NÁVRH FRÉZOVACÍHO ZAŘÍZENÍ PRO SOUSTRUHY SR UPÍNANÉHO DO REVOLVEROVÉ HLAVY SE SVISLOU OSOU OTÁČENÍ SVOČ FST 2013

Transkript

1 NÁVRH FRÉZOVACÍHO ZAŘÍZENÍ PRO SOUSTRUHY SR UPÍNANÉHO DO REVOLVEROVÉ HLAVY SE SVISLOU OSOU OTÁČENÍ SVOČ FST 2013 Bc. Tomáš Drexler, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň Česká republika ABSTRAKT Práce se zabývá návrhem frézovacího zařízení upínaného do revolverové hlavy pro soustruhy Škoda řady SR. Teoretická část práce obsahuje popis soustruhů SR, konkurenčních zařízení s jejich srovnáním a popis revolverových hlav Sauter. Návrhová část zahrnuje postup návrhu od neznámého zařízení po popis konkrétních variant s výběrem optimální. Vybraná varianta je dále detailně popsána a návrh jednotlivých částí je podložen technickými výpočty. Konstrukční návrh je dále softwarově podpořen CAD/CAE systémem NX 8.5. KLÍČOVÁ SLOVA Frézovací zařízení, soustruhy SR, revolverová hlava, CAD, CAE ÚVOD Toto téma práce bylo zadáno firmou Škoda Machine Tool a.s. (dále ŠMT), která je jednou z předních světových firem vyrábějících a montujících především těžké horizontální frézovací a vyvrtávací stroje. Dalšími obory činnosti jsou těžké soustruhy, otočné stoly, speciální příslušenství a další. ŠMT se soustřeďuje se na vývoj nových vysoce sofistikovaných strojů s NC řízením s nejvyšším stupněm automatizace a širokým okruhem použití vyhovujícím jakémukoliv požadavku zákazníka. Zadavatel specifikoval požadované parametry zařízení, ale neposkytl téměř žádné informace potřebné pro tvorbu rešeršní části práce. Hlavní důvodem nedostatku informací je fakt, že frézovací jednotka tohoto typu dosud nebyla zadavatelem vyvíjena a jedná se tak pro něj o zcela nový produkt. Toto zjištění poněkud ztížilo návrh, ale na druhou stranu tak zadavatel řešiteli neomezuje prostor návrhu vlastními zvyklostmi v oboru. Dle ŠMT je současná nabídka frézovacích jednotek nevyhovující jak po stránce ekonomické, tak po stránce technických parametrů. Dále je zde snaha zadavatele o výrobu vlastních periferií. Frézovací zařízení by tak mělo rozšířit řadu příslušenství, které ŠMT nabízí jako doplněk k vyráběným SR soustruhům. SOUSTRUHY ŠKODA SR Řada těžkých horizontálních hrotových soustruhů ŠKODA SR představuje stroje moderní koncepce pro efektivní a přesné opracování rotačních obrobků vybavené NC řízením. Konstrukční řešení umožňuje vysokou variabilitu při sestavování optimální konfigurace. K těmto strojům je dodáván široký sortiment příslušenství a přídavných zařízení (frézovací, brousící a vyvrtávací) pro speciální operace a komplexní opracování obrobku. Díky tomuto lze např. efektivně opracovávat zalomené hřídele i turbínové rotory. [5] Obrázek 1 - Soustruh SR [6]

2 REVOLVEROVÉ HLAVY Revolverová hlava je jedním z typů výměn nástrojů s nosnými zásobníky. To znamená, že nástroje jsou upínány do pozic, ve kterých se postupně účastní obráběcího procesu. Nastavení do řezu je provedeno natočením hlavy. K jednodušším nástrojům patří např. soustružnické nože, ale odpovídá-li tomu konstrukce revolverové hlavy, může upínat i rotující nástroje jako vrtáky či frézy. Přes standardizované prizmatické upínání lze k revolverové hlavě připojit rozmanité příslušenství, omezené pouze maximálními rozměry a hmotností. Zadavatel specifikoval revolverovou hlavu, do které se bude frézovací jednotka upínat. Jejím výrobcem je společnost SAUTER. Revolverové hlavy této společnosti se svislou osou rotace se vyrábějí v provedeních se 4, 6, nebo 8 držáky. Pro potřeby diplomové práce bude využita hlava se 4 pozicemi.