
Jak fungují závitové posuvy na klasickém soustruhu
Koncepce klasického mechanického hrotového soustruhu během let dospěla téměř k dokonalosti a většina nových i starších poválečných soustruhů používá podobné schéma mechanismu závitových posuvů (a samozřejmě nejen těch).
Mechanismus závitových posuvů začíná ještě ve vřeteníku, ze kterého vychází výstupní hřídel předlohové převodovky. Hřídel bývá poháněná přímo od vřetena přes ozubená kola s převodem 1:1, takže má stejné otáčky jako vřeteno a otáčí se, i když je řadicí páka převodovky nebo redukce vřetena v mezipoloze a vřetenem otáčíme rukou. Zde je také umístěn reverzační převod, který posunutím ozubeného kola na drážkované hřídeli umožňuje zvolit záběr přes vložené ozubené kolo, které obrátí smysl otáčení. Páka kterou se kolo přesouvá bývá označená symbolem pravého a levého závitu.
Převodovka vřetena umožňuje zařadit redukci 1:8, takzvanou pomalou řadu otáček. Redukční převod je umístěn jako poslední převod před vřetenem. V souvislosti s tím je zde další přesuvné kolo nebo jiný mechanismus, který umožňuje změnit náhon hřídele předlohy z vřetena na převodovku vřetena těsně před redukcí. Není-li redukce zařazena, nic se tím nezmění, otáčky jsou pořád stejné jako otáčky vřetena. Při zařazení redukce 1:8 se ale hřídel otáčí nezměněnou rychlosti, tedy osmkrát rychleji než vřeteno s redukovanými otáčkami. Samozřejmě při redukci v mezipoloze ("neutrál") se již neotáčí když otáčíme vřetenem rukou, to bychom museli nechat zařazenou redukci (případně přímý převod) a značnou silou otáčet celou soustavou až po motor. Řadicí páka tohoto převodu bývá označena symboly 1:1 a 8:1, protože navenek se jeví jako kdyby násobila otáčky vřetene osmi (což by byl ze strojařského hlediska už celkem nevhodný převod do rychla). Díky této fintě se problém převodu do rychla elegantně obchází, přičemž není na závadu, že funguje pouze v pomalé řadě otáček, protože takto strmé závity se stejně nedají obrábět vysokými otáčkami.
Další část závitového mechanismu je předlohová převodovka. To jsou ta výměnná ozubená kola zakrytá zpravidla odklápěcím krytem umístěným pod zadním koncem vřetena. Do předlohové převodovky ústí výstupní hřídel z vřeteníku a hřídel náhonu závitové převodovky. Na každé hřídeli je nasazeno výměnné ozubené kolo a jsou vzájemně spřažena pomocí dvojice ozubených kol na společné hřídeli. Protože i tato dvojice kol je výměnná a kola se dají různě kombinovat, je umístěna na nastavitelném držáku, kterému se pro jeho typický tvar v češtině tradičně říká lyra. Kola se standardně značí písmeny a, b, c, d (a je na výstupním hřídeli, zabírá do b, společně s ním se otáčí c které zabírá do d nasazeném na náhonu závitové převodovky). Převodový poměr předlohy je pak podle počtu zubů vyjádřen vzorečkem (a/b)*(c/d).
U některých soustruhů je k dispozici ještě druhá lyra, která umožňuje zařadit do záběru ještě druhou dvojici kol. Pak bývají v tabulkách pro nastavení soustruhu kole přeznačena podle postupu záběru a až f a převodový poměr je (a/b)*(c/d)*(e/f) nebo po úpravě vzorečku (a*c*e)/(b*d*f). Toto uspořádání často mívají malé soustruhy, které nejsou vybaveny závitovou převodovkou a poslední kolo je místo na náhonu převodovky umístěno přímo na pohybovém šroubu.
Je zřejmé, že pokud je v tabulce volby předlohových kol pro daný soustruh uvedená dvojice stejných spřažených kol (např. 30:80-80:120), je možné ji nahradit jediným kolem, pokud to uspořádání předlohy dovolí, které může mít libovolný počet zubů. V rovnici pro výpočet převodového poměru se takové kolo stejně vykrátí, takže na počtu jeho zubů nezáleží, je tam jen aby propojilo obě krajní kola.
V základním nastavení soustruhu tvoří předloha typicky převod do pomala v nějakém malém celočíselném poměru, například 1:4, což souvisí s konstrukcí následující závitové převodovky a dosažitelnými převodovými poměry.
