Tokarka swoją historią sięga aż 4 tysiące lat p.n.e. do tzw. wiertarek smyczkowych. W średniowieczu jako źródło napędu zaczęto stosować koło wodne. Leonardo da Vinci uznaje się za twórcę projektów pierwowzorów różnych współczesnych maszyn technologicznych, w tym także tokarek.

Przez stulecia techniki wytwarzania nie ulegały poważniejszym zmianom. Rozwój technologiczny był procesem powolnym. Dopiero w II. połowie XIX w. John Wilkinson zbudował precyzyjną wytaczarkę cylindrów parowych. W tym samym okresie I.A. Nartow i Henry Maudslay wprowadzili mechaniczny suport podtrzymujący narzędzia w ręcznych obrabiarkach skrawających. Tokarki stanowią podstawową grupę obrabiarek do obróbki powierzchni cylindrycznych (obrotowych) zewnętrznych i wewnętrznych. Rozwój obrabiarek, w tym tokarek, to przykład jakościowego charakteru postępu technologicznego.

W przypadku tokarek kształtowanie powierzchni obrabianych następuje poprzez przeniesienie głównego ruchu obrotowego za pomocą wrzeciona na przedmiot obrabiany oraz prostoliniowego ruchu posuwowego narzędzia.

Tokarka konwencjonalna – budowa

Na ilustracji 1 opisane podstawowe zespołu i części składowe układu kinematycznego tokarki konwencjonalnej. W przypadku obrabiarek konwencjonalnych nie mamy bezstopniowej zmiany prędkości obrotowej napędu głównego ani posuwowego narzędzia.

Ilustracja 1. Tokarka konwencjonalna kłowa uniwersalna – opis podstawowych zespołów i części układu kinematycznego.

Warto przyjrzeć się szczegółom budowy konwencjonalnej uniwersalnej tokarki kłowej. Na ilustracji 2 pokazano uchwyt trójszczękowy zamocowany do wrzeciona tokarki podczas obsługi wałka jako przedmiotu obrabianego. Ustalenie i zamocowanie w przypadku uchwytów trójszczękowych samocentrujących odbywa się jednocześnie. Zaciskające się szczęki dokonują centrowania przedmiotu obrabianego i zapewniają siły mocujące. Operator przy mocowaniu przedmiotu powinien dokręcić każdą ze szczęk z osobna i to pomimo ich jednoczesnego zaciskania się.

Ilustracja 2. Uchwyt trójszczękowy samocentrujący – tokarka konwencjonalna.

Ilustracja 3 pokazuje otwór przelotowy przez uchwyt trójszczękowy, wrzeciono i cały zespół wrzeciennika, który wykorzystywany jest do podawania długi prętów jako półfabrykatów.

Ilustracja 3. Uchwyt trójszczękowy samocentrujący – otwór do podawania pręta jako przedmiotu obrabianego.

Na ilustracji 4 przedstawiono szczegóły zespołu suportu narzędziowego, który składa się z sań wzdłużnych, poprzecznych, sanek narzędziowych, imaka narzędziowego oraz skrzynki suportowej.

Ilustracja 4. Suport narzędziowy konwencjonalnej uniwersalnej tokarki kłowej.

W przedstawionym rozwiązaniu (ilustracja 4) imak narzędziowy umożliwia wykorzystanie 4 narzędzi (noże tokarskie, a także przyrząd do radełkowania – obróbka plastyczna na zimno nadająca powierzchni określoną fakturę). Na ilustracji 5 pokazano zbliżenia na imak narzędziowy.

Ilustracja 5. Imak narzędziowy z zamontowanymi 2. nożami tokarskimi.

Suport narzędziowy dzięki saniom wzdłużnym przesuwa się wzdłuż osi wrzeciona na prowadnicach liniowych ślizgowych (ilustracja 6 i 7). Po tych samych prowadnicach przesuwamy ręcznie konik. Prowadnice stanowią integralną część łoża tokarki. Ich obróbka jest wymagającym zadaniem gdyż konieczne jest zachowanie ich wzajemnej równoległości. Obróbka prowadnic  Ze względów użytkowych muszą cechować się określoną gładkością (frezowanie, dogładzanie).

Ilustracja 6. Fragment sanek wzdłużnych na liniowej prowadnicy ślizgowej.

Ilustracja 7. Prowadnice liniowe ślizgowe na łożu tokarki.

Z punktu widzenia technologa na obrabiarkę patrzymy od czoła, z punktu widzenia operatora. W przypadku tokarek konwencjonalnych, takich jak omawiana tu uniwersalna tokarka kłowa wrzeciono (napęd główny jest po lewej stronie), a konik po prawej (ilustracja 8).

