Podstawowym uchwytem obróbkowym stosowanym w tokarce jest właśnie wieloszczękowy uchwyt tokarski. Mogłoby się wydawać, iż uchwyty tokarskie są mechanizmami nie podlegającymi rozwojowi. Nic bardziej mylnego. Postęp w jakości obróbki oraz w metodach optymalizacji procesów obróbkowych wymusza postęp także w uchwytach tokarskich. W rzeczywistości przemysłowej stosowane są rozwiązania wieloszczękowe (ilustracja 1) w zależności od potrzeb technologicznych (m.in. obróbka prętów o różnych przekrojach, uchwyty specjalne). Konstrukcja uchwytów trójszczękowych korzystnie przyczynia się do uzyskania efektu samocentrowania co jest bardzo ważne w przypadku operacji toczenia. W toczeniu ruch obrotowy napędu głównego poprzez uchwyt tokarski przenoszony jest na przedmiot obrabiany. Istotne jest to by oś powierzchni obrabianej przedmiotu pokrywała się z osią wrzeciona. Podstawowym uchwytem tokarskim jest samocentrujący uchwyt trójszczękowy (ilustracja 2, 3). Tego typu uchwyty tokarskie zalicza się do zespołów samocentrujących.

Zespół samocentrujący – mechanizm samoustalający przedmiot obrabiany względem jego osi. Zespół taki przeważnie wykonuje ruch obrotowy względem osi [1]

Ilustracja 1. Przykład wieloszczękowego uchwytu tokarskiego z firmy SMW Auto Blok – dokładnie 6. szczęk – Targo STOM 2023 – Przemysłowa Wiosna 2023 – Targi Kielce.

Na ilustracji 2 przedstawiono przykłady uchwytów tokarskich trójszczękowych. Po lewej w zasadzie niemal klasyczna konstrukcja z wymiennymi szczękami. Po prawej stronie uchwyt trójszczękowy ze również wymiennymi szczękami, lecz przeznaczonymi do przedmiotu obrabianego o określonej średnicy. W celu zapewnienia styku szczęk z powierzchnią ustalającą przedmiotu obrabianego na całej długości szczęk musi to odbyć się na konkretnej średnicy.

Ilustracja 2. Przykład rozwiązań uchwytów trójszczękowych z firmy SMW Auto Blok – Targo STOM 2023 – Przemysłowa Wiosna 2023 – Targi Kielce.

Wprowadzenie

W przypadku uchwytu trójszczękowego (ilustracja 3) mechanizm ma za zadanie równomierne zbliżanie się i oddalanie się szczęk od przedmiotu. Uchwyty takie posiadają wewnętrzną spiralę Archimedesa która poprzez współpracę z zębami na szczękach dokonuje ich przemieszczania. Dodatkowo zęby na szczękach służą do ściśle określonego montażu szczęk w celu zapewnienia żądanego osiowania. Szczęki w uchwycie trójszczękowym są ponumerowane tak by można je było jednoznacznie zidentyfikować (cyfry, kropki, nacięcia) i osadzić we właściwym gnieździe. Dodatkowo można spojrzeć na ząbki na szczękach [5]. Zęby na szczękach są przesunięte względem siebie.

Ilustracja 3. Przykład uchwytu trójszczękowego samocentrującego – targi TOOLEX 2017

W przypadku uniwersalnych uchwytów dwuszczękowych [2] stosuje się m.in. tzw. śrubę rzymską z gwintem prawym i lewym co pozwala na jednoczesny ruch promieniowy znormalizowanych szczęk.

Spotyka się także uchwyty tokarskie samocentrujące czteroszczękowe (ilustracja 4), których działanie opiera się na tej samej zasadzie co trójszczękowych. Z kinematycznego i geometrycznego punktu widzenia zapewnienie wyosiowania przedmiotu obrabianego w uchwycie czteroszczękowym jest trudniejsze. Szczęki w parach schodzą się naprzeciwlegle co w połączeniu z luzami jest źródłem niedokładnego ich zejścia. Dzięki nim można obrabiać przedmioty o przekroju koła i kwadratu.

Ilustracja 4. Przykład uchwytu tokarskiego samocentrującego czteroszczękowego produkcji BISON BIAL – targi MACHTOOL 2016

Dużo bardziej użytecznym jest uchwyt czteroszczękowy bez samocentrowania. Dzięki temu mamy dowolność w ustaleniu przedmiotu, w tym poprzez wykorzystanie szczęk specjalnych. To jednak jednocześnie stanowi ograniczenie prędkości obrotowych napędu głównego. Niesymetryczne ustalenie i zamocowanie przedmiotu obrabianego stanowi o brak wyrównoważenia mas i tym samym będzie źródłem drgań. Z drugiej strony w ten sposób poszerza się możliwości technologiczne o zdolność wytaczania otworów nieosiowych. Brak samocentrowania umożliwia również możliwość dokładniejszego wyosiowania przedmiotu do np. wytrasowanego punktu.

Czy zadaniem uchwytu tokarskiego jest jedynie ustalenie i zamocowanie przedmiotu obrabianego? Nie tylko, czego przykładem są dwuwrzecionowo centra obróbkowe CNC. Jeden uchwyt może zapewniać wysunięcie wałka z drugiego uchwytu tokarskiego na ściśle określoną odległość. Zapewnienie jednoznacznego położenia przedmiotu obrabianego wynika z potrzeb zapewniania spełnienia wymagań jakościowych i wymiarów geometrycznych.

