Soustružnická vřetenová jednotka: výkonnostní vlastnosti

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Vřeteno obráběcích strojů je obvykle prezentováno jako jeden z prvků hnacího mechanismu odpovědného za upevnění a tvarování obrobku. Přitom jeho rozhraní s elektrárnou, nosnou částí a pracovním zařízením bloku je tak těsné, že lze hovořit o celé infrastruktuře této části. Tak či onak by měla být sestava vřetena (SHU) považována za odpovědný základní mechanismus stroje, zajišťující funkci přenosu točivého momentu a směrování zpracovatelské síly.

Přehled produktu

Tento mechanismus se také nazývá motorové vřeteno a tvoří jednu z klíčových montážních jednotek moderních dřevoobráběcích a kovoobráběcích strojů. Výkon a v ještě větší míře přesnost mechanického dopadu na obrobek závisí na jeho vlastnostech. Jak již bylo uvedeno, mluvíme o celém komplexu prvků,tvořící základ vřetenových jednotek. Podpěry, mazací systém, těsnění, přenos točivého momentu a ložiskové díly tvoří základ tohoto mechanismu. Většinou se jedná o komponenty, které plní podpůrné a pomocné funkce pro zajištění chodu trysky v podobě řezného nástroje.

Všeobecně se uznává, že výkonový potenciál obráběcích strojů závisí především na motoru. To je pravda, ale jen částečně. Například vřetenové jednotky obráběcích strojů mají vlastní frekvenční rozsah otáčení, což způsobuje omezující podmínky pro řezné rychlosti. Je však důležité pochopit, že tento rozsah je spíše funkcí nastavení optimální rychlosti zpracování s podporou dostatečně vysoké přesnosti.

Další z klíčových funkcí vřetena je přímé držení obráběcího nástroje a v některých případech i samotného obrobku. Pro tento způsob upevnění se používají speciální svorky a svorky, jako je držák nástrojů a kazety. Proto je důležité vzít v úvahu vlastnosti vřetena při výběru nástroje podle rozměrů stopky a stanovení přípustných parametrů procesu obrábění.

ShU design

Při vývoji konstrukčního řešení pro vřeteno motoru by se vykonavatelé úkolů měli zaměřit na maximální snížení dynamického a vibračního zatížení mechanismu. Dosažení této kvality pracovní skupiny přímo ovlivňuje životnost stroje a kvalitu zpracování. Z tohoto důvodu je montáž vřetena stále vícenavrženo jako samostatné zařízení v samostatném pouzdře, kterému se říká vřeteník.

Následující údaje jsou brány jako výchozí data pro návrhový algoritmus:

• Síla.
• Přesnost rotace.
• Rychlost.
• Maximální ohřev pro podpěry.
• Odolnost proti vibracím.
• Tuhost.

Na základě počátečních parametrů je vybráno konstrukční schéma, detaily dispozice a výrobní materiály. Typ budoucího stroje má také vliv na výběr určitých konstrukčních řešení. Například konstrukce vřetenových sestav pro vysoce přesná obráběcí zařízení je založena na uspořádání hydrodynamických ložisek, která mohou zajistit přesnost mechanického působení v rozsahu od 0,5 do 2 mikronů. Pro zvláště vysokorychlostní agregáty s vnitřními brusnými hlavami se používají speciální kluzná ložiska, která vyžadují mazání vzduchem. Principy konstrukce vřetenové základny s důrazem na podporu vysokých obráběcích rychlostí již od 600 ot./min se typicky používají pro diamantové vyvrtávačky a univerzální kovoobráběcí stroje. Parametry komponent pro podporu nízkých rychlostí se tradičně počítají pro frézky, revolverové a vrtací stroje. Zde platí pravidlo, čím jemnější je přesnost mechanického působení, tím vyšší by měl být točivý moment na vřetenu. Pro složité hrubování a řezání se používají konfigurace s nízkými otáčkami.

Výpočet sestavy vřetena

Btuhost je považována za hlavní konstrukční charakteristiku. Vyjadřuje se jako indikátor pružných posunů v zóně zpracování při celkové působící síle od vlastní pružné deformace vřetena s jeho nosnými prvky. Pevnost se také používá k charakterizaci vysoce zatížených sestav a pro vřeteníky s vysokými otáčkami bude klíčovým faktorem úspěšného zpracování minimální hodnota rezonance, tj. vysoká odolnost proti vibracím.

