VÝMĚNA NÁSTROJŮ U SVISLÉHO SOUSTRUHU

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV VÝROBNÍCH STROJŮ, SYSTÉMŮ A ROBOTIKY FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF PRODUCTION MACHINES, SYSTEMS AND ROBOTICS VÝMĚNA NÁSTROJŮ U SVISLÉHO SOUSTRUHU TOOL CHANGING OF VERTICAL TURNING LATHE MASTER'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. RADEK HUŇKA prof. Ing. JIŘÍ MAREK, Dr. BRNO 2012

2

3 Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky Akademický rok: 2011/2012 ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE student(ka): Bc. Radek Huňka který/která studuje v magisterském navazujícím studijním programu obor: Výrobní stroje, systémy a roboty (2301T041) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma diplomové práce: v anglickém jazyce: Výměna nástrojů u svislého soustruhu Tool changing of vertical turning lathe Stručná charakteristika problematiky úkolu: Výměna nástrojů jak soustružnických tak rotačních s jedním rozhraním ve smykadle. Cíle diplomové práce: Vypracujte: 1.Technickou zprávu 2.Rozbor a popis vlivů, které působí na výměnu nástrojů u svislých soustruhů 3.Metodiku návrhu výměny nástrojů 4.Stavebnicovou soustavu výměny nástrojů pro stroje o velikosti 12,16,20,25,30,40, Nejméně tři ideové návrhy (pokud existují) a výběr optimální varianty na základě technicko-ekonomického hodnocení 6. Sestavní výkres vybrané varianty 7.Detailní výrobní výkres vybraného prvku

4 Seznam odborné literatury: [1] firemní literatura TOSHULIN,a.s. [2] BRENIK,P.,PÍČ,J. Obráběcí stroje konstrukce a výpočty. TP 59, Praha 1982,SNTL,s.573. [3] MAREK, J. a kol. Konstrukce CNC obráběcích strojů. MM Speciál. Praha: MM publishing, s.r. o, s. ISBN: Vedoucí diplomové práce: prof. Ing. Jiří Marek, Dr. Termín odevzdání diplomové práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2011/2012. V Brně, dne L.S. doc. Ing. Petr Blecha, Ph.D. prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc., dr. h. c. Ředitel ústavu Děkan fakulty

5 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Abstrakt Tato diplomová práce se zabývá problematikou výmny nástroj u svislého soustruhu. Konkrétn se jedná o modulární systém aretace vetena ve smykadle stroje. V práci jsou znázornny konstrukní návrhy, ze kterých je vybrána, pomocí technicko - ekonomického zhodnocení, nejvýhodnjší varianta. Dále je provedena série kontrolních a návrhových výpot, které konkrétn definují rozmry ástí mechanismu. Klíová slova Veteno, smykadlo, aretace Abstract This master's thesis deals with the problems of tool changing of vertical turning lathe. Specifically about modular system of spindle locking in a ram. The master's thesis is shows types of structural design, choosing the best design with supporting technical - economics evaluation. After this is realized series of calculation controls. These define dimensions of the mechanical parts. Key words Spindle, spindle ram, locking Bibliografická citace mé práce: HUKA, R. Výmna nástroj u svislého soustruhu. Brno: Vysoké uení technické v Brn, Fakulta strojního inženýrství, s. Vedoucí diplomové práce prof. Ing. Jií Marek, Dr..

6

7 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Výmna nástroj u svislého soustruhu vypracoval samostatn a uvedl v ní všechny použité literární zdroje v souladu s právními pedpisy, vnitními pedpisy a vnitními akty ízení Vysokého uení technického v Brn. V Brn dne Radek Huka

8

9 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Podkování Tímto bych chtl podkovat vedoucímu své diplomové práce prof. Ing. Jiímu Markovi, Dr. za odborné vedení, cenné rady, pipomínky a materiály, které mi byly poskytnuty pi zpracování diplomové práce.

10

11 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Obsah 1. Úvod Struné rozdlení výrobních stroj Teorie soustružení a soustružnické stroje Teorie soustružení Soustružnické stroje Svislé soustruhy Výrobní program TOSHULIN, a.s Rozdlení svislých soustruh Deska stolu upevnná na loži a základn Jednostojanové svislé soustruhy Dvoustojanové svislé soustruhy Deska stolu inverzní Upínání nástroj Vlivy psobící na výmnu nástroj u svislých soustruh Vlivy psobící na veteno stroje Vlivy psobící mezi vetenem stroje a zásobníkem nástroj Ostatní psobící vlivy Metodika návrhu výmny nástroj Obecný model postupu konstruování Koncepce modelu Struktura konstrukního procesu Postupové uspoádání struktury Autorské pístupy k racionálním metodám konstruování Vyjasnní úkolu Základní specifikace svislého soustruhu SKL Stavebnicová soustava výmny nástroj pro stroje o velikosti 12,16,20,25,30,40, Aretace vetena Sestavení funkních struktur Umístní aretaního mechanismu vetena ve stroji Výbr optimálního ešení metodou Pattern Možné varianty ešení aretaního mechanismu Konkretizace navrhovaných variant Hrubá konstrukce, výbr materiál, výpoty Aretace pomocí píných ep Aretace pomocí Hirthova vnce Soustava dvou protibžných Hirthových vnc Trojitý Hirthv vnec Hydraulické svrné pouzdro Kostyrka Technicko-ekonomické zhodnocení Zpesnní návrhu, kontrola vybraných ástí Kontrola vetena stroje Hodnota natoení vetena pi obrábní v zaaretovaném stavu Šroubové spoje smykadla Šroubový spoj Hirthova vnce s vetenem stroje Výpoet životnosti ložisek... 91

12 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Parametry soustavy pro pohyb Hirthova vnce Tsnní hydromotor Tsnní pístu Tsnní pístnice Závr Seznam použitých veliin Seznam použité literatury Seznam použitých obrázk Seznam použitých tabulek Seznam použitých graf Seznam výkresové dokumentace

13 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Úvod Poátek obrábní materiál sahá do velmi vzdálené minulosti. Již v dobách stavby pyramid se objevovaly základní obrábcí (soustružnické) "stroje" pohánné lidskou silou. Soustružení bylo jednou z prvních metod obrábní, které "moderní" lidstvo zná. Postupem asu a vývojem lidské spolenosti se kladly a stále kladou zvýšené požadavky na rychlost, jakost obrábného materiálu, složitost obrobk a dalších specifických urení, které nutí k vývoji nových technologií a postup, jež by tyto nároky splnily. Výrobní stroje prodlaly dramatický vývoj, a to zejména v druhé polovin 20. století, který z konvenních stroj urených pouze pro standardní technologie (soustružení, vrtání, ezání závit atd.) udlal obrábcí centra, zvládající širokou škálu dalších významných technologií v oblasti obrábní (broušení, frézování, soustružení atd.). Mimo pímé technologie obrábní mají tato centra ve velké vtšin pípad implementovány systémy automatické výmny nástroj, 5osého obrábní, monitoring kolizních stav, celkové diagnostické systémy, automatické mení kontroly nástroje a obrobku. Soustružnická obrábcí centra se vyznaují vysokou univerzálností. Napíklad schopnost stroje upnout rzným zpsobem a obrábt rozdílné druhy polotovar pi vysoké pesnosti a jednoduchosti z ehož vyplývá jednoduchá automatizace procesu. Dnešní výrobci (soustružnických) obrábcích stroj se dále snaží využívat, již zmínných vlastností, ješt více, a to napíklad pidáváním dalších obrábcích os v podob sférických hlav, rotaních a lineárních os. Velký význam se v této dob pikládá i implementaci jednoho upínacího rozhraní, které je schopné pojmout více technologií (nap. soustružení - veteno musí být zaaretováno a frézování - rotaní pohyb vetene). Kombinace tchto aspekt umožuje širokou škálu dalších operací na jednom stroji - nesouosé vrtání, vyvrtávání, závitování a víceosého frézování. Mimo již zmínné technologie, které je stroj schopen zvládnout je v rámci automatického systému i mení a kontrola soustružených prmr, délek, mení nerotaních a nesouosých obrobk, kontrola správného ustavení polotovaru i nástroj. Moderní obrábcí centra jsou dokonce schopna vyvažování a postprocesní mení. Nespornou výhodou je také velká produktivita obrábcích center obecn, která je dána obrábním vícevetenových stroj s revolverovým anebo s jiným druhem nástrojového zásobníku. Soustružnická obrábcí centra mají rozsáhlou oblast použití (od malých rotaních a až po rozmrné nerotaní obrobky), automatizaci a výkonnost, které jim zaruují své místo v dalším vývoji moderních technologií.

14 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Struné rozdlení výrobních stroj Soubžn s rozvojem technologických proces došlo i k vývoji výrobních stroj ve všech odvtvích a k jejich rznorodé profilaci. Výrobní stroje mžeme rozdlit dle jejich základní aplikace, pro kterou jsou ureny dle následující tabulky: Obr. 1. Rozdlení výrobních stroj [1] Pro detailnjší rozdlení výrobních stroj mže být použito dalších rozlišovacích kritérií: - rozmry, - pesnost, - kinematika pohybu, - zvolená konstrukce, - míra automatizace a stupe pružnosti, - energetická náronost, - zpsob ízení. Nejrozsáhlejší skupinou výrobních stroj jsou stroje ureny pro tískové obrábní materiálu. U této skupiny je vždy dodržena soustava STROJ- NÁSTRO- OBROBEK jejíž detailní charakteristika uruje pesnost a výkonnost stroje. Mezi nejastjší druhy tískového obrábní patí: - soustružení, - frézování, - vrtání, - vyvrtávání, - broušení.

15 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Teorie soustružení a soustružnické stroje Pro úplnost a dobrou orientaci v práci je nutné objasnit základní informace a fakta týkající se problematiky soustružení a k tomu urených stroj Teorie soustružení Soustružení je nejvíce používanou metodou obrábní % [37]. Model obrábní je uren v rotaci obrobku kolem své osy (hlavní ezný pohyb). Obvodová rychlost obrobku je eznou rychlostí v [m.min -1 ]. Nástroj koná nejastji pímoarý pohyb (vedlejší ezný pohyb). Podélný posuv je rovnobžný s osou rotace, stopa po noži je šroubovice. Píný posuv je kolmý na osu rotace, slouží obvykle k nastavení hloubky ezu, stopa po noži je spirála. Pi odebírání tísky materiálu vzniká velmi velké množství tepla, které je teba odvádt pomocí ezných kapalin mimo stroj. Základní výpoty: ezná rychlost: v= D n 1000 m min-1 (1) kde: D [mm] - obrábný prmr n [min -1 ] - otáky obrobku ezné síly na noži: Hlavní ezná síla: F z = A D P [N] (2) Prez tísky: A D = s a p [mm 2 ] (3) kde: s [mm] - posuv na otáku obroku a p [mm] - šíka zábru ostí - pro podélné soustružení a p = 0,5 (D-d) - pro elní soustružení a p = L-l ezný odpor: p = (4 6)R m [MPa] (4) Posuvová rychlost v f : v f = sn [mmmin -1 ] (5) kde: s [mm] - posuv na otáku obrábné souásti

16 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 16 ezná síla F c [N] je jednou ze složek celkové ezné síly F z [N]. Další složky jsou posunová síla F f [N] a pasivní síla F p. [2] kde: C Fc, C Ff, C Fp [-] - materiálové konstanty xfc, xff, xfp [-] - exponent vlivu a p yfc, yff, yfp [-] - exponent vlivu f xfc F c = C Fc a p f yfc [N] (6) F f = C Ff a xff p f yff [N] (7) F p = C Fp a xfp p f yfp [N] (8) F=F C 2 +F f 2 +F p 2 [N] (9) ezný výkon: P c = F C v c 60 [W] (10) Výkon stroje, potebný k pokrytí ezného výkonu: P = F C v c 60 [W](11) kde: [-] - mechanická úinnost stroje Obr. 2. Rozbor pohyb u univerzálního soustruhu [3]

17 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 17 Teplo v míst odebírání tísky (v obrábném míst) vzniká transformací z mechanické práce. Pi obrábcím procesu se % mechanické práce zmní na teplo [38]. Teplo má u nkterých ástí technologické soustavy kumulaní charakter. Pi soustružení se teplo kumuluje v nástroji - což negativn ovlivuje opotebení bitu nástroje. Vznikající tísky pi obrábní mají také charakter teplokumulaního prvku, který je nutné z prostoru stroje odvést. Nejastji se tak dje oplachem chladicí kapalinou a následným odvodem tísek z pracovního prostoru stroje. Významná ást vznikajícího tepla je absorbovaná obrobkem, který je ve vtšin pípad tískového obrábní, chlazen již zmiovanou chladicí kapalinou. Vzniklé teplo výrazn ovlivuje ezný proces: negativn psobí na ezné vlastnosti nástroje, ovlivuje mechanické vlastnosti obrábného materiálu, ovlivuje pchování a zpevování obrábného materiálu, ovlivuje podmínky tení na ele i hbet nástroje. Odvod tepla pi soustružení: Q = Q c + Q n + Q o + Q T [J] (12) kde: Q c [J]- celkové teplo, Q n [J]- teplo odvedené do nástroje, Q o [J]- teplo odvedené do obrobku, Q T [J]- teplo odvedené tískou. Základní soustružnické nože: Obr. 3. Základní soustružnické nože [4]

18 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Soustružnické stroje Mezi nejrozšíenjší zpsob tískového obrábní patí soustružení. Využívá se pi tom skupiny výrobních stroj, které jsou primárn ureny pro obrábní rotaních (z ásti i nerotaních) obrobk. lenní soustruh: Obr. 4. Rozdlení soustružnických stroj Na strojích urených pro soustružení je možné: - obrábt vnjší, vnitní, kuželové i elní rovinné plochy, - vrtat, - vyvrtávat, - ezat závity, - vystružovat atd.

