KONSTRUKCE NATÁČIVÉ FRÉZOVACÍ HLAVY

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 KONSTRUKCE NATÁČIVÉ FRÉZOVACÍ HLAVY DESIGN OF TURNING MILLING HEAD MASTER'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. PETR ORSÁG prof. Ing. ZDENĚK KOLÍBAL, CSc. BRNO 008

2 é č í é ě í Ž ý í Ú ý í ů é ů ý Á Í É Á á ý á é í ý í ů Íí í Ř ú á á č ý š á í š í řá ě č á í í é é á áč éí é í é č á ú é í ý ě č í ř š í é í áč é čí ěíí ý í é á ý á á ě ý é í č í á áč é é í é í č ě é á é í

3 é ÍČ Í á ě í ý č Í áč á ú í á ě í ů á ě č á á á í é í ř í čí ěří ý ě á ě í ář í ů í é á ě í í á í é á č ý á é ě Ř ú ě

4 Str. 1 ABSTRAKT Orság Petr Cílem této práce je studie variant natáčivých frézovacích hlav pro CNC stroje.zpráva popisuje konkrétní konstrukční řešení natáčivé frézovací hlavy pro frézovací stroj, součástí je také technická zpráva a ekonomické zhodnocení. Klíčová slova: Frézování, fréza,frézka, natačivá hlava, hlava frézky, frézovací hlava Orság Petr This work deal with different variants of the turning milling heads for CNC machines.the report depicts actual design solution of the turning milling head for milling machine, including technical report and economical conclusions. Keywords: Milled, milling cutter, milling machine, roll head, milling machine head, cutter head BIBLIOGRAFICKÁ CITACE ORSÁG, P. Konstrukce natáčivé frézovací hlavy. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Vedoucí diplomové práce prof. Ing. Zdeněk Kolíbal, CSc.

5 Str. MÍSTOPŘÍSEŽNÉ PROHLÁŠENÍ Místopřísežně prohlašuji, že jsem byl seznámen s předpisy pro vypracování DP a že jsem celou DP včetně příloh vypracoval samostatně.ustanovení předpisů pro vypracování DP jsem vzal na vědomí a jsem si vědom toho, že v případě jejich nedodržení nebude vedoucím DP moje práce přijata. V Brně, dne.. Petr Orság

6 Str. 3 PODĚKOVÁNÍ Touto cestou bych rád poděkoval rodičům za podporu při studiu a mému otci za cenné rady a odbornou pomoc při zpracování této práce. Dále bych rád poděkoval vedoucímu diplomové práce panu prof.ing.zdeňkovi Kolíbalovi CSc. ing. Lubomírovi Novotnému s firmy TOS Hulín za věnovaný čas, ing. Janu Pavlíkovi a v neposlední řadě ing.martinákovi zástupci firmy Klueber za konzultaci mazání.

7 Str. 4 OBSAH ABSTRAKT...1 BIBLIOGRAFICKÁ CITACE...1 MÍSTOPŘÍSEŽNÉ PROHLÁŠENÍ... PODĚKOVÁNÍ...3 OBSAH ÚVOD KONSTRUKČNÍ ZADÁNÍ:...6 PŘÍPRAVA KONSTRUKČNÍHO ŘEŠENÍ Prospektový materiál...9. Firma TOS KUŘIM Firma STROJTOS Firma DMG Firma Cytec systems KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ Popis konstrukce viz. Kinematicé schéma Pohon vřeten Popis funkce Určení kroutícího momentu vřeten Výpočet potřebného hydraulického tlaku Určení sil na kuželovém soukolí hnací vřeteno (určení reakcí ložiskách) [6]...33

8 Str Určení sil na kuželovém soukolí pracovní vřeteno (určení reakcí na ložiskách) [6] Uložení ve třech ložiskách Ložiskový uzel Ložiskový uzel Ložiskový uzel Ložiskový uzel Ložiskový uzel Pevnostní kontrola hřídelů a per hnací vřeteno Pevnostní kontrola hřídelů a per pracovní vřeteno Přívod hydrauliky ze smykadla Výměna nástrojů Polohování hlavy MONTÁŽ Montáž hnacího vřetene Pracovní vřeteno ZÁVĚR POUŽITÁ LITERATŮRA SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ SEZNAM PŘÍLOH...51

9 Str. 6 1 ÚVOD Tato diplomová práce obsahuje studie variant natáčivých frézovacích hlav pro CNC stroje. Pojednává také o CNC frézovacích strojích s natáčivými frézovacími hlavami a průzkum trhu firem. V této práci je také obsažen konstrukční návrh konkrétní natáčivé frézovací hlavy s příslušnou dokumentací, která obsahuje konstrukční řešení, výpočet.závěrem jsou uvedeny technické parametry hlavy. 1.1 KONSTRUKČNÍ ZADÁNÍ: Zkonstruujte natáčivou frézovací hlavu pro frézovací stroj se svislým frézovacím vřeteníkem.(obr.1.1) Základní technické parametry: automatická výměna nástrojů i hlavy samotné natáčení automaticky po,5 stupních kolem vodorovné osy smykadla na které se připojujete pomocí Hirthova věnce maximální výkon 30 kw otáčky vřetene 4000 ot/min ISO 50 Další konstrukční parametry natáčivé frézovací hlavy: Na vlastní smykadlo.(obr 1.) přijde připevnit upínací mezikus (přes 4 čepy v rozích) středěný na průměr 375 h6. Náhon vřetena v hlavě přes spojení s výsuvným vřetenem o průměru 130 mm a kameny 5,4. Tento mezikus je přišroubován na zadní část hlavy. Nutno vyřešit: kinematiku hlavy automatický mechanismus natáčení a polohování kolem vodorovné osy prostřednictvím Hirthova ozubeného věnce přívody médií do vřetena (hydraulika povolování svazku pružin upínání nástrojů - OTT Jakob a dále řezná kapalina středem nástroje i mimo něj)