Zde je potřeba se zmínit o některých typických převodech, které bývají u různých soustruhů stejné, protože vycházejí ze stejných standardů a matematických základů. Dvojice ozubených kol 127:100 (samozřejmě v konkrétním provedení může být kolo se 100 zuby nahrazeno jiným, se soudělným počtem zubů, podle potřeby celkového převodového poměru) přesně realizuje převod závitového posuvu 20 mm na 1 palec. Tento převod se používá jen u soustruhů bez závitové převodovky nebo s její zjednodušenou konstrukcí, protože normálně bývá realizován jako volitelný uvnitř závitové převodovky.
Další typické převody aproximují číslo π, protože šneky a šneková kola mívají modul daný násobkem π (což souvisí s přepočtem průměru šnekového kola na jeho obvod). Před výrobou takového šneku se musí v předloze kola vyměnit za sadu obsahující převod 5*(71:113) = 3.14159292..., který se liší od π = 3.14159265... o 0.000008 %, což představuje na 100 mm dlouhém šneku chybu 0.008 mikronu, která je spolehlivě o několik řádů pod hranicí měřitelnosti. Další vhodný malý celočíselný a při tom velmi přesný převod pro aproximaci π už neexistuje, proto se dvojice kol se 71 a 113 zuby vyskytuje velmi často. Pouze u soustruhů s palcovým stoupáním pohybového šroubu a při potřebě převodu do metrických rozměrů bývá použita jiná, podstatně méně přesná aproximace, což je ovšem dáno omezením na čtyři kola, do kterých se tento kombinovaný převod musí vejít.
Když už mluvíme o aproximaci, pokud máme k soustruhu dostatečný počet různých výměnných kol, řekněme deset, dvanáct kousků, dá se nakombinovat velké množství převodů. Pro 12 různých kol je to teoreticky 11880 možností. I když vyřadíme kombinace, které se pro různost rozměrů nedají sestavit, ve spojení s volbami závitové převodovky to může být přes sto tisíc variant, ze kterých se dá na počítači vybrat rozumná aproximace téměř libovolného stoupání závitu. U soustruhu s druhou lyrou a možností osadit šet kol tento počet a s ním šance najit vhodnou kombinaci ještě řádově roste. Počítač zvládne nějakých deset miliónů kombinací probrat za pár vteřin, takže můžeme na starobylou metodu rozkladu na prvočísla a ručního hledání kombinací klidně zapomenout a řešit vše hrubou silou.
Ústřední částí mechanismu závitových posuvů je závitová převodovka, i když u některých, hlavně malých soustruhů může chybět a pak je nutné všechny závity řešit otravnou výměnou předlohových kol. Myšlenka závitové převodovky je založena na skutečnosti, že stoupání metrických závitů je tvořeno násobením základní velikosti 0.05 mm, zatímco stoupání palcových závitů se vyjadřuje v počtu závitů na palec a je tudíž tvořeno dělením základní velikosti 25.4 mm. Řada normalizovaných metrických závitů má stoupání
0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4, 0.45, 0.5, 0.6, 0.7, 0.75, 0.8, 1, 1.25, 1.5, 1.75, 2, 3, 4,
což jsou po řadě tyto násobky základního modulu 0.05 mm:
4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 15, 16, 20, 25, 30, 35, 40, 60, 80.
Závity UN doplněné o trubkové závity NPT tvoří řadu
8, 9, 10, 11, 11.5, 12, 13, 14, 16, 18, 19, 20, 24, 27, 28, 32, 36, 40, 44, 48, 56, 64, 72, 80.
Je vidět, že se obě řady částečně číselně shodují. Není to samozřejmě náhoda, dávní konstruktéři hleděli, aby se jejich závity daly snadno vyrobit na soustruhu a při rozšiřování počtu používaných stoupání využívali to, co již soustruhy uměly. Později se jejich zkušenosti promítly do norem a ty zpětně definovaly konstrukci moderních soustruhů.
Závitová převodovka proto dnes vypadá tak, že násobí otáčky převodovými poměry volitelně například 8:1, 9:1, 11:1, 12:1, 14:1 a 20:1. Prakticky je to samozřejmě realizováno v součinnosti s jinými částmi převodového řetězce pomocí převodů 16:24, 18:24, ... abychom se vyhnuli výrazným převodům do rychla a příliš malým ozubeným kolům. Před (nebo za) závitovou převodovku je ještě přídavná, typicky třístupňová převodovka s převodovými poměry 2:1, 1:1 a 1:2. V souvislosti se základním osazením předlohové převodovky a stoupáním pohybového šroubu je možné dosáhnout prakticky všech uvedených metrických stoupání, při využití redukovaných otáček vřetena 1:8 a nastavení závitových posuvů 8:1 ještě dalších, větších stoupání.