19 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 19 K soustružnickým strojm je možné implementovat rozšiující adaptery a zaízení, které zvyšují technologické možnosti stroje (nap. kopírovací zaízení). V dnešní dob ovšem pevládá CNC obrábní, které je schopno realizovat u obrábcích center velké spektrum technologií v jednom stroji (pokud je stroj vybaven nkterou z dalších iditelných os). Tím se z klasických stroj urených pro soustružení stávají obrábcí centra. Stroje jsou navíc schopny pracovat ve velmi vysokých pesnostech a rychlostech, které zmenšují výrobní asy a náklady. CNC obrábcí centra pracují v automatickém obrábcím cyklu s nízkými vedlejšími asy (polohování, výmna nástroje atd.). Hlavní výhodou obrábcích center je použití nkolika technologií v jednom stroji a na jedno pracovní upnutí. To umožuje i automatická výmna nástroj, která je tém u vtšiny tchto stroj realizovaná pomocí zásobníku nástroj, který je v tsné blízkosti stroje. Velké procento obrábcích stroj je také schopno využívat technologii tzv. víceosého obrábní. U sofistikovanjších systém mže mít stroj i automatickou výmnu obrobk. Tyto stroje se uplatují hlavn v sériové výrob, z ehož plyne i tém bezobslužný provoz stroje. Nutná je jen pravidelná údržba a servis. Aktuální stav stroje sledují prvky diagnostiky a monitoring stroje pomocí soustavy sníma. V dnešní dob se hojn využívá i tzv. dálková diagnostika, kdy servisní úkon je proveden (pokud se nejedná o mechanickou závadu) z centrály dodavatele servisu. Obr. 5. Schéma CNC obrábcího stroje [5] Obr. 6. Schéma pohybu vetene [5] Obr. 7. Schéma dálkové diagnostiky [5]

20 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Svislé soustruhy Jelikož je tato diplomová práce zpracovávaná ve firm TOSHULIN, a.s., která patí mezi svtové výrobce svislých soustruh, je vhodné, aby byl uveden i struný výrobní program této spolenosti Výrobní program TOSHULIN, a.s. [6] TOSHULIN, a.s. vyrábí svislé soustruhy urené pro výkonné a pesné soustružení. Spolenost byla založena v roce 1949 pod názvem TOS Hulín, kdy byla zahájena výstavba závodu v Hulín. Krátce po svém vzniku se specializovala na obrábcí stroje, pedevším svislé soustruhy karusely. Této oblasti výroby se úspšn vnuje dodnes a spolupracuje s pedními svtovými strojírenskými firmami. Vtšina její produkce je urena pro export. Stroje jsou nebo byly vyváženy do 58 zemí svta. Svislé soustruhy dále umožují vrtat, ezat závity, frézovat a brousit. Stroje jsou nabízeny v osmi typových adách: SKIQ, SKA, POWERTURN, SKAT, SKL, SKG, REV a POWERTURN Y s prmrem upínací desky 1250 až 7000mm. Každý typ stroje je vyrábn v nkolika velikostech, které jsou oznaovány ísly 12, 16, 20, 25, 30, 40, 50 a 70. Základem každého stroje je lože a stojan, pouze stroje velikosti nad 25 mají stojany dva. Lože slouží k uložení upínací desky, na nmž je obrobek opracováván, a k uchycení pevodové skín. Upínací desku pohání AC motor. Obrobek je upnut pomocí tyelisového samostedícího sklíidla. Stojan je nosníkem pro píník. Na píníku je uchycen suport, který nese smykadlo, na jehož konci je nástroj pro obrábní. Všechny svislé soustruhy mají automatickou výmnu nástroj ze zásobníku, CNC ízení, moderní stídavé (AC) pohony od firmy Siemens, Fanuc, Bosch a jiných. Stroje jsou dodávány v soustružnickém provedení nebo jako obrábcí centra s temi ízenými osami a pohonem rotaních nástroj. Stroje jsou opateny ochrannými kryty. Zdokonalenou variantou jsou tzv. ekologické kryty, které pi intenzivním chlazení dovolují odsávání škodlivých aerosol a tlumí hluk. Další výhodou je možnost doplnní paletizaním systémem pro automatickou výmnu obrobk, pi kterém je maximáln zvýšena produktivita pi minimální obsluze svislý soustruh se stává vysoce výkonným obrábcím centrem vhodným pro bezobslužný provoz. Nap. stroje POWERTURN mají vpravo (píp. i vlevo) umístn zásobník s kapacitou až 96 nástroj toto originální patentované ešení výmny nástroj spluje požadavky na rychlost, spolehlivost a pesnost. Svislé soustruhy jsou dále nabízeny v rozšíeném provedení (v závislosti na typu a velikosti) s boním suportem, druhým píníkovým suportem, aktivní kontrolou obrobku a nástroje, monitorováním stavu nástroje, standardním nebo tlakovým chlazením, tetí ízenou osou, zvýšeným provedením stroje, zvýšenými otákami upínací desky, dopravníkem tísek, lineárním odmováním, se zvýšenou klimatickou odolností, s úpravou pro odlišná naptí a kmitoty, se speciálním nástrojovým vybavením pro zvláštní obrobky (nap. tlesa armatur).široký rozsah soustružnických a rotaních nástroj umožuje produktivní obrábní i dokonovací práce.

21 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Rozdlení svislých soustruh Hlavním rysem svislých soustruh je poloha upínací desky a konstrukce rámu. Rozeznáváme tyto konstrukní provedení: Deska stolu upevnná na loži a základn Jedná se o nejrozšíenjší typovou variantu svislých soustruh. Tato konstrukní varianta má svislou osu otáení na vodorovné desce, na které je upnuta obrábná souást. Hlavní oblastí použití je obrábní rozmrných a tžkých souástí, kde pevládá prmr nad délkou. Díly nemusejí být jen rotaního charakteru, ale lze obrábt i nerotaní souásti. Svislé soustruhy s deskou stolu upevnnou na loži a základ mžeme rozdlit do dvou kategorií, a to: Jednostojanové svislé soustruhy Jsou konstrukn ešeny pro velikosti upínací desky s prmrem mm. Otáky stolu a posuvy jsou plynule regulovány. Rozmry stroj mohou být malé a kompaktní až po velké stroje s upínací deskou uloženou v zemi (až mm), piemž upínací ást stolu je rovnobžná s povrchem zem. Hlavní ásti soustruhu: - píník, - smykadlo, - stojan, - lože, - upínací deska stolu. Obr. 8. CNC svislé obrábcí centrum SKA [7] Obr. 9. Popis svislého jednostojanového soustruhu [8]

22 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 22 Jednostojanové svislé soustruhy mohou mít speciální provedení stojanu, potažmo celého rámu. Stojan netvoí pevný blok s rámem stroje. Stojan je umístn na loži, po kterém se mže pohybovat. Tento systém je vhodný pro obrobky, které pesahují nkterým svým rozmrem nejvtší prmr upínací desky. Stojan mže být odsunut do požadované polohy tak, aby mohl být obrobek upnut a obrábn. Obr. 10. Speciální provedení svislého soustruhu, schéma speciálního provedení svislého soustruhu [9] Dvoustojanové svislé soustruhy Dvoustojanové svislé soustruhy jsou oproti jednostojanovým konstruovány pro velké obžné prmry obrábných souástí. Maximální prmry obrobk, které mohou být obrábny, se obvykle pohybují mm, s plynulým posuvem píníkových i stojanových suport a také s plynulým výsunem smykadel s nástrojovou hlavou. Svislé soustruhy, které mají vtší prmr soustružení jak mm jsou vybaveny posuvnými stojany. Tyto posuvy slouží pro snadnjší manipulaci a ukládání rozmrnjších obrobku než je upínací deska daného svislého soustruhu. To znamená, že pi prmru upínací desky nap mm lze upnout obrobek, který bude mít maximální vnjší prmr mm. V této situaci se ale nemže pracovní hlava stroje polohovat až na sted obrobku.

23 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 23 Dvoustojanový svislý soustruh se skládá: - stojany, - horní píka (není obsaženo u všech typ), - rámová konstrukce, - píník, - lože, - upínací deska, smykadla. Obr. 11. Popis svislého dvoustojanového Obr.12. Dvoustojanový svislý soustruhu [8] soustruh [10] Deska stolu inverzní Soustruhy s inverzní deskou stolu vycházejí ze standardní koncepce svislých soustruh. Tyto stroje jsou též nazývány inverzní karusely. Deska stolu se, ale nachází v pozici vetena a veteno je umístno na pozici upínací desky stolu. V podstat se tedy jedná o výmnu pozice upínací desky stolu a vetena. Stroje jsou kompaktní a tvoí uzavenou buku, veteno je pak s Pick-Up manipulátorem, který krom upnutí souástí slouží pro manipulaci s obrobkem. Tím je zarueno, že asy jsou minimální. [11] Obr. 13. Inverzní svislý soustruh [12] Obr. 14. Kontinuální doprava obrobk [13]

24 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 24 Tato koncepce má výborný odvod tísek z pracovního prostoru stroje, což umožuje jeho volná spodní ást, ve které je uložen pouze tískový dopravník. Veteník, je v tomto pípad, tvoen elektrovetenem, které musí být v prbhu obrábní chlazeno. Stroj mže obsahovat automatické prvky, jako jsou dopravníky obrobk a polotovar, micí sondy a podobn. [11] Obr. 15. Schéma inverzního svislého Obr. 16. Model inverzního svislého soustruhu [14] soustruhu [14] 4.3. Upínání nástroj Mechanismus upínání i vyjmutí nástroje je uren použitou technologií obrábní. U stroj, které jsou ureny pouze pro soustružení, je adapter, který umožuje upnout pouze soustružnické nástroje. Tyto stroje jsou omezeny technologií soustružením což je nepeduruje k nijak velkému využití. V dnešní dob se spíše využívá spojení minimáln dvou technologií, které je stroj schopen provádt. Využívá se spoleného rozhraní kužele, který upíná jak soustružnické tak i frézovací nástroje. Tím vnikají vtší nároky na opakovatelnost, pesnost upnutí i vyvážení adapteru. Obr. 17. Teoretický rotaní nástrojový upína [15]

25 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 25 Upínání se provádí v dutin vetena stroje, která je osazena upínacím mechanismem k danému upínacímu rozhraní. Dutina vetena stroje je vybavena ofukem funkních ploch stlaeným vzduchem. Proud vzduchu je schopen vyistit upínací dutinu od pípadných tísek z obrábcího procesu i jiných neistot. U svislých soustruh je vtšinou veteno pro upnutí rotaního nástroje uloženo ve výmnném adaptéru a ten je poté pi automatické výmn upnut ve smykadle. Pi automatické výmn nástroje se musí smykadlo pesunout do polohy pro výmnu nástroj, obvykle co nejblíže zásobníku nástroj. Poloha pro výmnu nástroj je bu nad zásobníkem, kde smykadlo provede výmnu nástroje bez dalšího mezimechanismu. Nebo je také možná varianta výmny upínae mezi smykadlem a zásobníkem pomocí dalšího mechanismu, nap. dvouramenného chapadla, které pemístí nástroj s upínaem ze zásobníku do dutiny vetena a zpt. Obr. 18. Horizontální zásobník nástroj [16] V závislosti na výrobci stroje a použitých technologiích obrábní mže mít stopka upínae rzná rozhraní. Nejpoužívanjší jsou ISO, HSK, CAPTO, BIG- Plus a další. Všechny tyto upínae jsou rotaní a umožují upnout jak rotaní (nap. frézovací) tak i nerotaní (nap. soustružnické) nástroje. Obr. 19. Upínání kužele ISO [11] Obr. 20. Upínání kužele HSK [11] Obr. 21. Nástrojový upína CAPTO, HSK, ISO [16]

26 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Vlivy psobící na výmnu nástroj u svislých soustruh V procesu výmny rotaního nebo soustružnického nástroje psobí velké množství vliv, které mohou, anebo pímo psobí na tento proces. Popsáním jednotlivých vliv mže být stanoveno, jakou dležitost mají jednotlivé vlivy a tím dále urit potebu jejich sledování, anebo stupe detailního zpracování. Dále jsou probrány vlivy psobící na rotaní nástroje, protože na soustružnické nástroje psobí obdobné vlivy, zejména pokud je bráno v úvahu zadání této diplomové práce. Jednotlivé vlivy, mohou být rozazeny do tí skupit a to: - psobící v okolí vetena stroje, - psobící mezi vetenem a zásobníkem nástroj, - ostatní psobící vlivy Vlivy psobící na veteno stroje Rozbor tchto vliv je velmi dležitý pro celý optimální proces obrábní. Vše co se týká samotného vetena, mže mít rozhodující vliv na pesnost, opakovatelnou pesnost, bezpenost a splnní požadavk na obrábnou souást. Vlivy psobící na veteno (smykadlo) stroje: Odpovídající aretace vetena Tento faktor je dán technologiemi, které je stroj schopen vykonávat. V dívjší dob byly svislé soustruhy ureny jen pro soustružnické operace. Z toho plyne, že aretace vetena nebyla ešena pro více technologií tískového obrábní, napíklad pro frézování. Dnešní situace je však opaná a veteno stroje je uzpsobeno pro obrábní rotaními tak i pevnými nástroji. Díky tomuto aspektu jsou dány velmi velké nároky na pesné ustavení, znehybnní a udržení daných podmínek pi obrábní (soustružení). Touto problematikou se zabývá tato diplomová práce a bude objasnna v prbhu práce. Upínací síla Pro zaruení bezproblémového ezného procesu obrábní je zapotebí mít zaruené pevné upnutí nástrojového upínae v dutin vetena. To zajišuje automatický upínací mechanismus uvnit smykadla stroje, potažmo vetena stroje. Upínací ústrojí je tvoeno hydraulickým rozvodem, talíovými pružinami, táhlem a kleštinou. Princip mechanismu: Pro vložení (vyjmutí) upínae do dutiny vetena stroje je nutné uvolnit talíové pružiny. To se provádí pes hydraulickou soustavu (odtlaující píst), která psobí na pedepnuté pružiny. Jakmile jsou talíové pružiny povoleny, uvolní se táhlo, na které

27 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 27 je napojená kleština. Kleština je urena pro aretaci epu upínae v dutin vetena stroje. Poté co je táhlo kleštiny uvolnno se taktéž uvolní i kleština a upínací soustava je pipravena pro vložení upínae (nap. s nástrojem nebo micí sondou). Po vložení upínae automaticky klesne tlak v hydraulické soustav a pružiny se samovoln vrací do pvodního stavu ped stlaením. Kontinuáln s vracejícími se talíovými pružinami je táhlo vtahováno smrem vzhru a kleština na konci táhla vtahuje ep na upínai dále do dutiny vetena. Upnutí je dokoneno v okamžiku dosednutí dvou stykových ploch upínae a dutiny vetena. Tím je vyvozena požadovaná upínací síla. Pi uvolování upínae z dutiny vetena stroje je postup totožný. Stroj je vybaven bezkontaktními snímai, které signalizují probíhající výmnu nástroje jak upnutí tak i vyjmutí nástrojového upínae. Obr. 22. Schéma principu výmny nástroje istota dutiny vetena pi výmn upínae U strojních souástí, kde probíhá silový styk dvou a více díl, je velmi dležitá istota stykových ploch. Jinak tomu není ani u upínae a dutiny vetena stroje. Z procesu obrábní vznikají nežádoucí produkty a neistoty (tísky z obrábného materiálu, ezné emulze, vysrážené mazivo atd.), které je nutno odstranit. U dutiny vetena stroje je implementována ofukovací soustava, která ped každou výmnou nástroje vyistí dutinu proudem stlaeného vzduchu. Tento proces zabezpeuje istotu kužele uvnit vetena. U nástrojového držáku je istota kužele ešena taktéž ofukem, kde proudí stlaený vzduch z vetena stroje. Pi automatické výmn nástroje je pi odepínání držáku použito stlaeného vzduchu ve chvíli, když je držák tsn vysunut z dutiny vetena. Tím jsou odstranny všechny neistoty i z kužele držáku.