10 Str. 7 Obr. 1.1

11 Str. 8 Obr. 1. Obr.1.3

12 Str. 9 PŘÍPRAVA KONSTRUKČNÍHO ŘEŠENÍ.1 Prospektový materiál Pro konstrukční návrh natáčivé frézovací hlavy pro frézovací stroj bylo nutné nastudovat dostupný prospektový materiál a odborné literatury. Materiály byiy získány z prospektů firem s internetu.. Firma TOS KUŘIM Společnost TOS KUŘIM-OS, a.s. patří k nejstarším výrobcům frézek a jednoúčelových strojů a automatických obráběcích linek v České republice. Výrobní program firmy v oboru univerzálních strojů tvoří velké frézky a obráběcí centra pro nerotační součásti, vybavené řetězovým zásobníkem pro automatickou výměnu nástrojů.tyto stroje umožňují obrábění těžkých, rozměrově a tvarově složitých obrobků až z pěti stran s použitím souvislého řízení v pěti osách.jedná se o: -ložové frézky a obráběcí centra FS (Q) -frézky a obráběcí centra s posuvným stojanem FF (Q) -horizontální frézka s pevným rámem FO (Q) -rovinné frézky a obráběcí centra s posuvným portálem FRF (Q) -frézky a obráběcí centra s posuvným stojanem po samostatném loži FU (Q) -portálové obráběcí centrum s přesuvným příčníkem FRP (Q) Všechny typy výše uvedených strojů jsou vybaveny standardně řídícími systémy firem Siemens nebo Heidenhain a mohou být obsazeny různými typy vřetenových hlav včetně automaticky výměnných, konstrukce TOS KUŘIM OS a.s. (obr..,.3,.4) Obr..1Horizontální frézka s pevným rámem FO (TOS KUŘIM)

13 Str. 10 FO (Q) 80 Horizontální frézka s pevným rámem Obráběcí centrum FO (Q) 80 je určeno především pro obrábění složitých tvarů při výrobě forem lisovacích nástrojů, zápustek nebo tvarově velmi složitých obvodů velkých rozměrů vyžadující obrábění až v sedmi osách např.pro automobilový,letecký, plastikářský průmysl.pohyby v souřadnicových osách jsou realizovány ve třech lineárních osách stroje, ve dvou rotačních osách na vřetenové hlavě a v jedné lineární a jedné rotačních ose u přesuvného otočného stolu. Stroj se sestává z pevného rámu, který je upevněn k základu stroje. Po podélném vedení rámu se posouvá pojezdový stojan. Po svislém vedení pojezdového stojanu se posouvají svislé saně.u příčného vedení svislých saní se posouvá vřeteník, který je vybaven mechanismem pro automatické upnutí výměnných vřetenových hlav. Jedná se o dynamické vysokorychlostní horizontální obráběcí centrum velmi tuhé konstrukce pro hrubovací dokončovací operace. Obr..Vřetenové hlavy TOS KUŘIM Obr..3 Vřetenové hlavy TOS KUŘIM

14 Str. 11 Obr..4 Vřetenové hlavy (TOS KUŘIM) Některé další hlavy TOS KUŘIM. Obr..5 Hlava typu O (TOS Kuřim) je jednovřetenová hlava, automaticky přestavitelná do svislé nebo vodorovné polohy. Umožňuje automatické polohování kolem příčné osy stroje v rozsahu ,5 po,5. Je vhodná pro hrubování i jemné opracování.

15 Str. 1 Obr..6 Hlava typu S (TOS KUŘIM) je jednovřetenová hlava souvisle řízená ve dvou osách. Kolem příčné osy stroje je otočná v rozsahu ±90, kolem osy kolmé k příčné ose stroje v rozsahu +15 až Je vhodná pro obrábění tvarově složitých součástí.

16 Str. 13 Obr..7 Hlava typu K (TOS KUŘIM) je středově uložená jednovřetenová hlava, souvisle řízená ve dvou osách. Kolem příčné osy stroje je otočná v rozsahu ±90, v ose kolmé k příčné ose stroje je výkyvná v rozsahu Firma STROJTOS Firma STROJTOS vyrábí frézovací univerzální centra FGU,vertikální obráběcí centra VMC, konzolové souvislé řízené frézky FGS CNC a také konvenční konzolové frézky FGS T+.K těmto strojům si vyrábí i vlastní frézovací hlavy. Frézovací hlavy : Vertikálně horizontálně frézovací hlava IVHG 3 Obr..8 horizontálně frézovací hlava IVHG 3 IVGHG 3 lze v ručním nebo automatickém režimu přetočit z vertikální do horizontální polohy automaticky.stroj v tomto případě není osazen horizontálním vřetenem. Horizontální vřeteno nahrazuje otočení hlavy do polohy H.Hlava je vybavena polohováním vřetene. Parametry hlavy: kužel ISO 50(40) natočení těles hlavy o V H kroutící moment Nm 900 průměr vřetene v předním ložisku mm 90 přenos řezné síly N 0000 maximální otáčky n.min

17 Str. 14 Vertikálně horizontálně frézovací hlava IVHG 40 Obr..9 Vertikálně horizontálně frézovací hlava IVHG 40 Parametry hlavy: Kužel ISO 50(40) natočení těles hlavy o V H kroutící moment Nm 900 průměr vřetene v předním ložisku mm 90 přenos řezné síly N 0000 maximální otáčky n.min Vertikálně frézovací hlava IVG 3 Parametry hlavy: Kužel ISO 50(40) natočení těles hlavy o V H kroutící moment Nm 900 průměr vřetene v předním ložisku mm 90 přenos řezné síly N 0000 maximální otáčky n.min Tato hlava umožňuje ruční natočení vřetena v rovině kolmé na příčný posuv. Dále je opatřena ručně výsuvnou pinolou. Pomocí této hlavy lze provádět klasické vertikální operace.

