BAKALÁŘSKÁ PRÁCE. Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky. Anotace: Annotation: Bibliografická citace mé práce:

Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Anotace: Tato práce popisuje typy vřeten používaných u HSC obráběcích strojů. V jejím úvodu je zmíněna samotná problematika technologie vysokorychlostního obrábění, z jejíchž vlastností plynou nároky na obráběcí stroje a nástroje použité pro tuto technologii. Po vymezení základních pojmů a požadavků na vřetena je v práci rozebrána skladba HSC vřeten, zejména druhy uložení a způsoby pohonu, dále pak vyvážení a chlazení. Následně je uveden stručný přehled výrobců. V závěru práce je krátké poohlédnutí po výstavě EMO Hannover 2007 a zároveň uvedeny vývojové trendy v oblasti vřeten. Klíčová slova: Vysokorychlostní obrábění; vřetena HSC obráběcích strojů; ložiska HSC vřeten …

Annotation: This study describes the types of spindles used for HSC machine tools. Its introduction focused on the main issue of high-speed cutting whose characteristic make demands for machine tools and for tools used for this technology. After specification of basic terms and demands for spindles the study concerns structure of HSC spindles especially ways of placing and driving as well as balancing and cooling. Furthermore the study includes summary of producers. Conclusion of the study covers brief recapitulation of exhibition EMO in Hannover 2007 and focused on developing trends regarding spindles. Klíčová slova – anglicky: High – speed cutting; spindles for HSC machine tools; bearing HSC spindle …

Bibliografická citace mé práce: LÁBUS, M. Deskripce vřeten u HSC obráběcích strojů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2008. 35 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Petr Blecha, Ph.D.


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Čestné prohlášení: Prohlašuji, že bakalářskou práci na téma „Deskripce vřeten u HSC obráběcích strojů“ jsem vypracoval samostatně, pod vedením svého vedoucího, na základě konzultací a s použitím uvedené literatury.

V Brně dne 20.5. 2008

……………………………………… Miroslav Lábus


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Poděkování: Moje poděkování náleží především mému vedoucímu Ing. Petru Blechovi, Ph.D., z jehož podnětu práce vznikla. Děkuji mu za jeho mimořádnou ochotu, obětavost a čas, který mi v průběhu práce věnoval. Rovněž děkuji Ing. Michalu Holubovi za mnoho užitečných připomínek a poskytnutý materiál.

Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky Str. 1

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Obsah: 1.

Úvod ………………………………………………………………….…

2

2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

HSC …………………………………………………………………….. Technologie „HSC“………………………………………………….….. Hlavní výhody a nevýhody HSC ………….………………………….… Parametry rychlostního obrábění ……………………………………….. Základní vlastnosti HSC strojů …………………………………………. Řezné materiály a nástroje pro HSC …………………………………….

3 3 4 4 6 7

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

Vřetena HSC obráběcích strojů ……………………………………… Vřeteno obráběcího stroje – úvod ………………………………………. Požadavky na vřeteno …………………………………………………... Stavba HSC vřeten ……………………………………………………… Uložení vřeten …………………………………………………………... Upínací kužele ………………………………………………………….. Způsob zástavby ………………………………………………………... Pohony vřeten …………………………………………………………... Chlazení elektrovřeten ………………………………………………….. Vyvážení vřeten …………………………………………………………

8 8 8 10 11 15 16 17 19 20

4.1 4.2 4.3 4.4

Výrobci vysokorychlostních vřeten a komponent …………………... Elektrovřetena …………………………………………………………... Malá elektrovřetena …………………………………………………….. Přídavná vřetena ………………………………………………………... Přehled výrobců vřetenových ložisek …………………………………...

21 21 22 23 25

Trendy a vývoj - EMO Hannover 2007 ……………………………… 5.1 Vřetena ……………………………………………………………….…. 5.2 Vřetenová ložiska …………………………………………………….… 5.3 Nové koncepce mazání vysokootáčkových vřeten ……………………...

26 26 26 28

3.

4.

5.

6.

Závěr …………………………………………………………………… 31 Seznam obrázků …………………………………………………….…. 32 Seznam tabulek ………………………………………………………... 33 Literatura ……………………………………………………………… 34


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 1. Úvod: Výrobní technologie zaznamenaly v uplynulých letech značný pokrok. Na předním místě to bylo zvláště vysokorychlostní obrábění (HSC), které přitahovalo pozornost odborníků různých profesí. Hlavní rozvoj této technologie umožnily nové řezné materiály vyvinuté v posledních deseti letech. Parametry nástrojů tak vytvořily a podnítily další rozvoj obráběcích strojů. Teprve v poslední době jsou navrhovány nové stroje s přihlédnutím ke specifikům HSC obrábění. Užívají se málo hmotné tuhé díly umožňující dosažení vysokých rychlostí a zrychlení, vznikají nové kinematické struktury obráběcích strojů a používají se přímé pohony. Jednou z důležitých součástí stroje pro HSC obrábění je kvalitní vřeteno. Vřetena moderních obráběcích strojů jsou konstrukční uzly, které přímo ovlivňují kvalitu a přesnost povrchu obrobku a hospodárnost obrábění. Současné vřetenové jednotky jsou složitá, komplexní a drahá zařízení a na jejich konstrukci jsou kladeny vysoké nároky. [5], [6]


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 2. HSC: 2.1 Technologie „HSC“: Mezi základní HSC technologie patří kromě vlastního vysokorychlostního obrábění (obr. 2.1) i tzv. suché a tvrdé obrábění. Tyto technologie spolu úzce souvisí. Jejich úkolem je snížení hlavních výrobních časů. Technologie vysokorychlostního obrábění (High Speed Cutting, zkráceně „HSC“), je progresivní způsob výroby využívající 5 až 10 krát vyšších řezných rychlostí oproti konvenčnímu způsobu obrábění pro určitou řeznou operaci. Na počátku devadesátých let minulého století se v odborných kruzích zvýšil zájem o prozkoumání této technologie a propojení s již známými technologiemi. Díky vývoji výpočetní techniky, nových řezných materiálů a integrovaných vřeten je již HSC obrábění hojně používáno v praxi. Při vývoji vysokorychlostního obrábění bylo zjištěno, že zvýšením řezné rychlosti a minutových posuvů při sníženém průřezu třísky a snížené řezné síle se dosáhne zvýšení úběru třísek, vyšší kvality obrobeného povrchu a vyšší životnosti nástroje. Vysoká relativní rychlost třísky po čele nástroje s novou kvalitou řezné hrany zvyšuje podíl tepla, který při řezném procesu odchází s třískou. Teplota třísky se blíží tavné teplotě obráběného materiálu tj. přibližně 600°C pro hliník, 1000°C pro bronz, 1300°C pro šedou litinu a 1500°C pro ocel. Redukce tepelných toků do nástroje, rámu stroje a do obrobku při současném snížení řezných sil vede ke zvýšení přesnosti obrobku i kvality jeho povrchu na funkčních plochách. Vysokorychlostní obrábění se nejprve uplatnilo při letmém frézování součástí z lehkých slitin v letecké výrobě a brzy nato i ve výrobě forem všeho druhu. Dnes hlavní oblasti použití HSC technologií v praxi představují: o výroba skříňových součástí; o letecký průmysl; o výroba slabostěnných součástí; o výroba součástí z materiálu citlivých na teplo; o výroba forem ….

Obr. 2.1 Ukázky HSC obrábění [30]


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Suché obrábění (DM – Dry Maschining) přináší úsporu řezných, chladících a mazných kapalin a tím snížení nákladů na jejich nákup, provoz a likvidaci. Častěji než úplné obrábění na sucho (obr. 2.2) se setkáváme s tzv. pseudo nebo kvazi suchým obráběním, u kterého se používá určité malé množství řezné kapaliny pro mazání kontaktní plochy třísky a pro snížení třecích sil mezi třískou a nástrojem. Tím se ovšem z řezného procesu vytrácí chladící a odplavovaní efekty. Vždy je však nutné postarat se o odvod horkých třísek a zabránit jejich hromadění na obrobených plochách nebo na důležitých částech stroje. Řešení těchto problémů spočívá například ve vhodném uspořádání rámu stroje, které umožní volné propadávání a dopravu třísek do tepelně izolovaného nebo vně uspořádaného prostoru. Tvrdé obrábění (HM – Hard Maschining) znamená obrábění kalených ocelí a jiných velmi tvrdých materiálů nástroji s definovaným tvarem řezné hrany náhradou za dříve užívanou technologii broušení. Tvrdé obrábění je umožněno hlavně použitím kubického nitridu boru (CBN) jako řezného materiálu nástroje. Tento materiál je druhý za diamantem co do tvrdosti, ale svou tvrdost si na rozdíl od diamantu udržuje až do vysokých teplot (až do 2000 °C), překračujících tavnou teplotu železných materiálů. Má také mnohem vyšší odolnost proti mechanickým nárazům a teplotním šokům. Hlavní oblast tvrdého obrábění je obrábění ocelí s tvrdostí 55 – 65 HRC. [8], [9], [13], [14]

Obr. 2.2 Suché obrábění [30] 2.2 Hlavní výhody a nevýhody HSC: VÝHODY: nízká teplota nástroje a obrobku nízké řezné síly je možné obrábět velmi tenké stěny vysoká přesnost a jakost povrchu snížení hlavních časů při obrábění…

NEVÝHODY: vyšší zrychlení a zpomalení, rozběh a zastavení vřetena způsobují relativně vyšší opotřebení vodítek, kuličkových šroubů a ložisek vřetena není vhodné používat nástroje z rychlořezné oceli

2.3 Parametry rychlostního obrábění: Velikost řezných rychlostí při HSC nezáleží pouze na druhu obráběného materiálu, ale i na druhu operací. Jednoznačná klasifikace neexistuje. V literatuře se setkáváme s pojmy: - klasické, - vysokorychlostní [10] - ultravysokorychlostní obrábění (provádí se zatím experimentálně).