28 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Vlivy psobící mezi vetenem stroje a zásobníkem nástroj Natoení vetena Krouticí moment se penáší pes tecí styk kužele. Pi vtších momentech a rázových zatíženích pojišují hlavní ást penosu krouticího momentu unášecí kameny (Obr.23). Unášecí kameny jsou symetricky uspoádané na elní ploše vetena tak, aby zabezpeovaly jednoznanou orientaci nástroje. Vzhledem k tomu, že unášecí kameny pesn zapadají do unášecích drážek v upínai, je nutné, aby veteno stroje bylo pi výmn nástroje ve správném natoení vi upínai. Tento stav zajišuje soustava senzor, kterými je stroj opaten. Stroj má pevn nadefinovanou polohu natoení vetena pi každé výmn upínae. Pokud by se z njakého dvodu (mechanická nebo elektronická porucha) veteno nedostalo do správné polohy, senzory, kterými je stroj opaten nahlásí chybové hlášení a výmna se nerealizuje. Obr. 23. Unášecí kámen [18] Obr. 24. Vetenová hlava s unášecími kameny [17] Poloha smykadla Pohyblivá ást, ve které je uloženo veteno stroje, jak už bylo zmínno, se nazývá smykadlo. Smykadlo je pohyblivé ve 3 osách X,Y,Z. U výmny nástroj je nezbytné, aby bylo smykadlo ve správné poloze vi ramenu chapadla nebo zásobníku nástroj. Tato poloha musí být jasn urena a opakovateln dodržena tak, aby výmna probhla v poádku. Správné najetí do polohy pro výmnu zajišují pohony jednotlivých os a píslušný ídicí systém. Pokud by systém vyhodnotil špatné najetí do požadovaného místa, celý proces se zastaví, dokud nebude odstranna závada, která zpsobila píslušný chybový stav. Upínací rozhraní Dutina vetene stroje mže být uzpsobena pro nkolik rzných typ a velikostí upína. Nejbžnjší a nejpoužívanjší typy jsou upínae s kuželem ISO, HSK. Mén astým, ale používaným (rychle se rozšiujícím) systémem jsou polygonální upínae Capto. Na druhu použitého nástrojového rozhraní závisí konstrukce vetena stroje, zásobníku nástroj i provádná výmna. Pokud se napíklad srovná konstrukce vetena osazená ISO a HSK rozhraním ve stejné výkonové hranici, je zejmé, že HSK upína je velikostn menší pi stejných parametrech. Tím je možné nadimenzovat veteno rozmrov mén objemné. Bohužel jeho upínací soustava je složitjší a he absorbuje mechanické rázy. Zmiovanými rozhraními ISO, HSK, Capto mže být osazen i stroj SKL12 firmy TOSHULIN, a.s.

29 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 29 Provedení výmny Penos upínae mezi vetenem stroje (potažmo smykadlem) a nástrojovým zásobníkem je možné uskutenit nkolika zpsoby. V prvním z nich je takzvaná Pick-Up výmna pi níž není použit žádný další mezilen. Tato výmna je u svislých soustruh jedna z nejrozšíenjších. Smykadlo stroje má uren referenní bod výmny nad zásobníkem nástroj. Zásobník se nachází v tsné blízkosti stroje a nebo je do nj pímo implementován. Konkrétní pozici mže mít každý daný stroj jinou. Místo výmny nástroje u zásobníku musí mít dobrou pístupnost, dostatek prostoru a být co nejblíže pracovnímu prostoru stroje. Jak už bylo zmínno, upínací stopka upínae nesmí být nijak zneištna. Tím pádem nesmí být zneištna ani dutina pro upína v zásobníku nástroj. Tento zpsob výmny bude detailnji popsán v dalším bodu diplomové práce. Je teba zmínit, že výrobce svislých soustruh TOSHULIN, a.s. má ve výrobním programu svislý soustruh SKIQ, který je charakteristický automatickou výmnou nástroj z 15polohového zásobníku nástroj. Ten je umístn pímo na suportu stroje. Zásobník mže obsahovat soustružnické nožové držáky, vrtací a brousicí vetena atd. Výmna je provedena tak, že smykadlo musí pouze vyjet do horní pozice k zásobníku nástroj, kde chapadlo vyjme nástroj ze smykadla a zasune do volné pozice v zásobníku. Zásobník nástroj se pootoí tak, aby byl požadovaný nástroj v míst pro výmnu, a chapadlo jej zaveze do smykadla. Obr. 25. Svislý soustruh model SKIQ [19] Obr. 26. Výmna nástroj u SKIQ [20]

30 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Ostatní psobící vlivy Senzorika provedené výmny Moderní svislé soustruhy jsou osazeny adou senzor, které kontrolují a zabezpeují správnou funknost stroje, bezpenost provozu, kontrolu parametr stroje pi obrábní a celkový stav stroje v každém asovém úseku, kdy je stroj v innosti. Senzorika, která se týká výmny nástroje, ve vetenu je na principu sledování tlaku stlaeného vzduchu. Princip je uveden na obr. 27. Pokud upína pi upnutí tsn nedosedne na upínací plochy stlaený vzduch, bude dál proudit kolem upínae a senzorický systém, který monitoruje daný úsek, nedovolí roztoení vetena a poté nahlásí chybu v systému. Správné nedolehnutí stykových ploch mže napíklad zpsobit vadný upína, neistoty z ezného procesu a nebo cizí tleso v dutin vetena stroje. Pro tyto situace je veteno vybaveno vnitním ofukem, který istí dutinu vetena a upína ped (a po) každé výmn. Další možností jak sledovat, vyhodnocovat a hlásit správné upnutí je systémem bezkontaktních spína. Tyto spínae jsou umístny na ele smykadla pro upínání rozpoznání druhu upnutého držáku (rotaní nástroje lze upnout pouze s krycí deskou). Pokud bezkontaktní spínae nesepnou, je hlášena v CNC systému chyba. Stejným systémem je sledováno upnutí uvnit vetena, které zabezpeuje upínací mechanismus. Ten je sledován temi bezkontaktními spínai v horní ásti smykadla. Pohyb smykadla, které musí být pesunuto do místa výmny nástroj zabezpeuje servopohon motoru stroje, snímae odmování a polohy. Pi pohybu smykadla na polohu pro výmnu nástroj se soubžn nastavuje dopravník nástroj do pozice pro výmnu píslušného nástroje. Nejdíve je upína zasunut do dopravníku. Po té se do pozice pro výmnu pesune dopravníkem upína s nástrojem, který je požadován (platí u kotouových a etzových dopravník). To vše je ízeno automaticky CNC systémem. Obr. 27. Princip senzoriky provedené výmny [21]

31 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 31 Mechanické opotebení Velkou roli pi automatické výmn upínae hraje mechanické opotebení ploch upínae i dutiny vetena. Jelikož je výmna provádna ve vysokých potech a krátkých cyklech, musí být stykové plochy vyrobeny z na otr odolných materiál. Standardní materiál, ze kterého jsou vyrobeny stopky upína je chrom-manganová ocel s kolem HRC. Veteno stroje, ve kterém je dutina pro upína mže být vyrobeno z ocelí tídy 14. Napíklad veteno stroje SKL12 firmy TOSHULIN, a.s. je vyrobeno z materiálu dle SN , který má po tepelném zpracování velmi píznivé vlastnosti. Vyšší riziko poškození je u upínae než u vetena. Upína je vystaven etnjší manipulaci a namáhání. Upínae i veteno by mli být pod stálou údržbou. Rychlost polohování, dynamika výmny Díky stále se zvyšujícím požadavkm na zkrácení hlavních (ezných) i vedlejších (manipulaních) as je nutné, aby byla rychlost a celková dynamika co nejvyšší. ím menší jsou je doba výmny tím více je stroj konkurenceschopný. Toto lze dosáhnout dostatenou volbou posunových rychlostí a vhodným systémovým CNC ízením. Jelikož se v poátení fázi musí dát do pohybu velká hmota a v konené ásti pohybu psobí velká setrvanost hmot (smykadlo s upínaem) musí být vhodn navržena posunová soustava- vodicí plochy, kulikové šrouby, servomotor atd. Rychlost výmny, správné ustavení v zásobníku nástroj Jak již bylo eeno, velmi dležitý faktor, který ovlivuje výmnu nástroje je as, za který je tato výmna provedena. U etzového dopravníku je obvykle výmna provedena Pick-Up výmnou (výmna již byla popsána), kdy referenní bod pro výmnu nástroj má smykadlo v konkrétním míst nad dopravníkem. Rychlost samotné výmny (ne polohování na referenní bod) je závislá na dvou faktorech. To je schopnost smykadla zavést a odebrat upína v co nejkratším asovém úseku do dutiny nebo z dutiny upínae v zásobníku nástroj. Druhým faktorem je co nejrychlejší napolohování dopravníku nástroj. Po odejmutí upínae z vetena stroje a usazení do dopravníku nástroj je nutné dopravit další upína, který je nadefinován v programu pro obrábní souásti. V této situaci je již podstatná jen rychlost polohování dopravníku tj. za jaký konkrétní as je schopen dopravit nový nástroj na pozici pro výmnu. Rychlost polohování dopravníku je však do znané míry omezena maximální únosností dopravníku a velikostí. ím nižší je hmotnost nástroj a velikost dopravníku, tím vyšší mže být i rychlost výmny (u kotouových a etzových dopravník) Toto jsou ztrátové vedlejší asy, pi kterých stroj není v obrábcím procesu a zvyšuje náklady na výrobu dílu. Jak už bylo zmínno stroj musí být vybaven pro odpovídající rychlost výmny hlavn po mechanické, ale tak i po systémové stránce. Na ídicí systém jsou kladeny vysoké nároky, aby byla zajištna správná funkce polohování, zptné vazby, ustavení atd. Jiná situace nastává v pípad, kdy je zásobník umístn pímo na suportu stroje. Pi této výmn odpadá složité polohování a vše je ešeno v rámci jednoho pracovního

32 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 32 prostoru. Nevýhodou je však malý poet nástroj (pop. micích sond), který mohou být implementovány do zásobníku (Obr. 20.) Samozejm, aby byla provedena rychlá a precizní výmna, je mezi smykadlem a zásobníkem nástroj dležitý faktor pesnosti ustavení vi sob. U Pick-Up výmny jde hlavn o kolmost smykadla se zásobníkem a pesnosti ustavení. Pokud by se vyskytl pípad, že by byla njaká z os špatn nepolohována a smykadlo by nebylo ádn ustaveno v referenní poloze (ale výmna by byla stále možná), docházelo by k nadmrnému namáhání upínae a i pouzdra pro upína. Zvýšeným otrem a namáháním by se taktéž zvyšovalo opotebení a porušení stykových ploch což by mlo za následek nesprávnou anebo nemožnou funkci upínae. Statické a dynamické vyvážení vetena stroje a upínae Nevyváženost je definována jako stav rotujícího tlesa, pi nmž hlavní osa setrvanosti není totožná s osou rotace [22] Problematika vyvážení se zcela pímo netýká výmny nástroj, ale je velmi dležitá pi návrhu vetena a použití upínae s nástrojem. Vzhledem k možnosti použití vysokých otáek vetene (nástroje) jsou kladeny zvýšené nároky na upínací držáky nástroj, což je podmt k dobrému vyvážení. U soustavy veteno - nástrojový upína - nástroj - vyvolává nevyváženost ve vtšin situací problémové vibrace. Pokud dosáhnou anebo pekroí bezpenou mez, mají adu negativních vliv, které podstatn ovlivují chování stroje. Nejvýraznjší z tchto vliv je snížení životnosti (zrychlené opotebení) ložisek vetene pípadn i jejich destrukce, zhoršená kvalita obrábné plochy a výrazn vyšší opotebení nástroje. [22] Nevývaha mže být zpsobena jak výrobní vadou, tak poškozením jedné nebo více ástí na vetenu stroje i upínai. Vzhledem k vyšší pravdpodobnosti poškození upínae (díky etnjší manipulaci) je vhodné kontrolovat stav upína pravideln po uplynutí daného asového intervalu. Vyvážení se udává se v grammilimetrech. výpoet: U = m r [g.mm] (13) U = (M + m) e M e [g.mm] (14) Kde: M hmotnost rotoru T tžišt e excentricita tžišt m nevyvážená hmota r vzdálenost nevyvážené hmoty m od osy rotace úhlová rychlost F odstedivá síla O osa rotace U nevyváženost Obr. 28. Nákres výpotu nevývahy upínae [22]

33 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Metodika návrhu výmny nástroj V konstrukním procesu je obsaženo znané množství inností, jejichž základy lze nalézt v širokém spektru vdních oblastí. Konstruování je pedevším založeno na pochopení problému a zpsobu myšlení k docílení jeho žádaného dokonení. Psychologie myšlení se zabývá mimo jiné i teoretickými postupy pi ešení daných problém. Základní pojmy, které také souvisejí s metodikou konstruování: [23] - asociace, - myšlení, - intuice, - píiny myšlenkových chyb. Další oblastí dležitou pro metodické konstruování je heuristika a tvoivé myšlení (kreativita). Hlavní aplikovatelné principy pi konstruování: [23] - zajištní motivace, - urení okrajových podmínek, - nalezení možných pedsudk, - hledání více variant ešení - možnost lepší optimalizace, - volba nejvýhodnjší varianty na základ objektivního zhodnocení. Obecn uznávanou oblastí pro zlepšování pracovních úkon je organizace práce nebo také vdecká organizace práce. Deset základních princip vdecké organizace práce je možné ve zjednodušené form prezentovat takto: [23] - vytvoení všestrann píznivých podmínek, - zajištní jasné formulace a pimené pochopení každého úkolu, - analýza každého úkolu a obsahu, rozdlení na úelnou adu dílích úkon a úsek, - stanovení priorit a asových termín, - píprava dležitých údaj a poznatk - postoj kritického náhledu na n, - volba optimálního postupu a ešení pro dané podmínky, - pelivé plánování každého pracovního úseku z technicko-organizaního hlediska.

