NÁVRH ARETAČNÍHO ZAŘÍZENÍ FRÉZOVACÍHO VŘETENE VODOROVNÉ VYVRTÁVAČKY S KOAXIÁLNÍM HLAVNÍM POHONEM SVOČ FST 2017

Transkript

1 NÁVRH ARETAČNÍHO ZAŘÍZENÍ FRÉZOVACÍHO VŘETENE VODOROVNÉ VYVRTÁVAČKY S KOAXIÁLNÍM HLAVNÍM POHONEM SVOČ FST 2017 Bc. Petr Ovčička Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň Česká republika ABSTRAKT Práce se v úvodní části zabývá analýzou stávajícího řešení aretace frézovacího vřetene vodorovné vyvrtávačky ŠKODA HCW Cílem této analýzy je nalezení ideálních rozměrů dle zadaných požadavků pomocí metody konečných prvků v programu Siemens NX 10. Dále se práce zabývá nalezením závislosti rozměrů aretace na velikosti aretačního momentu pro možné použití v jiných strojích firmy ŠKODA MACHINE TOOL a.s. V druhé části práce je navržena bezpečnostní brzda pro zastavení frézovacího vřetene při nouzové situaci a výpadku elektrické sítě. Tato bezpečností brzda je umístěna v pinole frézovacího vřetene. Spuštění brzdy musí být samočinné v případě výpadku proudu nebo také po stisknutí bezpečnostního tlačítka obsluhou. Návrh bezpečnostní brzdy je zpracován taktéž v programu Siemens NX 10. KLÍČOVÁ SLOVA Aretace, bezpečnostní brzda, HCW 3000, MKP analýza, koaxiální uspořádání ÚVOD Hlavním účelem úvodu je umožnit čtenáři rámcově porozumět příspěvku bez přílišného vyhledání v dalších informačních zdrojích. Tato práce je rozdělena do dvou částí. V první části se zabývám analýzou stávajícího řešení aretace frézovacího vřetene vodorovné vyvrtávačky firmy ŠKODA MACHINE TOOL a.s. řady HCW Vodorovné vyvrtávačky se používají pro obrábění mohutných obrobků s vysokou přesností. Jako řezný nástroje lze využít jak frézy uchycené ve frézovacích hlavách pro obrábění rovinných ploch a menších otvorů, tak vyvrtávací tyče a nože pro otvory velkých průměrů. Aretace slouží k fixaci již zastaveného vřetene proti pootočení či případnému zhoupnutí nevývažku na frézovací hlavě nebo vyvrtávací tyče. Svou funkcí zabraňuje nejen poškození nástroje a obrobku, ale také zranění obsluhy, která se může v klidu stroje pohybovat v prostoru vřetene. V práci je hledána ideální vůle mezi aretací a frézovacím vřetenem pro určení vhodného kompromisu mezi velikostí aretačního momentu při minimální vůli a nižší ceny při zvolení méně přesného obrábění u vůle větší. Dále je zpracována závislost velikosti průměru a činné délky aretace na velikosti aretačního momentu. Tato analýza je pro zadavatele důležitá zejména z důvodu možného použití stávající konstrukce aretace i na jiné stroje z výrobního portfolia. V druhé části práce je proveden návrh bezpečností brzdy, jelikož brzdy dostupné na trhu nesplňují kombinaci požadavků na vysoké obvodové rychlosti, brzdný výkon, kompaktní rozměry, bezprašnost vůči okolním prvkům a duté provedení osy brzdy. Z tohoto důvodu je navrženo konstrukční řešení kotoučové brzdy s plovoucími brzdovými třmeny. Brzdná síla je z bezpečnostních důvodů vyvozena pomocí tlačných pružin. Bezpečností brzda je umístěna v krytu pro zachycení prachu z obložení a usměrnění proudění chladícího vzduchu. ZADAVATEL PRÁCE Zadávající firmou pro tuto práci je ŠKODA MACHINE TOOL a.s., dále uváděna jako ŠKODA MT. Historie této firmy sahá až do roku 1869, kdy Emil Škoda odkoupil továrnu od hraběte Valdštejna. Součástí této továrny byli strojírny a slévárny, které zprvu vyráběly zařízení pro pivovary, cukrovary, železnice a parní stroje. V roce 1899 vzniká akciová společnost a ještě před první světovou válkou se stávají závody největší zbrojovkou Rakouska-Uherska. Mezi důležité milníky v historii firmy patří rok 1930, kdy začala vyrábět soustruhy pro opracování klikových hřídelí a také rok 1980, kdy se zahájila výroba CNC strojů. Samotná značka ŠKODA MT byla založena roku V novém tisíciletí započal vývoj horizontek typu HCW a FCW (Horizontální frézovací a vyvrtávací stroje a Lehké vodorovné vyvrtávačky). Kdy je možné tyto stroje doplnit o široké příslušenství od frézovacích či brousících hlav až po otočné stoly. Od roku 2007 působí také firma v Číně jako ŠKODA EASTERN. V současné době vyrábí ŠKODA MACHINE TOOL a. s. obráběcí stroje pro obrobky o průměru 5,2 metru a hmotnosti až 350 tun.