Obr. 2.3 Rozsahy řezných rychlostí při třískovém obrábění [10]

Obr. 2.4 Vymezení rozsahu řezných rychlostí pro HSC obrábění [10]


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 2.4 Základní vlastnosti HSC strojů: Nástup HSC strojů pro technologie vysokorychlostního obrábění vyvolává generační změny v celé široké oblasti výrobních strojů. Nové stroje mají několikanásobně vyšší instalovaný výkon i produktivitu a současně i značnou šířku technologie a pružnosti ve výrobním nasazení. Pracují převážně v podmínkách vícesměnného nebo nepřetržitého provozu ve výrobních buňkách, kde jsou obklopeny manipulátory a velkokapacitními zásobníky obrobků i nástrojů. Mezi nejperspektivnější typy obráběcích strojů patří vysokorychlostní tří- až pětiosá obráběcí centra (obr 2.5) na nerotační obrobky a čtyř- až pětiosá vysokorychlostní soustružnická centra s multiprofesními, příp. multitechnologickými možnostmi na rotační obrobky. Vývoj nových generací HSC strojů není ještě zdaleka ukončen. Probíhá u nejsilnějších výrobců a firemních seskupení velmi rychlým tempem, které je dosahováno za cenu vynakládání značných prostředků a spolupráce firem i odborníků ze všech navazujících vědních i výrobních oborů. Při posuzování HSC strojů nejsou vždy rozhodující „instalované“ parametry otáček, posuvů a výkonů, ale spíše optimální vyladění koncepce stroje a jeho nástrojového osazení pro danou oblast technologických Obr. 2.5 5-osé HSC frézovací centrum (fa FIDIA) [26] aplikací. Důležitý je dosažený nárůst řezné rychlosti a výkonu řezání oproti konvenční technologii obdobného případu. Velký důraz při koncepčním řešení vysokorychlostních strojů se klade na rychlý odvod horkých třísek od obrobku, z pracovního prostoru a ze strojů vůbec. Dá se říci, že HSC stroj produkuje oproti konvenčnímu stroji za jednotku času zvýšený objem třísek. Prakticky může jít o dvou až osminásobek objemového úběru v porovnání s konvenčními stroji. Jednou z nejdůležitějších konstrukčních změn HSC obráběcích strojů jsou vysokootáčková a vysokovýkonová vřetena s integrovanými motory, tzv. elektrovřetena. Koncepce tohoto náhonu je zvolena hlavně z důvodu eliminace zdrojů chvění. Také se podstatně zkrátí stavební délka vřeteníku a minimalizují se možné zdroje vyzařování tepla hnacích elementů (ozubená [13] Obr. 2.6 Pětiosé frézování HSC vřetenem kola, řemenové převody …). [13]


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 2.5 Řezné materiály a nástroje pro HSC: Jako řezné materiály se v technologii vysokorychlostního obrábění používají polykrystalický diamant (obrábění neželezných kovů), kubický nitrid boru (kalené oceli), cermety (nástrojové oceli) a mikrozrnné slinuté karbidy (pro obecné použití). Pro HSC technologie bylo vyvinuto nepřeberné množství nástrojů. Zejména vedoucí firmy na trhu, jako Sandvik Coromant, Kennametal – Hertel, Walter, Seco, Iscar, Widia a další, se podílejí na vývoji a inovaci stále nových a lepších nástrojů. Obr. 2.7 Ukázka břitových destiček Tabulka 1 uvádí orientačně přehled některých (fa Seco) [4] výrobců a doporučené řezné rychlosti pro obrábění různých materiálů. Řezné hrany nástrojů jsou vesměs vytvářeny ve formě výměnných břitových destiček (obr. 2.7), které jsou upínány do nástrojových těles nejrůznějšího tvaru vhodného pro příslušné řezné operace. S ohledem na požadovanou aplikační univerzálnost mají výměnné destičky většinou velmi jednoduché tvary. Tělesa nástrojů však mají mnohdy značně složité tvary a různě prostorově orientované plošky k fixaci břitových destiček. Jinou variantou řešení HSC nástroje je nástroj z tvrdokovu (celotvrdokovový). Velmi důležitým vývojovým směrem pro rychle se rozvíjející HSC stroje a centra soustružnického i frézovacího typu je vývoj univerzálních nástrojových systémů. Tyto nástrojové systémy v sobě zahrnují pevné nástroje pro soustružnické operace i rotující poháněné nástroje pro obrábění nerotačních povrchů. Obrázek 2.8 ukazuje nástrojové hlavice systému Coromant – Capto. [13] Obr. 2.8 Nástrojové hlavice systému Coromant - Capto [13] Tab.1 Přehled některých výrobců a doporučené řezné rychlosti pro obrábění [6] Firma Řezná rychlost [m/min] Materiál Sandvik Coromant 275 - 475 Nelegovaná ocel Walter 80 - 180 Iscar 180 - 370 Sandvik Coromant 120 - 255 Nástrojová ocel Walter 45 - 115 Iscar 80 - 180 Kennametal – Hertel 70 - 170 Sandvik Coromant 1000 - 1200 Hliníkové slitiny Walter 1000 - 2000 Kennametal – Hertel až 4000


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 3. Vřetena HSC obráběcích strojů: 3.1 Vřeteno obráběcího stroje - úvod: Úlohou vřetena je zaručit obrobku (u soustruhů) nebo nástroji (u frézky, vrtačky, brusky) přesný otáčivý pohyb, tj. takový, při němž se dráhy jednotlivých bodů obrobku a nástroje liší od kružnice jen v přípustných mezích. Funkce vřetena je zde shodná s funkcí kruhového vedení a vřeteno se od něho liší pouze tvarem. [9]

VŘETENO OBRÁBĚCÍHO STROJE Způsob zástavby

Uložení vřeten

- vřeteník - tubus

- kluzné - valivé - hydrostatické - aerostatické - elektromagnetické

Utěsnění

Náhon

Upínací kužel

- dotykové - vložený převod - ISO (SK) - bezdotykové - el.vřetena - HSK - přímý náhon - Coromant Capto

Obr. 3.1 Morfologie vřetena [9] Každé vřeteno má tři základní parametry: o maximální otáčky [min-1]; o výkon [kW]; o kroutící moment [Nm].

3.2 Požadavky na vřeteno: Vřeteno představuje velmi důležitý prvek ve skladbě obráběcího stroje, a proto jsou na konstrukční provedení kladeny náročné požadavky: o přesnost chodu ( je určena velikost tzv. radiálního a axiálního házení), (obr. 3.2 a 3.3); o dokonalé vedení (vřeteno nesmí měnit polohu v prostoru, mění-li jeho zatížení směr a smysl); o v uložení vřetena musí být možno vymezovat vůli vzniklou opotřebením; o ztráty v uložení vřetena musí být co nejmenší (účinnost, tepelné dilatace, změna polohy a funkce); o vřeteno musí být tuhé (jeho deformace spolu s přesností chodu má rozhodující vliv na přesnost práce obráběcího stroje). Přesnost chodu vřetena se kontroluje na předním konci vřetena na té ploše, která má přímý vliv na přesnost otáčení obrobku (např. plocha pro upevnění upínací desky či sklíčidla) nebo nástroje. [9]



a)

b)

Obr. 3.2 Radiální házení vřetena [11] a) nepřesnost otáčení vřetena během jedné otáčky b) nesouosost plochy na které se měří a osy otáčení c) úchylka kruhovitosti plochy na které se měří házení c)