34 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str zpracování provádcího plánu pro každý vtší pracovní úsek, - dohlížení, ízení a organizaní zajištní práce na provádcím plánu, - kontrola výsledk a porovnání s požadovanými hodnotami- kontrola kvality, - zpracování výsledk a zkušeností v konené zpráv. Uvedené principy je nutné pevést i na konstrukní návrhy. K vypracování konkrétních pokyn jsou však nutné speciální formy podložené získanými znalostmi v oboru konstruování Obecný model postupu konstruování Nabízí se široké spektrum model postupu pi navrhování, které i pes svou podobnost mají rozdílnou informaní váhu, která dává v praxi málo možností pro vzájemnou konfrontaci a užití. V praxi je stále pracováno ve vtšin pípad starým zpsobem což znamená postup intuitivními kroky jednotlivých subjekt (pracovník). Požadavky na obecný model: Požadavky na model lze definovat následujícím lenním: [23] - strukturování návrhového procesu do pehledných, vdomích celk pro dosažení optimálního ešení co nejhospodárnjším postupem, - model pokud možno objektov neutrální, který je však možné konkrétn urit pro dané podmínky, - model pro pesn definované vlivy. Dsledky tchto vliv zpsobují mutace obecného postupu, - zejmé vztahy k dalším oblastem konstrukní vdy, - hlavní ásti jednotlivých ástí musí být v souladu s ovenými poznatky v dalších vdních oborech, - jasn srozumitelná forma pro návrháe v praxi, - oblast použití- konstruktér v praktické innosti, management, plánování, základ pro CAD práci atd.

35 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Koncepce modelu [23] Základem koncepce modelu jsou primárn: a) Zákonitosti v oblasti technických proces a techn. systém. Základními východisky systému jsou: - technický systém je brán za nejvyšší abstrakci objektu návrhu, - proces návrhu je hledání vhodné stavební struktury popsané pomocí elementárních konstrukních vlastností, - vývojové kroky technického systému jsou hlavními mezníky modelu postupu, - stanovení a ešení kompletní funkce nebo úink postupuje po jednotlivých stupních komplexe. b) Vdomosti z psychologie a heuristiky, které jsou dány pro konstrukní návrhy Hlavními pedpoklady modelu jsou: - konkrétní stavební struktury technického systému, - systém ovování na základ hodnocení má ti stupn: - kontrolu v každém kroku, po každé innosti, - kontrolu po každé fázi, - kontrolu pi pedávání práce. Obecný model v postupovém diagramu je složen pro podmínky: - konstruování nového techn. systému hladiny komplexe stroje nebo zaízení, - prbh procesu není pod asovým tlakem, je k dispozici potebný as, - kusová nebo malosériová výroba navrhovaného výrobku, - prmrný konstruktér a stav pracovních prostedk, informací a ízení.

36 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Struktura konstrukního procesu Konstrukní proces obsahuje složité strukturní elementy (operace), které se mohou pehledn uspoádat pomocí dvou prostedk: - struktura komplexnosti operací návrhového procesu, ve které jsou operace nižší úrovn zaazeny v operacích vyšší úrovn, - bloky operací, které se opakují v daném logickém cyklu pro dosažení uritých strategických cíl. Hierarchické uspoádání konstrukních operací Toto uspoádání nejpoužívanjších konstrukních krok je znázornno na obr. 29. innosti, respektive operace, zobrazené na jednotlivých stupních schématu pímo utváejí celý proces (koncipování, navrhování, zpracování), ale jsou také souástmi inností na vyšších stupních. Z tohoto plyne, že všechny uvedené operace se skládají z elementárních ástí na páté úrovni. Obr. 29. Hierarchické uspoádání konstrukních operací [23]

37 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Postupové uspoádání struktury U obr. 29 na tetí hierarchické úrovni je zejmé, že se jedná o blok operací, v nmž se sled pi ešení problému pravideln opakuje. Toto blokové schéma je analogické s modelem postupu pi ešení problému, známého z psychologie. Tento postup lze díky tomu s úspchem použít jak pro hlavní koncepci celého návrhového procesu, tak pro jeho jednotlivé ásti (nap. dimenzování). Uvedené operace patí mezi základní, nejastji používané všeobecné úkony konstrukního procesu: [23] - urení úkolu, - hledání ešení, - hodnocení a rozhodnutí, - prezentace ešení, - zpracování výsledk, - kontrolování, - zobrazování. Korektní a hierarchický pedpis pro urení soustavy operací za daným cílem je metodou, která pedepisuje, jak postupovat. Takové schéma se dle obsahu a zamení nazývá algoritmus, technologie apod. Bohužel není vždy snadné dospt ke konkrétnímu ešení, je tedy vhodné použít postupu pro konkretizaci takového pedpisu. K nejdležitjším primárním pedpism pi navrhování patí: [23] - iteraní postup - užití u komplikovaných vztah, kdy podmínky nesplují pímé ešení, - postup od abstraktního ke konkrétnímu, - Eliminují se mén významná kritéria a pozornost se soustedí na pesné urení dležitých vlastností, - zpesování - prbh od pedbžného k již propracovanému ešení, - zlepšování - pedpoklad, že dané ešení lze dále zlepšit, kritikou a postupným zlepšováním vzniká dokonalejší ešení.

38 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Autorské pístupy k racionálním metodám konstruování V souasné dob existuje více možností a pístup, jak docílit racionalizaci konstrukního návrhu. To se projevuje v pístupu rzných autor a v jimi zpracovaných publikacích. [24] Z dosud uvedených informací je zejmé, že platí urité zákonitosti v postupu a každý, kdo používá principu metodiky konstruování, musí tyto zákonitosti respektovat. Autorské pístupy rozeznáváme podle: [24] - Wögerbouera, - Kollera, - Hansena, - Rodenackera, - Rotha, - Kesseiringa, - VDI, - metody postupného konstruování (MKP), - vlastní metodika návrhu. Vzhledem k rozsáhlosti uvedených variant nebude rozepsán mechanismus výbru metody konstruování. Dle literatury [24] a informací uvedených v pedešlých kapitolách byla zvolena upravená metoda postupného konstruování (MKP) dle poteby konstrukního návrhu provádného v této práci. Metodický postup MKP je uspoádán do jednotlivých bod: [24] 1. Návrh, který podporuje vznik hypotézy, je odrazem reality. 2. Urení obecného schémata reality. 3. Hypotéza, která transformuje obecné schéma reality do okruhu fyzikálních zákon a fyzikálních proces. 4. Vytvoení modelu, kde jsou aplikovány fyzikální zákony i fyzikální jevy, které jsou uvažovány v hypotéze. 5. Specifikace problému (DP) v oblasti možného technického problému. 6. Specifikace cíl (DC), to je hodnot a funkcí, kterých má být dosaženo. 7. Zkoušení na modelu s úmyslem zabezpeit DC a DP. 8. Tvorba souboru návrh technicky proveditelných.

39 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Vdeckotechnické realizace umožující konstrukní zpracování zamýšlených technických návrh. 10. Experimentální zkoušení technických návrh a vdeckotechnických výpot. 11. Návrh konstrukního ešení zvolených návrh. 12. Konstrukní zpracování vybraných návrh. 13. Výroba zvoleného zaízení dle výkresové dokumentace. 14. Experimentální zkoušení, zda technická ešení odpovídají pedpokladm dané hypotézou v (DP) a (DC). Vývojový diagram metodického postupu: Obr. 30. Vývojový diagram metodického postupu

40 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Vyjasnní úkolu 7.1. Základní specifikace svislého soustruhu SKL 12 Použití a popis stroje: [25] Stroj je uren k soustružení obrobk v kusové i opakované výrob malých a stedních sériích. Mimo bžných soustružnických operací, umožuje soustružení kužel, závit, obecných ploch, broušení, osové i mimo osé vrtání, vystružování, ezání závit a frézování obecných ploch. Nosnou ástí svislého soustruhu je lože a stojan, které dohromady tvoí tuhý celek. Upínací deska je tvoena obrobkovým tíelisovým hydraulicko-mechanickým sklíidlem RÖHM. Náhon upínací desky je odvozen od regulaního motoru. Motor pes ozubené emeny pohání upínací desku v jednom stupni. Náhon polohování upínací desky je také odvozen od regulaního motoru. Rám stroje sestává z lože. K loži jsou pipevnny dva stojany. Na horní plochu stojan je pipevnn výškov nepestavitelný píník. Píníkový suport, pohybující se po lineárních valivých vedeních, je konstruován pro souvislé íslicové ízení. V závislosti od polohy píníkového suportu a upínací desky jsou ízeny otáky upínací desky (konstantní ezná rychlost). Smykadlo tuhé konstrukce má pímoaré lineární vedení a je uloženo ve valivých hnízdech v píníkovém suportu. Mechanismus pro upnutí a uvolnní nožových držák, nebo rotaních nástroj, je zabudován ve smykadle. K dosažení žádané tuhosti pesnosti jsou valivá vedení píníkového suportu i smykadla pedepnuta. Posuv píníkového suportu i smykadla je odvozen od digitálního servopohonu pes vložený pevod a kulikový šroub. Smykadlem prochází náhonová hídel pro pohon rotaních nástroj. Hídel je nahánna elektrickým regulaním motorem pes ozubené emeny v jednom stupni. Smykadlem prochází náhonová hídel pro pohon rotaních nástroj. Hídel je nahánna elektrickým regulaním motorem pes ozubené emeny v jednom stupni. Na pravé stran stojí samostatn, pevn spojen se základem, dvoupatrový zásobník. Zásobník je od pracovního prostoru stroje oddlen hydraulicky otevíratelným krytem (dvemi). Výmna nožových držák, nebo rotaních nástroj, ve smykadle probíhá v míst zásobníku. Olejové mazání valivého vedení jednotlivých posuv stroje probíhá automaticky. Olejový mazací systém je centrální Mazání kulikových šroub a jejich uložení je provedeno tukem. Uložení upínací desky je namazáno trvalou tukovou náplní. K ovládání pomocných funkcí stroje slouží hydraulický agregát, kde jsou soustedny hydraulické prvky. Hydraulický agregát je zavšen na levé stn levého stojanu. V zadní ásti stojanu je umístno zaízení pro úpravu tlakového vzduchu, který ofukuje upínací dutinu ve smykadle pi výmn nožového držáku, nebo rotaního nástroje. Odvod tísek se uskuteuje pomocí skluz, které jsou souástí ochranných kryt a elního vynášecího dopravníku tísek. Chladicí kapalina, která se po obrábní odvádí souasn s tískami se sousteuje v nádrži elního vynášecího dopravníku tísek. Z nádrže je chladicí kapalina erpána odstedivým erpadlem do hlavní nádrže, kde je,

41 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 41 filtrována a vedena potrubím a hadicí ke smykadlu a k nástroji. Ochranné kryty, které chrání i horní ást pracovního prostoru, zajišují bezpenost pi práci. Prostor zásobníku nástroj je ohrazen ochrannými kryty. Venkovní vstup do pracovního prostoru stroje lze vybavit pracovní plošinou. V ovládacím panelu, umístném ped strojem, je zabudován ídicí systém, prvky pro runí ovládání nkterých funkcí stroje (nap. osvtlení stroje, prvky pro uvedení stroje do chodu, START-STOP pohon, hydrauliky), jakož i prvky signalizující nkteré funkce stroje ( upnutí nástroje, pipojení stroje na sí apod.). Souvislý ídicí systém spluje veškeré požadavky na ovládání stroje a jeho technologické možnosti. Elektroinstalace je pizpsobena jednotlivým ovládaným skupinám stroje. Spínací a regulaní pístroje jsou soustedny v rozvodné elektroskíni. Propojovací materiál pro propojení stroje a rozvodné elektroskín je dodáván v potebných délkách. Pracovní rozsah [25] Obr. 31. Nákres svislého soustruhu SKL 12 [25] Maximální prmr obvodového soustružení [mm] 1700 Maximální prmr elního soustružení [mm] 1700 Maximální vzdálenost od pracovní plochy upínací desky po upínací plochou smykadla [mm] 1200 Prez smykadla [mm] 200 x 200 Maximální zdvih smykadla [mm] 1000 Maximální prmr obrobku [mm] 1700 Maximální výška obrobku -(pi použití nástrojového držáku délky 160 mm) [mm] 1000 Maximální hmotnost obrobku - v závislosti na zadaných otákách upínací desky kg 2000 Maximální ezná síla- v závislosti na vysunutí smykadla, krouticím momentu na upínací desce a na použitém nástroji [N] Doporuený prez tlesa nož [mm] 25 x 25

42 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 42 Upínací deska Prmr upínací desky [mm] 1250 Rozsah otáek (otáky plynule mnitelné v jednom stupni) [1/min] Maximální krouticí moment na upínací desce [Nm] 5168 (S1) Výkon hlavního AC pohonu SIEMENS [kw] 29,6 (S1) Posuvy Pracovní posuv [mm/min] Rychloposuv [mm/min] Posuv na otáku (do max mm/min) [mm/ot] 0, Soustružení závit se stoupáním (do max mm/min) [mm/ot] 0, Náhon rotaních nástroj Rozsah otáek (otáky plynule mnitelné v jednom stupni) [1/min] Maximální kroutící moment na vetenu rotaních nástroj [Nm] 325 (S1) Výkon AC SIEMENS pohonu rotaních nástroj [kw] 17 (S1) ízená osa "C" Otáky upínací desky - osa "C" [l/min] 0,01 10 Minimální kroutící moment na upínací desce [Nm] 6300 Maximální pracovní posuv [mm/min] Stavebnicová soustava výmny nástroj pro stroje o velikosti 12,16,20,25,30,40,50. Ve firm TOSHULIN, a.s. je znaení velikosti stroj dáno prmrem upínací desky svislého soustruhu. Tato velikost nemá vliv na konstrukní uspoádání vetene, potažmo aretaního mechanismu. Všechny stroje v produkci firmy TOSHULIN, a.s. jsou osazeny smykadlem stejného prezu, to je 200x200 mm. Maximální ezná síla, která je pi obrábní dovolena je N, která je stejná pro všechny velikosti svislých soustruh v nabídce spolenosti TOSHULIN, a.s.. Z výše zmínných fakt vyplývá, že navrhnutý aretaní mechanismus bude kompatibilní se všemi svislými soustruhy. Výsledná soustava aretaního mechanismu bude tedy pln splovat charakter stavebnicové soustavy.