18 Str. 15 Obr..10 Vertikálně frézovací hlava IVG 3 Obr..11 Vertikálně frézovací hlava IVG 3 Universální frézovací hlava IUG 3 A Umožňuje ruční natočení dvou těles skloněných vzájemně pod 45 natočení vřetene do jakékoli polohy v předním polokulovém prostoru.natočení se děje ručně.

19 Str. 16 Parametry hlavy: kužel ISO 50(40) natočení těles hlavy o V H kroutící moment Nm 900 průměr vřetene v předním ložisku mm 90 přenos řezné síly N 0000 maximální otáčky n.min Obr..1 Universální frézovací hlava IUG 3 A Obr..13 Universální frézovací hlava IUG 3 A

20 Str. 17 Otočná vertikální horizontální frézovací hlava polohovací v ose B IVHG 40/4 Obr..14 otočná vertikální horizontální frézovací hlava polohovací v ose B IVHG 40/4 Vertikálně horizontální hlavu lze v automatickém režimu přetočit z vertikální do horizontální polohy automaticky. Otáčení je prováděno hydraulicky převodem, v poloze je hlava aretována na ozubených věncích. Dále je možno hlavu otáčet v ose B po jednom stupni, aretace je do ozubených věnců. Hlava je opatřena kuželovými koly, které přenáší pohyb z náhonové spojky vřeteníku na pracovní vřeteno.hlava je vybavená polohováním vřetene. Parametry hlavy: kužel ISO 50 natočení těles hlavy o V H kroutící moment Nm 760 průměr vřetene v předním ložisku mm 90 natočení osy B +/-90 po 1 maximální otáčky n.min

21 Str Firma DMG Firma DMG je zahraniční firma se sídlem v Německu zabývá se výrobou velkých portálových frézovacích center, CNC stroji s posuvným stojanem, CNC frézovacími centry - CNC frézovacími stroji vertikálními frézovacími stroji. Portálové frézovací centrum Obr..15 portálové frézovací centrum DMC firmy DMG Velké frézovací centra firmy DMG dovolují vysokou produktivitu frézování v pěti osách na obrobku až do 0 tun.

22 Str. 19 Obr..16 součásti portálového frézovacího centra DMC firmy DMG na obrázku 1 je otočná frézovací hlava s řízenou A osou pro současné pětiosé obrábění, je nástrojový zásobník kde může být až 40 míst, kw motorové letecké vřeteno, 4 nástrojový kužel s čistící jednotkou Obr..17 vyměnitelné pick up vřeteno

23 Str. 0 Obr..18 portálové frézovací centrum - frézovací hlava DMC firmy DMG Na obr. je Motorové vřeteno s 1550Nm a 6300 rpm má integrované NC* řízení B osy a vyrábí se do portálových výkonových frézovacích center pro pětiosé obrábění..5 Firma Cytec systems Cy Tec je největším specializovaným výrobcem obráběcích hlav s nejširším výrobním programem v této oblasti.jako jediná na svých internetových stránkách a ve svých katalozích poskytuje vyčerpávající informace o svých obráběcích hlavách. Firma se zabývá pouze výrobou hlav se dvěma řízenými osami, jejichž pohon je realizován výhradně pomocí torque motorů vlastní výroby. Stejně tak použitá vřetena jsou vždy z výrobního programu firmy Cy Tec a jsou poháněna výhradně vestavěným asynchronním AC motorem obr..19,.0.

24 Str. 1 Obr..19 Druhy obráběcích hlav firmy Cy Tec Obr..0Skladba obráběcí hlavy firmy Cy tec

25 Str. 3. KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ Obr.3.1design 3.1 Popis konstrukce viz. Kinematicé schéma viz. Kinematicé schéma obr.3.7 Automatická výměna hlavy se provádí hydraulicky pomocí čtyř hydraulických válců. Přenos kroutícího momentu z výstupního hřídele na horizontální hnací vřeteno hlavy se děje prostřednictvím dvou kamenů.(zajištění hnacího vřetena provádí odpružená západka ) obr. 3. Hlava je otočně uložena a vedena ve vodícím dvouřadém válečkovém ložisku na kuželu a jednořadém ložisku s kosoúhlým stykem, obr. 3.5 které během frézování zachycuje axiální sílu od plochých pružin obr. 3.4 přenášených ozubeným věncem. Vlastní kroutící moment od řezných sil zachycuje pevný a otočný ozubený věnec, obr. 3.3 který při pracovním režimu, zajišťuje svislé pracovní vřeteno proti pootočení.vlastní rozpojení pevného a otočného ozubeného věnce se provádí prostřednictvím přesuvného ozubeného věnce, který je ovládán šesti hydraulickými výsuvnými písty. Indexování pracovní hlavy je odvozeno od hnacího vřetene třecí spojkou, přesouvající se pomocí šesti hydraulických pístků, které pracují nezávisle na hydraulickém obvodu posuvného ozubeného věnce viz. obr. 3.3

26 Str. 3 Obr.3. Obr.3.3

27 Str. 4 Obr.3.4 Obr.3.5

28 Str Pohon vřeten Přenos momentu z hnacího na pracovní vřeteno se uskutečňuje kuželovými koly. Hnací vřeteno je uloženo v pěti ložiskách s kosoúhlým stykem 5, přičemž na straně kamene jsou dvě ložiska, na straně ozubeného kola jsou to tři ložiska.ložiska jsou s trvalou náplní. Ozubené soukolí je mazáno tukem Kluebersynth GE Pracovní vřeteno je uloženo ve čtyřech ložiskách s kosoúhlým stykem s trvalou náplní a vzhledem k délce hřídele je vedeno ve dvouřadém válečkovém ložisku na kuželovém hřídeli. Mazání ložiska je provedeno předepsaným množstvím tuku FAG ARCANOL L075.V dutině hřídele je OTT - Jakob mechanismus pro výměnu pracovních nástrojů.toto se děje hydraulicky, chladící kapalina je přiváděna středem hřídele pracovního vřetena. 3.3 Popis funkce Hydraulické schéma: Obr.3.6 Hydraulické schéma