Obr. 3.3 Měření axiálního házení na čelní ploše vřetena [11] V praxi obecně platí pravidlo pro volbu a montáž uložení vřeten obráběcích strojů. Aby radiální házení předního konce vřetena bylo co nejmenší, je třeba zvolit přední ložisko (hlavní) přesnější, tj. s menším házením než zadní, a montovat je tak, aby obě házela v jedné rovině a ve stejném smyslu. Pro hlavní ložisko se použije valivé ložisko se zvýšenou přesností chodu a pro zadní ložisko se použije ložisko běžné přesnosti. [9] Pro HSC obrábění je klíčovým parametrem řezná rychlost. Ta spolu s průměrem nástroje definuje požadované otáčky vřetene. Na konstrukci vřeten HSC obráběcích strojů jsou tedy kladeny vyšší požadavky, především potřeba vysokých otáček při zachování potřebných výkonů a kroutících momentů. Otáčky vřetene jsou závislé na požadované řezné rychlosti a průměru nástroje. Při práci s malým průměrem nástroje otáčky narůstají. Výkon na vřeteni je závislý na řezné rychlosti, která je dána technologicky, a na řezné síle. Ta závisí na ploše řezu a velikosti řezného odporu. Jak už jsem zmínil v odstavci 2.1, při vysokorychlostním obrábění dochází k odebírání žhavé třísky a k poklesu řezného odporu. To ovlivňuje i požadovaný moment vřetene, který závisí na řezné síle a poloměru nástroje. Pro dosažení optimálních řezných podmínek nabízí dnes velké množství firem široké spektrum různých vřeten – od vřeten poháněných elektromotorem přes řemenový převod, elektrovřetena s ruční i automatickou výměnou nástroje, až po vřetena s otáčkami přes 100 000 min-1 a přídavná vřetýnka. [6]


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 3.3 Stavba HSC vřeten: Konvenční vřetena obráběcích strojů s extrémními pohony, mechanickými převodovkami a spojkami nemohou splnit požadavky kladené na instalovaný výkon, geometrickou přesnost, radiální, axiální a torzní tuhost a tlumení vibrací v širokém rozsahu otáček požadovaném HSC technologiemi. Nově vyvinuté HSC stroje jsou vesměs vybaveny integrovanými vřeteny se zabudovaným koaxiálním bezkartáčovým synchronním nebo asynchronním motorem opatřeným vnějším mazacím a chladícím subsystémem. V dnešní době se ve vřetenech HSC obráběcích strojů používají hybridní ložiska s keramickými kuličkami, ložiska hydrostatická, která se hodí díky své přesnosti pro dokončovací operace. Dále se používají ložiska vzduchová nebo elektromagnetická. Vřetena musí být silově předepnuta v radiálním i axiálním směru a pracovat bez vůle, s dobrou tuhostí i účinností v celém rozsahu otáček a pracovních teplot. Moderní vřetena (obr. 3.4) mají standardně zabudovány snímače pro sledování různých veličin. Obvykle mají vřetena čidlo teploty ložisek, čidlo teploty statorového vinutí, čidlo axiálního protáhnutí vřetene vlivem jeho oteplení, čidlo polohy upínacího systému nástroje (nástroj upnut, nástroj neupnut, upnuto bez nástroje, čištění upínacího kuželu) a snímač vibrací. Signály z těchto čidel a snímačů je třeba dále zpracovávat a vyhodnocovat, což má na starosti diagnostický systém, který je schopen udat komplexní údaje o stavu vřetene a jeho dalším chodu. Kromě této základní sady různé firmy nabízejí další diagnostické možnosti. Například software proměření vibrací a určení kritické frekvence soustavy vřeteno – nástrojový držák – nástroj. Řídící systém následně hlídá, aby vřeteno nepracovalo v blízkosti této frekvence (fa Fischer). Existuje celá řada systémů, které výrobci vřeten vyvíjejí pro diagnostiku a učinění různých opatření a tím prodloužení životnosti nástroje i samotného vřetena. [6], [13]

Obr. 3.4 Moderní elektrovřeteno a jeho typické uzly (fa Step-Tec) [6]


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 3.4 Uložení vřeten: Na ložiska vřeten jsou kladeny tyto požadavky:

Přesnost – ložisko nesmí házet a se změnou velikosti a smyslu zatížení měnit polohu své osy Vysoká tuhost Malé pasivní odpory – malý součinitel tření a tím i malé oteplení Malé opotřebení – pomalé zvětšování vůle, vysoká životnost Možnost vymezování vůle Jednoduchá údržba a spolehlivost Klidný chod [11]

o Vřetena se vzduchovým uložením (aerostatické uložení): Vřetena se vzduchovým uložením (obr 3.5) mohou být použita v rozsahu od 10 000 do 200 000 min-1. Jejich aplikace je jen pro menší průměry a malé vnější síly. Vzduchová ložiska jsou velmi citlivá na silové přetížení, a proto je jejich použití pro HSC technologie obrábění nevhodné. Toto uložení se používá u např. u brusek a vybrušovacích vřeten. [8]

Obr.3.5 Schéma aerostatických radiálních ložisek [11]

o Vřetena s valivým uložením: Valivé uložení je vybaveno zejména ložisky s kosoúhlým stykem. Toto uložení je nejčastěji užívané řešení, konstrukčně jednoduché a dostatečně tuhé. Je vhodné pro vysoké rychlosti i zátěže a není citlivé na silová přetížení. Keramické kuličky (Si3N4) s dvojnásobnou tvrdostí a 40% hmotností nahrazují ocelové kuličky téměř ve všech HSC aplikacích. Taková ložiska jsou nazývána hybridní (obr 3.6) a vyznačují se sníženými odstředivými silami, mnohem delší životností a vyšší tepelnou odolnosti. Mazání je provedeno buď trvalou náplní nebo směsí vzduchu s olejem. Druhý způsob umožňuje dosažení velmi vysokých otáček. Původní výhody jednoduchosti a nízkých cen valivých uložení se značně vytrácejí nutností použití externích Obr. 3.6 Hybridní kuličkové [30] mazacích a chladících subsystémů pro HSC vřetena tohoto ložisko (fa SKF) typu. [13]



Obr. 3.7 Uložení vřetena v radiálních kuličkových ložiskách s kosoúhlým stykem [11] Hybridní ložiska mají tyto přednosti : - kuličky dobře snášejí teploty do 1000 °C, - odolné proti korozi, - mají nízkou hustotu - malé odstředivé síly, - vysoký modul pružnosti (50% než ocel), - nízký koeficient tření (bez mazání). Kuličky z keramiky lze opracovat a leštit jako ocelové.

[10]

Obr. 3.8 Schéma konstrukčního řešení integrovaného vřetena s valivým uložením [13]

o Vřetena s hydrostatickým uložením: Nízkoviskózní olej, který u vřeten s hydrostatickým uložením slouží jako radiální i axiální opora, vykonává současně funkce mazání, chlazení a tepelné stabilizace, což vede k relativně jednoduchému konstrukčnímu řešení vřetena. U velkých hydrostatických vřeten zůstává nezávislé chlazení motoru nutností. Vřeteno má výborné tlumení, velmi vysokou tuhost i přesnost a lze jej použít pro nejvyšší silové zátěže. Použití až do rozsahu nejvyšších otáček brání vyšší vnitřní tření v ložisku. Třecí moment je v klidu nulový, ale roste s otáčkami. [13]



Obr. 3.9 Schéma konstrukčního řešení integrovaného vřetena s hydrostatickým uložením [13]

Obr. 3.10 Hydrostaticko – hydrodynamické vřeteno

[13]

Obrázek 3.10 ukazuje hybridní uložení vřetena kombinující hydrostatické a hydrodynamické radiální i axiální prvky vyvinula firma Ingersoll Milling v USA, které aplikuje na svých strojích. Výkon tohoto vřetena je 37,5 kW a maximální otáčky 20 000min-1.


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE o Vřetena s magnetickým uložením: Vřetena s magnetickým uložením jsou vybavena senzory, které monitorují radiální i axiální odchylky a řídící proud v cívkách radiálních a axiálních elektromagnetických ložisek. Intenzivní vnější chlazení magnetických ložisek i motoru je nezbytnou nutností. Senzory monitorují mechanické odchylky s frekvencí asi 10 kHz a proudy v cívkách elektromagnetických ložisek jsou řízeny s frekvencí 100 kHz, aby bylo zabezpečeno aperiodické chování vřeten v přechodových režimech. Aplikace procesního řízení těchto vřeten je usnadněna možností vyhodnocení proudu v cívkách jako signálu vnějších sil. Magnetická vřetena mají prakticky nulové tření v celém rozsahu otáček a mohou být použita pro broušení i frézování až do otáček 200 000 min-1, mazání zde není zapotřebí. Pomocná mechanická ložiska s patřičnou vůlí chrání magnetická ložiska před zničením při výpadku energie. Tento způsob konstrukčního provedení vřeten dodávají např. firmy: Ibag (obr 3.11), Seiko Seiki. [13]

Obr. 3.11 Schématický řež magnetickým vřetenem a prostorové postavení dvou čtveřic radiálních ložiskových elektromagnetů (fa IBAG) [13]



Obr. 3.12 Schéma konstrukčního řešení integrovaného vřetena s magnetickým uložením [13]