43 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Aretace vetena Ze zadání diplomové práce vyplývá, že mechanismus upnutí nástroje zajisti použití jak rotaních tak i nerotaních (soustružnických) nástroj. Za pedpokladu využití rotaních nástroj je veteno stroje v pohybu (vykonává rotaní pohyb). Nástroj je pohánn pes veteno a další mezileny, elektromotorem stroje. Jestliže však má dojít ke zmn technologie a to je v tomto pípad výmna rotaního nástroje za pevný nerotaní (soustružnický), musí být veteno stroje zajištno proti jeho pohybu (protoení). Pi obrábcím procesu soustružením vzniká díky ezné síly na konci vetena krouticí moment. Tato síla je závislá pímo na nkolika faktorech na píklad: - vyložení nástroje, - velikost odebírané tísky, - vlastnostech obrábného materiálu, - ezných podmínkách, - vhodn zvoleným nástrojem, - atd. Je tedy nutné zabezpeit pevné aretování vetene stroje takovým zpsobem, aby nedošlo k pootoení vetene (potažmo bitu nástroje). Z tohoto dvodu je zejmé, že se vzniklý moment musí eliminovat vhodn zvoleným aretaním mechanismem, který bude dostaten splovat zajištní proti pohybu vetene. 8. Sestavení funkních struktur 8.1. Umístní aretaního mechanismu vetena ve stroji Varianta A Elektromotory vtšiny obrábcích stroj mají možnost aretace v jedné dané poloze tzv. brzdní protiproudem. Nevýhody tohoto ešení jsou zejmé. Z dvodu nedostateného zpevnní motoru, které by bylo zapotebí pi obrábní a velkého vývinu tepla (prchod velkého proudu) tato varianta není možná. (Obr. 32.) Obr. 32. Aretace blokování motorem

44 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 44 Varianta B Brzda by mohla být umístna za pevodovou skíní (Obr. 33.). Tato varianta z konstrukního hlediska z hlediska zástavbového prostoru by byla vyhovující. Avšak vzhledem k tomu, že brzda jako taková by byla umístna ped emenovým pevodem (bráno smrem od motoru) by s velkou pravdpodobností došlo k prokluzu emenového pevodu, což by zpsobilo protoení vetena. Z tohoto dvodu tato varianta není možná. Obr. 33. Aretaní mech. ped pevodem Varianta C Toto ešení umístní brzdy je výhodnjší než pedešlá varianta. Brzda by byla pímo napojena na vetenovou ást, kde se již nenacházejí žádné mechanické pevody (Obr. 34.). Velkou nevýhodou tohoto uvažovaného ešení je prostor, do kterého by se zástavba brzdy ustavila. Problematickou ástí je zde také zkroucení vetenové tye, které by s velkou pravdpodobností nastalo. To by vedlo napíklad k nepesnému nastavení hrotu nástroje pi obrábní. Obr. 34. Aretaní mech. za pevodem

45 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 45 Varianta D Brzda, umístná u ela vetena, se jeví jako nejvýhodnjší ešení (Obr. 35.). Deformace vetenové tye nehrozí, pokud bude brzda umístna co nejvíce u ela vetena. Z konstrukního hlediska je tato varianta vhodným ešením díky snazší vestavb brzdy do smykadla. Smykadlo také mže být u ela dlené, což více zjednodušuje montáž mechanismu. Obr. 35. Aretaní mech. na vetenu 8.2. Výbr optimálního ešení metodou Pattern Název metody je tvoen ze zkratky: (Planning Assistance Thugh Technical Evaluation of Relevance Numbers) Metoda je vhodná pro multikriterální porovnání na úrovni: - technické, - technologické, - ekonomické. Algoritmus postupu: 1. výbr kritérií pro porovnání (cena, výkon, rychlost), 2. definování požadované tendence zmny srovnávaných kritérií, 3. stanovení váhy významnosti vybraných kritérií, 4. výpoet index zmn vybraných kritérií pro srovnávané prvky, 5. stanovení poadí srovnávaných prvk. Metodou Pattern lze provést výbr optimální varianty po technické stránce. Pro zvolení parametr, výpoet a urení je zvolen PC program MyChoice. Jelikož u této metody je výhodnjší, aby analýzu provádlo více osob, jsou znázornné hodnoty a výsledky interpretovány od dvou hodnotitel. První z nich je zpracovatel této diplomové práce, druhý je Ing. Miroslav Pšenica. Varianty a kritéria u obou hodnotitel jsou stejná.

46 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 46 Varianty rozhodování: Tab. 1. Varianty rozhodování Kritéria rozhodování: Zadání hodnot u variant: Tab. 2. kritéria rozhodování Hodnotitel 1 Tab. 3. Piazené hodnoty k jednotlivým variantám 1 Tab. 4. Piazené hodnoty k jednotlivým variantám 2 Hodnotitel 2 Tab. 5. Piazené hodnoty k jednotlivým variantám 3 Tab. 6. Piazené hodnoty k jednotlivým variantám 4

47 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 47 Vyhodnocení kompromisní varianty: Hodnotitel 1 Tab. 7. Vyíslení jednotlivých variant a kritérií 1 Tab. 8. Vyíslení jednotlivých variant a kritérií 2 Hodnotitel 2 Tab. 9. Vyíslení jednotlivých variant a kritérií 3 Tab. 10. Vyíslení jednotlivých variant a kritérií 4

48 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 48 Poadí variant, dle procentuálního vyjádení: Hodnotitel 1 Tab. 11. Vyhodnocení jednotlivých variant 1 Hodnotitel 2 Grafické vyjádení vyhodnocení: Hodnotitel 1 Tab. 12. Vyhodnocení jednotlivých variant 2 Graf. 1. Grafické vyjádení vyhodnocení jednotlivých variant 1

49 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 49 Hodnotitel 2 Graf. 2. Grafické vyjádení vyhodnocení jednotlivých variant 2 Z uvedených výsledk vyplývá, že nejoptimálnjším ešením je varianta D- brzda na vetenu Možné varianty ešení aretaního mechanismu Jak již bylo uvedeno, aretaní mechanismus by ml být umístn co nejblíže elu vetene. V návaznosti na to je nyní možné urit jednotlivé typy aretaního mechanismu, které je možno uvažovat. Aretaní mechanismus musí vycházet hlavn z podmínky tuhého a pesného zablokování vetene stroje tak, aby nedošlo k nežádoucím posuvm. Z konstrukního hlediska je problematický prostor, do kterého má být aretaní mechanismus zasazen. Díky tomu je znan omezen výbr možných použitelných variant. Uvažované typy aretaního mechanismu: aretace pomocí kolík, Hirthv vnec, kotouová brzda, ozubený vnec, dodavatelské ešení, pásová brzda.

50 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 50 Dle zadání diplomové práce je teba vybrat ti varianty ešení aretaního mechanismu. Ke zpracování byly vybrány varianty, které odpovídají zcela odlišným koncepním návrhm Konkretizace navrhovaných variant Pístup k variantám: - z vnitního prostoru smykadla: Hlavní zástavba aretaního mechanismu by mla být umístna uvnit smykadla a tvoit kompaktní systém. Nejvýhodnjší variantou se jeví Hirthv vnec, který je obecn používán v mnoha aplikacích, kde je nutno zajistit pevné a pesné ustavení. - z vnjšího prostoru smykadla: U tohoto pístupu by mly být hlavní ovládací prvky z vnjší strany smykadla, které mají výhodu snadného pístupu nap. pi údržb. Zde mže být vhodn použita varianta aretací pomocí kolíku, který bude ovládán hydromotorem z vnjší strany smykadla. - dodavatelské ešení (externí dodavatel): V dnešní dob je velmi populární využívat externí dodavatele, kteí mají zkušenosti s požadovaným produktem. Cílem bude najít dodavatele a navrhnout optimální ešení.

51 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Hrubá konstrukce, výbr materiál, výpoty 9.1. Aretace pomocí píných ep Varianta zablokování vetene pomocí epu (jednoho nebo více) vyniká jednoduchostí konstrukce. Není teba složitého zásahu do vnitní zástavby smykadla. Hydraulické prvky mohou využít pítomnosti tlakového oleje, který je dodáván z centrálního agregátu. Princip - spoívá na hydraulicky ovládaném epu (pístnici), který vykonává pímoarý vratný pohyb. Kolík se pohybuje skrz smykadlo do vetena, kde je hydraulicky zpevnn. Pi obrábcím procesu pevným nástrojem a vhodném lícování epu by nemlo nastat žádné posunutí a aretaní mechanismus splní svoji funkci. Pi výmn za rotaní nástroj je ep vysunut a umožní tak vetenu neomezený rotaní pohyb. ep je zejména namáhán na stih a na otlaení, což také tvoí základ výpotu aretaního mechanismu. Pro aretaní ep musí být také vhodn zvolena kuželovitost, aby docházelo k volnému zasunutí bez pípadného odporu. Kuželovitost má také dležitou funkci z hlediska pesného vystední v kalených vodících pouzdrech, potažmo i ve smykadle a vetenu. Již zmínným dležitým prvkem jsou kalená vodicí pouzdra umístnná uvnit smykadla a vetena, která slouží jako otruvzdorný prvek zaruující vysokou životnost a stálost vi otlaování materiál. Pouzdro ve vetenu stroje musí být vybaveno odvzdušujícím kanálem, který zabezpeí bezproblémové vysunutí kolíku z prostoru vetena. Pokud by nebyl v pouzde tento kanál obsažen, docházelo by k podtlaku pi výsunu pístnice z prostoru vetena. Zmínný stav by vedl k nežádoucímu namáhání souástí. Kvli údržb stroje musí být pouzdra vymnitelná a tudíž vhodn usazena na ureném míst. Významným faktorem je také volba použitých materiál a jejich tepelné zpracování, což má pímý vliv na výsledek rozmrových specifikací epu i vodicích pouzder.

52 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 52 Návrh a výpoet Obr. 36. ez smykadlem Zadané a zvolené hodnoty: D 145 D x 92 A 200 x F z i 2 mm mm mm mm N... maximální prmr vetena... prmr, na který je ustaven ep... pdorysný rozmr smykadla... maximální vyložení nástroje... maximální ezná síla... pedbžný poet aretaních ep

53 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 53 Výpoet krouticího momentu na vetenu M kz x 1 F z ( 16) M kz N.mm Návrh epu (namáhání na stih) Obr. 37. Schéma základních rozmr a síly K návrhu epu (kolíku) je nutné zvolit materiál s vhodnými vlastnostmi. Jelikož vypoítaný psobící moment od ezné síly na nástroji je znan vysoký, je teba zvolit materiál vyšší kvality. Volím materiál dle SN EN : 1991+A1: 1996; 42CrMo4. (Dle SN ) Materiál je charakterizován jako: Ocel s vyšší prokalitelností pro výše namáhané strojní díly. Po zakalení dosahuje tvrdosti pibližn HRC. Do prmru 100 mm lze po zušlechtní docílit pevností nad 1000 MPa pi ješt dostatené houževnatosti. Není náchylná k popouštcí kehkosti. Kalí se do mén razantního kalicího prostedí, ponvadž je náchylná ke vzniku kalicích trhlin v místech s vrubovým úinkem nebo povrchových vad. V kaleném stavu dobe odolává opotebení. Patí k nejastji používané oceli k zušlechování. Je užívána na velmi namáhané souásti stroj a silniních vozidel. [29] Pro d<16 mm je R m = MPa R m 1200 Ds Ds R m MPa MPa ( 17) Materiál vodícího pouzdra volím: dle SN , (DIN C45W3) Jedná se o stedn uhlíkovou ocel ke kalení ve vod s malou prokalitelností, dobe tvárná za tepla a velmi dobe obrobitelná po ŽM. Materiál je vhodný na vodicí pouzdra, dorazy, sloupky, atd. Dosažitelná tvrdost je asi 58 HRC.

54 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 54 Vhledem k nižším materiálovým hodnotám a charakteristikám je za výchozí považován materiál epu. Dle literatury [27] jsou ureny koeficienty K sb [-] a K sp [-] dle píslušného namáhání. K sb 1.5 K sp 1.5 provozní koeficient smyku (1-3) provozní koeficient tlaku (1-3) x 2 D 2 F x M kz x 2 ( 1819) x mm F x N Výpoet minimálního prmru epu: s K sb F x S Ds ( 20) d kt 4 d kt K sb F x Ds i mm ( 21) z dvodu bezpenosti zvoleno k 1.5 (50% bezpenost) d kv d kt k ( 22) d kv mm Zvolena nejbližší vyšší hodnotu prmru epu d k1 9 mm

55 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 55 Kontrola na otlaení ve vetenu Dovolená hodnota na otlaení vychází z grafu 3. Jestliže zvolený materiál po zušlechtní má hodnotu HRC pak dovolená hodnota P d [MPa] na otlaení odpovídá dle kivky ti (pesuvné uložení bez zatížení) pibližn 130 MPa Graf. 3. Závislost tvrdosti povrchu na mezi pevnosti v tahu [30] P d 130 MPa 6M kz P v1 K sp d k1 D 2 D x 2 ( 23) P v MPa P v1 P d Kontrola na otlaení ve smykadle: 4M kz P s1 K sp d k1 ( A D) ( A D) ( 24) P s MPa P s1 P d Kontrola ep na otlaení ve vetenu nevyhovla podmínce P1<Pd. Tato situace vyžaduje zvolit vtší prmr ep a nebo zvolit materiál s jinými parametry. Vzhledem k velkým požadavkm na materiál volím variantu zvtšení prmru kolík. Volím: d k 12 mm

56 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 56 6M kz P v2 K sp d k D 2 2 D x ( 25) P v MPa P v2 P d Kontrola na otlaení ve smykadle: 4M kz P s2 K sp d k ( A D) ( A D) ( 26) P s MPa P s2 P d Dle vypoítaných výsledk vychází, že zvolená hodnota prmru je správn nadimenzována a je možné ji použít k dalšímu zpracování Aby bylo zejmé jaké maximální hodnoty krouticího momentu a ezné síly, které dokáže bez porušení aretaní ep penést, je znázornn pepoet z navrhnutého epu na M kvmax a F vzmax. Pepoet na eznou sílu: Výpoet maximální síly psobící na epy: F vmax 2 d kv Ds F vmax i 4 N ( 27) Výpoet maximálního momentu psobící na epy: M kvmax F vmax x 2 ( 28) M kvmax N.mm Výpoet maximální ezné síly psobící na bit nástroje: M kvmax F zvmax x 1 F zvmax N ( 29)

57 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 57 Fzvmax N M kvmax N.mm... výpotová teoretická ezná síla, kterou epy udrží... výpotový krouticí moment psobící na veteno Vzhledem k tomu, že veteno a smykadlo stroje byly pouze upraveny pro možnost použití aretaních ep, není nutné volit jiná ložiska než u stávajícího ešení. Použita byla ti radiální ložiska B E.T.P4S UL FAG a jedno ložisko axiální P5. Popis schématu obr. 38: Obr. 38. Schéma návrhu aretaního mechanismu pomocí ep 1 veteno 11 radiální ložisko 2 smykadlo- spodní díl 12 podložka 3 smykadlo- horní díl 13 vodící ložisko 4 kuželový kolík (ep) 14 distanní kroužek na ložiska 5 vodící pouzdro veteno 15 vnitní obložení smykadla 6 vodící pouzdro smykadlo 16 axiální ložisko 7 hydromotor 17 tsnní 8 pidržova tsnní 18 šroub se zápustnou hlavou 9 distanní kroužek 19 distanní rozpra 10 vetenové obložení