Pro palcové závity se použije malá finta. Pákou volby metrické/palcové závity se zamění vstupní a výstupní hřídel závitové převodovky, takže převodovka již stoupání závitů nenásobí, ale dělí. Zároveň se do převodovky zařadí převod pro přepočet z milimetrů na palce. Je zajímavé, že ačkoliv existuje přesné řešení (127:100, viz výše), řada soustruhů pro tento účel používá aproximaci pomocí soustavy menších kol. Tato varianta je zřejmě diktována rozměrovými poměry převodovky, kam by se dvojice kol 127:100 jednoduše nevešla.
Takto se dá dosáhnout většiny nebo dokonce všech uvedených palcových stoupání.
Vlastní provedení závitové převodovky je převážně dvojího druhu. Jednak se používá klasická dvouhřídelová převodovka s přesuvnými koly, zpravidla šestistupňová, ovládaná pákou podobnou řadicí páce automobilu nebo otočným voličem. Šest převodových stupňů nemusí být dostatečných pro všechna normalizovaná stoupání palcových závitů (přestože pro metrické, kterých je méně, dostačuje) a deficit se řeší tak, že se některá výjimečně používaná stoupání vyřadí a v případě potřeby se řeší výměnou kol předlohy.
Druhé časté řešení je Nortonova převodovka, tvořená sadou ozubených kol na společné hřídeli, ke kterým se ruční klikou přistavuje převodové kolo s mezikolem a zajišťuje západkou. Nortonova převodovka má zpravidla více převodových stupňů než klasická, může jich mít deset i více a zvládá tak i téměř všechna palcová stoupání.
U návrhu odstupňování konkrétní závitové převodovky samozřejmě záleží na invenci konstruktéra a požadavcích výrobce, jaké odstupňování převodů zvolí. U dvouhřídelové převodovky s přesuvnými koly si musí pohrát s moduly jednotlivých dvojic kol a s jejich korigováním, se vzdáleností hřídelů a stejně je riziko, že se některé kombinace převodů nevejdou. U Nortonovy převodovky má o něco volnější pole působnosti. Pokud musí nějaké závity vyhodit a nechat je na zvláštním osazení předlohy, bývají to obvykle takové které se podle úvahy výrobce málo používají a které by se v rámci kombinace bypassu redukce, nastavení přídavné převodovky a volby metrický/palcový režim použily jen jednou.
Poslední částí závitového mechanismu je převod na pohybový šroub. To je přesný, broušený trapézový šroub který prochází suportovou skříní, se kterou pohybuje pomocí dělené matice. Matice se dá pákou otevřít a vyřadit tak z provozu.
V textu jsme zatím vycházeli pouze ze závitových posuvů, ale soustruhy bývají vybaveny kromě závitového ještě strojním posuvem. Strojní posuv pomocí šestihranné hřídele přenáší otáčky do suportové skříně, kde je pomocí dalších převodů použit pro podélný nebo příčný strojní posuv. Druh a směr posuvu se nastavuje pákami na suportu. Vzhledem k tomu, že již je k dispozici dobře a jemně odstupňovaná závitová převodovka, nabízí se její využití i pro strojní posuvy. Proto je jako poslední prvek mechanismu k dispozici převod ovládaný pákou, kterou se volí mezi závitovým a strojním posuvem. U strojního posuvu se předpokládá osazení předlohové převodovky základní sadou kol, čemuž odpovídají i údaje na tabulce připevněné na soustruhu. Pokud často používáme určité nestandardní osazení předlohy, je dobré si pro něj v Excelu vypočítat rychlosti strojních posuvů, vytisknout, zalaminovat a připevnit na soustruh.
Některé soustruhy mají převodovku strojních posuvů zvlášť, nezávislou na závitových posuvech. Výhodou je, že rychlost strojního posuvu není ovlivněna osazením předlohové převodovky.
Konkrétní uspořádání některých oblíbených československých soustruhů.
Uvedené převody je nutno brát jen jako převodové poměry (případně přepočtené na společného jmenovatele), nikoliv skutečné počty zubů ozubených kol. Počty zubů jsou explicitně uvedeny jen u předlohových kol. Údaje lze použít pro volbu atypického osazení předlohy. Pro lepší názornost jsou u každého soustruhu uvedeny kontrolní příklady výpočtu stoupání závitu. Převodový poměr předlohy pro určité požadované stoupání závitu se získá jednoduchou úpravou vzorečku a dosazením požadovaného stoupání.