3.5 Upínací kužele: Mnoho typů elektrovřeten je nabízeno s kuželi ISO, které jsou v praxi nejvíce rozšířeny. Tyto kužely umožňují dosednutí nástrojového držáku na jednu plochu. Upnutí je realizováno tahem upínacího systému uvnitř vřetena za tažný element zašroubovaný v držáku. Tyto kužely jsou sice užívány pro obrábění vysokými řeznými rychlostmi, ale oproti HSK kuželům mají menší tuhost. [6]

Obr. 3.13 Upínací kužele ISO (OTT Jakob)

[9]

U vysokootáčkových vřeten s automatickou výměnou nástroje se jednoznačně prosazuje upínání přes HSK kužel. Jeho základní vlastností jsou dvě dosedací plochy – kuželová a čelní. Tím se dosahuje vyšší tuhosti upnutí nástroje. Zároveň je možno přenést přes tyto dvě plochy vyšší kroutící moment, a to až o jednu rozměrovou řadu v porovnání s kuželem ISO. HSK kužely jsou upínány za vnitřní dutinu táhly a předepjatými talířovými pružinami. Speciálně pro vysokorychlostní obrábění byly vyvinuty kužely HSK-E a HSK-F. Oba typy jsou pro automatickou výměnu nástrojů. Z povrchu byla odstraněna všechna zafrézování, která by mohla být zdrojem nevývah. Na kuželech už také nejsou dvě unášecí drážky, takže kroutící moment se přenáší pouze silovým stykem. [6]

Obr. 3.14 Upínací kužele HSK (OTT Jakob)

[9]


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE K uvolnění v obou případech dochází pomocí hydraulického válce.

o Stopky nástrojových držáků: -

kuželová stopka ISO (kuželovitost 7 : 24) krátká kuželová stopka HSK (kuželovitost 1 : 10) válcová stopka (méně často) speciální profil (např. trojúhelníkový Sandvik Coromant) - BIG Plus (v podstatě jako ISO sedící na čele) [9]

Obr. 3.15 Stopky nástrojových držáků [9] 3.6 Způsob zástavby: Vřeteník svým konstrukčním řešením představuje těleso v němž je uloženo vřeteno a z části nebo i z cela převodové mechanismy pohonu pracovního vřetena obráběcího stroje. Vřeteník je s rámem stroje pevně spojen např. u soustruhu a některých typů brusek, tvoří součást rámu stroje, nebo je po rámu stroje pohyblivý a vykonává jeden z pohybů řezného procesu – pracovní posuv. Vřeteník však může vykonávat pomocný pohyb – přestavovací, potřebný k najetí a ustavení na určitou souřadnici. Takovéto pohyby konají vřeteníky u vodorovných vyvrtávaček, rovinných frézek apod. Konstrukční provedení vřeteníku musí být dostatečně tuhé, aby celková tuhost uložení vřetena zaručovala vysokou přesnost práce na stroji. Přes rozlišné konstrukční varianty existují dva základní způsoby zástavby vřetena do nosné struktury stroje: o zástavba tělesa skříňového tvaru (obr. 3.16); o zástavba do tělesa rotačního tvaru – tubusu (obr. 3.17). [8], [9]

Obr. 3.16 Skříň vřetena (NSK) [9]



Obr. 3.17 Tubus vřetena (NSK) [9]

3.7 Pohony vřeten: NÁHON VŘETENA Vložený převod

Přímý náhon

Elektrovřeteno

- řemenem - ozubenými koly (obr 3.22) - převodovkou

- spojení el. vřetena nebo servopohonu s vřetenem

- synchronní - asynchronní

Obr. 3.18 Druhy náhonu vřetena [9] Pohon samotného vřetena prostřednictvím vysoce kvalitní dvoustupňové převodovky (obr. 3.21) má oproti přímému pohonu axiální spojkou od motoru nebo integrovanému elektrovřetenu (obr. 3.23) nepopiratelnou výhodu zvýšeného kroutícího momentu v nižších otáčkách a zvýšeného výkonu ve vyšších otáčkách. Pohony vřeten s dvoustupňovou převodovkou jsou standardně použitelné až do výkonu 35 kW (pro kužel vřetena ISO 50). Nejnižší rychlostní stupeň dává plný výkon už při otáčkách 652 min-1 pro oceli a těžkoobrobitelné materiály. Stroje s dvoustupňovou převodovkou tedy umožňují efektivní silové i HSC obrábění všech myslitelných druhů materiálů a mají nejširší technologickou využitelnost. Vřeteno s takto uspořádaným pohonem je ochráněno před nepříznivými vlivy motoru, zejména vibracemi, magnetickými vlivy a tepelnými šoky. Lépe než vodou může být chlazeno olejem cirkulujícím přes řízený chladič, což přispívá k automatické kompenzaci tepelných dilatací. Tím vším se oproti integrovanému provedení zvyšuje přesnost chodu vřetena a prodlužuje jeho životnost. Vřetena dávají možnost tlakového přívodu řezné kapaliny do nástroje (obr 3.19), což je důležité zejména při vrtání hlubokých děr. [13]

Obr. 3.19 Druhy přívodů řezné kapaliny [9]



Obr. 3.20 Porovnání konstrukce a charakteristik dvoustupňového pohonu vřetena s jednostupňovým [13]

Obr. 3.21 Náhon vřetena řemenovým převodem s dvoustupňovou převodovkou (fa IMID) [9]



Obr. 3.22 Konstrukce vřetena pro nahánění převodovkou s ozubenými koly (fa Mitsui Seiki) [9] Obr. 3.23 Elektrovřeteno(fa Mitsui Seiki) [9]

3.8 Chlazení elektrovřeten: Integrovaná elektrovřetena HSC strojů mají obvykle průtokově stabilizované statory a přívod mazání ze statorů do valivých (hybridních) ložisek s keramickými kuličkami. Při velkém momentovém zatížení v oblasti nižších otáček se rotor přehřívá, a právě proto je nutno jeho moment omezovat právě při práci s většími průměry nástrojů, kde by ho bylo nejvíce zapotřebí. Na trhu jsou i elektrovřetena s průtokovým chlazením rotoru olejem, který z něj odstředivě odstřikuje na vnitřní kroužky ložisek a je dále vyveden z rotoru k chlazení vnějších kroužků valivých ložisek a statorového vinutí motoru. Řez takového vřetena je na obrázku 3.24. Kapalinové chlazení takto chlazených vřeten zcela eliminuje tepelné toky do rámu stroje. Průtokové chlazení vřeten nijak nebrání vnitřnímu tlakovému chlazení nástrojů středem vřetena, ani automatickému upínání nástrojů. [13]

Obr. 3.24 Řez integrovaným vřetenem s průtokově chlazeným statorem i rotorem (fa Makino) [13]


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 3.9 Vyvážení vřeten: Vysokootáčková vřetena jsou mimořádně citlivá na dynamickou nevyváženost, která může být vyvolána vlastním vřetenem, nástrojem i zařízením pro upínání a automatickou výměnu nástrojů. Při vysokých otáčkách se nepatrné nevyváženosti rotujícího vřetena projeví viditelným kmitáním, které může být ještě s každým použitým nástrojem různé. A to může mít za následek zhoršení jakosti obráběného povrchu nebo přesnosti tvaru finálního obrobku. Požadavky na eliminaci nevyváženosti ve vztahu k celkové hmotnosti rotoru jsou vyčíslovány tzv. parametrem G, který vyjadřuje rychlost vibračního pohybu v mm/s. Firma Fischer dodává automatické vyvažovaní vřetena nazývané AutoBalance (obr. 3.25). Toto zařízení je nasazeno na předním konci a sestává se ze snímačů a Obr. 3.25 Vyvažovací systém AutoBalance (fa Fischer) [5] dvou kotoučů s nevývahami. Snímače sledují házení předního konce a data vyhodnocují. Podle výsledků jsou kotouče natáčeny tak, aby vřeteno vyvážily. Celý proces lze sledovat na monitoru připojeného počítače. [5], [13]

Dr. Ing. Wittstock a jeho spolupracovníci z oddělení adaptroniky a akustiky Fraunhoferova ústavu pro obráběcí stroje a tvářecí techniku IWU v Chemnitz vyvinuli zcela nové vřeteno (obr. 3.26) s adaptivním upevněním vrtáků, stopkových fréz a jiných nástrojů pro vysokorychlostní obrábění HSC. Zajímavé řešení s adaptivními vlastnostmi aktivně omezuje nežádoucí kmitání a umožňuje přesné frézování a vrtání v širokém rozsahu pracovních otáček. Elektronický polohovací systém velmi jemně ovládá polohu vřetena ve třech prostorových směrech. Jeho základem je kardanový kloub, který zaručuje vynikající základní tuhost. Na kardanový kloub působí nahoře a dole vždy tři piezoelektrické akční členy. Přivádíme – li na akční členy řídicí napětí, řízeným způsobem se deformují. To umožňuje kardanovým kloubem a vřetenem, které je na něm upevněno, velmi jemně pohybovat a vznikající nežádoucí kmitání vřetena novým dynamickým vyvážením ihned vykompenzovat. Podmínkou je ovládat všechny tři akční členy současně. Hlavní zásluhu na velmi dobré dynamice systému má především nízká hmotnost piezoelektrických akčních členů a vřetena. Vřeteno s adaptivním upevněním nástrojů představili pracovníci Fraunhferova ústavu IWU na Obr. 3.26 Vřeteno s adaptivním upevněním nástrojů [15] světovém veletru EMO 2007 v Hannoveru. [15]