29 Str. 6 Indexování hlavy: Po povelu řídící jednotky sepne V1 okruh třecí spojky. Poté dostane povel ventil V, který zajistí přísun potřebného tlaku do pístů, které přesunou posuvný ozubený věnec.následuje pak povel pro hnací vřeteno, které přes třecí spojku pootočí hlavou. Potřebný úhel pootočení snímá indukční čidlo obr Pracovní poloha hlavy: Elektronika dá povel hydraulickému ventilu V k rozepnutí a tím k poklesu tlaku v obvodu věnce.soustava plochých pružin spojí pevný ozubený věnec s rotačním. Poté se impulsem z řídící jednotky vypne V1, dojde k poklesu tlaku v obvodu spojky a pomocí vinutých pružin k rozpojení vřetene od otočné hlavy. Hlava je připravena k obrábění. Obr.3.7 Kinematické schéma

30 Str Určení kroutícího momentu vřeten Při výpočtu jsem vycházel ze zadaných parametrů a maximálního rozměru hlavy cca 400 mm a z grafu průběhu momentu a výkonu viz lit. [1] M P M mkonst. P mkonst. nn nmax n M P m m konst. M m π n 30 m M P m m Pm 30 π n konst. m jmenovité otáčky na pracovním vřetenu: nm 1500 z 6 (1) nvr 171ot / min i 1, 18 i 1,18 z moment na pracovním vřetenu při jmenovitých otáčkách vřetene M V : PV () M V 5, 4Nm π n π 171 VR maximální moment na pracovním vřetenu M Vmax : (3) M V max M V i1 5,4 5,5 139, 7Nm i 5, 1 5 Moment na hnacím vřetenu M v1 : z1 (4) M V1 max M V max 139,7 1050, 6Nm z 6 1

31 Str. 8 Určení sil působících na ozubeném věnci: Obr.3.8 Moment působící na ozubený věnec vypočteme z úvahy, že se M Vmax přenáší na frézu o D F 300 mm.vzniklá ohybová složka pak na rameno o R0,4 m působí na ozubený věnec momentem M H. Rozklad sil na věnci viz. Katalog [] Pak platí:

32 Str. 9 Obr.3.9 Obr.3.10 rozklad sil na ozubeném věnci F U obvodová síla, F a axiální síla, F a normálová síla

33 Str. 30 Potřebný moment na věnci : M V max R 139,7 0,4 (5) M H 3305, 9Nm D 0,3 F Z konstrukčního řešení plyne střední průměr ozubeného věnce D V 305mm. Potřebná přítlačná síla: M H tg ,9 tg30 (6) FH 658N DV 0,305 z důvodu bezpečnosti navýšíme sílu F H o bezpečnostní součinitel k: (7) F F k 658, , N V H 8 Zpětně spočítáme moment M Hl působící na ozubený věnec pomocí sily F V : (8) M Hl FV R ,4 658Nm a obvodová síla F u pomocí momentu M Hl 4 M HL (9) FU 41035, 5N [] D + d 0,33 + 0,8 D je vnější průměr ozubeného věnce d vnitřní průměr ozubeného věnce D 0,33 m d 0,8 m Z obvodové síly spočítáme axiální sílu na ozubeném věnci viz obr.3.5 : (10) F F tg ,5 tg , N a U 8 dle katalogu VOITH [] vypočteme efektivní plochu ozubeného věnce A Z : r 0,5 mm - patní rádius ozubení s 0,5 mm hlavová vůle z počet zubů na ozubeném věnci d L 11,5 mm průměr děr na upevnění ozubeného věnce n 6 počet děr (šroubů) v ozubeném věnci η Z 0,7 procentní poměr zatížení dle způsobu opracování

34 Str. 31 (11) A Z n d L D d D + d D d π , π + 4 π 4 ) ( D + d ) 1,155 z ( r + s) η ( ) 1, ( 0,5 + 0,5) ] 0,7 1066mm Z pak maximální tlak na ozubený věnec p max : Fa 3691,8 (1) pmax, MPa tlak vyhovuje i s potřebnou bezpečností A 1066 Z 3.6 Výpočet potřebného hydraulického tlaku pro potřebný zdvih bylo voleno 0 plochých pružin pro každý válec o D40mm,dále bylo voleno 6 válců Obr.3.11 rozměry plochých pružin (13) v c D ( r + n) 0, ( 0,5 + 0,5) 4, 98mm síla na jeden píst : 1 Fa 369 (14) Fp N 6 6 Dle síly zvolená plochá pružina: tuhost jedné pružiny k 1 : Obr.3.1 (15) k Fa , , N mm tuhost 0 ti pružin k C : (16) k , k c 83, N mm