SN 50
zvláštnosti: V závitové převodovce chybí palcový závit 1/19". Protože se ale používá pro trubkové a kuželové hydraulické závity, je zde možnost přepnout převod na pohybový šroub dvěma způsoby - buď normálně s převodem 1:1 nebo s korekčním převodem 18:19, který udělá ze závitu 1/18" požadovaný 1/19".
výstupní hřídel vřeteníku 1:1 z vřetena nebo před redukcí
základní předloha 1:4 (kola 30, 80-80, 120)
předřazená převodovka "A" 2:1, "B" 1:2, "C" 1:1
závitová převodovka "1" 8:12, "2" 9:12, "3" 11:12, "4" 12:12, "5" 13:12, "6" 20:12
stálý převod metrický 1:1
stálý převod palcový (26:27)*(35:27)*(26:46) = 0.7055526, chyba oproti
teoretickému 127:180 = 25.4:36 je 0.0003 %
převod na pohybový šroub 18:18 nebo 18:19
stoupání pohybového šroubu 6 mm
Kontrolní příklady pro základní osazení předlohy, nastavení B6.
Metrický, stálý převod 1:1
(1/4)*(1/2)*(20/12)*6 = 1.25 mm
Palcový, použita teoretická hodnota stálého převodu 127:180
(1/4)*(1/2)*(127/180)/(20/12)*6 = 0.3175 mm = 1/80"
S28
zvláštnosti: Do předlohové převodovky jsou vyvedeny oba hřídele závitové převodovky. Kola předlohy se musí osadit na příslušnou hřídel podle toho, jestli má převodovka pracovat v režimu násobení (metrická) nebo dělení (palcová) otáček. Ve druhém případě musí být osazeno šest předlohových kol (1+2+2+1), aby sestava kol dosáhla na spodní hřídel. Páka přepínání metrického/palcového režimu pak slouží jenom k výběru ze kterého výstupního hřídele se mají odebírat výsledné otáčky, na vstup nemá vliv.
výstupní hřídel vřeteníku 1:1 z vřetena nebo před redukcí
základní předloha pro metrické závity 1:4 (kola 25, 80-80, 100) na 1. hřídel závitové převodovky
pro palcové závity 127:720 = 25.4/(12*12) (kola 25, 120-127, 100-26, 39) na 2. hřídel závitové převodovky
závitová převodovka "1" 3:6, "2" 4:6, "3" 5:6, "4" 7:6, "5" 9:6, "6" 11:6
přídavná převodovka "A" 1:2, "B" 1:1, "C" 2:1
stálý převod metrický 1:1
stálý převod palcový 1:1
převod na pohybový šroub 1:1
stoupání pohybového šroubu 6 mm
Kontrolní příklady pro základní osazení předlohy, nastavení A5.
Metrický, předloha 1:4, stálý převod 1:1
(1/4)*(1/2)*(9/6)*6 = 1.125 mm
Palcový, předloha 127:720, stálý převod 1:1
(127/720)*(1/2)/(9/6)*6 = 0.352777 mm = 1/72"
SV18
zvláštnosti: palcové stoupání pohybového šroubu 1/4" i v metrickém provedení soustruhu
výstupní hřídel vřeteníku 1:1 z vřetena nebo před redukcí (je vyřazena reverzace - nutno motorem)
základní předloha 1:1 (kola 24, 60-60, 24)
závitová převodovka "1" 28:16, "2" 26:16, "3" 24:16, "4" 23:16, "5" 22:16,
"6" 21:16, "7" 20:16, "8" 19:16, "9" 18:16, "10" 16:16
předřazená převodovka 1:1, 1:2, 1:4, 1:8
stálý převod metrický teoreticky 80/127, použita nezjištěná aproximace s chybou 0.004 %
stálý převod palcový 1:1
převod na pohybový šroub 1:1
stoupání pohybového šroubu 6.35 mm
Kontrolní příklady pro základní osazení předlohy, nastavení 1:2, 5.
Metrický, předloha 1:1, použita teoretická hodnota stálého převodu 80/127
(1/2)*(80/127)*(22/16)*6.35 = 2.75 mm
Palcový, předloha 1:1, stálý převod 1:1
(1/2)/(22/16)*6.35 = 2.3090909 mm = 1/11"