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 4. Výrobci vysokorychlostních vřeten a komponent: 4.1 Elektrovřetena:

(vřetena s automatickou výměnou nástroje)

Integrovaná vřetena jsou přímé rotační pohony a jako takové nemohou využít výhod, které přinášejí mechanické převodovky s proměnným převodem, tj. výhod konstantního výkonu v celém pracovním rozsahu otáček a vysokých momentů při nižších otáčkách. Někteří výrobci dosud zůstávají u vřeten s mechanickou, většinou dvoustupňovou převodovkou, která ovšem musí být pro požadované vysoké otáčky a přenášené výkony provedena v nejvyšší možné přesnosti a kvalitě. Obr. 4.1 Elektrovřeteno Motory integrovaných vřeten jsou bez výjimky (fa GMN) [21] bezkartáčové, s elektronickým přepínání statorových vinutí během otáčky. Přepínání je odvozeno od údajů snímače úhlové polohy rotoru. U asynchronních motorů je kroutící moment vyvozován účinkem vířivých proudů indukovaných v kleci rotoru. Asynchronní pohony se používají velmi zřídka a nikdy ne pro velmi vysoké otáčky (přesahující 30 000 min-1). Pro pohon elektrovřeten se většinou používají integrované vektorově řízené synchronní motory. Rotor synchronních motorů nese extrémně silné permanentní magnety ze vzácných zemin nebo keramiky. Výhodou synchronních motorů je jejich „studený princip“ a tím možnost dosažení vyšších parametrů na jednotku objemu a váhy. Další výhodou je jejich snadné řízení. [13] Tabulka 2 uvádí orientační přehled výrobců elektrovřeten, obrázky 4.1 a 4.2 ukazují příklady elektrovřeten různých výrobců. Obr. 4.2 Elektrovřeteno (fa IBAG) [25]

-

Stručná charakteristika současných elektrovřeten: integrovaný synchronní pohon s vektorovým řízením otáčky v rozsahu 20 000 až 50 000 min-1 uložení na hybridních ložiskách vnitřní chlazení integrované snímače a diagnostika za chodu


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Tab.2 Přehled výrobců elektrovřeten s automatickou výměnou nástroje [6] Výrobce Otáčky Výkon Moment -1 [min ] [kW] [Nm] 20 000 ÷ 40 000 8 ÷ 60 10 ÷ 75 Cytec 45 000 Deuschle 25 000 ÷ 60 000 3 ÷ 15 1 ÷ 42 Diebold 24 000 ÷ 80 000 14 ÷ 70 8 ÷ 70 Fischer 24 000 Fortuna 20 000 40 Franz Kessler 20 000 ÷ 60 000 5,5 ÷ 60 1 ÷ 61 GMN 20 000 Heinz Fiege 20 000 ÷ 50 000 1,5 ÷ 7,5 0,3 ÷ 3,7 HSD Mitsui Seiki 24 000 ÷ 70 000 6 ÷ 50 1 ÷ 95 IBAG 20 000 ÷ 30 000 9 ÷ 38 7 ÷ 18 Omlat 20 000 ÷ 42 000 7 ÷ 70 4 ÷ 80 SKF 24 000 ÷ 42 000 10 ÷ 24 6 ÷ 70 Step - Tec

4.2 Malá elektrovřetena:

(vřetena s ruční výměnou nástroje)

Tato vřetena nabízejí výrobci pro rozsah otáček 40 000 až 160 000 min-1. Dutiny vřeten mají již tak malý průměr, že do nich lze upnout pouze nástroj do průměru 10 mm pomocí velmi přesné kleštiny. Výkony těchto vřeten se pohybují v desetinách kW, kroutící momenty v setinách Nm. Velká část malých vřeten má integrovaný elektrický pohon. Slabým místem tohoto pohonu je cena vysokofrekvenčních měničů, která je značně vysoká. Tyto měniče, přesněji jejich výstupní frekvence, tvoří jedno z hlavních omezení dalšího rozvoje vřeten tohoto typu. Jinou používanou možností pohonu je tlakový vzduch. Vřeteno se skládá z hřídele o relativně malém průměru, na jehož konci je připevněno malé turbínové kolo. Pro napájení je užíván tlakový vzduch z agregátu o tlaku 6 –10 barů. Celý pneumatický systém má zpětnou vazbu, která sleduje otáčky vřetene. Pokud otáčky poklesnou vlivem zatížení nástroje v řezu, je pneumatický systém schopen během 0,1 s (fa Deuschle) pokles vyrovnat. Otáčková poddajnost je tedy relativně malá. Tato vřetena jsou téměř výhradně uložena v hybridních kuličkových ložiskách s trvalou tukovou náplní. Malá vřetena mají integrovanou senzoriku a diagnostiku o mnoho chudší oproti elektrovřetenům. Standardně bývá zamontováno jen čidlo teploty, navíc je možno dodat snímače vibrací ložisek. Montáž jakékoli další diagnostiky je limitována [6] malými rozměry vřetene. Obr. 4.3 znázorňuje příklad malého Obr. 4.3 Elektrovřeteno Jäger SK1-01/60 elektrovřetena. Tabulka 3 orientačně s max. otáčkami 60 000 min-1 [24] uvádí přehled výrobců malých vřeten.


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Tab.3 Přehled výrobců malých elektrovřeten [6] Výrobce Otáčky Výkon -1 [min ] [kW] 40 000 ÷ 80 000 0,17 ÷ 4,5 Alfred Jäger 48 000 ÷ 70 000 0,2 ÷ 1,5 Deuschle 30 000 ÷ 60 000 0,6 ÷ 1,2 Faemat 45 000 ÷ 105 000 1,75 ÷ 7,5 GMN 35 000 ÷ 120 000 0,26 ÷ 1,5 IBAG 40 000 ÷ 160 000 0,5 ÷ 2,6 Precise

4.3 Přídavná vřetena: V současné době je v provozu mnoho starších strojů, jež jsou osazeny vřeteny s otáčkami, které nejsou dostatečné pro nové nástroje, které pracují vysokými řeznými rychlostmi. Na tuto skutečnost reagovali výrobci vřeten nabídkou přídavných vřeten, která lze vestavět do hlavního vřetene. Na trhu jsou vřetena s elektrickým, mechanickým pohonem nebo mechanické zrychlovací hlavy. Výhodou těchto přídavných vřeten je nárůst použitelných otáček při minimálním zásahu do konstrukce stroje. Nevýhodou je stavební délka vřetýnek, která podstatně snižuje zdvih v ose Z (běžně o 200 až 300 mm). Také celková tuhost na špičce nástroje poklesne proti přímému upnutí nástroje do hlavního vřetene. Dalším problém spočívá ve vsazení přídavného vřetena do dutiny hlavního vřetene (ruční výměna znehodnocuje celý NC stroj a pro automatickou výměnu ze zásobníku nástrojů existuje malý počet typů). [6]

o Přídavná vřetena s elektrickým pohonem:

Obr. 4.4 Přídavné elektrické vřeteno (fa Alfred Jäger) [6]

Přídavná vřetena s elektrickým pohonem jsou malá elektrovřetena, která mají na konci tělesa kužel pro upnutí do dutiny v hlavním vřetenu. Připojení těchto vřeten na stroj je vázáno na speciální rozhraní na stroji. Vřeteno musí mít svůj přívod elektrické energie, chladícího média a tlakového vzduchu. Tato rozhraní komplikují přizpůsobení pro automatickou výměnu. Pro parametry platí podobná omezení jako pro malá vřetena (maximální otáčky jsou omezovány možnostmi frekvenčních měničů, přenášené momenty potom únosností ložisek při vysokých otáčkách). Pro uložení těchto vřeten jsou ve většině případů použita hybridní kuličková ložiska. [6] Na obrázku 4.4 je příklad přídavného vřetena s elektrickým pohonem pro automatickou výměnu nástroje. Tabulka 4 uvádí orientační přehled některých výrobců přídavných elektrovřeten.