Ilustracja 8. Konik.

Na ilustracji 9 pokazano śrubę pociągową (na górze) i wałek pociągowy (na dole). Śruba pociągowa wykorzystywana jest wyłącznie do toczenia i wytaczania gwintów co przyczynia się do jej długiej trwałości. Kinematyczne sprzężenie śruby pociągowej z napędem głównym cechuje się precyzją wymaganą przy obróbce gwintów. Wałek pociągowy służy do zapewnienia kierunku oraz realizacji posuwu roboczego o zadanej wartości.

Ilustracja 9. Śruba pociągowa i wałek pociągowy w tokarce uniwersalnej.

Wartości prędkości obrotowych i posuwu roboczego

Ustawienie prędkości obrotowej oraz posuwu roboczego polega na ustawieniu wartości spośród dostępnego przedziału wartości stałych – np. dla prędkości obrotowej napędu głównego mogą to być następujące wartości: 18; 28; 71; 90; 710; 1120. Wybór określonej wartości następuje poprzez ustawienie położenia kół zębatych w przekładniach. Mając do dyspozycji określone koła zębate i możliwe ich zestawienia w 2 lub 3 przekładniach możemy uzyskać stopniowaną zmianę wartości. Na ilustracji 10 pokazano część czołową wrzeciennika z trzema przełącznikami dla kierunku ruchu oraz do wyboru określonej wartości prędkości obrotowej napędu głównego.

Wartości w ramach stopniowej zmiany parametrów, w tym prędkości obrotowej napędu głównego były określone normą PN-62/M-03150 Obrabiarki do metali. Prędkości obrotowe wrzecion, która została wycofana w styczniu 2001 roku i nie została zastąpiona żadną nową normą. Wynika to m.in. z faktu, że normy techniczne, za wyjątkiem norm dotyczących BHP, przestały być obowiązujące. Wartości prędkości obrotowych w ramach wspomnianej normy pochodzą z ciągu Renarda R20.

Ilustracja 10. Płyta czołowa wrzeciennika z dźwigniami nastawnymi przekładni do ustalania kierunku i prędkości obrotowej napędu głównego.

Podobnie w sposób stopniowy ustalane są wartości posuwów roboczych (ilustracja 11). Napęd na skrzynkę posuwów jest przenoszony z użyciem wałka pociągowego.

Ilustracja 11. Skrzynka posuwów w konwencjonalnej uniwersalnej tokarce kłowej.

Dobór parametrów obróbkowych polega w pierwszym kroku na dobraniu prędkości skrawania. W przypadku tokarek i frezarek konwencjonalnych ze stopniowanymi wartościami prędkości obrotowych napędów głównych po określeniu prędkości skrawania z klasycznego wzoru na prędkość skrawania v_c wyznacza się wartość prędkości obrotowej n napędu głównego. Wartość prędkości obrotowej n porównuje się następnie z dostępnymi wartościami na danej obrabiarce. W przypadku niezgodności porównywanych wartości, przeważnie, należy dobrać wartość prędkości n z obrabiarki najbliższą do wyznaczonej n, lecz co do wartości niższą. Konieczne jest ponowne wyliczenie prędkości skrawania.

W porównaniu do obrabiarek sterowanych numerycznie CNC stopniowanie wartości prędkości obrotowych oraz posuwowych stanowi ograniczenie, wręcz można to uznać za wadę. Pamiętajmy jednak, że jest to efekt zdolności technologicznych sprzed dziesiątek lat kiedy takie pojęcia jak sterowanie numeryczny były całkowite obce, wręcz poza horyzontem postrzegania przyszłości. Wówczas wyłącznie rozwiązania wykorzystujące łańcuchy kinematyczne były w stanie zapewnić jakąkolwiek możliwość doboru prędkości obrotowej i posuwowej.