2 ÚVOD DO PROBLEMATIKY Výrobní stroje firmy ŠKODA MACHINE TOOL a. s. se řadí mezi konvenční obráběcí stroje (materiál je z polotovaru odebírán pomocí třískové metody). Pro výrobu rotačních součástí slouží soustruhy řady SR. Dalším typem strojů jsou lehké horizontální frézovací a vyvrtávací stroje FCW. Tyto stroje slouží k obrábění složitých a tvarově náročných skříňových obrobků. Řada strojů HCW patří mezi těžké obráběcí stroje s vysokým výkonem a pracovní přesností vhodné nejen pro vyvrtávací ale i pro frézovací operace. Díky robustní konstrukci dosahují stroje řady HCW skvělé tuhosti z které vyplývají velmi vysoké přesnosti při obrábění velkým součástí. Řízení stroje je prováděno pomocí řídícího panelu umístěného v kabině stroje na pracovní plošině v blízkosti vřetena. Na vřetena strojů řady HCW je možné umístit velké portfolio nástrojů a obráběcích hlav. Z tohoto důvodu je nutné zajistit nástroj nebo frézovací hlavu proti pohybu při vypnutém stroji, aby se zamezilo případnému poškození nástroje, obráběného dílu a v neposlední řadě újmě na zdraví obsluhy stroje. Důležitá je také možnost stroj nouzově zastavit při maximálním zatížení stroje. Z tohoto důvodu musí být stroj vybaven bezpečností brzdou, která zajistí zastavení vřetene a nástroje před možným kontaktem s člověkem. Stroj musí být schopen nouzově zastavit a zajištěn proti pootočení i při výpadku elektrického proudu. Aretace Pro ustavení rotačních částí a zabránění jejich pootočení se používají aretační prvky. Aretace slouží pouze k zafixování již zastavené součásti. Nelze ji využít pro snížení otáček. Využít lze například při výměně nástroje nebo při fixaci hřídelí a excentrů v požadované poloze při obrábění. Brzdné mechanismy Brzdami nazýváme takové strojní zařízení, které slouží ke snížení rychlosti pohybující se součásti nebo k jejímu úplnému zastavení. Používají se u dopravních prostředků, výtahů, kladkostrojů, jeřábů apod. Brzdy dělíme do 3 základních skupin: mechanické, proudové a elektrické. Mechanické brzdy využívají pro tvorbu brzdného účinku tření mezi jednotlivými částmi brzdy. Rotační energie je převáděna na energii tepelnou. Proudové brzdy (hydraulické nebo pneumatické), využívají víření kapalin či plynů. Elektrické brzdy využívají přepnutí motoru na generátorový chod a při brzdění vzniká elektrický proud, který může být při usměrnění dodáván zpět do sítě nebo akumulován pro pozdější využití. U aretací je hlavním cílem zachytit velký točivý moment na vřeteni a zamezit vzniku rotačního pohybu. Při prokluzu může dojít k vzniku nežádoucího tepla a zadření aretace. Brzdy jsou určeny především pro snížení otáček již rotujících částí či jejich úplnému zastavení. Lze je využít i pro zachycení nerotující částí, ale s nižším momentem než aretace. KONSTRUKCE STROJE HCW 3000 Vodorovná vyvrtávačka řady HCW 3000 slouží k obrábění těžkých obrobků. Stroj spadá do koncepce deskové vyvrtávačky, jelikož obrobek je upnut na upínací desku a veškeré pohyby obstarává pojezd stojanu po loži v podélném směru v délce 30 metrů, posuvném vřeteníku ve stojanu ve směru svislém do výšky až 10 metrů a výsuvem pinoly a vřetena z vřeteníku ve směru příčném do vzdálenosti až 4 metrů, z toho 2,4 metrů výsuv pinoly a 1,6 metrů výsuvem vrtacího vřetene. Pracoviště je možné doplnit otočným stolem, robotickou výměnou nástrojů a frézovacími hlavami pro zvýšení technologických možností stroje. Obrázek 1: Parametry posuvů HCW 3000