58 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 58 Obr. 39. Sestava návrhu aretaního mechanismu pomocí ep 3D model Pod íslem pozice 7 je vyobrazen zvolený pímoarý dvojinný hydromotor. Byl zvolen hydromotor EH - 40 / 22 x 37 R Obr. 40. Schéma zvoleného hydromotoru Tab. 13. Rozmry hydromotoru EH - 40 / 22 x 37 R

59 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 59 Výpoet psobící síly na píst ve smru do vetena stroje: p h 9.5 D t 40 MPa mm... tlak hydraulického obvodu... vnitní prmr válce hydromotoru S p D t 2 4 S p mm 2 ( 30) F p p h S p F p N ( 31) Výpoet psobící síly na píst ve smru z vetena stroje: d p 22 mm... prmr pístnice hydromotoru D z D t d p ( 32) D z 18 mm S z D z 2 4 S z mm 2 ( 33) F v p h S z ( 34) F v N

60 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Aretace pomocí Hirthova vnce Další zvolenou variantou aretace vetene svislého soustruhu je blokování pomocí Hirthova vnce. Toto ešení se velmi asto užívá v pesn polohovatelných spojkách nebo v zaízeních, kde je požadavek na pesné ustavení a zpevnní. Výhodou Hirthova vnce je poteba malé pítlané síly, vzhledem k povaze aretovaných souástí. Toto ešení také zajišuje velmi dobrou opakovatelnost pesného polohování pi udržení samostedících vlastností a nízkého opotebení segment Hirthova vnce, což se velmi pízniv promítá do celkové životnosti aretaního mechanismu. Obr. 41. Znázornní Hirthova vnce [26] Soustava dvou protibžných Hirthových vnc K aretaci vetena svislého soustruhu je docíleno silovým psobením (stykem) jednotlivých ásti zub, konkrétn jejich bok. Základní ideové schéma z lit. [36]. Výhodou je, že pítlaná síla psobí vždy v ose vetene stroje na celou soustavu Hirthových vnc. Výpoet vychází z výpotu krouticího momentu od ezné síly kap str. 53 vzorec (16). Jelikož se v tomto pípad jedná o soustavu dvou (respektive ty) Hirthových vnc, bude psobení krouticího momentu Mkz [Nmm] rozdleno mezi zmiované vnce. Z tohoto plyne, že na každém ze systému vnc bude nutné eliminovat moment Mkz/2. Výpoet je proveden dle literatury [28]. Obr. 42. Parametry Hirthova vnce [28] Obr. 43. Parametry Hirthova vnce [28]

61 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 61 Krouticí moment vyvolaný eznou sílou: M kz x 1 F z ( 16) M kz N.mm Výpoet obvodové síly: Dle zadaných rozmr smykadla (200 x 200 mm) byly zvoleny hodnoty: vnitního a vnjšího prmru Hirthova vnce. D h 187 d h 154 mm mm... vnjší prmr Hirthova vnce... vnitní prmr Hirthova vnce M kz 2 F u 4 D h d h F u N ( 35) Obr. 44. Psobení sil na zubu Hirthova vnce [28] Výpoet minimální axiální síly potebné k aretaci Hirthova vnce: F a F u tan 6 M kz 2 F a D h d h F a N F a N ( 3637) Výpoet požadované síly na aretaci s bezpenostním faktorem: Dle literatury [28] bylo zvoleno: 1.8 [-]... koeficient bezpenosti F va F a F va N ( 38)

62 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 62 Výpoet efektivní plochy bok zub: Pro výpoet je nutné zvolit parametry z literatury [28]. z 96 [-]... zvolený poet zub r 0.3 s 0.4 mm mm... základní rádius zub... vle mezi vnci z 0.65 [-]... podíl zatížení Dále zvoleno: d L 7 mm... prmr upevovacích šroub n 6 [-]... poet upevovacích šroub Výpoet stykové plochy zub: Jedná se o celkovou plochu zub, která je inná pi psobení síly F va [N]. Je zde brán zetel i na rozmr a poet šroub, které upevují Hirthv vnec. 2 nd L A z D h d h D h d h 4 D h d h 1.155z( r s) z ( 39) A z mm 2 Výpoet maximálního psobícího tlaku na plochu zub: F va F a p max A z ( 40) p max MPa Výpoet délky zubu: I I 16.5 D h d h 2 mm ( 41)

63 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 63 Výpoet teoretické výšky zubu: Zubový koeficient c [-] je závislý na potu zvolených zub (z= 96), dle literatury [28] má koeficient hodnotu: c [-]... zubový koeficient H h c D h ( 42) H h mm Výpoet skutené výšky zubu: h cd h ( 2r s) h mm ( 43) Výpoet vyvození potebné síly na jeden hydromotor k aretaci vetena: Nejvýhodnjší poet hydromotor- zvoleny tyi, a to díky optimálnímu rozložení hydromotor ve smykadle a symetricky psobící síle na Hirthv vnec. Poet hydromotor tedy zvolen: i p 4 F ph F va i p F ph N ( 44) Výpoet minimálního prmru pístu hydromotoru: Výpoet vychází ze základního vzorce p h =F ph /S, kde ph [MPa] je dostupný hydraulický tlak dodávaný hydraulickým agregátem a F ph [N] je pítlaná síla jednoho hydromotoru potebná k zapolohování Hirthova vnce. p h 9.5 MPa... tlak v hydraulickém obvodu F ph p h S S d p 2 4 d p 4 F ph p h d p mm ( 45) ( 4647) S ohledem na výpoet zvoleno prmr pístu hydromotoru d pv = 24 mm.

64 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 64 Pepoítaná síla na zvolený prmr pístu: F phv 2 d pv p h 4 F phv N ( 48) Obr. 45. Schéma návrhu sestavení soustavy Hirthových vnc Popis schématu obr. 45: 1 veteno 14 tsnní 2 smykadlo- spodní díl 15 víko tsnní 3 smykadlo- horní díl 16 distanní rozpra 4 Hirthv vnec horní 17 tsnní zátky hydromotoru 5 Hirthv vnec na vetenu horní 18 tsnní zátky hydromotoru 6 Hirthv vnec na vetenu spodní 19 tsnní pístu hydromotoru 7 Hirthv vnec spodní 20 vodicí kroužky pístu hydromotoru 8 distanní kroužek 21 tsnní pístu hydromotoru 9 zátka hydromotoru 22 lícovaný šroub 10 píst hydromotoru 23 šroub na pístu 11 axiální ložisko 24 rozprná podložka 12 radiální ložiska 25 lícovaný šroub 13 distanní kroužek ložiska 26 rozprná podložka

65 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 65 Obr D model návrhu sestavení soustavy Hirthových vnc Na modelu (Obr. 46.) lze vidt soustavu osmi hydromotor, které ovládají celou soustavu navrhovaných Hirthových vnc. Vzájemné upevnní pístnice a Hirthova vnce je provedeno lícovanými šrouby, které zabezpeují dodržení pesného ustavení a udržení vnce pi pohybu píst.

66 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Trojitý Hirthv vnec K aretaci vetena svislého soustruhu je docíleno silovým psobením (stykem) jednotlivých ásti zub, konkrétn jejich bok. Základní ideové schéma z lit. [36]. Výhodou je, že pítlaná síla psobí vždy v ose vetene stroje. Jelikož se v tomto pípad jedná o soustavu tí Hirthových vnc s rozdílnou konstrukcí než v pedchozí variant (kap ), bude hlavní vnec (na vetenu stroje) navržen na celkový moment od ezné síly, který je vyíslen v kap str. 53 vzorec (16) (Mkz= 2600 Nm). Krouticí moment vyvolaný eznou sílou: M kz x 1 F z ( 16) M kz Výpoet obvodové síly: N.mm Dle zadaných rozmr smykadla (200 x 200 mm) byly zvoleny hodnoty vnitního a vnjšího prmru Hirthova vnce. D h 141 d h 104 mm mm... vnjší prmr Hirthova vnce... vnitní prmr Hirthova vnce M kz F u 4 ( 49) D h d h F u N Výpoet minimální axiální síly potebné k aretaci Hirthova vnce: F a F u tan 6 M kz F a1t 2.31 ( 5051) D h d h F a N F a1t N Výpoet požadované síly na aretaci s bezpenostním faktorem: Dle literatury [28] bylo zvoleno: 1.8 [-]... koeficient bezpenosti F va F a F va N ( 52)

67 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 67 Výpoet efektivní plochy bok zub: Pro výpoet je nutné zvolit parametry z literatury [28]. z 120 [-]... zvolený poet zub r 0.3 s 0.4 mm mm... základní rádius zub... vle mezi vnci z 0.65 [-]... podíl zatížení Dále zvoleno: d L 6 mm... prmr upevovacích šroub n 6 [-]... poet upevovacích šroub Výpoet stykové plochy zub: Jedná se o celkovou plochu zub, která je inná pi psobení síly F va [N]. Je zde brán zetel i na rozmr a poet šroub, které upevují Hirthv vnec. 2 n d L A z D h d h D h d h z ( r s) z ( 53) 4 D h d h A z mm 2 Výpoet maximálního tlaku na zub: F va F a p max A z p max MPa ( 54) Výpoet délky zubu: I D h I d h mm ( 55)

68 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 68 Výpoet teoretické výšky zubu: Zubový koeficient c [-] je závislý na potu zvolených zub (z= 120), dle literatury [28] má koeficient hodnotu: c = [-] zubový koeficient H c D h ( 56) H mm Výpoet skutené výšky zubu: h c D h ( 2r s) ( 57) h mm Výpoet vyvození potebné síly na jeden hydromotor k aretaci vetena: Nejvýhodnjší poet hydromotor- zvoleno tyi, a to díky optimálnímu rozložení hydromotor ve smykadle a symetrický psobící síle na Hirthv vnec. Poet hydromotor tedy zvolen: i p = 4 F ph F va ( 58) 4 F ph Výpoet minimálního prmru pístu hydromotoru: N Výpoet vychází ze základního vzorce p h =F ph /S, kde p h [MPa] je dostupný hydraulický tlak dodávaný hydraulickým agregátem a F ph [N] je pítlaná síla jednoho hydromotoru potebná k zapolohování Hirthova vnce p h = 9.5 MPa... tlak v hydraulickém obvodu F ph p h S S d p 2 4 d p 4 F ph p h d p m zvoleno: dpv= 39 mm ( 45) ( 4659)

69 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 69 Pepoítaná síla na zvolený prmr pístu: 2 F phv d pv p h 4 ( 60) F phv N Obr. 47. Schéma návrhu sestavení Hirthových vnc 1 veteno 15 distanní kroužek pod ložiska 2 smykadlo- spodní díl 16 krycí kroužek tsnní vetena 3 smykadlo- horní díl 17 rozprný kroužek na vetenu 4 Hirthv vnec na vetenu 18 vodící obložení pístu 5 Hirthv vnec na smykadle 19 tsnící lamela vetena 6 Hirthv vnec ovládaný vnjší 20 vodící kroužek pístu hydromotoru 7 Hirthv vnec ovládaný vnitní 21 tsnní pístu hydromotoru 8 základní vnec 22 lícovaný šroub 9 ložisko 23 stírací kroužek hydromotoru 10 obložení ložisek 24 tsnní zátky válce 11 obložení Hirthova vnce 25 tsnní zátky válce 12 podpra pod Hirthova vnce 26 rozprná podložka 13 zátka hydromotoru 27 pesný šroub 14 píst hydromotoru 28 pružná podložka 29 pítlaný segment

70 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 70 Obr D model návrhu sestavení trojitého Hirthova vnce

71 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Hydraulické svrné pouzdro Kostyrka Upínací pouzdra jsou založena na myšlence vytvoení spoje hídele s nábojem pomocí pilnavosti materiál (tení) a tím umožnit vtší efektivitu výroby u moderních obrábcích stroj. Upínací pouzdra mají velmi krátký as sevení, velkou sílu sevení, jsou programov ovládatelné a to vše pi relativn malých zástavbových rozmrech. Jako tlakové médium se používá hydraulický olej. Prvek, který penáší zatížení je flexibilní kovový válec s vložkami ze syntetických materiál, které umožují bezpené sevení. Výrobce hydraulických pouzder KOSTYRKA GmbH nabízí širokou škálu typ i rozmr upínacích pouzder. Zamují se taktéž na výrobu pímo dle požadavk zákazníka. Pro aplikaci ve smykadle svislého soustruhu je poteba použít typ svrného pouzdra s elní pírubou, který je schopen eliminovat jak axiální tak i radiální síly. Obr. 49. Ukázka hydraulických svrných pouzder Kostyrka [31] Obr. 50. Píklad funkce upínacího svrného pouzdra Kostyrka [31] Z pedbžného návrhu jsou zvoleny hodnoty aretaního prmru d a [mm], délka svrného pouzdra L [mm], šíka pírubové ásti a [mm] a koeficient smykového tení [-]. d a 110 L 155 a 13.5 [mm] [mm] [mm]... aretaní prmr... délka hydraulického pouzdra... délka požadovaná pírubami p h 9.5 [MPa]... dostupný tlak v HY obvodu 0.12 [-]... volený koeficient smykového tení

72 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 72 Krouticí moment vyvozený eznou silou, spoítaný v kap str. 53 vzorec (16). (Mkz=2600 Nm). Dle vzorce z literatury [31] je poítán maximální krouticí moment M ku [Nm], který je schopno hydraulické svrné pouzdro udržet tak, aby nedošlo k vychýlení vetena z daného místa, dle zadaných podmínek. M ku d a ( L 2 a ) p h d a ( 61) M ku Nm Výpoet maximální udržitelné síly F ku : F ku d a ( L 2 a) p h ( 62) F ku N Výpoet bezpenosti k u : k u M ku ( 63) M kz k u [-] Z výpotu vyplývá, že hodnota souinitele bezpenosti není vyhovující a neodpovídá koeficientu bezpenosti pro strojní souásti. Souinitel bezpenosti byl stanoven na hodnotu 1.55 dle literatury [31]. Po komunikaci s konstruktérem z firmy KOSTYRKA GmbH panem Stefanem Schwockem byla zvolena varianta, která eší problém s nedostatenou svrnou silou. Vzhledem k tomu, že firma KOSTYRKA GmbH má ve svém sortimentu i tlakové multiplikátory speciáln urené pro jednotlivé typy upínacích pouzder, byla zvolena tato varianta. Do hydraulického obvodu by se zaadil multiplikátor tlaku, který znásobí tlak dodávaný hydraulickým agregátem z p h = 9.5 MPa na hodnotu p hii = 14 MPa. Pepoítání M ku (9.5 MPa) na hodnotu M kuii (14 MPa): M kuii d a ( L 2 a ) p hii M kuii Nm d a ( 64)