Prakticky všechny sestavy vřeten pro obráběcí stroje jsou samostatně počítány na přesnost řezání. Tento výpočet se provádí pro ložiska na základě koeficientu radiálního házení konce vřetena. Přípustná hodnota házivosti závisí na třídě přesnosti návrhu, při jejíž definici konstruktéři vycházejí z požadavků na proces obrábění.

Index radiálního házení na vnitřním povrchu ložiskového kroužku závisí na jeho excentricitě a chybách drah s valivými tělesy. Tento parametr přesnosti je vyjádřen účinkem tzv. bludného rytmu. V procesu kontroly ložisek je zjišťována jejich shoda se stanovenými normami, po které, pokud jsou zjištěny odchylky, mohou být výrobky odeslány k revizi. Mezi opatřeními pro další zlepšení přesnosti ložisek pro sestavu vřetena během montáže lze rozlišit následující:

• Excentricita vnitřních kroužků a ložiskových čepů jsou v opačných směrech.
• Excentricity vnějších kroužků ložisek atělesné otvory jsou také umístěny v opačných směrech.
• Při montáži excentricity vnitřních kroužků ložisek zadního a předního dílu musí být zachovány ve stejné rovině.

ShU Performance

Sada tuhosti a přesnosti důležitých technických a fyzikálních ukazatelů vřetena není omezena. Mezi další významné vlastnosti tohoto mechanismu stojí za vyzdvihnutí:

• Odolnost proti vibracím. Schopnost SHU poskytovat stabilní rotaci bez oscilací. Efekt vibrací nelze zcela eliminovat, nicméně díky pečlivým konstrukčním výpočtům jej lze minimalizovat snížením vlivu zdrojů příčných a torzních vibrací, jako jsou pulzující síly v zóně zpracování a krouticí moment v pohonu stroje.
• Rychlost. Charakteristická pro rychlost sestavy vřetena, odrážející počet otáček za minutu, který umožňuje optimální provozní podmínky. Jinými slovy, maximální přípustná rychlost otáčení, která je dána konstrukčními a technologickými kvalitami výrobku.
• Ložiska topení. Intenzivní tvorba tepla je přirozeným derivačním faktorem při obrábění při vysokých rychlostech. Vzhledem k tomu, že zahřívání může vést k deformaci základny prvku, měl by být tento indikátor vypočten během návrhu. Tepelně nejcitlivější součástí sestavy je ložisko, jehož změna tvaru může zhoršit funkci vřetena. Aby se omezily procesy tepelné deformace, měli by výrobcidodržovat normy přípustného ohřevu vnějších kroužků ložiska.
• Nosná kapacita. Určeno pomocí výkonového faktoru vřetenových ložisek za podmínek maximálního povoleného statického zatížení.
• Trvalost. Ukazatel času udávající počet hodin provozu výrobku před generální opravou. Za předpokladu, že je axiální a radiální tuhost sestavy vřetena vyvážená, může životnost dosáhnout 20 tisíc hodin. Minimální doba do selhání je dva a pět tisíc hodin, což je typické pro brusky a vnitřní brusky.

Materiály pro výrobu SHU

Volba materiálů pro elementovou základnu vřetena je také faktorem pro zajištění určitých technických a provozních vlastností zařízení. U lapovacích, závitovacích a vrtacích jednotek je kladen důraz na ochranu proti působení krouticího momentu a sestava vřetena např. frézky se montuje na základě účinků ohybových momentů. V každém případě musí mít materiál dostatečnou odolnost proti opotřebení na ovládací ploše i na čepu ložiska. Stabilita tvaru a rozměrů je hlavní podmínkou pro správnou funkci výrobku, do značné míry závisí na vlastnostech jakosti použitého materiálu.

U strojů s třídami přesnosti H a P se používají vřetena vyrobená z ocelových slitin jakostí 40X, 45, 50. V některých případech mohou rozhodnutí o návrhuvyžadují speciální zušlechťování kovu kalením s indukčním tepelným působením. Obvykle se kalení výrobků kalením aplikuje na výkonové povrchy a ložiskové čepy jako nejkritičtější části součásti.