3 Kinematické schéma Specifickým znakem vodorovné vyvrtávačky je koaxiální hlavní pohon, tedy umístění všech částí v jedné ose. Tím je dosaženo kompaktních rozměrů. V ose je umístěn výsuvný šroub, který před matici umístěnou za hlavním pohonem posouvá pinolou umístěnou ve vřeteníku. V pinole je uložen hlavní pohon, převodovka se spojkou navazující na vrtací vřeteno. V přední části je uložení pomocí dvouřadého kuličkového ložiska do frézovacího vřetena, které se nevysouvá s vnitřkem, ale slouží jako vedení pro vrtací vřeteno. Přenos točivého momentu je mezi vřeteny zajištěn pomocí drážek a per. Přívod chladicí kapaliny je řešen v mezikruží okolo výsuvného šroubu. V toho důvodu musí být hlavní pohon a převodovka dutá. Stávající řešení aretace je umístěné za předními ložisky. Obrázek 2: Kinematické schéma řady HCW 3000 STÁVAJÍCÍ ŘEŠENÍ ARETACE Stávající řešení je umístěno v přední části vřeteníku za předními ložisky. Ovládání se zajištěno pomocí tlakové kapaliny přivedené mezi tělo aretace a deformační člen. Tento člen je vyroben z pružinové oceli. Deformační člen se vlivem působení tlaku dostane do kontaktu s frézovacím vřetenem a vlivem tření zabraňuje pootočení. Aretace je navržena pro zachycení momentu Nm při působení tlaku kapaliny 10 MPa. Spuštěním hlavního pohonu při sepnuté aretaci dojde k jejímu prokluzu a již po několika otáčkách dochází k nevratnému poškození a vzájemnému svaření s frézovacím vřetenem. Pro demontáž a opravu je nutné rozebrat celý vřeteník a pinolu. Toto řešení je velmi zdlouhavé a dochází k finančním ztrátám způsobeným nečinností celé horizontální vyvrtávačky. Obrázek 3: Umístění aretace Parametry pohonného ústrojí Hlavním pohonem je synchronní motor od výrobce SIEMENS s dutým rotorem 1FE. Jmenovitý výkon tohoto pohonu je 111kW při 1200 ot. /min. a točivým momentem 820Nm. Maximálními otáčkami pohonu jsou Hlavní pohon je připojen skrze přírubu na koaxiální dvoustupňovou patentovanou převodovku zadavatelské firmy ŠKODA MT. Tato převodovka má dva převodové stupně, jeden stálý s převodovým poměrem 2 a druhý s převodem5- výsledně 10. Výstupní hodnoty na vřeteni jsou vypsány v tabulce. Hlavní pohon je využíván i jako brzdné zařízení. Jednotky I. převod II. převod Převodový poměr i Maximální otáčky min Maximální výstupní moment Nm Tabulka 1: Parametry na výstupu z převodovky

4 ANALÝZA STÁVAJÍCÍHO ŘEŠENÍ ARETACE V této kapitole je provede kontrola stávajícího řešení aretace umístěné za předními ložisky frézovacího vřetene. Cílem je nalezení optimální vůle mezi frézovacím vřetenem a aretací pro snížení výrobních nákladů a současného zajištění dostatečného aretačního momentu. Při větší vůli je možné snížit přesnosti výroby a tím odstranit některé dokončovací operace. Je hodnocen vliv průběhu napětí na povrchu vřetene a v aretaci při zvětšování vůle. Maximální napětí nesmí překročit dovolená napětí materiálu, aby nedošlo k trvalému poškození, jak samotné aretace, tak ostatních částí v pinole frézovacího vyvrtávacího vřetene. Analýza byla provedena v programu Siemens NX 10 pomocí řešiče NASTRAN. Pro analýzu byl vytvořen zjednodušený čtvrtinový model a zatížen tlakem 10 MPa od hydraulické kapaliny. Na výpočetní síť bylo použito 3D krychlových elementů. Jako okrajové podmínky byla použita fixace v rovinách řezu a na stykové plochy použit plošný kontakt. Obrázek 4: MKP model aretace Díl Materiál Modul pružnosti v tahu E [GPa] Modul pružnosti ve smyku G [GPa] Poissonovo číslo μ [-] Dovolené napětí σ D [MPa] Vřeteno , Aretace ,5 0, Tabulka 2: Materiálové vlastnosti Obrázek 5: Průběh napětí dle HMH na vřeteni Obrázek 6: Průběh napětí dle HMH u aretace Následující vzorec je použit pro výpočet aretačního momentu. (1)

