Токарный патрон – это основной элемент оснастки токарного станка, зажимное устройство обеспечивающее фиксацию заготовок на шпинделе. Применение патронов позволяет производить обработку на высоких скоростях вращения, обеспечивает точность установки и необходимое усилие зажима. Любой токарный патрон имеет в своей конструкции несколько кулачков, представляющих собой специальные зажимы для удержания и центрирования обрабатываемой заготовки. Их может быть 2, 3, 4 или 6 штук в зависимости от конструкции и размеров патрона. Кулачки изготавливаются из легированных высокопрочных сталей и предназначены для центрирования и фиксации заготовки в рабочей зоне.
Кулачки бывают следующих видов:
- прямые;
- обратные;
- мягкие или «сырые кулачки»;
- сборные.
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.
Стопор
Винтовые стопоры фиксируют конические шестерни в корпусе токарного патрона.
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 для токарного патрона), 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.
Прямой кулачок
Для зажима деталей меньшего диаметра используются прямые кулачки
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:
- Монолитный с цилиндрическим пояском. Крепится на шпиндель через промежуточный фланец по специальным ГОСТ. Выполняется из качественной стали и реже из чугуна.
- 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.
Принцип работы
Основной задачей такого устройства является точное и надёжное удержание обрабатываемой заготовки. Принцип действия зависит от двух факторов: как крепится патрон на токарном станке и применённом приводе.
Точность крепления заготовки зависит от количества применённых кулачков. Они должны обеспечивать равномерное давление на поверхность заготовки. При правильной регулировки обеспечивается центр её положения относительно горизонтальной оси обработки.
Для решения этой задачи применяют следующие способы привода кулачков:
- ручной;
- пневматический;
- гидравлический;
- электромеханический.
Первый способ производится вручную с помощью специального ключа. Надёжность и точность во многом определяется опытностью работающего на станке токаря. Остальные три привода полностью механизируют процесс фиксации заготовок. Они применяются на токарных автоматах, станках с числовым программным управлением и станках для обработки крупногабаритных деталей. Кулачки крепятся на фланец. Перемещаясь к центру, они обхватывают установленную заготовку.
Для обеспечения параметров фиксации применяется система противодавления токарного патрона. Она позволяет создать требуемое давление на поверхность заготовки.
Сила зажима детали в пневматических или гидравлических конструкциях обеспечивается с помощью специального штока расположенного в муфте. В неё под давлением подаётся сжатый воздух или жидкость (обычно масло).
Такая конструкция обеспечивает свободное движение кулачков на расстояние до 10 мм. Этого расстояние вполне достаточно для быстрой смены заготовок.
Основные варианты конструкции
Есть несколько вариантов конструкции патрона для токарного станка, ниже мы коротенько их рассмотрим.
Рычажный
До недавнего времени были популярными типами креплений в токарных станках. Действия основаны на смещении кулачков посредством двуплечего рычага.
Основная характеристика этого типа патронов определяется количеством фиксирующих кулачков и степенью их смещения на рабочем диске. Положение заготовки в рабочей зоне настраивается сложно, особенно при нестандартной обработке.
Клиновой
Внутри патрона вместо спирального диска установлено клинореечное устройство, посредством которого происходит смещение кулачков и крепление обрабатываемой детали.
Исполняется из особо прочных сталей, способных обеспечить неизменность фиксирующих параметров патрона, его бесперебойную и безопасную работу при высоких оборотах тел вращения.
Мембранный
Мембранный патрон. Шток пневмо- или гидропривода давит на мембрану патрона и прогибает её. Прогиб мембраны разжимает губки патрона на доли миллиметра, и заготовка устанавливается до упора в штифты. При отключении привода мембрана возвращается в исходное положение и губки сжимаются, закрепляя заготовку.
Во время обработки заготовка удерживается упругостью мембраны, а большое число кулачков центрируют заготовку с точностью до сотых долей миллиметра. Применяется при чистовой обработке на низких оборотах с мелким сечением снимаемой стружки.
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:
Классификации
Условно делятся на две группы:
- Кулачковые. Подвижные сегменты (кулачки), производят фиксацию детали. Отличаются друг от друга конструкцией и назначением.
- Цанговые. В зависимости от принятия рабочего положения цанговый патрон для токарного станка, закрепляющей деталь в нужном положении, токарные патроны этого типа различают:
- с выдвижной цангой;
- неподвижной цангой;
- втягиваемой цангой.
Двухкулачковый
Самоцентрирующиеся двухкулачковые патроны. Все детали изделия производятся из стали, подвижные части подвергаются термообработке, что увеличивает их прочностные характеристики и износостойкость.