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Tab.4 Přehled výrobců přídavných elektrovřeten [6] Výrobce Otáčky Výkon Moment [min-1] [kW] [Nm] 40 000 ÷ 60 000 1,6 ÷ 11 0,2 ÷ 3,5 Alfred Jäger 25 000 ÷ 80 000 1,1 ÷ 12,5 Henninger KG 30 000 ÷ 80 000 1,4 ÷ 14 0,23 ÷ 5,4 Pokolm Voha 60 000 2 Lang o Přídavná vřetena se vzduchovým pohonem: Jinou variantou pohonu přídavných vřeten je pohon stlačeným vzduchem. Vzduchový pohon pracuje s bezdotykovým přenosem energie, tedy bez opotřebení třením. Náklady na instalaci takového vřetena jsou zanedbatelné. Pouze je potřebné připojení stlačeného vzduchu pomocí tlakové hadice a řízení počtu otáček pomocí regulace tlaku vzduchu na vřeteno. Tlakový vzduch je obvykle přiváděn ze samostatného agregátu. Ten dodává vzduch bez obsahu oleje o tlaku 6 – 10 barů. Základem těchto vřeten je tedy turbínové kolo (obr. 4.5), jehož hřídel tvoří páteř vřetena. I zde uložení řešeno pomocí hybridních kuličkových ložisek. Pohon turbínou má jednu principiální nevýhodu, a to je malé rozpětí otáček, a to především v oblasti jejich nižšího počtu, neboť ty je možno změnit pouze snižováním tlaku vzduchu na vřeteno. Tento problém výrobci těchto vřeten řeší elektronickou regulací. Zatížíme-li turbínu, regulační elektronika stanoví okamžitě počet otáček a pomocí proporcionálního ventilu zvýší tlak na tlakovou úroveň, že nastavené otáčky turbíny zůstanou konstantní. Regulační [6], [30] elektronika tedy přizpůsobí výkon turbíny různorodým požadavkům.

Obr. 4.6 Přídavná vřetena (fa Air Turbine Tools) [16]

Obr. 4.5 Turbínové kolo pro vzduchové vřeteno (fa IBAG) [6]

Obr. 4.7 Vzduchové vřeteno (fa Macro Technologies) [23]


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Příklady vřeten se vzduchovým pohonem různých výrobců ukazují obrázky 4.6 a 4.7. Orientační přehled výrobců této konstrukce vřeten uvádí tabulka 5. Tab.5 Přehled výrobců přídavných vřeten se vzduchovým pohonem [6] Výrobce Otáčky Výkon -1 [min ] [kW] 25 0005 ÷ 65 000 0,15 ÷ 0,6 Air Turbine Tools 70 000 1,1 Deuschle 60 000 0,9 IBAG Macro Technologies

o Mechanické zrychlovací hlavy: Mechanické zrychlovací hlavy jsou nejméně náročnou možností, jak zvýšit otáčkový rozsah stroje. Do hlavního vřetene se upne zrychlovací hlava (obr 4.8) a do držáku na stroji čep na zachycení reakční síly. Uvnitř hlavy je převodovka s převodovým poměrem do rychla. Převody bývají obvykle v rozmezí 3 až 5 pro maximální dosažitelné otáčky kolem 20 000 min-1. Zde jsou pro uložení rotačních dílů použita ložiska s ocelovými kuličkami. Pro otáčky až do 40 000 min-1 se vyrábějí zrychlovací hlavy s převodem 5 až 7,5. Rotační díly jsou zde uloženy v hybridních ložiskách. Mechanické zrychlovací hlavy mají omezené maximální otáčky omezené svou mechanickou stavbou. [6] Obr. 4.8 Mechanická zrychlovací hlava (fa Showa Tool) [28] Tab.6 Přehled výrobců mechanických zrychlovacích hlav [6] Výrobce Otáčky [min-1] Výkon [kW] Převod 10 000 ÷ 40 000 3÷8 4÷7 Alfred Jäger 15 000 ÷ 40 000 5 ÷ 7,5 Benz 25 000 ÷ 30 000 2÷4 5÷7 Madaula 15 000 ÷ 50 000 Pokolm Voha 10 000 ÷ 30 000 Pibomulti 12 000 ÷ 50 000 2,6 ÷ 8,8 3,4 ÷ 8 Showa Tool Cílem vývoje výrobců přídavných vřeten musí být takové vřetenové systémy, které budou na univerzálních frézkách, CNC strojích a na obráběcích centrech vyměnitelné co nejjednodušším způsobem, stejně jako normální frézy. 4.4 Přehled výrobců vřetenových ložisek:

SKF

NTN

GMN

IBC

Výrobci Timken

UKF

FAG

NSK


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 5. Trendy a vývoj - EMO Hannover 2007: V oblasti vřeten a jejich komponent se v Hannoveru na veletrhu EMO 2007 potvrdily trendy, které v oblasti vřeten trvají již delší dobu a které se neustále prolínají celým oborem obráběcích strojů: - spolehlivost, - snižování nákladů (pořizovacích i provozních), - orientace na aplikaci. [7] 5.1 Vřetena: o Hlaví trendy: -

Diverzifikace použití → návrh vřeten s ohledem na konkrétní aplikaci, tento trend jde ruku v ruce se stejným trendem v souvisejících oborech – konstrukci nástrojových systémů a konstrukci strojů.

-

Rozšíření elektrovřeten a integrovaných konstrukčních provedení prakticky do všech oblastí obráběcích strojů → elektrovřetena jsou nyní nejčastější konstrukční koncepcí vřeten pro malé a středně velké obráběcí stroje. Nárůst v počtu instalací zaznamenala elektrovřetena také v segmentu soustružnických vřeten a brousících vřeten pro broušení vnějších rotačních ploch a broušení na plocho. Elektrovřetena jsou používána i pro pohon nástrojů velkých a těžkých strojů. Pokud zde není možné dosáhnout požadovaných hodnot kroutícího momentu přímo elektromotorem, jsou tato vřetena pro velké stroje navržena s integrovanou řaditelnou převodovkou.

-

Optimalizace pohonů → více výkonu v menším zastavěném prostoru. Na EMO 2007 se potvrdil nástup synchronních motorů jako hlavního prostředku pohonů vřeten. Inovace motorů i pohonů jdou však dále s cílem získat řešení, které bude mít co nejmenší rozměry a zmenšený tepelný vliv na okolí.

-

Zlepšení chlazení motorů → uzavřené konstrukce statorů, které jsou lépe chlazeny. Statory motorů mají čela cívek zalita speciální izolační teplovodivou hmotou. A díky tomu jsou statory mechanicky kompaktnější, méně citlivé na poškození při manipulaci a lépe chlazeny, neboť chladící plášť může být v kontaktu s větší plochou motoru.

-

Integrovaná diagnostika jako standard.

[7]

5.2 Vřetenová ložiska: Ve výrobním programu většiny firem zabývajících se vřetenovými ložisky existují tři výrazná témata, na jejichž vývoj se zaměřují: - orientace na optimální mazání ložisek, - optimalizace kontaktní geometrie ložiska a geometrie klece, - řešení pro uložení zadního konce vřetena. [7]


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE o Firma SKF: Na EMO byly firmou SKF prezentovány četné systémy mazání systémem olej-vzduch (obr. 5.1) a nový systém domazávání ložisek tukem (obr. 5.2). Do tubusu poblíž ložiska je zastavěn váleček obsahující mazivo a elektrotermické čerpadlo pracující na principu tepelné roztažnosti. Jednotka čerpadla vytlačí při jednom zdvihu 6 mm3 maziva, které se dostane k valivým elementům otvory ve vnějším kroužku ložiska. Zásobník maziva má celkový objem 2,5 cm3. Kompaktní rozměry umožňují v případě větších ložisek umístit po obvodu více mazacích jednotek. V oblasti vřetenových ložisek nabízí firma jako svou vlajkovou loď ložiska série Nitroalloy. Tato ložiska s keramickými kuličkami, klecí z materiálu PEEK a kroužky ze speciální jemnozrnné oceli dosahují rychloběžnosti ndm do 1,8 · 106 v případě mazání tukem a 3 · 106 při mazání systémem olej-vzduch. Pro uložení zadních konců vřeten s požadavkem velké tuhosti firma SKF nabízí jako řešení hybridní válečková ložiska, která dosahují otáčkového čísla ndm do 0,8 · 106 při mazání tukem a 0,9 · 106 při mazání systémem olejvzduch. [7]

Obr. 5.1 Mazací systémy (fa SKF – Vogel)

[7]

Obr. 5.2 Domazávací jednotka (fa SKF – Vogel) [7]

o Firma FAG: Na EMO vystavovala firma FAG kromě jiného i inovovanou sérii jednořadých hybridních válečkových ložisek s otáčkovým rozsahem s klecí z PEEK (obr. 5.3). Nová klec s lepším vedením a optimalizovaným kontaktem valivého elementu a oběžných drah má rozšířený otáčkový rozsah proti předchozímu provedení až o 50 %. Také u firmy FAG je velká pozornost věnována mazání ložisek. Firma ve veletrhu informovala o novém optimalizovaném způsobu mazání ložisek tukem. Při tradiční postup je mazivo do ložiska zavedeno z jedné

Obr. 5.3 Inovované válečkové hybridní ložisko (fa FAG) [7]