[7] KONKURENČNÍ ZAŘÍZENÍ Jedním z podkladů, který byl kromě zadaných parametrů dán ŠMT k dispozici, je katalog konkurenčního řešení frézovacího zařízení firmy SAUTER. Toto frézovací jednotka je jako jediná z průzkumu upínána do revolverové hlavy, což ji staví na místo vzorového řešení. Obrázek 2 Frézovací jednotka Sauter[8] Dalším z větších výrobců, který působí ve zkoumaném sektoru je švýcarská společnost OTTO SUHNER AG, která se zabývá řešeními obráběcích jednotek pro vrtání, frézování, závitování a řezání. [9] Frézovací jednotky společnosti SOMEX S.A.S. patří k výkonnějším a v nabídce lze najít i jednotky s výkonem 30kW a momentem až 2000Nm.[10] Poslední náhledovou jednotku vyrábí německá firma ARLA. Koncepce této jednotky je odlišná, neboť je motor umístěn souosé k vřetenu.[11] Obrázek 3 - Suhner Powermaster[9] Obrázek 4- Somex Max100B[10] Obrázek 5 Arla[11]

3 ANALÝZA PROBLÉMU Pro rozšíření technologického uplatnění SR soustruhů vyráběných ŠMT bude navrhováno menší frézovací zařízení. Toto zařízení ponese rotační nástroj upnutý do vřetene, které nebude výsuvné, ale posuvné v jednom radiálním směru. Tento celek by měl být upnutý do revolverové hlavy, která se nachází na příčném suportu soustruhu, takže již revolverová hlava může být polohována ve dvou na sebe kolmých osách. Frézovací jednotka přidá osu rotace a další posuvnou osu kolmou na obě zmíněné osy soustruhu a tak umožní polohování nástroje v prostoru. Celkové zařízení potom umožní např. frézování rovinných ploch paralelně s osou rotace obrobku. Funkce a požadavky jsou patrné z následujícího obrázku a tabulky. Požadavky k hlavním provozním funkcím Moment na vřetenu Nm Maximální otáčky vřetene 3000 ot./min Posuv Y ±100 mm Výkon motoru kw Upínací standard nástroje ISO 50 Upínací síla nástroje 20 kn Celková tuhost zařízení 50 kn/mm Celková doba běhu 5000 hodin Obrázek 6 - Analýza problému Tabulka 1 - Požadavky na zařízení Řešení bylo rozděleno do 3 skupin a několika podproblémů. Detailování počne návrhem hlavního pohonu. Což představuje návrh eletromotoru a vřetene společně s upínáním nástrojů do kužele ISO a mechanického převodu rotace motoru na rotaci vřetene. Další skupinu budou tvořit komponenty vedlejšího pohonu, tedy posuvový elektormotor a převodník rotačního pohybu na přímočarý včetně přesného lineárního vedení. Jakmile budou vyjasněny tyto dvě části, může být přistoupeno k návrhu jejich spojení. HLAVNÍ POHON Návrh elektromotoru Z katalogu výrobce Siemens byl vybrán asynchronní motor1ph8 regulovatelný v širším pásmu otáček. Tento motor může být provozován v širokém pásmu, kde si s rostoucími otáčkami udržuje konstantní výkon. Pro dosažení maximálních požadovaných otáček na vřetenu je možné přistoupit až na otáčky n max při sníženém výkonu.