73 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 73 Výpoet maximální udržitelné síly F kuii : F kuii d a ( L 2 a ) p hii ( 65) F kuii N Výpoet bezpenosti k u : k uii M kuii M kz ( 66) k uii [-] Je zjevné, že využití multiplikátoru vyhovuje z hlediska navýšení bezpenosti k upínací síle. Nevýhodou tohoto návrhu je prodražení celé koncepce a nutnost použití dalšího mezilenu v hydraulické soustav. Obr D model návrhu aretace pomocí svrného pouzdra Kostyrka

74 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 74 Obr. 52. Schéma návrhu sestavení se svrným pouzdrem Kostyrka Popis schématu obr. 52.: 1 veteno 11 radiální ložisko 2 smykadlo- spodní díl 12 podložka 3 smykadlo- horní díl 13 vodící ložisko 4 kuželový kolík (ep) 14 distanní kroužek na ložiska 5 vodící pouzdro veteno 15 vnitní obložení smykadla 6 vodící pouzdro smykadlo 16 axiální ložisko 7 hydromotor 17 tsnní 8 pidržova tsnní 18 šroub se zápustnou hlavou 9 distanní kroužek 19 distanní rozpra 10 vetenové obložení

75 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Technicko-ekonomické zhodnocení Technicko-ekonomické zhodnocení se zabývá výbrem nejvhodnjší varianty z ekonomického i technického hlediska. Ekonomické zhodnocení K tomuto hodnocení je nutné zvolit variantu, která bude pedstavovat etalon, který bude reprezentovat 100 % ceny. Ostatní ešení aretaního mechanismu budou porovnány se zmínnou 100 % variantou a následn pidleny kladné nebo záporné procentní pírstky i úbytky. Technické zhodnocení Hodnocení je založeno na udlení 0-10 b. ím vhodnjší návrh konstrukce, proveditelnosti nebo technického ešení tím, je dán vyšší poet bod. Jako etalon k porovnání ekonomické náronosti byla zvolena varianta trojitého Hirthova vnce. Varianta: 1. Aretace pomocí píných ep V tomto návrhu je obsažena soustava pímoarých hydromotor. Dalším specifickým rysem je provedená úprava vetena stroje, které je upraveno pro kalená vodicí pouzdra. Stejn tak i veteno stroje je uzpsobeno pro implementaci kaleného vodícího pouzdra. Aretaní ep musí být velmi pesný, z kvalitního materiálu a odpovídající aplikaci. Celková koncepce je spíše variantou, která ukazuje netradiní použití aretaní technologie. Odhadnuto: N 1 = 80%= 0,75 T 1 = 4 b. 2. Soustava dvou protibžných Hirthových vnc Návrh této soustavy je zjevn velmi ekonomicky nároný. Jako hlavní ásti jsou dv soustavy ozubených vnc. Již výroba samotného pesného ozubení, které patí mezi velmi pesné, je nákladná. Hirthovy vnce jsou ovládány celkem osmi hydromotory, jež jsou implementovány pímo do smykadla. Nepíznivým jevem je zde namáhání pístnic pi zaaretovaném mechanismu. Nákladnost této varianty je velmi vysoká. Po technické stránce mže nastat problém s celkovým slícováním všech díl a uspoádání celkového návrhu do 100% funkního celku. Odhadnuto: N 2 = 125%= 1,25 T 2 = 6 b.

76 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Trojitý Hirthv vnec Jedná se o použití Hirthova vnce jako v pedešlém návrhu. Je ale použit rozdílný konstrukní pístup tak, aby došlo ke zjednodušení v hydraulické soustav a tím i náronost na prostor ve smykadle. Namísto použití osmi hydromotor jsou použity pouze tyi. Tímto zpsobem bylo docíleno již zmiovaného zjednodušení. Bohužel pi takovéto soustav je nutné použít složitjšího uspoádání Hirthových vnc, což se negativn projevuje v náronosti na slícování díl jak ve výrob, tak i v konené montáži sestavy. ešení ovšem nabízí velmi spolehlivé a pesné zaaretování vetena v požadované pozici bez nepíznivého namáhání pístnic hydromotor tak jako v pedchozí variant. Odhadnuto: N 3 = 100%= 0,1 T 3 = 9 b. 4. Hydraulické svrné pouzdro firmy Kostyrka GmBh Základním požadavkem na jednu z variant je, aby byla zpracovaná dodavatelským zpsobem, to je dodávka mechanismu externí firmou. Jak již bylo v kap na str. 71 uvedeno, bylo vybráno hydraulické svrné pouzdro firmy KOSTYRKA GmbH. Navrhované konstrukní ešení je v tomto pípad relativn jednoduché. Nejdležitjším prvkem je již zmínné hydraulické svrné pouzdro. Nevýhodou je cena (není pesn známa), menší životnost a nutnost odvádt zbytkové teplo ze soustavy (ásten hydraulickým olejem). Jelikož je zapotebí dalšího aparátu pro zesílení tlaku, vzrstá i ekonomická náronost tohoto ešení. Odhadnuto: N 4 = 95%= 0,95 T 4 = 7 b. Výpoet technicko-ekonomického koeficientu: Tento koeficient slouží ke zhodnocení daných variant mezi sebou. Je uren pomrem ekonomického faktoru ku technickému. ím vyšší íslo je, tím vhodnjší je daná varianta. T ef T i N i ( 67) T 1 T 2 T ef T N ef2 4.8 ( 6869) 1 N 2 T 3 T 4 T ef3 9 T ef ( 7071) N 3 N 4 Dle uvedených hodnot je zejmé, že nejvýhodnjší je varianta íslo ti - aretace provedená pomocí trojitého Hirthova vnce.

77 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Zpesnní návrhu, kontrola vybraných ástí Kontrola vetena stroje Materiál vetene dle: SN ISO TYPE 5 683/11-70 EURO 16MnCr5 EN , EN Dle literatury [29]: Materiálové vlastnosti: Rm= min. 785 MPa Re= 590 MPa Charakteristika materiálu dle lit. [29]: Ocel vhodná k cementování, kyanování a objemovému tváení, dobe tvárná za tepla a po žíhání i zastudena, dobe obrobitelná, dobe svaitelná. Použití: strojní souásti s velmi tvrdou cementovanou vrstvou a velkou pevností v jáde po kalení. Menší hídele, ozubená kola, šneky, vakové hídele, vetena obrábcích stroj, pístní epy, pera, atd. Pro stanovení dovoleného naptí v krutu jsou teba další hodnoty jako je dovolené naptí v tahu Dovt [MPa] a bezpenost k [-]. Výpoet Dk: Souinitel bezpenosti k pro namáhání zvolen k=2 [-] (zvýšené zatížení). Dovt R e k ( 72) Dovt 295 MPa Pro ocel je stanoven výpoet dovoleného naptí v krutu. Dk Dk 0.63 Dovt MPa ( 73)

78 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 78 Obr. 53. Urení rozmr pro kontrolu vetena D mm D mm L 1 15 mm L 6 61 mm D mm D mm L 2 18 mm L 7 71 mm D 3 59 mm D 8 65 mm L 3 21 mm L mm D D mm D 9 48 mm L 4 23 mm L mm mm D mm L 5 45 mm L mm Šikmé plochy byly aproximovány na stední prmry D3 a D10. Prmry D4 a D5 byly odmeny z programu Inventor z 3D modelu souásti. Hodnoty rádius R 1 = 0,3 mm, R 2 = 0,5 mm. Kontrola prezu I. : Výpoet modulu prezu v krutu: W ki D 2 D 4 D 2 ( 74) W ki mm 3

79 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 79 Pro výpoet vrubového souinitele I [-] je nutné vypoítat pomry prmr a následn odeíst tvarový souinitel pro namáhání krutem I [-] dle diagramu z lit. [32]. Výpoet je proveden dle lit. [32] R D 2 D ( 7576) D 2 Tvarový souinitel pro namáhání krutem je tedy: I = 2.8 [-] Koeficient byl zvolen na základ lit. [32] a meze pevnosti v tahu Rm [MPa]. I 1 1 I 1 R II mm ( 77) I Maximální naptí v krutu IMax : Hodnota Mkz vychází z kap str. 53 vzorec (16). M kz 2600 Nm M 1000 IMax I kzw ki ( 78) IMax MPa IMax Dk Kontrola prezu II. : W kii D 7 D 5 D 7 ( 79) W kii mm 3

80 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 80 Pro výpoet vrubového souinitele II [-] je nutné vypoítat pomry prmr a následn odeíst tvarový souinitel pro namáhání krutem II [-] dle diagramu z lit. [32]. R D 7 D D 7 ( 8081) Tvarový souinitel pro namáhání krutem je tedy: II = 3 [-] Koeficient byl zvolen na základ lit. [32] a meze pevnosti v tahu Rm [MPa]. II mm II 1 II 1 ( 82) 1 II R 2 2 Maximální naptí v krutu IIMax : Hodnota Mkz vychází z kap str. 53 vzorec (16). M kz 2600 Nm M kz 1000 IIMax W kii II ( 83) IIMax MPa IIMax Dk Kontrola prezu III. : Výpoet modulu prezu v krutu: W kiii D 7 D 8 D 7 ( 84) W kiii mm 3

81 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 81 Maximální naptí v krutu IIIMax: Hodnota Mkz vychází z kap str. 53 vzorec (16). M kz 2600 Nm M kz 1000 IIIMax W kiii ( 85) IIIMax MPa IIIMax Dk Všechny kontrolované prezy vyhovly podmínce < Dk a tento návrh je tedy vhodný pro implementaci do smykadla stroje. Výpoet bezpenosti k: k Dk IIMax ( 86) k [-] Hodnota natoení vetena pi obrábní v zaaretovaném stavu Pro výpoet natoení platí rovnice: 1 0 M k G J p dl ( 87) K výpotu hodnoty natoení je teba znát modul pružnosti ve smyku G: Poissonovo íslo zvoleno z literatury [29]: Modul pružnosti v tahu: E MPa G E 2 ( 1 ) ( 88) G MPa

82 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 82 ( 89 ) Výpoty kontroly vetena a hodnoty natoení vetena jsou zjednodušené o otvory, kterými je veteno osazeno. Pro relevantnjší výsledek je zapotebí provést detailní vyhodnocení vetena (i dalších komponent) metodou konených prvk (MKP). Touto kontrolou (výpotem) se tato diplomová práce nezabývá z dvodu velmi vysoké náronosti na znalosti v oboru výpot v MKP softwarech a velkých nároku technické vybavení.

83 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Šroubové spoje smykadla Ustavení a montáž samotných díl smykadla se provádí pomocí lícovaných šroub. Dlící rovina ásti smykadla je urena tak, aby montáž aretaního mechanismu byla co nejjednodušší. Byly zvoleny lícované šrouby M8x25 ISO Tyto šrouby mají vysokou pesnost a lícovací vlastnosti díky broušenému díku z ehož plyne i velmi dobré ustavení a zapolohování ásti smykadla vi sob. Pevnostní výpoet a kontrola šroub: Obr. 54. Umístní šroub smykadla Šrouby, které upevují ásti smykadla, jsou namáhány dvma zpsoby. První z nich vzniká od zablokovaného aretaního mechanismu, který psobí silou F va [N], jež je vyíslena v kap vzorcem 52 v str. 66. Druhé namáhání vzniká od krouticího momentu, který je vyvozen pi soustružení eznou silou od nástroje. Moment Mkz= 2600 Nm je vypoítán v kap str. 53. vzorec (16). Obr. 55. Nákres sil psobících na šroub a jeho rozmr

84 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 84 Materiálové vlastnosti šroubu z lit. [33]: Materiál šroubu: ISO TYPE 7, EN 20MnCr5 (SN ) Mez pevnosti v tahu: Mez kluzu: R m 1200 R e 1080 MPa MPa Pro stanovení dovoleného naptí v krutu jsou teba další hodnoty jako je dovolené naptí v tahu Dovt [MPa] a bezpenost k [-]. Z dvodu velkého namáhání šroub dvojím zatížením zvolena bezpenost k=3 [-]. Dovt R e k ( 90) Dovt 360 MPa Pro ocel je stanoven výpoet dovoleného naptí ve smyku: Ds Ds 0.6 Dovt 216 MPa ( 91) Stanovení dovoleného naptí pro otlaení: p 0.7 Dt Dovt p 252 Dt MPa ( 92) Vzhledem k tomu, že jednotlivé stupn smykadla jsou spojeny vždy soustavou ty lícovaných šroub M8x25 ISO psobí na n síla od pítlaného mechanismu Hirthova vnce Fva=44110 N síla je vyíslena v kap vzorcem (53) v str. 66. Na jeden šroub bude tedy psobit síla Fšh [N], která bude mít tvrtinovou hodnotu Fva [N]. F šh F va 4 F š h N ( 93)

85 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 85 Síla psobící na šrouby, která je zapíinná krouticím momentem Mkz psobící na veteno z ezného procesu obrábní. Tato síla je závislá na rozteném prmru šroub, na kterém jsou umístny ve smykadle stroje. Roztený prmr je odmen z modelu v programu Inventor Ds= 212 mm. Vychází se základního vzorce: M k F D 2 F šm 2M kz 1000 ( 94) 4D s F šm N Hodnoty prmr závitu dle literatury [29]: d 8 mm... vnjší prmr závitu šroubu d d L z P 1.25 mm mm mm mm... malý prmr závitu šroubu... stední prmr závitu šroubu... inná délka závitu šroubu... rozte závitu šroubu Kontrola šroub od psobící síly Fšh Kontrola na otlaení závitu šroub: K výpotu je nutné znát hodnoty nosné výšky závitu H1[mm] a poet inných závit z [-]. Nosná výška závitu: H 1 d d 1 H mm ( 95) Poet inných závit: z L z ( 96) P z 10.6 [-]

86 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 86 Stední tlak v závitech: p F š h z d 2 H 1 ( 97) p MPa p p Dt Závit vyhovl podmínce a je možné ho zahrnout do sestavy. Výpoet bezpenosti k šot : k š ot p Dt p ( 98) k šot [-] Kontrola na tah v díku šroubu: d d 10 mm... prmr díku šroubu t F š h d d 2 4 ( 99) t MPa t Dovt Dík šroubu vyhovl podmínce namáhání tahem.

87 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 87 Kontrola šroub od psobící síly FšM: Kontrola lícovaného díku šroubu na stih: F š M Lš S d Lš F šm d d 2 4 ( 100) L š MPa Lícovaný dík šroubu vyhovl podmínce namáhání stihem. Lš Ds Výpoet bezpenosti k s : k s Ds Lš ( 101) k s [-] Kontrola na otlaení lícovaného díku šroubu: L d 10.7 mm... kratší délka zasunutí díku ve smykadle p dd F šm L d d d ( 102) p dd MPa p dd p Dt Lícovaný dík šroubu vyhovl podmínce otlaení. Výpoet bezpenosti k p : k p p Dt p dd ( 103) k p [-] Z uvedených výpot a splnných podmínek vyplývá dostatené nadimenzování šroubového spoje pi vhodné bezpenosti.