Обеспечивают самоцентрирование и фиксацию необработанных поверхностей заготовок. Размеры рабочего диаметра патрона стандартизированы и варьируются от 125 до 400 мм.
Применяется патрон для крепления:
- сложных фасонных деталей;
- нецилиндрических и несимметричных заготовок.
Трехкулачковый
Механизм фиксации 3-кулачкового патрона производится:
- с реечным механизмом;
- со спиральным диском.
Реечный
Точнее, патрона со спиральным диском, имеет более мощный зажим заготовки. Может применяться в мелкосерийном или штучном производстве.
Четырехкулачковый
Четырехкулачковый патрон применяется при обработке несимметричных заготовок. Позволяет проточить деталь вне центра или при расточке отверстий по разным осям.
Изделие крепится двумя парами независимых держателей во взаимоперпендикулярных плоскостях и обеспечивает полное совпадение оси шпинделя с обрабатываемой поверхностью.
Кулачок может быть цельным или сборным. Патрон со сборным кулачком имеет основание и насадной кулачок. Сборный кулачок размещен в пазе основного элемента и имеет свободное радиальное перемещение без потери устойчивости.
Этим обеспечивается двойное шпоночное крепление. Преимущество конструкции в жесткости фиксации и простоте применения.
Шестикулачковый
Усилие фиксации распределяется между шестью кулачками, что позволяет крепить тонкостенную деталь без опасений её разрушения или деформирования.
Патроны трехкулачковые поводковые
Патроны трехкулачковые поводковые предназначены для крепления заготовок, устанавливаемых в центрах.
Передний центр 1 неподвижно закреплен в патроне. Предварительную настройку кулачков 2 на заданный размер производят перестановкой их по рифленой поверхности. Благодаря шарнирному соединению тяги 4 с муфтой 5 кулачки могут самоустанавливаться, чем достигается равномерность зажима заготовки. Соотношение плеч рычага 3 составляет 1 : 2,5. Устанавливают на переходном фланце.
Привод — пневматический.
Размеры в мм
| Диаметр заготовки | D | D1 (доп. откл. по А) | D2 | D3 | С | L | d0 | d1 | d2 | d3 | h | h1 | h2 | h3 | h4 | m | B | B1 (доп. откл. по С) | Е | е | H | № конуса Морзе* | |
| min | max | ||||||||||||||||||||||
| 65 | 83 | 200 | 165 | 133,5 | 180 | 25 | 60 | М12 | М20 | М12 | М10 | 10 | 27 | 8 | 16 | 24 | 2 | 40 | 20 | 20 | 4 | 85 | 2b |
| 95 | 114 | 250 | 210 | 171,5 | 226 | 30 | 70 | М16 | М16 | М12 | 13 | 30 | 25 | 28 | 23 | 4,5 | 110 | 3b | |||||
| 116 | 140 | 320 | 270 | 235 | 290 | 100 | М27 | М20 | М16 | 36 | 10 | 30 | 32 | 50 | 25 | 125 |
* Укороченный.
Материалы изготовления
Корпус токарного патрона изготавливается из чугуна или из закаленной стали. Патрон со стальным корпусом позволяет работать на увеличенных оборотах.
Чугун
Из-за низкой устойчивости к резким механическим нагрузкам, по качественным показателям должен быть не ниже, чем у марки СЧ 30.
Сталь
Конкретное применение марок сталей ГОСТом не предусмотрено, производитель сам выбирает марку стали. Однако, наиболее распространённые стали должны иметь пределы прочности σB не менее 500 МПа и термической обработкой рабочих поверхностей до твердости не менее 43 HRC (с).
Основные размеры и обозначения
Размеры трехкулачковых патронов. Нормируется по ГОСТ 2675-47:
- номинальный диаметр: от 80 (мм) до 630 (мм);
- внутренний диаметр: от 16 (мм) до 190 (мм);
- ширина: от 50 (мм) до 125 (мм);
- ширина кулачков: от 12 (мм) до 60 (мм).
Размеры четырехкулачковых патронов:
- диаметр патрона: от 80 (мм) до 1000 (мм);
- наружный диаметр присоединительного конуса: от 82.563 (мм) до 285.775 (мм);
- размер шпинделя станка: от 5 (мм) до 15 (мм);
- диаметр проходного отверстия: от 40 (мм) до 200 (мм).
Обозначения патронов иностранного производства читаются в соответствии с их принятых норм и доступны в печати для расшифровки. Например:
Таблица токарных патронов производства ОАО «БелТАПАЗ»
Патрон токарный 3–200.33.14 П
- [3] — количество кулачков;
- [200] — наружный диаметр патрона, мм;
- [33] — характеристика, определяемая типом, исполнением, наружным диаметром патрона;
- [14] — Модификация;
- [П] — класс точности.