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE strany. Podstatou nového postupu je namazání ložiska menším množstvím maziva ze dvou stran. To přispívá k lepšímu rozvrstvení maziva v ložisku, což ve výsledku přináší nižší provozní teploty. [7]

o Firma UKF: Berlínská firma UKF vystavovala ucelený program standardních i speciálních vřetenových ložisek. V oblasti vřetenových ložisek se standardními rozměry má firma přímou konkurenci ve velkých hráčích na trhu, a proto se více soustředí na speciální a zákaznická řešení ložisek. Zajímavým řešením pro uložení zadních konců vřeten jsou dvouřadá kuličková ložiska s plovoucím vnitřním kroužkem (obr. 5.4). Ložiska jsou standardně nabízena s kuželovým otvorem, který umožňuje jednodušší způsob předepnutí ložiska než válcový. [7]

Obr. 5.4 Dvouřadé ložisko s plovoucím kroužkem (fa UKF) [7]

5.3 Nové koncepce mazání vysokootáčkových vřeten:

(firma NSK)

Pokrok v oblasti vývoje vřetenových ložisek představuje způsob, jak dále zvyšovat maximální otáčky a další parametry vysokootáčkových vřeten. Nová řešení musí být současně cenově dostupná a technologicky relativně nenáročná. [32] o Ložiska s mazáním olej – vzduch: Ložiska Spinshot II (obr 5.5) vyvinutá a vyráběná společností NSK jsou přímo uzpůsobená pro mazání typu olej-vzduch. Jedná se o vysokootáčková kuličková ložiska s kosoúhlým stykem řady Robus. Vřetena s ložisky Spinshot II mohou díky své originální konstrukci a špičkovým parametrům dosahovat podobných maximálních otáček jako vřetena se vstřikovacím mazáním. Vstřikovací mazání je velké a poměrně složité zařízení s vysokou spotřebou energie, které komplikuje a prodražuje celkovou konstrukci vřetena. Tento problém


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE při použití ložisek Spinshot II odpadá. Dalším velkým přínosem proti vstřikovacímu mazání je podstatně snížená hlučnost a nízká spotřeba vzduchu pro přenos oleje. Ložiska Spinshot II mazaná systémem olej-vzduch dosahují maximální rychlosti vyjádřené rychlostním koeficientem až 3 300 000 DmN. To například pro ložiska NSK 65BA10XET s vnitřním průměrem 65 mm představuje více než 40 000 min-1. Účinnost mazání je díky efektivnímu systému přívodu oleje do ložisek téměř 100%. Vysokých rychlostí při použití mazání olej-vzduch mohou ložiska Spinshot II dosahovat i díky speciální oceli SHX, ze které jsou vyráběny oba ložiskové kroužky. Ocel SHX je základním stavebním kamenem vysokootáčkových ložisek NSK, pro jejichž výrobu a potřeby byla vyvinuta. Je maximálně odolná proti opotřebení, a to i při vysokých teplotách. Ložiska vyrobená z této oceli si zachovávají prakticky shodné parametry i při velmi nepříznivých provozních podmínkách (vysoká teplota, nárůst předpětí, nedostatečné mazání atd.) a jsou až neuvěřitelně odolná proti zadření. Ocel SHX vykazuje vyšší odolnost proti zadření i v porovnání se speciálními materiály používanými v leteckém průmyslu. I tato skutečnost ukazuje, jak náročnou aplikací je vysokootáčkové vřeteno obráběcího stroje. [32]

Obr. 5.5 Ložisko Spinshot II s přívodem pro mazání olej – vzduch (fa NSK) [32] Díky optimalizované konstrukci umožňující vhodné směrování vzduchového proudění vytváří vysokootáčkové vřeteno s ložisky Spinshot II i při maximálních rychlostech 3 300 000 DmN hluk nižší než 80 dB. To je o několik decibelů nižší hodnota než u vřeten mazaných standardními systémy olej-vzduch. Maximálních rychlostí je dosahováno při polovičním objemu proudícího vzduchu nutného pro přenos dostatečného množství oleje v porovnání s běžnými vřeteny pracujícími na principu olej-vzduch. Středně velké vřeteno (s vnitřním průměrem ložisek 65 mm) mazané standardním systémem olej-vzduch spotřebuje přibližně 20–30 Nl.min-1, kdežto stejně velké a výkonné vřeteno s ložisky Spinshot II spotřebuje pouze 10 Nl.min-1 Vysokootáčková vřetenová ložiska NSK, mezi něž patří i speciální ložisko Spinshot II, mohou být vyráběna v ultravysoké třídě přesnosti P2X, která je vyšší než přesnost P2 dle norem ISO. Radiální házení těchto ložisek je o polovinu nižší, než požaduje norma ISO pro


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE nejvyšší stupeň přesnosti P2. Těchto vynikajících parametrů je dosahováno použitím přesných keramických kuliček, optimálně vyvážených klecí a dokonalé přesnosti broušení ložiskových kroužků z oceli SHX. [32] o Domazávání vřetenových ložisek tukem: Zejména u vysokootáčkových aplikací je limitujícím faktorem životnosti ložisek jejich tuková náplň, protože při vysokých otáčkách dochází rychleji ke ztrátě optimálních mazacích vlastností i u těch nejdokonalejších tuků. Systém Fine-Lube II umožňuje pravidelné doplňování nového maziva, čímž zásadním způsobem prodlužuje životnost vřetenových ložisek u vysokootáčkových aplikací až na 20 000 provozních hodin. Systém Fine-Lube II (obr. 5.6) je externí zařízení, které přivádí do vřetena k ložiskům v pravidelných intervalech přesně definované množství tuku. Díky optimalizovanému množství tuku v ložiscích dosahují vřetena s tímto systémem domazávání až o 30 % vyšších maximálních otáček než vřetena s ložisky se stálou tukovou náplní. Systém Fine-Lube II tak může v řadě aplikací nahradit olejové mazání a vzhledem k minimálním ztrátám tuku a nízké energetické náročnosti přispívá k ekonomicky efektivnějšímu a ekologicky šetrnějšímu provozu obráběcích strojů. [32]

Obr. 5.6 Systém Fine – Lube II (fa NSK) [32]

Obr. 5.7 Rozvody mazacího tuku od centrální mazací jednotky (fa NSK) [7]


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 6. Závěr: V současnosti nabývá problematika vysokorychlostního obrábění stále více na významu. Důkazem rozvoje tohoto oboru je neustále se zvyšující počet vyrobených strojů umožňujících obrábění při vysokých rychlostech. S rozvojem této technologie úzce souvisí rozvoj nástrojů a nástrojových materiálů. Výrobci poskytují široký výběr nástrojových systémů a umožňují optimální volbu nástroje pro dané řezné podmínky. Nové trendy v oblasti strojů pro HSC obrábění byly prezentovány na světové výstavě EMO Hannover 2007. Jedním z hlavních vývojových směrů je zvyšování produktivity, dále pak eliminace tepelných toků v soustavě stroj – nástroj – obrobek, zvyšování trvanlivosti nástroje a v neposlední řadě vyšší kvalita a přesnost obrobených ploch. Veškerý vývoj v oblasti obráběcích strojů a nástrojů je výrazně urychlen a podpořen rychlým rozvojem výpočetní techniky. Je patrné, že ve všech odvětvích problematiky obrábění, obráběcích strojů a nástrojů se uplatní metody 3D modelování a výpočty pomocí metody konečných prvků (MKP). Pokud je tedy v dnešní době požadováno HSC obrábění, existuje široký výběr různých vřeten. Univerzální stroje by však měly být osazeny dvěma vřeteny. Jedním hlavním, které má výkon pro hrubování, a jedním přídavným, které má vysoké otáčky pro dosažení vysoké řezné rychlosti i pro nástroje malých průměrů. Nové a moderní HSC stroje jsou standardně vybaveny elektrovřeteny s hybridními kuličkovými ložisky, dostatečným chlazením a integrovanou diagnostikou pro daný typ aplikace. Důležitým krokem většiny výrobců vřeten bylo uvedení na trh přídavných vřeten (s elektrickým nebo vzduchovým pohonem) a různých mechanických zrychlovacích hlav, které umožňují částečnou modernizaci starších obráběcích strojů za relativně nízkých finančních nákladů oproti koupi nového stroje pro HSC obrábění. Díky tomuto kroku mohou tyto stroje využívat nové nástroje (pracující s vyššími řeznými rychlostmi). Vřeteno představuje „srdce“ obráběcího stroje, a proto veškeré informace, parametry, konstrukční návrhy a nové inovace si výrobci drží jako své know-how.


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Seznam obrázků: Název obrázku:

číslo stránky:

Obr. 2.1 Ukázky HSC obrábění ……………………………….….………………….…. Obr. 2.2 Suché obrábění ………………………………………………………………… Obr. 2.3 Rozsahy řezných rychlostí při třískovém obrábění ……………………………. Obr. 2.4 Vymezení rozsahu řezných rychlostí pro rychlostní obrábění ………………… Obr. 2.5 5-osé HSC frézovací centrum ……………… ………………………………... Obr. 2.6 Pětiosé frézování HSC vřetenem ……………………………………………… Obr. 2.7 Ukázka břitových destiček (fa Seco) ………………………………………….. Obr. 2.8 Nástrojové hlavice systému Coromant – Capto …………………………….….

