KLÍČOVÁ SLOVA Frézovací zařízení, polohování příslušenství, mechanismy natáčení, MKP model, CAD dokumentace

Transkript

1 ABSTRAKT KONSTUKČNÍ NÁVRH FRÉZOVACÍHO A VRTACÍHO ZAŘÍZENÍ IFVW 256 SVOČ FST 2012 Bc. Jan Šabata Západočeská univerzita v Plzni, Sladkovského 51, Plzeň Česká republika Cílem této práce je provést konstrukční návrh a výpočet frézovacího a vrtacího zařízení IFVW 256, jež bylo vyvinuto firmou ŠKODA Machine Tool a.s., která je současně i zadavatelem této diplomové práce. V úvodu je čtenář nejprve seznámen s odvětvím, do kterého toto zařízení spadá, poté následuje stručný popis strojů využívajících toto zařízení a uvedení jejich dalších doplňků. Poté bude podrobně popsáno provedení, funkce a následné nedostatky frézovacího zařízení IFVW 256, ze kterých následně vyplývají požadavky od zadavatele práce na návrh nového řešení. Z důvodu neposkytnutí informací o zařízení IFVW256 bude nové řešení aplikováno na frézovací hlavě IFVW 206, ze kterého v současné době provozu neschopná frézovací hlava 256 vychází a svými parametry je s ní shodná. Nový návrh byl proveden na vytvořeném modelu frézovacího zařízení IFVW 206 v CAD prostředí. Jedná se o navržení nového principu natáčení jednotlivých částí hlavy, včetně mechanismů, pohonů, ložisek a podobně. Návrh je podložen výpočty jednotlivých elementů pro přenos zatížení. KLÍČOVÁ SLOVA Frézovací zařízení, polohování příslušenství, mechanismy natáčení, MKP model, CAD dokumentace ÚVOD Aby bylo možné přednést nové řešení, je třeba vysvětlit princip a funkce stávajícího řešení. Poté budou uvedeny problematické části zařízení, které znemožňují zařadit toto provedení do běžného provozu. Následně pak bude podrobně popsáno nové řešení včetně detailů. To bylo navrženo na základě zadaných parametrů firmou ŠKODA. Byly zjištěny zatěžující stavy, ze kterých byl vybrán ten nejvíce nepříznivý a podle základních empirických vzorců byly pak stanoveny hodnoty pro výpočet jednotlivých šnekových soukolí, per a čepů. HORIZONTÁLNÍ VYVRTÁVACÍ STROJE PŘEHLED Horizontální vyvrtávací stroje jsou univerzální stroje a používají se v kusové nebo malosériové výrobě. Stroje mají možnost obrábět jednak přímo, upnutím nástroje do vlastního vřetene (kužel ISO nebo MORSE) v pinole, nebo použitím některého z možných příslušenství, která zvyšují flexibilitu a technologické možností stroje. Ty se připojují přes přírubu na pinolu stroje. Příruba je s frézovací hlavou pevně spojena šrouby, na stroj se upíná automaticky.

2 ČÁSTI STROJE: Lože Stojan Vřeteno Vřeteník Saně Pinola stroje Obrázek č.[1] Schéma horizontální vyvrtávačky Obrázek č.[2] Příruba frézovací hlavy pro připevnění na pinolu stroje FRÉZOVACÍ ZAŘÍZENÍ POPIS Frézovací zařízení rozšiřuje výrobní možnosti samotného stroje. Zařízení se skládá ze statické části a dvou rotačních částí. Jednotlivé části jsou zobrazeny na obrázcích níže včetně seznamu parametrů. Výkon 25 kw Moment (100%ED) 600 Nm Jmenovité otáčky 400 ot/min Moment (50%ED) 900 Nm Jmenovité otáčky 256 ot/min Maximální otáčky 3000 ot/min Převod otáček 1:1 Kužel vřetene ISO 50 Stopka nástroje DIN Natáčení 1. osy ± 185 Natáčení 2. osy Obrázek č.[3] Frézovací hlava IVVW 206 ČÁSTI ZAŘÍZENÍ: Rám Mechanismy hlavního pohonu Mechanismy natáčení Příruba pro připevnění ke stroji Upnutí nástrojů Přívody energií Obr. č.[4] Rám hlavy Obr. č.[5] Řez rámu Obr. č.[6] Hlavní pohon Obr. č.[7] Řez hlavním pohonem

3 Hlavní pohonný systém přenáší točivý moment od vřetene stroje až po nástroj upnutý kuželové dutině koncového hřídele. Mechanismus je uložený v ložiskách, které přenášejí zatížení od řezných sil a vlastní hmotnosti do rámu frézovací hlavy. Natáčení kolem první i druhé osy je odvozeno od hlavního pohonu, ze kterého se transformuje točivý moment do natáčecích mechanismů. Pro natočení kolem 1. osy se vysune vřeteno stroje, stlačí se unášeč a tím dojde k odpevnění první rotační části. Zároveň dojde ke spojení mezi 1. rotační částí hlavy a unášečem vřetene. Stroj si pak pomocí natočení vlastního vřetene natočí frézovací hlavu do požadované polohy. Při zasunutí vřetene zpět se frézovací hlava opět zpěvní, kdy dojde k o opětovnému spojení Hirthovy spojky. Pro natočení kolem 2. osy se nepoužívá výsuvu vřetene. Pro opevnění Hirthovy spojky na 2. ose je použito tlakového hydraulického oleje, čímž se zároveň spojí 2. rotační část zařízení s hlavním pohonem. Natočení spodní části se zajistí opět pomocí rotace vřetene stroje. Hirthova spojka je použita s dělením 2,5 na obou osách. Stroj s vlastním odměřování vřetene po rozpojení spojky natočí hlavu na požadovaný úhel. Po spojení pak Hirthova spojka vystředí natočení hlavy s vysokou přesností, které by samotné vřeteno nebylo sto dosáhnout. Statická část Rotační část Obrázek č.[8] Schéma Hirthovy spojka Obrázek č.[9] Rozpojení Hirthovy spojky v IFVW 206 Obrázek č.[10] Natáčení frézovací hlavy IFVW 206 Hlavní nevýhodou tohoto provedení je, že indexovací natáčení má omezený počet možností nastavení úhlu. V případě použití Hirthovy spojky s dělením 2,5 je to 360/2,5=144 jednotlivých poloh. Poptávka trhu ovšem vyžaduje variabilnější řešení. Tímto se dostáváme k frézovací hlavě IFVW 256, která tuto díru v trhu měla zacelit. Místo zmíněných Hirthových spojek zde byly použity třecí kroužky. Ty měly umožnit natáčení hlavy do libovolné pozice a zajistit tak 100% možnost natočení. Došlo zde ale k problému, díky kterému je stávající frézovací hlava neschopná provozu. Tím problémem je, že se třecí kroužky při najíždění do konečné pozice zasekávají. Z důvodu snížení rychlosti

4 otáčení se zvyšuje tření a tak než vřeteno dotočí hlavu do požadované polohy, kroužky se zaseknou. Při vynaložení další energie na dotočení dojde k tzv. přeskočení do polohy vzdálenější, než je potřeba. Opakovatelnost obrábění na požadovanou přesnost je tak nemožná. Z tohoto problému tedy vyplívá zadání diplomové práce. ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Navrhnout nové řešení frézovacího zařízení IFVW 256, které bude indexovat v libovolném úhlu v obou osách při dodržení opakovatelnosti použití s přesností najetí do polohy minimálně 0 0,5. NOVÉ ŘEŠENÍ Na základě zadaných i vypočtených parametrů byla navržena úprava stávajícího řešení frézovacího zařízení IFVW 206, která má splňovat požadavky uvedené v zadání diplomové práce. PRINCIP INOVACE Základní myšlenkou bylo zachování stávajícího systému natáčení hlavy vřetenem stroje s aretací pomocí Hirthovy spojky s dělením 2,5, ovšem s tou změnou, že nepohyblivá část spojky (kroužek připevněný šroubovým spojením ke statické části) by se nyní natáčela. Principiálně by to tedy fungovalo tím způsobem, že vřeteno stroje na první ose (tlakový olej na druhé ose) by Hirthovu spojku rozpojilo a natočilo hlavu do požadované polohy. Ještě však, než by došlo k opětovnému spojení, byl by kyvný protikus Hirthovy spojky pootočen do požadované pozice o minoritní úhel (v rámci ± 1,5 ). Změna úhlu kyvného kroužku by byla odměřena a logická informace následně přeposlána do řídicího systému vřetene stroje. Tím by došlo k natočení hlavy vřetenem do přesné pozice celkového natočení. Po spojení Hirthovy spojky by došlo k aretaci rotačního mechanismu a přesného vystředění natočení. Takto je možno dosáhnout libovolného úhlu natočení s přesností vyšší než je požadována. Aby bylo možné kroužkem natáčet, je potřeba jej připevnit na rotační těleso, které bude uloženo radiálně na jehlových ložiskách. Obrázek č.[11] Řez stávající sestavou Obrázek č.[12] Řez novým řešením Obrázek č.[ 13] - Pohled do řezu sestavy s novým rotačním elementem

5 Dalším úkolem bylo vyřešit, jakým způsobem bude kroužkem natáčeno. Byl navržen šnekový převod, kde se segment ze šnekového kola připevní k rotačnímu kroužku šrouby a vystředí pery v tečném i axiálním směru. V rámu se pak vytvoří otvor dostatečně velký pro potřebný výkyv segmentu. Na rám bude následně připevněna několikadílná převodová skříň, ve které bude uložen šnek. Pohyb šneku bude zajištovat malý servomotor s točivým momentem 2,7 Nm. Obrázek č.[14] Pohled na sestavu s převodovými skříněmi Obrázek č.[15] Pohled do horního odkrytého pohonu Obrázek č.[16] - Podélný řez horní převodovou skříní se servomotorem Rám horní převodové skříně se skládá ze dvou hlavních částí. Spodní část je pevně spojena s nepohyblivým rámem frézovací hlavy. Přenos zatížení do rámu zajištěn pomocí dvou čepů Ø10mm, které jsou do rámu nalisovány a spodek převodové skříně je na ně nasazen. Na přečnívající čepy se dále nasadí horní pohyblivá část převodové skříně. Velikost zdvihu od spodního rámu se nastaví pomocí dvou přítlačných a dvou stavěcích šroubů. Tímto způsobem je možné korigovat vzdálenost šneku od šnekového kola a vymezit tak vůle v soukolí, které by byly nežádoucí pro

6 přesnost natáčení. Do horní části převodovky jsou přišroubovány dvě příruby, ve kterých jsou umístěna axiální jehlová ložiska, do kterých se ukládá šnek. Ten se poté axiálně předepne stavěcími šrouby. Do levé příruby dle pohledu na Obrázek č.[16] je přišroubován motor, který přes tvarový spoj natáčí šnekové soukolí. Celá převodová skříň je následně zakryta velkým a malým víkem. Zajištění segmentu proti pootočení je řešeno následujícími způsoby. Část točivého momentu se odebere na ploše mezi segmentem a rámem hlavy díky třecí síle. Ta je vyvozena od působení axiální síly od pružin a dvanácti hydromotorů. Síla se přenese do segmentu přes Hirthovu spojku. Další část pohltí samosvorný šnekový převod se spolehlivou rezervou. V případě nutnosti byly ještě navrženy přítlačné elementy, které zvětší axiální sílu působící na segment a tudíž zvětší odebraný moment od řezných sil do rámu hlavy. Táhla jsou znázorněna na obrázku č. [12]. Boční převodová skříň je koncipována stejným způsobem, jen je přizpůsobena jinému tvaru rámu frézovací hlavy. Obrázek č.[17] Příčný řez horní převodovou skříní Obrázek č.[18] Pohled do podélného řezu horní převodovky POČETNÍ ŘEŠENÍ Aby bylo vůbec možné začít modelovat nové řešení natáčení v CAD systému, bylo nutné napřed stanovit výchozí hodnoty, na které se mechanismy natáčení navrhovaly. Ze zatěžujících stavů byl vybrán ten nejvíce nepříznivý, jehož hodnoty parametrů jsou: Výkon 25 kw Moment 900 Nm Otáčky 265min -1 Řezná rychlost 100 m. min -1 Ze zadaných parametrů se vypočetla tečná řezná síla působící na nástroj: V 100 V. Df. n e D f 0,120m 120mm. n.265 (1) e 2. M L Ft N (2) D 0,120 f