[12] Stanovení zatěžovacích stavů Pro návrh vřetene je nutné prvně stanovit jeho zatěžovací stavy, které v průběhu životnosti na zařízení působí. Pro tuto práci jsou uvažovány tři zatěžovací stavy. Všechny stavy plně využívají dostupného výkonu motoru, ale liší se v kombinaci otáček a momentu na vřeteni. Celková požadovaná doba běhu 5000 hodin bude rozdělena mezi tyto stavy v odhadovaném poměru času provozování, tedy 40%, 40% a 20%. Řezné podmínky a materiály byly předběžně voleny dle učebních textů [3] a následně zkontrolovány na webových stránkách výrobce nástrojů Sandvik Coromant [13]. Návrh převodového mechanismu Pro návrh uložení vřetene je kromě zatěžovacích stavů nutný návrh převodového mechanismu a z něj vycházející přídavné síly na vřeteno. Pro převod rotace-rotace přichází pro tuto práci v úvahu ozubená kola, řemen, nebo řetěz. Jak bylo vypočteno při návrhu motoru hlavního pohonu, dostačující bude jednostupňový převod s převodovým poměrem 3:1, který bude muset přenést sílu dle maximálního momentu 150Nm s maximálními otáčkami motoru 9000 ot/min. Po zvážení možných variant bylo přistoupeno k návrhu řemenového převodu, jelikož se jedná o levné, spolehlivé a na provoz nenáročné zařízení. Pomocí návrhu softwarem Mitcalc a návrhového softwaru samotného výrobce byl vybrán ozubený řemen Contitech Synchroforce CXP 8M s šířkou 30mm a roztečí zubů 8mm.[14] Návrh uložení vřetene Podnikem ŠMT nebylo dodáno výchozí řešení frézovacího zařízení, jelikož se jedná o nový produkt. Návrhem obdobného vřetene ve své úspěšné diplomové práci [4] při návrhu frézovacího zařízení IFVW 113 podrobně zabýval nynější inženýr Martin Sládek. Bude tedy převzato jeho provedení vřetene společně s 3D modely a tato koncepce bude detailně zkontrolována a upravena na zadané parametry. Jím navržené vřeteno splňuje touto prací zadané požadavky, tedy upínací kužel ISO50 s upínací silou 20kN. Dojde k úpravě rozměrů hřídele, převodových prvků a rotačního uložení. Zachován by měl zůstat upínací systém s přívodem provozních zdrojů.

4 Sládkovo provedení vřetene [4] bylo namodelováno v programu KISSsoft a zatíženo dle zatěžovacích stavů této práce. Byly získány výsledky, ze kterých je patrné, že kontrolované provedení je předimenzované, a to hlavně v případě statické bezpečnosti ložisek. Koncepce byla upravena a kontrolována po stránce hřídele z hlediska tuhosti, pevnosti, únavy a v případě ložisek na statickou a dynamickou bezpečnost. Po všech stránkách nové provedení vyhovělo. Obrázek 7 - Okrajové podmínky výpočtu vřetene Obrázek 8 - Výsledná deformace vřetene Z tohoto výpočtu byla určena deformace uložení v místě řezu a následně tuhost. Upínání nástroje Výrobcem unášeče nástrojů je německá firma OTT-JAKOB Spanntechnik GmbH. Tato firma rozlišuje několik provedení vřetenových hřídelů, a to hřídele zahrnující kompletní upínací systém, či jen jeho části. Pro úsporu rozměrů bude zachováno řešení integrující všechny prvky upínacího systému.[17] Do unášeče bude zašroubována tyč s hydraulickým pístem připojující soustavu talířových pružin, které vyvozují upínací sílu 20kN. Tyto pružiny jsou v případě potřeby uvolnění nástroje přetlačeny hydraulickým pístem, který je součástí této tyče. Pružiny ze Sládkovy práce byly zkontrolovány ve výpočtovém softwaru společnosti Mubea a bylo zjištěno, že jeho provedení nesplňuje minimální požadovaný zdvih pro uvolnění nástroje daný katalogem výrobce unášeče.[17] Dále bylo překročeno dovolené napětí materiálu pružin. Proto byla sada pružin rozšířena na 9 sad po třech pružinách typu o rozměrech 63x31x3.