применением алмазных резцов и жёсткой системы крепления точность достигает IT5–IT6. Станки с числовым программным управлением повторяют размеры с точностью до 0,001 миллиметра от детали к детали без участия оператора в процессе обработки.
В российском машиностроении токарные станки занимают около 30% парка металлорежущего оборудования. Они применяются в двигателестроении, производстве подшипников, нефтяном машиностроении и ремонтных производствах. Несмотря на распространение обрабатывающих центров с ЧПУ, универсальный токарный станок по-прежнему остаётся основой механических мастерских и незаменим при единичном производстве и ремонте.