3 4 5 5 6 6 7 7

Obr. 3.1 Morfologie vřetena ……………………………………………………………. Obr. 3.2 Radiální házení vřetena ………………………………………………………... Obr. 3.3 Měření axiálního házení na čelní ploše vřetena ……………………………….. Obr. 3.4 Moderní elektrovřeteno a jeho typické uzly (fa Step-Tec) ……………………. Obr. 3.5 Schéma aerostatických radiálních ložisek …………………………………….. Obr. 3.6 Hybridní kuličkové ložisko (fa SKF) ………………………………………….. Obr. 3.7 Uložení vřetena v radiálních kuličkových ložiskách s kosoúhlým stykem …… Obr. 3.8 Schéma konstrukčního řešení integrovaného vřetena s valivým uložením …… Obr. 3.9 Schéma konstrukčního řešení integrovaného vřetena s hydrostatickým uložením ..……………………………………………………………………… Obr. 3.10 Hydrostaticko – hydrodynamické vřeteno …………………………………… Obr. 3.11 Schématický řež magnetickým vřetenem a prostorové postavení dvou čtveřic radiálních ložiskových elektromagnetů (fa IBAG) …………………………. Obr. 3.12 Schéma konstrukčního řešení integrovaného vřetena s magnetickým uložením ……………………………………………………………………... Obr. 3.13 Upínací kužele ISO (OTT Jakob) ……………………………………………. Obr. 3.14 Upínací kužele HSK (OTT Jakob) …………………………………………… Obr. 3.15 Stopky nástrojových držáků ………………………………………………….. Obr. 3.16 Skříň vřetena (NSK) ………………………………….……………………… Obr. 3.17 Tubus vřetena (NSK) ………………………………………………………… Obr. 3.18 Druhy náhonu vřetena ………………………………………………………... Obr. 3.19 Druhy přívodů řezné kapaliny ……………………………………………….. Obr. 3.20 Porovnání konstrukce a charakteristik dvoustupňového pohonu vřetena s jednostupňovým ……………………………………………………………. Obr. 3.21 Náhon vřetena řemenovým převodem s dvoustupňovou převodovkou ……… Obr. 3.22 Konstrukce vřetena pro nahánění převodovkou s ozubenými koly ………….. Obr. 3.23 Elektrovřeteno (fa Mitsui Seiky) …………………………………………….. Obr. 3.24 Řez integrovaným vřetenem s průtokově chlazeným statorem i rotorem …...

8 9 9 10 11 11 12 12 13 13 14 15 15 15 16 16 17 17 17 18 18 19 19 19


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Obr. 3.25 Vyvažovací systém AutoBalance (fa Fischer) ……………………………….. 20 Obr. 3.26 Vřeteno s adaptivním upevněním nástrojů …………………………………... 20 Obr. 4.1 Elektrovřeteno (fa GMN) ……………………………………………………… Obr. 4.2 Elektrovřeteno (fa IBAG) ……………………………………………………... Obr. 4.3 Elektrovřeteno Jäger SK1-01/60 ………………………………………………. Obr. 4.4 Přídavné elektrické vřeteno (fa Alfred Jäger) …………………………………. Obr. 4.5 Turbínové kolo pro vzduchové vřeteno (fa IBAG) …………………………… Obr. 4.6 Přídavné vřetena (fa Air Turbine Tools) ………………………………………. Obr. 4.7 Vzduchové vřeteno (fa Macro Technologies) ………………………………… Obr. 4.8 Mechanická zrychlovací hlava (fa Showa Tool) ………………………………

21 21 22 23 24 24 24 25

Obr. 5.1 Mazací systémy (fa SKF – Vogel) ...................................................................... Obr. 5.2 Domazávací jednotka (fa SKF – Vogel) ............................................................. Obr. 5.3 Inovované válečkové hybridní ložisko (fa FAG) ……………………………... Obr. 5.4 Dvouřadé ložisko s plovoucím kroužkem (fa UKF) …………………………... Obr. 5.5 Ložisko Spinshot II s přívodem pro mazání olej – vzduch (fa NSK) …………. Obr. 5.6 Systém Fine – Lube II (fa NSK) ......................................................................... Obr. 5.7 Rozvody mazacího tuku od centrální mazací jednotky (fa NSK) ……………..

27 27 27 28 29 30 30

Seznam tabulek: Název tabulky:

číslo stránky:

Tab.1 Přehled některých výrobců a doporučené řezné rychlosti pro obrábění ………….. Tab.2 Přehled výrobců elektrovřeten s automatickou výměnou nástroje ……………….. Tab.3 Přehled výrobců malých elektrovřeten …………………………………………… Tab.4 Přehled výrobců přídavných elektrovřeten ……………………………………….. Tab.5 Přehled výrobců přídavných vřeten se vzduchovým pohonem …………………... Tab.6 Přehled výrobců mechanických zrychlovacích hlav ………………………………

7 22 23 24 25 25


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Literatura: [1] BORSKÝ, V.: Obráběcí stroje, skriptum ES VUT Brno, 1. vydání, Olprint Šlapanice, 1992, 216 s., ISBN 80-214-0470-1 [2] BORSKÝ, V.: Základy stavby obráběcích strojů, skriptum ES VUT Brno, 2. vydání, Grafia Prostějov, 1991, 214 s., ISBN 80-214-0361-6 [3] HIRSCH, A.: Werkzeugmaschinen Grundlagen, Vieweg 2000, ISBN 3-528-04950-2 [4] HUMÁR, A.: Výrobní technologie II, sylabus předmětu, VUT Brno, www.ust.fme.vutbr.cz [5] KOLÁŘ, P.: Předcházení poruchám, Současná diagnostika vřeten obráběcích strojů, http://technik.ihned.cz/109-11353220-on-p%F8edch%E1zen%ED+poruch%E1m800000_d-ca [6] KOLÁŘ, P.: Vřetena pro vysokorychlostní obrábění, Různé konstrukce vřeten a jejich specifické vlastnosti, http://technik.ihned.cz/109-10935420-on-konstrukce+v%F8eten800000_d-1e [7] KOLÁŘ, P.: EMO Hannover počtvrté – vřetena a vřetenová ložiska, MM Průmyslové spektrum, Únor 2008, ISSN 1212-2572 [8] KUBÍČEK, Josef: Základy stavby výrobních strojů, Obráběcí stroje, Západočeská univerzita v Plzni, 2001, 159 s., ISBN 80- 7082-710-6 [9] MAREK, J.: Konstrukce CNC obráběcích strojů, MM Průmyslové spektrum, speciální vydání, září 2006, 282 s., ISSN 1212-2572 [10] POKORNÝ, P.: Výrobní stroje I, skriptum, Technická univerzita Liberec, www.kvs.tul.cz [11] VAVŘÍK, I., BLECHA, P., HAMPL, J.: Výrobní stroje a zařízení, Sylabus přednášek pro kombinované bakalářské studium, VUT Brno, www.uvssr.fme.vutbr.cz [12] WECK, M.: Werkzeugmaschinen Kontruktion und Berechnung, Springer 2005, ISBN 3-540-43351-1 [13] ZELENÝ, Jaromír: Vysokorychlostní obrábění aneb obráběcí stroje a technologie na přelomu století, MM průmyslové spektrum – speciál, červen 2000, 114 s., ISBN 80-85986-19-1 [14] ZEMAN, P., ŠAFEK, J.: Technologie HSC, http://technik.ihned.cz/109-1135150-ontechnlologie+hsc-800000_d-8b [15] Vřeteno s adaptivním upevněním nástroje, Technický týdeník, 2/2008 [16] http://www.airturbinestools.com


BAKALÁŘSKÁ PRÁCE [17] http://www.alfredjaeger.de [18] http://www.benz-inc.com/products.php [19] http://www.cytecsystems.de/cytecsystems/german/index.htm [20] http://www.fischerag.com/2063/2179/2196.asp [21] http://www.gmn.de/front_content.php [22] http://www.hsk.com/spindle.htm [23] http://www.macrotechnologies.com/high_speed_air_spindles.htm [24] http://www.mmspektrum.com/clanek/mikrofrezovani-oceli-zdroj-uspor [25] http://www.ibag.cz [26] http://www.ingsimunek.cz [27] http://www.semaco.cz [28] http://www.showatool.com [29] http://www.step-tec.com/mainen [30] Kompletní desetiletý archiv jednotlivých vydání MM Průmyslového spektra, DVD, MM Průmyslové spektrum, MM publishing [31] http://www.sst.cz/files/svet_stroj_tech200402_str_03_az_06.pdf [32] http://www.mmspektrum.com/clanek/nove-koncepce-mazani-vysokootackovychvreten

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE. Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky. Anotace: Annotation: Bibliografická citace mé práce:

Recommend Documents