35 Str. 3 při sepnutém ozubení je svazek pružin předepnut na : Fp (17) c1 4, 74mm k 83,9 c potřebná síla k vypnutí ozubení jednoho pístu: (18) F ( F λ + k ) ( ,8 + 83,9 5) 1170, N p1 p a1 c 9 kde D je požadovaný zdvih λ koeficient bezpečnosti [ ] pak potřebný hydraulický tlak: Fa 1p ,9 4 (19) p 7,0MPa π d π 44 Výpočet třecí spojky Vycházíme z hydraulického tlaku 7 MPa a z průměru pístků a jejich počtu n6 : Posuvný kotouč je vracen vinutýma pružinami o celkové síle 44 N Jeden pístek vyvodí sílu : (0) F p d 1 1 s p s π π 1407N 4 4 celková přítlačná síla po stlačení pružin N : (1) N nh Fs 1 p Fps N Pro třecí moment na stykové mezidruhové ploše platí : [ 4 ] () 3 3 N ( Ds d s ) ( D d ) ( ) ( ) 1000 M t f 0,4 s s 3 193, 8Nm kde f je voleno 0,4 [ 5 ] moment od hlavy určíme z úvahy, že je vytvořen plným ocelovým válcem o průměru 130mm a délky 600mm v horizontální poloze. viz. Obr. 3.8 π d v π 0, ,81 (3) G l γ g 613,3N 4 4 moment od otočné části : (4) M o G l 613,3 0,1 61, 33Nm M o < M t spojka vyhovuje 0

36 Str Určení sil na kuželovém soukolí hnací vřeteno (určení reakcí ložiskách) [6] Přenos momentu se děje kuželovým soukolím, přičemž význam jednotlivých symbolů, viz.obr.3.13 Obr.3.13 rozklad reakcí na hnacím vřetenu Modul ozubených kol byl volen s ohledem na celkové rozměry m7mm. Průměr roztečné kružnice D 1 : (5) D z m 7 154mm 1 1 Úhel roztečného kužele d 1 : z1 (6) δ 1 arctg arctg 40, 4 z 6 poloměr r s1 na němž působí obvodová síla:

37 Str. 34 D (7) r b 1 sin δ sin 40,4 s 1 67, 31mm obvodová síla F s : M v1 1050,6 (8) Fs N r 67,31 s1 axiální síla F a1 : (9) Fa 1 Fs tgα cosδ tg0 cos40,4 4336N radiální síla F r1 : (30) Fr 1 Fs tgα sin δ tg0 sin 40,4 3670N složka obvodové síly působící v ložisku 1 : Fs a (31) Fs N l 81 1 složka obvodové síly působící v ložisku : (3) ( a + l ) ( ) Fs 1 1 Fs 366N l 81 1 axiální složka od momentu F a1 : Fa 1 rs ,31 (33) Fa 11 Fa N l 81 radiální síla F r11 v ložisku1 : Fr1 a (34) Fr N l 81 radiální síla F r1 v ložisku : 1 1 ( a + l ) 3670 ( ) Fr1 1 1 (35) Fr1 8518N l1 81 výsledná prostorová reakce R 1 v ložisku 1: 1 s1 a11 r (36) R F + ( F F ) ( ) N

38 Str. 35 výsledná prostorová reakce R v ložisku : s a1 r (37) R F + ( F F ) ( ) N 3.8 Určení sil na kuželovém soukolí pracovní vřeteno (určení reakcí na ložiskách) [6] Z konstrukčního řešení plyne,že pracovní vřeteno je uloženo ve třech podporách: vdálenosti podpor viz obr.3.14 l 9mm, a 83mm,c10mm Obr.3.14 rozklad sil na pracovním vřetenu Průměr roztečné kružnice D : (38) D z m mm Úhel roztečného kužele d : z1 (39) δ 90 δ1 90 arctg 90 arctg 49, 76 z 6

39 Str. 36 poloměr r s na němž působí obvodová síla: D (40) r b sin δ sin 49,76 s 79, 55mm obvodová síla F s 15608N : axiální síla F a : (41) Fa Fr N radiální síla F r : (4) Fr Fa N složka obvodové síly F s3 působící v ložisku 3 : (43) Fs ( l + a ) ( l + a + c) ( ) ( ) Fs 7094N 3 složka obvodové síly F s4 působící v ložisku 4 : (44) Fs c Fs 8513N 4 ( l + a + c) ( ) axiální složka od momentu F a3 : (45) Fa rs ,55 Fa Fa 603, 5N ( l + a + c) ( ) 3 4 radiální síla F r3 v ložisku 3 : (46) r ( l + a ) ( l + a + c) 4336 ( ) ( ) F Fr N radiální síla F r4 v ložisku 4 : (47) Fr c Fr 4 365N ( l + a + c) ( ) výsledná prostorová reakce R 3 v ložisku 3:

40 Str s3 a3 r 3 74 (48) R F + ( F F ) ( 603,5 1970) N výsledná prostorová reakce R 4 v ložisku 4: 4 s4 a4 r (49) R F + ( F + F ) ( 603,5 365) N výše uvedený výpočet by platil pro hřídel uložený ve dvou ložiskách, v podporách 3 a 4. Jelikož se jedná o obráběcí stroj požadavkem na tuhé uložení, byla co nejblíže ozubenému kolu umístěna třetí podpora R Uložení ve třech ložiskách Ze [7] str.178 vyplývá pro prostřední podporu R 5 staticky neurčitého hřídele stálého průřezu: (50) R 5 Fs c [( l + c + a ) c l ] l ( c + a ) ( ) 10 9 ( ) [ 9 ] pro krajní reakci na straně nástroje R 4 platí : 19849N (51) R F c R5 ( a + c) ( l + a + c) ( ) ( ) s 4 191N pro reakci R 3 z ve vodícím ložisku z rovnováhy vyplývá : R 3 R 4 -R 5 +F s N Volba ložisek hnacího vřetene [16] Vycházíme z výsledných reakcí R 36587N, R10668N a z katalogu FAG Byla zvolena dvojice ložisek s kosoúhlým stykem 5 v uspořádání do O: Výpočet na trvanlivost [16] Volena ložiska XC B E - T - P4S s trvalou náplní pro oba ložiskové uzly 1 a, přičemž na straně pastorku, v podpoře je trojice, v místě 1 je dvojice ložisek Ložiskový uzel Dynamická únosnost : (5) C c i 0,7 C 3 0, N kde i je počet ložisek ve skupině