Фланцы промежуточные к самоцентрирующим патронам
Перед применением токарный патрон необходимо установить и закрепить на переднем конце шпинделя, но учитывая разницу конструкции и размеров посадочных мест токарных патронов и шпинделей не всегда можно закрепить патрон непосредственно на переднем конце шпинделя, например:
- Если патрон имеет центрирующий поясок (уступ), то для его установки на шпиндель обязательно требуется промежуточный (переходной) фланец, независимо от типа конца шпинделя
- Если патрон имеет центрирующий конус, но размер конуса не совпадает с размером центрирующего конуса конца шпинделя, также требуется промежуточный (переходной) фланец
- Если конец шпинделя заканчивается резьбой, то для установки на него любого патрона обязательно требуется промежуточный (переходной) фланец
ГОСТ 3889-80 (DIN 6350) Фланцы промежуточные к самоцентрирующим патронам
Настоящий стандарт распространяется на промежуточные фланцы, предназначенные для установки на концы шпинделей металлорежущих станков самоцентрирующих патронов общего назначения.
Промежуточные фланцы (их называют еще План-шайбы) необходим для центрирования и крепления патронов с центрирующим пояском (ГОСТ 2675 тип 1) на любой из 4-х типов концов шпинделей токарных станков.
ГОСТ 3889-80 Фланцы должны изготавливаться исполнений:
- Исполнение 1 — устанавливаемое на резьбовые концы шпинделей по ГОСТ 16868;
- Исполнение 2 — устанавливаемое на фланцевые концы шпинделей по ГОСТ 12593 под поворотную шайбу;
- Исполнение 3 — устанавливаемое на фланцевые концы шпинделей по ГОСТ 12595 исполнения 1;
- Исполнение 4 — устанавливаемое на фланцевые концы шпинделей по ГОСТ 12595 исполнения 3.
ГОСТ 3889 Исполнение 1. Фланцы промежуточные на резьбовые концы шпинделей
ГОСТ 3889 Фланцы промежуточные на резьбовые концы шпинделей
Для того, чтобы на переднем конце шпинделя закрепить токарный патрон, необходимо изготовить или приобрести промежуточный (переходной) фланец, который еще называют планшайбой.
Со стороны шпинделя промежуточный фланец должен навинчиваться на резьбу шпинделя d и очень точно надвигаться на центрирующий поясок — цилиндр диаметром Ø d1 и длиной l мм.
Со стороны токарного патрона промежуточный фланец должен иметь центрирующий поясок — ступеньку D4 для точной установки и центрирования токарного патрона на промежуточном фланце, а также иметь сквозные отверстия для крепления патрона. Очевидно, что для каждого типоразмера токарного патрона должен быть свой промежуточной фланец.
Допускается устанавливать на промежуточном фланце исполнения 1 запорное устройство против самоотвинчивания.
Процесс установки токарного патрона состоит из следующих этапов:
- Промежуточный фланец навинчивается на резьбу шпинделя до упора. Отверстие во фланце должно плотно садиться на поясок шпинделя
- Закручиваются винты запорного устройства против самоотвинчивания
- Проверяется биение центрирующего пояска на фланце (D1) и опорной торцевой поверхности со стороны патрона
- На центрирующий поясок (D1) устанавливается патрон и крепится болтами
- Проверяется радиальное и торцевое биение патрона
Пример: фланец промежуточный к токарному станку ТВ-4
Фланец промежуточный к токарному станку ТВ-4
Пример условного обозначения фланца исполнения 1, диаметром 100 мм:
Фланец 7081-0592 ГОСТ 3889-80
Пример условного обозначения фланца исполнения 1, диаметром 125 мм:
Фланец 7081-0593 ГОСТ 3889-80
Фланец промежуточный к токарному станку с резьбовым концом шпинделя
ГОСТ 3889-80 Фланцы промежуточные под поворотную шайбу
Как выбрать
Чтобы правильно выбрать токарный патрон необходимо учесть несколько важных моментов:
- рабочие параметры и точные размеры шпинделя станка;
- способ или вариант крепления патрона к шпинделю;
- для хоббийных станков немаловажную роль играет мощность привода, слабый двигатель может не справиться с задачей по крутящему моменту;
- какие и в каком количестве детали входят в комплект токарного патрона.
Не обладая четкого представления об изложенной выше информации, нельзя считать себя готовым к приобретению токарного патрона, как важного узла станка.
Нужно понимать, что качество и производительность токарного станка влияют на качество и производительность труда и материальное состояние.