Przykłady możliwych obróbek na tokarce uniwersalnej

Na konwencjonalnej tokarce uniwersalnej można przeprowadzić szereg różnych obróbek (ilustracje 12.1; 12.2 i 12.3):

• toczenie zewnętrznej powierzchni walcowej – ilustracja 12.1.a;
• toczenie zewnętrznej powierzchni czołowej (toczenie czoła) – ilustracja 12.1.b;
• toczenie stożka (obrócone sanie wzdłużne) – ilustracja 12.1.c;
• wytaczanie wewnętrznej powierzchni cylindrycznej (wytaczanie otworu) – ilustracja 12.1.d;
• obróbka kształtowa – kształt obrobionej powierzchni wynika z zarysu krawędzi skrawającej – ilustracja 12.2.e;
• toczenie gwintu – ilustracja 12.2.f;
• obróbka rowka (przecinanie) – ilustracja 12.2.g;
• wiercenie w osi wrzeciona i  przedmiotu obrabianego – wiertło jest zamocowane w koniku – ilustracja 12.2.h;
• radełkowanie – wykonywanie określonej faktury (rowków) na powierzchni obrabianej z wykorzystaniem obróbki plastycznej na zimno – nagniatanie (spotkałem się określeniem “wygniataniem”) – ilustracja 12.3.i.

Ilustracja 12.1. Przykład możliwych obróbek na konwencjonalnej uniwersalnej tokarce kłowej – a.) toczenie powierzchni walcowej; b.) toczenie czoła; c.) toczenie stożka; d.) wytaczanie otworu.

Ilustracja 12.2. Przykład możliwych obróbek na konwencjonalnej uniwersalnej tokarce kłowej – e.) obróbka kształtowa; f.) toczenie gwintu; g.) obróbka rowka – przecinanie; h.) wiercenie w osi wrzeciona i przedmiotu obrabianego.

Ilustracja 12.3. Przykład możliwych obróbek na konwencjonalnej uniwersalnej tokarce kłowej – i.) radełkowanie.

Obróbka gwintów

Gwinty na tokarce można obrabiać na kilka sposobów. Jednym z nich jest wykorzystanie noży z płytkami skrawającymi dedykowanymi do ściśle określonego rodzaju gwintu. Do obróbki gwintów zewnętrznych możliwe jest wykorzystanie narzynki, a do gwintów wewnętrznych gwintownika. W tym miejscu należy podkreślić, że omawiana jest obróbka gwintów na powierzchniach cylindrycznych znajdujących się w osi wrzeciona.

W przypadku obróbki gwintów wykorzystujemy śrubę pociągową dla zapewnienia niezbędnej precyzji kinematycznego sprzężenia między ruchem obrotowym przedmiotu obrabianego a ruchem posuwowym narzędzia. Posuw wyrażany w wybranych jednostkach, z reguły w [mm] na 1 obrót [mm/obr] w przypadku gwintowania wynosi dokładnie 1 skok gwintu na 1 obrót, a to wymaga dokładności.

Radełkowanie

Radełkowanie jako metoda obróbki rzadko jest wymieniana w kontekście zastosowania na tokarkach. Radełkowanie to metoda obróbki plastycznej na zimno poprzez zgniot (nagniatanie). Metoda umożliwia uzyskanie określonej faktury na powierzchni obrabianej. Faktura ta stanowi odwzorowanie wzoru na tzw. radełkach – wałkach ze wzorem. Powierzchnia radełkowana zapewnia użytkownikowi pewniejszy chwyt. Tego typu fakturę nanosi na różnego rodzaju przyrządach – np. na chwycie noża modelarskiego (ilustracja 13).

Ilustracja 13. Przykład powierzchni radełkowanej – chwyt noża modelarskiego.

Ilustracja 14. Wielkości charakterystyczne dla konwencjonalnej tokarki uniwersalnej.

Wielkości charakterystyczne dla tokarki

Każda maszyna technologiczna cechuje się parametrami określającymi jej zdolności technologiczne (ilustracja 14). W przypadku konwencjonalnej tokarki uniwersalnej są to:

• l – rozstaw kłów – szczególnie istotne dla tokarek kłowych;
• d₁ – największa dopuszczalne średnica toczenia nad łożem tokarki;
• d₂ – największa dopuszczalna średnica toczenia nad suportem narzędziowym;
• d₃ – największa dopuszczalna średnica pręta przechodzącego przez wrzeciono i kanał w zespole wrzeciennika;
• l_c – najdłuższa możliwa długość toczenia.

Źródła

1. Paderewski K., Obrabiarki, WSiP 1993
2.  Erbel J. (red.), Encyklopedia technik wytwarzania stosowanych w przemyśle maszynowym, tom II. Obróbka skrawaniem. Montaż, OWPW 1993
3. Erbel S., Kuczyński K., Marciniak Z., Techniki wytwarzania. Obróbka plastyczna, PWN 1981
4. Notatki własne autora.
5. Radełka tokarskie – Artykuły Techniczne
6. Wsparcie ZAiOS Instytut Technik Wytwarzania na Wydziale Inżynierii Produkcji, Politechnika Warszawska