Pro prvky složitého tvaru s kuželovými otvory, drážkami, přírubami a stupňovitými přechody se používá objemově kalená ocel. Tato technologie zpracování je povolena pouze pro obrobky, ze kterých je plánována výroba předních částí sestav vřeten stroje s následným nauhličením. V tomto případě se používají oceli 40XGR a 50X.

Zařízení s třídami přesnosti A a B je dodáváno s vřeteny vyrobenými z oceli jakosti 18KhGT a 40KhFA, nitridované. Proces úpravy dusíkem je nutný pro zvýšení tvrdosti součásti a také pro zachování původního tvaru a rozměrů. Zvýšení pevnosti a strukturální stability je nezbytným předpokladem pro vřetena používaná v systémech s kapalinovým třením.

Ve zjednodušeném uspořádání velínu nejsou požadavky na materiály tak vysoké. Prvky jednoduchých tvarů mohou být vyrobeny z oceli jakosti 20Kh, 12KhNZA a 18KhGT, ale i v tomto případě jsou polotovary předběžně podrobeny kalení, nauhličování a popouštění.

ShU strukturální modely

Hlavní podíl vřetenových mechanismů používaných u moderních obráběcích strojů má dvouložiskové ústrojí. Tato konfigurace je optimální z hlediska optimalizace zařízení a pohodlí technické organizace.produkční proces. Velké podniky však také využívají modely s dodatečnou podporou ze třetího pilíře.

Konfigurace umístění ložisek jsou také nejednoznačné z hlediska metod implementace. Dnes existují trendy směřující k přenosu kritických regulačních funkcí do oblasti vřeteníku, což snižuje dopad tepelných účinků. V jednoduchých modelech vřetenové sestavy jsou použita valivá ložiska, což také minimalizuje riziko deformace z vývinu tepla a zvyšuje účinnost seřízení. Současně, spolu se zvýšením tuhosti a zvýšením přesnosti otáčení, mají takové mechanismy nevýhodu ve formě snížení rychlosti. Proto je tato konfigurace nejvhodnější pro soustruhy s nízkými otáčkami.

Pomalorychlostní brusné jednotky jsou rovněž vybaveny válečkovými ložisky v přední nosné části a zadní strana je opatřena duplexem prvků s úhlovým stykem. Zejména jsou takto implementovány vřetenové jednotky v konstrukcích kotoučových a vnitřních brusek. Pro zjednodušení funkčního systému jednotky umožňují i kuželíková ložiska. Takové řešení ve vztahu k frézovacím jednotkám eliminuje potřebu zahrnutí skupiny axiálních ložisek. V důsledku toho je zachována optimální hranice tuhosti, ale s tím problémy tvorby tepla s omezeným točivým momentem nikam nevedou.

Kontrola kvality produktu

Po sestavení vřeteníku se zkontroluje vůle-předpětí skupiny ložisek. Tato operacenezbytné pro posouzení připravenosti mechanismu na plnohodnotné pracovní vytížení. Kontrola se provádí zatížením zařízení zvedákem a dynamometrem. Měření se provádí přímo indikačními zařízeními včetně měřicích hlavic, snímačů, mikrokatorů atd. Měřící zařízení je instalováno na vřeteníku co nejblíže přednímu ložisku. Při stanovení skokové změny zatížení se vytvoří graf posunů konce vřetena.

Tuhost sestavy soustružnického vřetena s podpůrnými prvky je řízena metodou dvoubodového měření. Nejprve se na lineárním úseku zatěžovací křivky nastaví dva řídicí body. Dále se pro každou linii zaznamenávají údaje o deformaci, načež se provede srovnání. Jako standardní ukazatele lze použít jak konstrukční hodnoty, tak údaje z obecných technických požadavků na stroj. Kromě toho by komplexní údaje pro srovnání, získané jako výsledek testů, měly být prezentovány ve formě aritmetických středních hodnot. Stejným způsobem se provádějí měření axiálního a radiálního zatížení s fixací vzniklých mezer mezi ložisky.