41 Str. 38 Ekvivalentní dynamické zatížení P : (53) P F + 0,55F ,55 ( ) N životnost ložisek v uzlu : r a Cc (54) Lh 4400hod 60 n P Ložiskový uzel 1 Dynamická únosnost : (55) C c i 0,7 C 0, N kde i je počet ložisek ve skupině Ekvivalentní dynamické zatížení P : (56) P F + 0,55F ,55 ( ) N životnost ložisek v uzlu : r a Cc (57) Lh 11697hod vyhovuje 60 n P Volba ložisek pracovního vřetene : Z výpočtu je patrno, že nejvíce je namáhán ložiskový uzel 5 v blízkosti ozubeného kola. Vycházíme z výsledných reakcí R 3 30N, R4191N, R519849N a z katalogu FAG. Byly voleny dvě dvojice ložisek s kosoúhlým stykem 5 v uspořádání do O a jako vodící ložisko dvouřadé válečkové ložisko s kuželovou dírou. Výpočet na trvanlivost [ 16 ] Volena ložiska - dvě dvojice XC B700 - E -T - P4S s trvalou náplní pro oba ložiskové uzly 4 a 5, přičemž v místě 3 vodící NN AS K M SP je namazáno předepsaným množstvím tuku FAG ARCANOL L Ložiskový uzel 5 Dynamická únosnost : (58) C c i 0,7 C 0, N kde i je počet ložisek ve skupině

42 Str. 39 Ekvivalentní dynamické zatížení P : (59) P F + 0,55F ,55 ( ,5) N životnost ložisek v uzlu 5 : r a Cc (60) Lh 607hod vyhovuje 60 n P Ložiskový uzel 4 Dynamická únosnost : (61) C c i 0,7 C 0, N Ekvivalentní dynamické zatížení P s uvažováním axiální síly 10000N od čelního frézování : (6) P 0,57Fr + 0,55Fa 0, , N životnost ložisek v uzlu 4 : Cc (63) Lh 47000hod vyhovuje 60 n P Ložiskový uzel 3 Je zatížen pouze radiální silou R330N (64) P Fr + 0,55Fa 30N Cc (65) Lh hod vyhovuje 60 n P Axiální síly od ozubeného věnce: Tyto síly zachycuje lož. s kosoúhlým stykem 5, jedná se o sílu Fa 369 N viz. Síla na ozubeném věnci. Typ ložiska : B71936 T P4S, statická únosnost Co 193 kn Hlava je otočně uložena v dvouřadém válečkovém ložisku : NN3034 AS K - M SP namazáno předepsaným množstvím tuku FAG ARCANOL L075 3

43 Str Pevnostní kontrola hřídelů a per hnací vřeteno Hnací vřeteno - ohybové napětí: Fs a (66) σ o 49, 6MPa 3 3 π d π 70 napětí ve smyku : v1 M v ,6 16 (67) τ 15, 59MPa 3 3 π d π 0,070 dle teorie HMH v1 (68) σ σ + 3 τ 49, ,59 56, MPa red o 5 Kontrola pera na otlačení: voleno pero 0x1x65 M v1 1050,6 (69) p 7,4MPa < 10MPa vyhovuje d l t 0,070 0,056 0,0074 v1 p1 1 kontrola ozubení dle Bacha: [ 6 ] 14 F (70) s σ DOV 331MPa b π m 30 π 7 materiál pro hřídel volen 11600, namáhání [ 9 ] s dov MPa pro střídavé ohybové pro ozubená kola volen materiál 16 0 cementován a kalen, s pevností na mezi únavy v ohybu s F 700 MPa [ 14 ] 3.16 Pevnostní kontrola hřídelů a per pracovní vřeteno pracovní vřeteno výpočet ohybové napětí v místě podpory u ozubeného kola reakce R 5 : (71) σ R4 l π 3 d p1 o ( d p1 d p ) π ( ) MPa napětí ve smyku :

44 Str. 41 (7) τ M π k 16 d ( d d ) π ( 0,1 0,056 ) p1 p1 p 139,7 16 0,1 7MPa Kontrola pera na otlačení: voleno pero 5x14x60 Mv 139,7 (73) p 90,47MPa < 10MPa vyhovuje d l t 0,09 0,035 0,0087 v p materiál pro hřídel volen 11600, namáhání [ 9 ] s dov MPa pro střídavé ohybové Z uvedeného vyplývá, že třetí ložiskový uzel v místě 5 podstatně snižuje momentové zatížení pracovního vřetene v porovnání s uložením ve dvou podporách, Viz uložení ve dvou podporách (reakce R374N a R48693N) staticky uloženého hřídele cca. osminásobně Přívod hydrauliky ze smykadla Přívod tlakového oleje k ovládání ozubeného věnce se děje šesti přípojkami firmy Roemheld, které jsou namontovány do nosného tělesa pomocí redukčních pouzder. Pohled na přípojky je vidět ze zadu hlavy obr Přípojky k ovládání třecí spojky jsou namontovány přímo do nosného tělesa (obr.3.16).tlakový olej je pak veden k šesti pístkům, jedním vývrtem v otočném hrnci kde je zatěsněn pomocí těsnících kroužků OMK MR firmy Simrit,které oddělují jednotlivé hydraulické okruhy. Rozvod k hydraulickým pístkům je proveden čelní propojovací drážkou. Obr.3.15