5 Výsledky výpočtů Průměr aretace [mm] Vůle [mm] Vřeteno - styková plocha Min napětí [MPa] Max napětí [MPa] Maximální napětí [MPa] Aretace Maximální napětí [MPa] 280,1 0, , ,15 0,15 12,1 18,6 26, ,2 0, ,5 24, ,25 0,25 9,2 15,2 21, ,3 0,3 8 13,5 19, ,35 0,35 6,6 11,9 16, ,4 0,4 5, , ,45 0,45 4,5 8, ,5 0,5 3,5 7,3 9,7 400, Tabulka 3- Výsledky MKP výpočtů Aretační moment [MPa] Stávající řešení je vyráběno s vůlí 0,3 mm. Při maximálním dovoleném napětí je možné uvažovat vůli 0,35 mm, při vyšších hodnotách vůle bude již výrazně překročeno dovolené napětí a sníží se tím životnost aretace. VLIV ROZMĚRŮ NA VELIKOST ARETAČNÍHO MOMENTU Součástí práce je analýza vlivu změny hlavních rozměrů aretace, tj. průměru a činné délky na aretační moment. Velikost vůle je zvolena dle současného stavu na 0,3 mm. Cílem je určit závislost velikosti momentu pro snazší určení potřebných rozměrů pro návrh k různým aplikacím zadavatele práce. Pro výpočty byly zvoleny hodnoty průměrů 260,280 a 300 mm. Činné délky aretace byly zvoleny 44,64,84,104 a 124 mm. Výpočetní model byl zvolen se shodnými materiálovými vlastnosti, výpočetními prvky a okrajovými podmínkami jako v předchozí kapitole. Výsledky výpočtů Průměr [mm] Délka [mm] Vřeteno - styková plocha Min napětí vřeteno[mpa] Max napětí vřeteno[mpa] Aretační moment [Nm] 260, , ,3 64 3,3 8, ,3 84 4,9 11, , ,6 12, , , ,3 44 2,8 7, ,3 64 4,9 10, , , , ,8 15, , ,4 16, ,3 44 3,7 8, ,3 64 6,5 12, ,3 84 8,4 16, , , , ,7 19, Tabulka 4: Vliv rozměrů aretace na aretační velikost momentu

6 Aretační moment [Nm] Zaručená velikost aretačního momentu Činná délka aretace [mm] Ø260 mm Ø280 mm Ø300 mm Obrázek 7: Graf vlivu rozměrů na aretační moment Dle MKP analýzy je vhodné při navrhnu aretačního zařízení zvolit minimální činnou délku aretace 80 mm. Při nižších délkách nedochází ke kontaktu v celé ploše aretace a tím může být snížen vyvozený aretační moment. NÁVRH BEZPEČNOSTNÍ BRZDY Bezpečnostní brzdy musí splňovat požadavky na brzdný moment, výkon a bezprašnost do svého okolí, aby nedocházelo z poškození dalších částí v pinole frézovacího vřetene. Brzda musí splňovat i funkci nahrazení aretace. Celé brzdné zařízení musí mít maximální průměr 390 mm. Zařízení není délkou přímo limitováno, protože jeho návrhem je nutné částečně upravit konstrukci okolí převodovky. Doporučená délka brzdného zařízení je 250 mm. Důležitým požadavkem především na brzdný kotouč je nutnost osové průchodnosti v průměru 180 mm pro chladicí kapalinu k vřetenu nástroje a výsuvného šroubu. Dalším požadavkem na brzdné zařízení je použití při výpadku elektrického proudu, tedy v době kdy není možno brzdit vřeteno hlavním pohonem. Brzdné zařízení je možné umístit za převodovou skříň. Maximální otáčky dosahují 3000 ot. /min. za převodovkou. Provozní stavy brzdy V této kapitole jsou shrnuty všechny stavy zastavení vřetena s nástrojem. 1) Běžné - Při vypnutí stroje dochází k zastavení vřetene pomocí přibrzďování hlavním pohonem. V tomto případě není požadavkem na rychlé zastavení vřetene, ale pouze na snížení vedlejších časů při obrábění např. při upínání nástroje. 2) Nouzově Z důvodu bezpečnosti je nutné vřeteno co nejrychleji zastavit, aby nedošlo ke zranění obsluhy, poškození části stroje nebo obrobku. Důvodem může být vniknutí osoby za ochranné oplocení stroje či poškození nástroje nebo některých částí stroje. V tomto případě je stroj brzděn pomocí elektromotoru a také brzdy. 3) Při výpadku elektrické sítě V tomto případě běží logické systémy a nevýkonná elektronika na záložní zdroj za účelem co nejrychlejšího zastavení stroje, tak aby nedošlo k ohrožení zdraví obsluhy a poškození obrobku a stroje. Hlavní pohon není použit jako pomocná síla pro zastavení vřetene a celý brzdný proces zajišťuje pouze brzdné zařízení. Parametry brzdy Brzda musí samočinně zastavit frézovací vřeteno při výpadku elektrické sítě a po zastavení vřetene fungovat i jako aretační zařízení. Zařízení musí splňovat jednoduchou údržbu a co nejdelší servisní intervaly. Brzda musí být vůči okolním částem pinoly bezprašná. Brzda musí mít duté provedení pro průchod výsuvného šroubu a chladicí kapaliny k nástroji. Z hlediska životnosti je požadováno 100 havarijních brždění a 5000 sepnutí při klidovém stavu. Jako vhodná konstrukce byla zvolena dvoučelisťová kotoučová brzda s plovoucími třmeny. Celá brzda je zakrytována a opatřena vzduchovým chlazením. Brzda bude spínána pouze v havarijních stavech a při výpadku el. sítě.