7 Výpočet momentu působící na šnekové soukolí: 1) Moment na vřeteno od řezné síly F t : D 0,120 M ř.. s Ft ( l ) (0, 36 ) 6300Nm 2 2 (3) 2) Moment na vřeteno od nevývažku hlavy: M m g l ,81 0, Nm (4) n 3) Moment na vřeteno celkem: M Nm (5) c 4) Moment od třecích sil: M 5686Nm (6) třecí 5) Výsledný moment na šnekové kolo: M M M Nm (7) š c třecí Na moment M š bylo navrženo šnekové soukolí pro horní převodovou skříň. Ze zadaného momentu byly výpočtem zjištěny axiální a radiální síly do uložení šneku a šnekového kola. U šnekového kola byly na tyto síly navrženy pera, které přenášejí zatížení do rotačního věnce. Pro šnekové uložení byly tyto síly použity pro návrh vyhovujících ložisek. Rovněž čepy přenášející zatížení do rámu hlavy byly na toto namáhání kontrolovány. Pro názornost uvádím přehled výsledných parametrů dílů dle výpočtového softwaru MITCalc 1.6 z horní převodové skříně. Šnekové soukolí: Jehlová ložiska pro uložení šneku: Spojení pomocí čepů: Spoj příčným perem: Maximální moment na kolo: 1909 Nm Převodový poměr: 1:200 Bezpečnost proti únavovému lomu: 1,6 Bezpečnost proti opotřebení: 18,34 Bezp. proti nedovolenému průhybu 26,04 Axiální síla působící na šnek 7941 N Radiální síla působící na šnek 3102 N Maximální statická únosnost axiální: N Maximální statická únosnost radiální: 10% axiální Celková bezpečnost 5,31 Celková bezpečnost 1,6 Při řešení boční převodové skříně se postupovalo obdobným způsobem s taktéž vyhovujícími výsledky kontrolních parametrů.

8 ZÁVĚR Cílem bylo provést konstrukční návrh a výpočet frézovacího a vrtacího zařízení IFVW 256. Tento cíl byl splněn s překvapivě dobrými výsledky. Podařilo se vymyslet princip, který splňuje hlavní požadavek od zadavatele diplomové práce a to zaručit možnost indexování hlavy v libovolném úhlu při dodržení požadované přesnosti a opakovatelnosti. Jednotlivé inovační mechanismy byly zkontrolovány ve výpočtovém softwaru na nejvíce nepříznivé zatěžující stavy s kladnými výsledky. Po rozměrové stránce byla konstrukční úloha rovněž splněna. Jedná se tedy o zcela nový koncept, fungující originální řešení, které vyhovuje všem požadavkům. Body, které zatím nejsou v práci obsaženy a je nutné je doplnit: Provedení MKP analýzy nosných dílů převodových skříní Zajištění přívodu energií pro oba servomotory Optimalizace uložení spodního vřetene (3. osa) Technicko-ekonomické zhodnocení LITERATURA Knižní publikace: [1] HOSNEDL S., KRÁTKÝ J.: Příručka strojního inženýra 1, Praha: Computer Press, 1999 [2] HOSNEDL S., KRÁTKÝ J.: Příručka strojního inženýra 2, Praha: Computer Press, 1999 [3] HUDEC Z.: Přednášky a cvičení z předmětu Konstrukce obráběcích strojů KOS/KKS, Plzeň: ZČU, 2009 Internetové publikace: - katalogy ložisek - katalogy ložisek katalogy servopohonů