45 Str. 4 Obr.3.16 Přívod hydrauliky k pístkům 3.18 Výměna nástrojů K výměně nástrojů slouží OTT Jakob (obr.3.17) mechanismus, který je uložen v dutině pracovního vřetena. Tento mechanismus obsahuje soustavu talířových pružin. K uvolnění nástrojů slouží jednotka, která navazuje na mechanismus a je ovládána hydraulicky. Má celkem tři přívody, dva olejové pro tlak cca pět barů, jeden pro přívod řezné kapaliny.tyto tři přívody jsou připojeny pomocí tlakových hadic k otočnému hrnci. Jednotlivé hydraulické tlakové obvody jsou odděleny těsnícími kroužky OMK-MR firmy Simrit. Do nosného tělesa je hydraulika rovněž přivedena přípojkami ND 4 firmy Roemheld Polohování hlavy Obr Mechanismus upínání nástrojů ISO [OTT-Jakob] Polohování je snímáno indukčním čidlem IFC00 firmy IFM elektronic, které je našroubováno do nosné části a snímá polohu otočného ozubeného věnce (obr.3.18). Čidlo je čtyř - vodičové a je propojeno kabelem, jehož vodiče jsou zapojeny do konektoru firmy LITTON, jehož druhá část je namontovaná ve smykadle.

46 Str MONTÁŽ Viz. Obr Montáž hnacího vřetene Obr.3.18 rez přes čidlo 1. Hřídel se vsune do tělesa hydrauliky.. Nasune se gufero do osazení. 3. Na hřídel se namontují dvojice ložisek. 4. Nasunou se rozpěrné trubky (vnější i vnitřní). 5. Namontuje se trojice ložisek 6. Předepsaným momentem se utáhne matice s vnějším závitem. 7. Na výkyvnou trubku se namontuje ložisko s kosoúhlým stykem. 8. Pak se nasune distanční kroužek (vnitřní a vnější) 9. Namontuje se vnitřní kroužek dvouřadého ložiska s kuželem. 10. Celá podsestava se nasune do otvoru pevného dílu. 11. Namontuje se vnější kroužek dvouřadého ložiska. 1. Našroubuje se ložiskové víčko, které předepne axiální ložisko. 13. Namontuje se vnější ozubený věnec. 14. Následuje montáž výkyvného věnce na víko. 15. Celá podstava se přišroubuje k výkyvné trubce. 16. Montáž ovládacích pístů přesuvného věnce a předepjatých pružin maticemi. 17. Do drážek hydrauliky se uloží těsnící kroužky. 18. Navlékne se výkyvný hrnec (s utěsněnými kanálkami přívodů hydrauliky) a přišroubuje se. 19. Čelně se navléknou malé pístky do válců a přišroubuje se víko s O Ringy. 0. Smontuje se podsestava se spojkovým ložiskem. 1. Na náboj ozubeného kola se nasune podsestava spojky.. Přes distanční kroužek a pero se na hnací vřeteno nasune ozubené kolo a zajistí KM maticí s pojistnou podložkou. 3. Talíř spojky se přišroubuje k pístkům. 4.3 Pracovní vřeteno 4. Celá ložisková část, včetně ozubeného kola se smontuje a nasune do vřeteníku.

47 Str Po nasunutí do vřeteníku se vloží dvouřadé vodící ložisko, které se zajistí víčkem s guferem. 6. K víčku se přišroubuje přívodní OTT-Jakob mechanismus. 7. Namontují se vysokotlaké hadice. Obr.4.1 řez sestavou hlavy

48 Str. 45 Obr.4. Model pevné části

49 Str ZÁVĚR Při vlastním konstrukčním řešení jsem vycházel z literatur: [8],[1],[7],[11],[1], zvlášť pak ze svazku Kugellager-Zaitschrift a literatury [11]. Úkolem bylo navrhnout konstrukční řešení, frézovací indexovácí hlavu daného výkonu automaticky výměnnou, s hydraulickou výměnou pracovních nástrojů, připojenou na smykadlo daných rozměrů. Při návrhu jsem žadné řešení neviděl, neboť firmy je považují za své know -how. Při řešení jsem vycházel pouze z požadavků ze zadání. Natáčení hlavy je řešena hydraulickou třecí spojkou, pojištění hnacího vřetene proti pootočení při výměně frézovací hlavy je řešeno odpruženým elementem, který se při odpojení zasune do drážky v hřídeli. Pojištění vřetena proti pootočení při obrábění je řešeno Hirthovým ozubením. Hydraulická výměna nástrojů je řešena prostřednictvím OTT Jakob mechanismem v ose pracovního vřetena. Ekonomicky celé zařízení nemohu hodnotit, protože žádné ekonomické podklady podobné hlavy jsem neměl. Z katalogů parametrů frézovacích hlav uvedených ve výpočtové zprávě však vyplývá, že hlava svými rozměry a výkonem splňuje současné požadavky.

50 Str POUŽITÁ LITERATŮRA [1] Doc.ing.Marek:Konstrukce CNC obráběcích strojů,mm průmyslové spektrum, specíální vydání září 006 ISSN [] Katalog VOITH Voith hirth[pdf dokument],standart and custom made toothed rings, Couplings Voith Turbo Gmbh & CO.KG dostupné na internetové stránce [3] Katalog Schotel Talířové pružiny podle DIN 093 [pdf dokument],dostupný [4] Černoch,S,: Strojní technická příručka 6. Doplněné vydání Praha 1941 Nákladem jednoty soukromých zaměstnanců v průmyslu a výrobních živnostech,praha 7.,Bismarcova Č.4 [5] P.Breník a kolektiv: Obráběcí stroje konstrukce a výpočty,1.vyd.,praha SNTL,198 [6] Otakar Kovář:Části strojů I 1965 VUT BRNO [7] Timošenko:Pružnost Pevnost díl, Vyšší theorie a úkoly, Praha 1951 Technicko-vědecké vydavatelství [8] Kugellager-Zeitschriftskf:Nr.:179, 164, 174, 183,178, 6, 08, 7, 18 [9] Jan Leinveber Pavel Vávra: Strojnické tabulky,albra pedagogické nakladatelství, Úvaly 006, ISBN [10] Simrit katalog 000/001, [11] W.Jurgensmeyer:Die Walzlager, Berlin verlag von Julius Springer 1937 [1] Katalog OTT-Jakob Spanntechnik, Modular camping technology [pdf dokument] dostupný na [13] Katalog Kluber Lubrication dostupný [14] Rudolf Kříz:Strojnické Tabulky pohony 1997 ISBN [15] General Catalogue SKF,Edition Apríl 1970 [16] Katalog FAG,Super precision bearing Schaeffler group,[pdf dokument] dostupný ads/ac_41130_7_de_en.pdf [17] Katalog Roemheld [online] Coupling Elements without Stroke dostupný &csid85&sm [18] Elektronický katalog firmy IFM, [online], [19] KOLÍBAL,Z.: Natáčivá ústrojí obráběcích strojů. Závěrečná práce PGS