88 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Šroubový spoj Hirthova vnce s vetenem stroje Hirthv vnec je ustaven ve vetenu stroje pti lícovanými šrouby dle normy ISO Byly zvoleny jiné než doporuené šrouby díky specifické konstrukci ustavení Hirthova vnce. Je nutné provést kontrolu lícované ásti šroub na otlaení a namáhání na smyk. Materiálové vlastnosti šroubu lit. [33]: Obr. 57. Umístní šroub ve vetenu Materiál šroubu: ISO TYPE 7, EN 20MnCr5 (SN ) Mez pevnosti v tahu: Mez kluzu: R m 1200 R e 1080 MPa MPa Pro stanovení dovoleného naptí v krutu jsou teba další hodnoty jako je dovolené naptí v tahu Dovt a bezpenost k. Z dvodu velkého namáhání šroub dvojím zatížením zvolena bezpenost k= 2.5 [-] Dovt R e k ( 104) Dovt 432 MPa

89 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 89 Pro ocel je stanoven výpoet dovoleného naptí ve smyku: Ds Ds 0.6 Dovt MPa ( 105) Stanovení dovoleného naptí pro otlaení: p Dt 0.7 Dovt p Dt MPa ( 106) Síla psobící na šrouby, která je zapíinná krouticím momentem Mkz z kap str. 53 vzorec (16) psobící na veteno z ezného procesu obrábní. Tato síla je závislá na rozteném prmru šroub, na kterém jsou umístny ve vetenu (v Hirthov vnci) stroje. Roztený prmr je odmen z modelu v programu Inventor DsH= 90 mm. Poet obsažených šroubu i= 8 [-]. Vychází se základního vzorce: M k F D 2 F šh 2M kz 1000 id sh ( 106) F šh N Kontrola lícovaného díku šroubu na stih: d H 6 mm... prmr lícované ásti šroubu š H F š H S d š H F š H d H 2 4 ( 107) šh MPa Lš Ds Lícovaný dík šroubu vyhovl podmínce namáhání stihem.

90 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 90 Výpoet bezpenosti ks: k s Ds šh ( 108) k s [-] Kontrola na otlaení lícovaného díku šroubu: L H 6 mm... kratší délka zasunutí díku ve vetenu p dh F šh L H d H ( 109) p dh MPa p dd p Dt Lícovaný dík šroubu vyhovl podmínce otlaení. Výpoet bezpenosti kp: k H p Dt p dh ( 110) k H [-]

91 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Výpoet životnosti ložisek Sestava vetena a smykadla obsahuje tyi kosoúhlá ložiska. Jejich uspoádání je zvoleno tak, aby dv ložiska zachytávala síly psobící od Hirthova vnce. Další dv zachytávají síly z obrábcího procesu. Ložiska byla zvolena z literatury [34] - jednoadá kuliková ložiska s kosoúhlým stykem pro vysokou frekvenci otáení s oznaením B7020CTA Uvedené parametry ložiska: Obr. 58. Schéma ložiska B7020CTA [34] Obr. 59. Rozmry a vlastnost ložiska B7020CTA [34] Dynamická únosnost: V sestav vetene a smykadla jsou obsažena tyi kosoúhlá ložiska, každé z nich je schopno pojmout 1/4 Fr [kn] a 1/2 Fa [kn]. Jelikož nelze urit ze zadání diplomové práce skutený rozklad sil a psobení v jednotlivých osách, bude brána maximální teoretická hodnota ezné síly, která dle zadání iní F z = 20 kn, v každé ose zvláš. Na adekvátní urení silového rozboru je nutné znát hodnoty ezných podmínek, materiál a specifikace nástroje. Výpoet trvanlivosti pro radiální smr: Parametry vycházející ze zadaných hodnot lit. [29]: Souinitele: X 1 1 [-] Y 1 0 p 3 [-] [-] (pro kuliková ložiska) n 3000 C r F al1 0 ot/min kn kn... otáky vetene pi obrábní... dynamická únosnost ložiska... axiální složka ezné síly

92 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 92 Dynamické ekvivalentní zatížení ložiska pro radiální psobení: P r1 X 1 F r Y 1 F al1 ( 111) F z P r1 X 1 4 Y 1 F al1 ( 112) P r1 5 kn Základní trvanlivost v otákách: L 10R C r P r1 p ( 113) L 10R ot Základní trvanlivost v hodinách: L 10hR C r P r1 p n ( 114) L 10hR h Pro standardní požadovanou životnost L h = h trvanlivost ložiska v radiálním smru vyhovuje. L 10hR L h Výpoet trvanlivosti pro axiální smr: Parametry vycházející ze zadaných hodnot lit. [29,34]: Souinitele: X 2 0 [-] Y [-] p 3 [-] (pro kuliková ložiska) F r 0 kn... radiální složka ezné síly

93 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 93 Dynamické ekvivalentní zatížení ložiska pro axiální psobení: P r2 X 2 F r Y 2 F al2 ( 115) F P r2 X 2 F r z F M Y 2 ( 116) 2 P r kn Základní trvanlivost v otákách: L 10A C r P r2 p ( 117) L 10A ot Základní trvanlivost v hodinách: L 10hA C r P r2 p n ( 118) L 10hA h Pro standardní požadovanou životnost L h = h trvanlivost ložiska v axiálním smru vyhovuje. L 10hA L h Jelikož lze gravitaní sílu zanedbat z dvodu zachycení síly v axiálním smru v opaném smyslu otáení než je psobení síly od ezné síly, není nutné kontrolovat ložiska na toto zatížení- jsou zatžována jiná ložiska než v axiálním smru od ezné síly.

94 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 94 Statická únosnost Výpoet vychází z radiálního a axiálního psobení. Radiální síla F r [kn] je poítána z maximální síly psobící v radiálním smru. Jelikož nejsou známy všechny faktory, které ovlivují eznou sílu, v radiálním smru bude poítáno s maximální eznou silou F z = 20 kn tak jako v pedchozích pípadech. V axiálním smru je síla F a [kn] dána silou psobící na Hirthovy vnce F va = 44,11 kn kap str. 66 vzorec (53). Dalšími silami se, kterými je nutno poítat je gravitaní síla daná hmotností soustavy F g [kn] a síla daná pedptím ložisek F m [kn]. m 100 g 9.81 C 0r 80.8 kg [m.s-2] kn... hmotnost soustavy... gravitaní zrychlení... statická únosnost ložiska, lit. [34] Y X [-]... souinitel, z lit. [29,34] [-]... souinitel, z lit. [29,34] Výpoet síly F g : F g m 1000 g ( 119 ) F g kn Statické ekvivalentní zatížení ložiska: P 0r X 0 F r Y 0 F a ( 120) F z F g F va P 0r X 0 Y F M ( 121) P 0r kn Bezpenost ložisek pi statickém zatížení: S 0 C 0r ( 122) P 0r S [-] Literatura [29] uvádí minimální požadovanou hodnotu S 0 = 2 [-] z tohoto požadavku plyne, že ložiska jsou vhodná k použití v sestav.

95 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Parametry soustavy pro pohyb Hirthova vnce Jsou rozeznávány dv polohy Hirthova vnce, a to když je aretaní mechanismus v innosti a obrábí se pevným nástrojem (mechanizmus v sepnutém stavu) a nebo stroj obrábí rotaním nástrojem, kdy je mechanizmus "odstaven" (nesepnutém stavu). K obma tmto stavm dochází vyvozením pítlané i vratné síly na Hirthv vnec prostednictvím soustavy ty pímoarých hydromotor IHM= 4. Tyto hydromotory jsou závislé na pívodu hydraulického média (hydraulického oleje), které je do prostoru válce hydromotoru pivádno pod tlakem, ímž dochází k pohybu pístu potažmo i aretaního mechanismu. Velmi dležitá je v tomto pípad rychlost (as) sepnutí/ odepnutí mechanismu a také hodnoty pivedeného zmínného hydraulického média a to tlak kapaliny, který psobí v soustav (u stroje je použit hydraulický agregát, který dodává hydraulický olej pod tlakem p h = 9,5 MPa) a prtok hydraulického oleje do válc hydromotoru. Maximální množství hydraulického média je Qa= 29 m 3 /min. Jako hydraulická kapalina je použit trvanlivý hydraulický olej OH-HM 32. Firma TOSHULIN, a.s. používá u vyrábných stroj agregát od firmy "HYTOS VRCHLABÍ". Pracovní zdvih pístu je dán maximální výškou zub Hirthova ozubení a vzdáleností, do které je vysunuta pohyblivá ást Hirthova vnce pro bezpený provoz soustavy rotaního pohybu vetena. Z 3D modelu sestavy byla odmena hodnota hz= 8 mm. Jelikož nelze použit plného prtoku hydraulického média dodávaného hydraulickým agregátem (docházelo by k velkým rázm v soustav a k neplynulému chodu), musí být urena asová délka chodu (sepnutí/odepnutí) a následn tomu pizpsobené množství dodávané hydraulické kapaliny. K výpotu jsou teba hodnoty prmru jednoho válce hydromotoru dpv= 39 mm, prmr pístnice dpistn= 25 mm. asový interval pro aretaci mechanismu (sepnutí) tj. vyjetí z výchozí polohy do polohy aretace a dotlaení, zvolen tar= 2,5 s. Pracovní plocha pístu pro sepnutí: 2 d pv S ps ( 123) S ps m 2

96 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 96 Pracovní plocha pístu pro odepnutí: 2 (d pv S po S po d pistn 2 ) Objem prostoru válce pi spínání: m 2 ( 124) h z V sp S ps ( 125) 1000 V sp m 3 Objem prostoru válce pi odepínání: h z V o S po ( 126) 1000 V o m 3 Velikost prtoku proudící do válce pi spínání: Q sp I HM V sp t ar ( 127) Q sp m 3.s -1 Velikost prtoku proudící do válce pi odepínání: Q o I HM V o t ar ( 128) Q o m 3.s -1 Volený as sepnutí/odepnutí je pouze orientaního charakteru. Pesné nastavení asu je provedeno až v systému stroje, kdy jsou známy všechny údaje pro synchronizaci stroje s ostatními mechanismy. Také musí probhnout kontrola jak hydraulické soustavy tak i mechanické ásti stroje, zda nedochází k rázm i chvní pi spínání/ odepínání aretaního mechanismu.

97 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str Tsnní hydromotor Tsnní pístu Jsou ureny pedevším pro zatsnní kapaliny v pímoarém hydromotoru. Zamezují prchodu kapaliny z jednoho pracovního prostoru do druhého pes vnjší prmr pístu a vytváí tak tsnost mezery mezi pístem a vrtáním trubky pímoarého hydromotoru. Kapalina pivádná do pracovního prostoru tak vyvozuje sílu na píst, která se pohybuje jedním i druhým smrem. Tsnní pístu jsou v prvé ad vyrábna z Turcon (materiály na bázi PTFE) nebo Zurcon (polyuretany) jsou materiály, speciáln navržené pro aplikace v tekutinových mechanizmech. Poskytují výjimenou netenost vi opotebení a vynikající odolnost vi extruzi do mezery. Vynikající vlastnosti mají nejen pi bžném teplotním provozu, ale i v extrémních teplotách. Jsou použitelné prakticky se všemi médii, které se užívají v tekutinových mechanizmech. [35] Compact Seal Dvojinné kompaktní tsnní pístu, které je složeno z elastomerové tsnicí ásti, dvou oprných a dvou vodicích kroužk. Zasazuje se do uzavených drážek. Obr. 60. Tsnní pístu Compact Seal [35] Tsnní pístnice Vodicí kroužky Hlavní úlohou vodicích kroužk Slydring je vedení pístu a pístnice pímoarého hydromotoru, vyrovnávat píné síly, zamezit styku kov/kov a optimalizovat tak výkonnost celé tsnicí soustavy. ada materiál Orkot je urena pro aplikace s vysokým namáháním, tam kde jsou obsaženy vyšší radiální síly. [35] Vodicí kroužky Orkot Slydring : Zabraují styku kov/kov mezi pístem nebo pístnicí a protipovrchem pi zachycování radiálního zatížení. Orkot je tkaninou vyztužený kompozitní materiál založen na

98 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 98 použití pryskyic s písadami snižujícími tení. Je urený pro vysoké radiální zatížení, absorbuje vibrace a dobe pohlcuje cizorodé ástice. Vyšší statické zatížení je dovoleno. Použití až do teploty +250 C. [35] Stírací kroužky Obr. 61. Znázornní vodícího kroužku Orkot Slydring [35] Úkolem stíracích kroužk v tsnicí soustav pímoarého hydromotoru je stírání neistot, cizích ástic, prachu nebo vlhkosti z pístnice pi jejím vratném pohybu zpt do sestavy. Zabraují tak zneištní provozní kapaliny tmito neistotami a zabraují tak poškození tsnní, vodicích kroužk a další komponent ped destrukcí. Turcon Excluder 2: Dvojinný stírací kroužek pedepnutý elastomerovým O-kroužkem. Je schopen setít hrubé neistoty a tím zvyšuje životnost tsnicí soustavy. Používá se pedevším spolu s kombinací tsnní, která umožují zptnou hydrodynamickou pívod kapaliny do soustavy, jako nap. Turcon Stepseal 2K a Zurcon Rimsea [35] Tsnní pístnice Obr. 62. Schéma stíracího kroužku Turcon Excluder 2 [35] Jejich primární úel je utsnní kapaliny v pímoarém hydromotoru. Zabraují ztrát kapaliny z pracovního prostoru do okolního prostedí a zajišují tak tsnost spáry mezi pístnicí a krytím pímoarého hydromotoru. Turcon (materiály na bázi PTFE) nebo Zurcon (polyuretany) jsou materiály, speciáln navržené pro použití v tekutinových mechanizmech, jež poskytují vysokou odolnost vi opotebení a vynikající odolnost vi extruzi do spáry. Výborné výkony jsou nejen pi normálním teplotním namáhání, ale i v extrémních teplotách.

99 Ústav výrobních stroj, systém a robotiky Str. 99 Zurcon U-manžeta: U-manžeta je jednoinné tsnní, které se dodává s jedním nebo se dvma tsnicími bity. Je navržena pro dynamicky namáhané pístnice a plunžry. Montuje se do uzavených drážek vetn drážek podle ISO Zajišuje vysokou tsnost a odolnost proti opotebení. Obr. 63. Schéma Zurcon U-manžety [35]