Pokud jsou zjištěny odchylky od standardních hodnot, upraví se vůle-předpětí. Při údržbě vřetenových sestav soustruhu pro takové úkoly se používá technika vyhřívání podpěr. Za podmínek tepelné expozice teploměrů a termočlánků v určitém rozsahu jsou matice utaženy a seřízeny.

Těsnění pro mechanismus SHU

Složení vřeteníku zahrnuje aspeciální těsnění, která zvyšují izolační a těsnící vlastnosti mechanismu. K čemu to je? Vzhledem k tomu, že pracovní postup soustruhu je spojen s uvolňováním velkých objemů jemného odpadu za podmínek mazání, je běžné zanášení funkčních částí. V souladu s tím musí být při montáži sestavy vřetena zajištěna zařízení, která chrání pracovní prvky před prachem, nečistotami a vlhkostí. K tomu slouží tmel. Zpravidla se jedná o spotřební materiál ve formě kroužku, který se na vřeteno montuje pomocí středícího řemenu. Během provozu mechanismu je nutná jeho periodická výměna nebo úprava polohy. V podmínkách zvýšeného vnějšího znečištění lze dodatečně použít ochranný sběrací kroužek. Pokud stroj běží středními nebo nízkými rychlostmi, musí být také upevněno břitové těsnění.

Údržba SHU

Hlavním úkolem personálu při provozu vřeteníku je sledovat mazání jeho částí. To se obvykle provádí nástřikem na povrchy rotujících ozubených kol, oběžných kol a součástí disků. Optimální složení pro tento typ maziva by mělo mít viskozitní index 20 při zahřátí na 50 °C. Konstrukce sestavy frézovacího vřetena počítá s možností nasměrování oleje do ložiska přes sběrač nebo přímo do pracovní skupiny. Část oleje by navíc měla zůstat i po skončení pracovního sezení. Stará kontaminovaná kapalina je nahrazena novou. Pro zjednodušení procesu plnění u moderních strojů je cirkulační přívod oleje organizován současně do převodovky a vřetena v automatickém režimu, když je odpadní hmota vypouštěna.

Kromě aktualizace oleje je nutné udržovat technický stav mechanismu. Technické a konstrukční problémy mohou vzniknout v důsledku přehřátí, nadměrné deformace, vysokých vibrací nebo meziotáčkového zkratu. Typickou opravou vřetenových sestav jako součást výrobního procesu může být výměna poškozených dílů, spotřebního materiálu nebo přestavba sedel. Například při deformaci nebo instalaci nových prvků je někdy vyžadována dodatečná korekce objímek nebo samotných dílů ostřením, broušením, lapováním nebo stavbou.

Výroba SHU v Rusku

Některé součásti vřeten potřebných pro kompletaci obráběcích strojů jsou vyráběny domácími výrobci ve vlastních závodech na obrábění obráběcích strojů, přičemž se spoléhají na vývoj a zkušenosti sovětského průmyslu. S výrobou konvenčních sestav hnacích vřeten pro frézku nebo soustružnických jednotek, které nejsou zaměřeny na vysoce přesné obrábění, nejsou prakticky žádné problémy. Moderní high-tech elektrovřetena se však v Rusku vyrábějí pouze po částech a na základě dovážených komponentů. Tato omezení jsou spojena nejen s nedostatkem pokročilých technologií v této oblasti, ale také s nedostatkem kvalifikovaného personálu, který musí řešit inženýrské a výrobní problémy.

Závěr

Vřeteno je jednou z hlavních funkčních součástí různých typů obráběcích strojů. Přesnost provádění pracovních operací, ergonomie ovládání zařízení a účinnost regulace výkonového potenciálu hnacího mechanismu závisí na kvalitě jeho hlavních funkcí. Proto je tak důležité věnovat pozornost vlastnostem sestavy vřetena v soustruhu při jeho výběru. A to platí nejen pro průmyslový segment, kde se provádějí operace in-line obrábění. Základní znalosti o vřeteníku by měl mít i běžný domácí mistr, který provádí jednoduché operace v garáži nebo venkovském domě. Díky dovednostem v manipulaci s vřetenovým mechanismem bude provoz spolehlivější a údržba stroje ekonomičtější.