51 Str. 48 Použité internetové stránky:

52 Str SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ A z [mm ] styková plocha ozubených věnců a 1 [mm] vzdálenost horizontální síly od podpory 1 a [mm] vzdálenost podpory od síly b [mm] šířka ozubení c [mm] vzdálenost podpory od síly C [N] dynamická únosnost jednoho ložiska C 0 [N] dynamická únosnost ložisek D [mm] vnější průměr ozubeného věnce D 1 [mm] průměr roztečné kružnice hnacího vřetene D [mm] průměr roztečné kružnice pracovního vřetene D s [mm] vnější průměr třecího kotouče spojky D v [mm] střední průměr ozubeného věnce d [mm] vnitřní průměr ozubeného věnce d L [mm] roztečný průměr děr v ozubeném věnci d s [mm] průměr jednoho pístku d s [mm] vnitřní průměr třecího kotouče spojky d H1 [mm] průměr hřídele 1 d H [mm] průměr hřídele d v1 [mm] průměr hnacího vřetena pod perem d v [mm] průměr pracovního vřetena pod perem d p1 [mm] vnější průměr pracovního vřetena d p [mm] vnitřní průměr pracovního vřetena F a [N] axiální síla na ozubeném věnci F a1 [N] axiální síla hnacího hřídele F a [N] axiální síla pracovního hřídele hřídele F a11 [N] horizontální reakce v uzlu 1 F a1 [N] horizontální reakce v uzlu F a3 [N] horizontální reakce v uzlu 3 F a4 [N] horizontální reakce v uzlu 4 F H [N] přítlačná síla na věnci F U [N] obvodová síla věnci F p1 [N] síla v jednom válci F ps [N] síla na vinutí pružin F p1p [N] síla k vypnutí ozubení jednoho pístu F r1 [N] radiální síla hnacího hřídele F r11 [N] horizontální reakce v uzlu 1 F r1 [N] horizontální reakce v uzlu F r3 [N] horizontální reakce v uzlu 3 F r4 [N] horizontální reakce v uzlu 4 F s [N] obvodová síla na kuželovém soukolí F s1p [N] síla jednoho pístku třecí spojky F s1 [N] vertikální reakce v ložiskách 1 F s [N] vertikální reakce v ložiskách F s3 [N] vertikální reakce v uzlu 3 F s4 [N] vertikální reakce v uzlu 4 f [-] třecí koeficient spojky G [N] váha pracovního vřetene

53 Str. 50 i 1 [-] převodový poměr převodovky i [-] převodový poměr kuželového soukolí k 1 [N/m] tuhost jedné talířové pružiny k C [N/m] celková tuhost pružinového svazku L h [hod] životnost ložiska l 1 [mm] vzdálenost horizontální reakce v podpoře 1 l [mm] vzdálenost podpory od síly l 0 [m] rameno na kterém působí váha pracovního vřetene l p1 [m] účinná délka pera l p [m] účinná délka pera M V1max [Nm] Maximální moment hnacího vřetene M Vmax [Nm] Maximální moment pracovního vřetene M H [Nm] potřebný moment na věnci m [-] modul ozubení N [N] celková přítlačná síla u pístků n [-] počet pístků ozubeného věnce n h [-] počet pístků hydraulické spojky n M [ot./min] otáčky motoru P [N] ekvivalentní dynamické zatížení P M [kw] výkon motoru P V [kw] výkon na vřetenu p [MPa] hydraulický tlak k vypnutí ozubení p p1 [MPa] tlakové napětí hnacího hřídele p p [MPa] tlakové napětí pracovního hřídele p max [MPa] tlak v ozubení R 1 [N] prostorové reakce v uzlu 1 R [N] prostorové reakce v uzlu R 3 [N] prostorové reakce v uzlu 3 R 4 [N] prostorové reakce v uzlu 4 R 5 [N] prostorové reakce v uzlu 5 r [mm] patní radius ozubeného věnce r s1 [mm] poloměr na kterém působí obvodová síla r s [mm] poloměr na kterém působí obvodová síla s [mm] hlavová vůle t 1 [m] hloubka pera 1 ve hřídeli t [m] hloubka pera ve hřídeli z [-] počet zubů na ozubeném věnci z 1 [-] počet zubů hnacího kuželového kola z [-] počet zubů hnaného kuželového kola η Z [%] procentní poměr zatížení(dle způsobů opracování) 1 [mm] stlačení jedné ploché pružiny c1 [mm] stlačení pružin λ [-] koeficient bezpečnosti δ [ ] úhel roztečného kužele ozubení α [ ] úhel záběru s o [MPa] napětí v ohybu τ [MPa] napětí ve smyku s red [MPa] redukované napětí

54 Str SEZNAM PŘÍLOH [1] Řez sestavou frézovací hlavy (A0)