Фланцы промежуточные к самоцентрирующим патронам
Перед применением токарный патрон необходимо установить и закрепить на переднем конце шпинделя, но учитывая разницу конструкции и размеров посадочных мест токарных патронов и шпинделей не всегда можно закрепить патрон непосредственно на переднем конце шпинделя, например:
- Если патрон имеет центрирующий поясок (уступ), то для его установки на шпиндель обязательно требуется промежуточный (переходной) фланец, независимо от типа конца шпинделя
- Если патрон имеет центрирующий конус, но размер конуса не совпадает с размером центрирующего конуса конца шпинделя, также требуется промежуточный (переходной) фланец
- Если конец шпинделя заканчивается резьбой, то для установки на него любого патрона обязательно требуется промежуточный (переходной) фланец
ГОСТ 3889-80 (DIN 6350) Фланцы промежуточные к самоцентрирующим патронам
Настоящий стандарт распространяется на промежуточные фланцы, предназначенные для установки на концы шпинделей металлорежущих станков самоцентрирующих патронов общего назначения.
Промежуточные фланцы (их называют еще План-шайбы) необходим для центрирования и крепления патронов с центрирующим пояском (ГОСТ 2675 тип 1) на любой из 4-х типов концов шпинделей токарных станков.
ГОСТ 3889-80 Фланцы должны изготавливаться исполнений:
- Исполнение 1 – устанавливаемое на резьбовые концы шпинделей по ГОСТ 16868;
- Исполнение 2 – устанавливаемое на фланцевые концы шпинделей по ГОСТ 12593 под поворотную шайбу;
- Исполнение 3 – устанавливаемое на фланцевые концы шпинделей по ГОСТ 12595 исполнения 1;
- Исполнение 4 – устанавливаемое на фланцевые концы шпинделей по ГОСТ 12595 исполнения 3.
ГОСТ 3889 Исполнение 1. Фланцы промежуточные на резьбовые концы шпинделей
ГОСТ 3889 Фланцы промежуточные на резьбовые концы шпинделей
Для того, чтобы на переднем конце шпинделя закрепить токарный патрон, необходимо изготовить или приобрести промежуточный (переходной) фланец, который еще называют планшайбой.
Со стороны шпинделя промежуточный фланец должен навинчиваться на резьбу шпинделя d и очень точно надвигаться на центрирующий поясок – цилиндр диаметром Ø d1 и длиной l мм.
Со стороны токарного патрона промежуточный фланец должен иметь центрирующий поясок – ступеньку D4 для точной установки и центрирования токарного патрона на промежуточном фланце, а также иметь сквозные отверстия для крепления патрона. Очевидно, что для каждого типоразмера токарного патрона должен быть свой промежуточной фланец.
Допускается устанавливать на промежуточном фланце исполнения 1 запорное устройство против самоотвинчивания.
Процесс установки токарного патрона состоит из следующих этапов:
- Промежуточный фланец навинчивается на резьбу шпинделя до упора. Отверстие во фланце должно плотно садиться на поясок шпинделя
- Закручиваются винты запорного устройства против самоотвинчивания
- Проверяется биение центрирующего пояска на фланце (D1) и опорной торцевой поверхности со стороны патрона
- На центрирующий поясок (D1) устанавливается патрон и крепится болтами
- Проверяется радиальное и торцевое биение патрона
Пример: фланец промежуточный к токарному станку ТВ-4
Фланец промежуточный к токарному станку ТВ-4
Пример условного обозначения фланца исполнения 1, диаметром 100 мм:
Фланец 7081-0592 ГОСТ 3889-80
Пример условного обозначения фланца исполнения 1, диаметром 125 мм:
Фланец 7081-0593 ГОСТ 3889-80
Фланец промежуточный к токарному станку с резьбовым концом шпинделя
ГОСТ 3889-80 Фланцы промежуточные под поворотную шайбу
ГОСТ 3889-80 Фланцы промежуточные к концам шпинделей типа А. Исполнение 1
Как собрать по чертежам самостоятельно
Для работы по металлу новичку собрать самопальный патрон можно, но весь процесс станет головной болью из-за поисков, нестыковок, ошибок и т. д. Сделать токарный патрон для обработки дерева гораздо доступнее, хотя и не проще, как может показаться.
Прежде всего – чтобы работа шла, необходимо создать подробный сборочный чертёж с чертежами деталировки. За чертежами, потянутся мероприятия. Без чертежей и плана действий чего-либо путного достичь вряд ли удастся, ибо всякий, кто действует без плана, действует долго и плохо.
Затем начинается процесс сбора комплектующих и материалов. Процесс воплощения идей самый трепетный и несёт в себе мощную струю самообновления. А удачное завершение становится очередным благоприятным этапом в творческой жизни.