Montaż szczęk

W przypadku tradycyjnej metody wymiany szczęk bez systemu szybkiej wymiany procedura przebiega następująco [5]:

1. Dla pierwszej szczęki obracamy kluczem spiralę do momentu pojawienia się jej pierwszego zęba.
2. W kolejnym korku należy cofnąć spiralę i włożyć pierwszą szczękę.
3. Następnie przekręcając klucz doprowadzić do częściowego zazębienia szczotki i spirali Archimedesa.
4. Obrót o 120° w przypadku uchwytów trójszczękowych i powtórzenie czynności 1-3 dla kolejnych szczęk.
5. Po zainstalowaniu wszystkich szczęk należy kręcić kluczem do momentu zejścia się w osi wszystkich szczęk.

System szybkiej wymiany szczęk

Optymalizacja procesów technologicznych to nie tylko modyfikacja parametrów obróbkowych ale także minimalizowanie czasów pomocniczych i przygotowawczo-zakończeniowych. Możliwość szybkiej wymiany szczęk umożliwia znacząco szybsze przezbrojenie obrabiarki do kolejnego procesu technologicznego. Niektóre rozwiązania polegają na tym, że szczęka jest dwuczęściowa. Część z zębatką pozostaje w korpusie uchwytu a część robocza jest wymienna, przykręcana za pomocą śrub. Tego typu konstrukcję oferuje m.in. producent BISON BIAL (ilustarcja 5).

Ilustracja 5. Przykład uchwytu tokarskiego z systemem szybkiej wymiany szczęk firmy BISON BIAL – dzięki uprzejmości firmy BISON BIAL.

Uchwyty tokarskie SCHUNK – ROTA NCX

Przykładem odmiennej koncepcji są uchwyty trójszczękowe z systemem szybkiej wymiany szczęk firmy SCHUNK – ROTA NCX – ilustracja 6. Konstrukcja tych uchwytów umożliwia wymianę wszystkich szczęk w ciągu jednej minuty z zachowaniem powtarzalności ustalenia szczęk do 0,02 mm. Dzięki temu w zasadzie eliminuje się konieczność każdorazowego przetaczania szczęk miękkich.

Ilustracja 6. Uchwyt trójszczękowy firmy SCHUNK – ROTA NCX – targi TOOLEX 2018

Uchwyty tokarskie ROTA NCX wykorzystują szczęki z wrębem krzyżowym. W celu zwiększenia bezpieczeństwa użytkowania uchwyty te są konstrukcyjnie wyposażone w monitor obecności szczęk. Wyłącznie kiedy szczęka jest prawidłowo posadowiona w prowadnicy klucz może być łatwo wysunięty z gniazda uchwytu.

Konstrukcja uchwytów trójszczękowych SCHUNK ROTA NCX (ilustracja 7) bazuje na wykorzystaniu zębatek klinowych, przemieszczających się stycznie w uchwycie. Zębatki te napędzane są ukośnymi powierzchniami roboczymi tłoka prowadzonego osiowo. Układ zębatek przenosi siłę na szczęki robocze powodując ich synchroniczny radialny ruch względem osi uchwytu. Za pomocą klucza można przesunąć klin na bok umożliwiając tym samym szybką wymianę szczęk.

Ilustracja 7. Wewnętrzna budowa uchwytu tokarskiego trójszczękowego firmy SCHUNK – ROTA NCX – dzięki uprzejmości firmy SCHUNK – gdzie: 1. System hakowo zębatkowy; 2. Hartowany i niezwykle sztywny korpus; 3. Duży otwór przelotowy; 4. Zoptymalizowany układ smarowania; 5. Gwintowane otwory montażowe; 6. System szybkiej wymiany szczęk; 7. Standardowy interfejs szczęk uchwytu; 8. Mechanizm blokujący z monitorem obecności szczęk; 9. Zintegrowany mechanizm kulowy; 10. Konstrukcja o zoptymalizowanej masie własnej.

W celu wymiany szczęk należy klucz obrócić o 210° co powoduje wyciągnięcie zębatki klinowej ze stanu zazębienia szczęki roboczej. Wówczas szczękę roboczą można usunąć i zamontować nową. Na czołowej powierzchni uchwytu tokarskiego SCHUNK ROTA NCX (ilustracja 6) widać przy gniazdach każdej ze szczęk nacięcia umożliwiające operatorowi określone ustalenie szczęki podczas jej zakładania.

Podsumowanie

Jak widać uchwyty tokarskie pod kątem konstrukcyjnym również ewoluują by móc w jak najszerszym zakresie spełniać wymagania użytkowników. W dobie automatyzacji uchwyty tokarskie są napędzane pneumatycznie i hydraulicznie by wyeliminować konieczność udziału operatora przy ustaleniu i zamocowaniu przedmiotu obrabianego w przypadku zrobotyzowanego stanowiska obróbkowego.

Źródła

1. Feld M., Uchwyty obróbkowe, WNT 2002
2. Sobolewski J. (red.), Kapiński S., Techniki wytwarzania. Projektowanie oprzyrządowania, WSiMR PW 2012
3. Materiały własne
4. Materiały informacyjne firm SCHUNK i BISON BIAL
5. Uchwyty tokarskie – rodzaje i zastosowanie, EBMiA
6. ROTA NCX – forumnarzedziowe.pl