[18] Hydraulický píst pro uvolňování nástroje byl zachován, ale vzhledem k poddajnější soustavě pružin mohl být zmenšen hydraulický tlak na 10.5MPa. Tlakový olej je dle Sládkovy práce [4] přiveden rotačním přívodem výrobce Deublin s označením EBV , který je vyroben na zakázku pro ŠMT. Funkce tohoto zařízení spočívá v utěsnění přestupu tlakového oleje ze skříně vřeteníku na rotační vřeteno. Tento přívod je vhodný I pro tuto práci a bude použit. KONSTRUKCE POSUVU Y Vybraná konstrukční varianta zahrnuje lineární valivé vedení pro posuv Y ±100mm. Výběr lineárního vedení byl opět omezen dostupným prostorem pro zachování kompaktních rozměrů zařízení. Firmou Hiwin je nabízena široká škála vedení pro uspokojení nejrůznějších potřeb zákazníka. Lineární vedení se skládá z dvojice kolejnice - vozík s valivými elementy, která se vzájemně pohybuje s vysokou přesností a velice nízkými odpory. Pro návrh vhodného vedení byla nutná transformace řezných sil z místa řezu, do souřadného systému vedení dle [1] a následně bylo z katalogu výrobce vybráno vedení HGL30HA.[19] Délka vedení je 500mm která kromě požadovaného posuvu ±100mm zachovává bezpečnostní přejezd 23.5mm na obou stranách posuvu. Vedení bylo po výpočtu efektivních sil kontrolováno na dynamické a statické bezpečnosti a pro všechny zatěžovací stavy a vedení vyhovělo. Převodový mechanismus vedlejšího pohonu V dříve vybrané variantě byl pro posuvový mechnanismus zvolen kuličkový šroub. Byl navržen šroub z nabídky výrobce Hiwin. Uložení šroubu bude provedeno jako jednostranně vetknuté a na druhém konci radiálně uložené. Pro stanovení zatížení byly použity hnací síly kuličkového šroubu z transformace sil na vedení. Pro vymezení vůlí byla použita přírubová dvojitá předepnutá matice výrobce Hiwin DDB2005-R-4EF s odpovídajícím kuličkovým šroubem R o průměru 25mm a celkové délce 460mm.[20] Toto sestavení bylo kontrolováno na dynamickou a statickou bezpečnost, bezpečnost vůči vzpěru a na kritické otáčky dle učebních textů[2]. Všem požadovaným hodnotám šroub vyhověl. Posuvový motor Na základě maximální potřebné posuvové síly a rychlosti posuvu na kuličkovém šroubu byl proveden návrh vhodného motoru. Z hodnoty potřebného krouticího momentu byl vybrán motor 1FT7046-5AF7. Motor je chlazen přirozeně a disponuje výkonem 1,76kW. Jmenovitý moment dosahuje 5,6Nm při otáčkách 3000 ot/min. Statický moment dosahuje

5 hodnoty 7 Nm a v pásmu využívaných otáček nepatrně klesá. Navíc je možně motor krátkodobě přetěžovat až na hodnotu 31 Nm.[12] Motor je vybaven elektromagnetickou brzdou pro nouzové brždění. Spojení kuličkového šroubu s motorem Motor bude s kuličkovým šroubem spojen pružnou vlnovcovou spojkou GSP 20 F14 F19 od italského výrobce Sit. Pro menší ze spojovaných průměrů 14j6 na kuličkovém šroubu, výrobce garantuje přenos momentu 25,5Nm, což je pro danou aplikaci plně dostačující.[21] Tyto spojky se vyznačují zvýšenou poddajností v axiálním i radiálním směru, ale vysokou torzní tuhostí. Tato skutečnost umožňuje určitou vzájemnou montážní nepřesnost bez přídavných zatížení uložení hřídelů, která by generovala pevná spojka v průběhu otáčení. Blokování posuvu V případě obrábění, kdy nedochází k pohybu posuvu Y, je vhodné tuto polohu zajistit a zvýšit tak tuhost zařízení. Pro zajišťování polohy u valivého vedení se používají hydraulické či pneumatické svěrné jednotky, které se montují na stejné lišty vedení jako kuličkové vozíky. Maximální síla v ose šroubu pro hrubovací stav 1 je dle výpočtu kuličkového šroubu 8,12 kn. Tato síla je vzhledem k zajišťovacím silám svěrných jednotek relativně velká. Aby byla blokace bezpečně zajištěna, bude přistoupeno k použití pětice pneumatických jednotek MK3001A. [22] Zakrytování posuvu Pro ochranu posuvového mechanismu před nepříznivými účinky okolí byl citlivý prostor zakrytován. Při tvorbě zakrytování byl kladen požadavek na jednoduchost. Inspirací při návrhu byly teleskopické plechové kryty, v obráběcích strojích hojně používané. Obě strany zakrytování se skládají z dvojice ocelových plechů tloušťky 3mm, přičemž jeden plech je pevně spojený se skříní posuvu a druhý s posouvaným vřeteníkem. Utěsnění navzájem posouvajících plechů je zajištěno stěrači výrobce HEMA typu P01. Tento stěrač je tvořen navulkanizovaným polyuretanem na ocelový podpůrný plech. Jedná se o nerozebíratelné provedení a v případě opotřebení se vyměňují celé lišty. [23] Obrázek 9 - Provedení posuvu Y

6 SPOJENÍ Připevnění vřeteníku na posuv Při návrhu tohoto spojení byl kladen důraz na možnost připevnění vřeteníku z obou stran. Toto umožňuje otočení vřeteníku o 180 kolem podélné osy posuvu a použitelnost zařízení se rozšiřuje. Takto mohou být provedeny operace v blízkosti vřeteníku ale po otočení i z čela obrobku. Spojení je provedeno čtveřicí šroubů a dvojicí kolíků pro zajištění opakovatelnosti přesného upevnění. Pro kontrolu spojení musela být provedena další transformace řezných sil na spojovanou plochu a šrouby byly zkontrolovány v softwaru Kisssoft. Připevnění frézovacího zařízení k revolverové hlavě Spojení frézovací jednotky a revolverové hlavy bude provedeno upnutím prizmatické desky dle DIN dodávané výrobcem hlavy. Tato deska bude přišroubována k posuvu frézovací jednotky a výměna zařízení proběhne po povolení upínacích šroubů. Rozměry upínače jsou však vzhledem k frézovací jednotce relativně malé a bylo předpokladem, že toto spojení bude problematické. Tato situace byla nasimulována metodou konečných prvků a tento odhad se potvrdil. Upnutí bylo upraveno na provedení, kdy se využijí 2 upínací desky a přenášená síla se tak rozloží na 8 šroubů a větší plochu prizmatického upínače. Spojovací šrouby byly opět zkontrolovány softwarem Kisssoft pomocí transformovaných řezných a gravitačných sil do souřadného systému spojovaných ploch. Obrázek 10 - Princip upevnění do revolverové hlavy Sauter [7] Přívod chladicí kapaliny Revolverové hlavy Sauter umožňují rozvod chladící kapaliny svým vnitřkem. Přívod kapaliny se připojuje na vstupy a kapalina je rozvedena do každého držáku nástroje, kde se přes ventil šíří do řezného nástroje. Schema rozvedení kapaliny je upraveno dle přání zákazníka.[7] Řezná kapalina je pak přivedena do rotačního přívodu Deublin, který je součástí vřetene. Připojení provozních zdrojů Pro přívod provozních zdrojů ze statických připojení na pohybující se posuv bude využito výhod energetických řetězů Igus. Jedná se o plastové řetězy, které ve své dutině vedou a chrání nosiče a zaručují jejich kontrolovaný ohyb. Dle potřebných energetických přívodů na posuv byl zvolen řetěz Igus Systém E2 R100 řada R158, s vnitřními rozměry 40x40mm, který chrání nosiče před prachem i horkými třískami.[23] Manipulace Pro manipulaci s frézovací jednotkou byla instalována dvě závěsná oka M12, která jsou pro manipulační účely přímo určená. Jednotka tak může být přemístěna jeřábem do skladovacího umístění.

7 Obrázek 11 - Kompletní sestava navrhnutého frézovacího zařízení ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Navzdory některým komplikacím se podařilo navrhnout univerzální frézovací zařízení, které je schopno plnit všechny zadané požadavky. To znamená, že splňuje nároky na požadovaný maximální moment na vřetenu, jeho maximální otáčky a dodrženy jsou i omezující výkonové parametry. Mimo to se podařilo zvýšit užitnou hodnotu zavedením vnitřního chlazení nástroje jeho středem. Konstrukcí vřeteníku a jeho spojením s posuvovým mechanismem je možno povolením několika šroubů vřeteník otočit o 180 a obrábět tak plochy, na které by obyčejná konstrukce nedostačovala. PODĚKOVÁNÍ Poděkování patří především Doc. Ing. Zdeňkovi Hudcovi, CSc. za četné konzultace v oblasti jak konstrukční tak výpočtové. LITERATURA [1] HUDEC, Zdeněk. Vedení valivá - Příklady: Učební text KOS. Plzeň, Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní. [2] HUDEC, Zdeněk. Posuvové mechanizmy - příklady: Učební text KOS. Plzeň, Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní.

8 [3] HUDEC, Zdeněk. Uložení vřetene - Příklady: Učební text KOS. Plzeň, Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní. [4] SLÁDEK, Martin. Konstrukční návrh a výpočet speciálního frézovacího zařízení IFVW 113. Plzeň, Diplomová práce (Ing.). Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní. Vedoucí práce Doc. Ing. Václava LAŠOVÁ, Ph.D. [5] Škoda Machine Tool a.s. [online]. [cit ]. Dostupné z: [6] UNIVERSAL CENTRE LATHES ŠKODA SR. In: Škoda Machine Tool a.s. [online]. [cit ]. Dostupné z: [7] Product information Pl 53: Bidirectional tool head turret. In: Sauter Feinmechanik GmbH [online] [cit ]. Dostupné z: [8] Product information PI 54: Machining unit xxx Slide unit xxx. In: Sauter Feinmechanik GmbH [online] [cit ]. Dostupné z: 54_e_view.pdf [9] Suhner Powermaster. In: OTTO SUHNER AG [online]. [cit ]. Dostupné z: [10] Machining units: SOMEX S.A.S. In: Direct Industry [online]. [cit ]. Dostupné z: [11] ARLA Machining Units. In: ARLA Maschinentechnik GmbH [online]. [cit ]. Dostupné z: [12] SIMOTION, SINAMICS S120 and Motors for Production Machines. In: Siemens Corporation [online]. [cit ]. Dostupné z: [13] SANDVIK Coromant: Product Catalogue [online] [cit ]. Dostupné z: [14] Conti Synchroforce: Heavy-Duty Timing Belts. In: Continental Contitech [online] [cit ]. Dostupné z: [15] Řemenice a upínací pouzdra. In: TYMA CZ, s.r.o. [online] [cit ]. Dostupné z: [16] Super přesná ložiska. In: Schaeffler Technologies AG & Co. KG [online] [cit ]. Dostupné z: 2/brochure/downloads_1/ac_41130_7_de_cz.pdf [17] Grippers + accessory Catalogue. In: OTT-JAKOB Spanntechnik GmbH [online]. [cit ]. Dostupné z: [18] Talířové pružiny Mubea. In: TST servis, a.s. [online] [cit ]. Dostupné z: [19] Lineární vedení. In: HIWIN s.r.o. [online]. [cit ]. Dostupné z: [20] Kuličkové šrouby a příslušenství. In: HIWIN s.r.o. [online] [cit ]. Dostupné z: [21] SERVOPLUS Couplings. In: SIT S.p.A. [online]. [cit ]. Dostupné z: [22] Clamping- and Braking Elements: for linear guides and piston rods. In: ZIMMER GmbH [online]. [cit ]. Dostupné z: [23] Protective systems Window systems. In: HEMA Maschinen- und Apparateschutz GmbH [online] [cit ]. Dostupné z: HEMA%20Catalogue%20Protection%20Systems%202011%20GB.pdf [24] E2 R100 - dvojdílný E-Tube - ochrana před šponami - otočný kryt. Igus [online]. [cit ]. Dostupné z: Tento příspěvek byl podpořen formou odborné konzultace Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu č. CZ.1.07/2.3.00/ Popularizace výzkumu a vývoje ve strojním inženýrství a jeho výsledků (POPULÁR).