7 Popis funkce brzdy Brzda se skládá z tělesa plovoucího třenu, dvojčinných pístů, tlačných zkrutných pružin, brzdového obložení a kotouče. Plovoucí třmen byl u této brzdy zvolen z důvodu menších zástavbových rozměrů a menšího počtu pohyblivých prvků. Plovoucí třem je uchycen pomocí dvou vodících čepů. V rozepnutém stavu je přivedena tlaková kapalina na plochu pístu tak, aby působila proti pružině a odlehčila tak brzdové destičky z kotouče brzdy. V případě aktivace brzdy je rozepnut elektromagnetický ventil, tím dojde k vytlačení kapaliny pružinou a samotné aktivaci brzdy. Ventil je ovládán buď výpadkem elektrické sítě, nebo bezpečnostním tlačítkem. V případě potřeby použití aretace je na stranu pružiny přivedena kapalina o tlaku 12MPa pro navýšení aretačního momentu na požadovaných Nm. Pro opětovné uvolnění brzdy je přivedena tlaková kapalina na plochu proti pružině a sepnut elektromagnetický ventil. Obrázek 8: Návrh konstrukce kotoučové brzdy Na obrázku lze vidět 3D model kotoučově brzdy na upínací desce bez krytu a vrtacího vřetene. Pro přehlednost jsou kryty pružin zprůhledněny pro zobrazení pružin a pístů. Bezpečnostní brzda zastaví frézovací vřeteno s nástrojem do 2 vteřin. Podrobnější popis brzdy je součástí prezentace. Obrázek 9: CAD model kotoučové brzdy

8 ZÁVĚR V úvodní části byla přiblížena stávající konstrukce aretačního zařízení. Na základě analýzy vhodné vůle je možné stávající hodnotu 0,3mm vyrábět bez obav v rozsahu 0,3-0,35mm. Při vyšší toleranci již dochází k výraznému překročení dovoleného napětí a snižuje se tak životnost deformačního členu. Analýzou vlivu změny rozměrů aretace na aretační moment, je doporučení minimální činné délky aretace 80 mm. Při nižších hodnotách již nedochází k dosednutí aretace v celé kontaktní ploše a zvyšuje se napětí na kraji deformované části. Z hlediska volby průměru záleží na zástavbových rozměrech, ale pro dosažení vyššího aretačního momentu je vhodná volba většího průměru. V poslední části byl rozebrán návrh bezpečnostní brzdy dle požadovaných kritérií. Požadavky na použití dutého provedení, kompaktních rozměrů, bezprašnosti a použití i jako aretačního zařízení byli splněny. Použitím pružin jako zdroje síly v brzdě bylo zajištěno i sepnutí při výpadku elektrické sítě, které u stávajícího řešení nebylo k dispozici. Při nerozepnutí brzdy při spuštění stroje je pouze snížen výkon stroje a v krátkém čase již nedojde k trvalému poškození částí stroje. Brzdný čas 2 vteřiny je dostatečný pro zamezení zranění obsluhy, jelikož se nachází v dostatečné vzdálenosti od rotujících částí. LITERATURA [1] WWW stránky ŠMT [online]: [2] WWW stránky Siemens [online]: [3] HOSNEDL, S., KRÁTKÝ, J. Příručka strojního inženýra 1. Praha: Computer Press, 1999 [4] WWW stránky Becorit [online]: