VŘETENÍK UNIVERZÁLNÍHO HROTOVÉHO SOUSTRUHU SVOČ FST 2013 Šimon Pušman Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 36014 Plzeň Česká republika ABSTRAKT Tématem tohoto článku je konstrukční návrh vřeteníku univerzálního hrotového soustruhu. Vřeteník je určen pro soustruh SU 840. Článek popisuje dvě základní konstrukční varianty vřeteníku. První varianta je zaměřena především na využití nakupovaných komponentů, s cílem snížení náročnosti výroby jednotlivých částí vřeteníku. Druhá varianta představuje řešení, kdy je většina komponentů vřeteníku vyráběna přímo výrobcem soustruhu a počet nakupovaných částí je minimalizován. Pro obě varianty je zpracováno ekonomicko-technické hodnocení, na jehož základě je zvoleno vhodné konstrukční řešení. Dále článek obsahuje ukázku návrhového výpočtu ozubeného převodu a detailní popis výsledné konstrukce vřeteníku. Do článku jsou také zahrnuty ukázky kontrolních výpočtů. KLÍČOVÁ SLOVA Vřeteník, vřeteno, univerzální hrotový soustruh, hlavní pohon, převodové mechanismy, uložení vřetene ÚVOD Univerzální hrotové soustruhy slouží zejména pro kusovou a malosériovou výrobu, tudíž nacházejí uplatnění především v nástrojárnách, opravárenských dílnách a výrobních závodech, s výše uvedeným rozsahem výroby. Vřeteník patří mezi hlavní části univerzálního hrotového soustruhu. Oblast vřeteníku zahrnuje skříň vřeteníku a hlavní pohon stroje, který zajišťuje hlavní řezný pohyb při soustružení. Hlavní pohon stroje je tvořen motorem, převodovými mechanismy a uložením vřetene. V této studentské práci bude, na základě požadovaných parametrů stroje, navrženo konstrukční řešení vřeteníku. UNIVERZÁLNÍ HROTOVÝ SOUSTRUH SU 840 Cílem této studentské práce, je návrh vřeteníku pro univerzální hrotový soustruh SU 840 viz obr. 1. Jedná se o středně velký stroj, s dvoudráhovým, vodorovným provedením vodicích ploch. Lože stroje je žebrované, vyhotovené jako odlitek z šedé litiny a je ustaveno na patkách připevněných k základům stroje. Pohon podélného a příčného suportu je realizován pomocí kuličkových šroubů, které jsou řízeny servomotory. Stabilní a tuhé podepření obrobku zajišťuje koník s elektrickým pohonem posuvu po loži. Stroj musí splňovat technické parametry, viz tab. 1., čemuž je nutné přizpůsobit i konstrukci vřeteníku. 4 5 1 6 3 2 3 3 Obr. 1 Univerzální hrotový soustruh SU 840 (1-vřeteník, 2-lože, 3-patka, 4-podélný posuv, 5-příčný posuv, 6-koník)
Tab. 1 Technické parametry univerzálního hrotového soustruhu SU 840 Pracovní rozsah SU 840 Oběžný průměr nad ložem [mm] 840 Oběžný průměr nad suportem [mm] 530 Vzdálenost mezi hroty [mm] 2500 Max. hmotnost obrobku (letmo) [kg] 1000 Max. hmotnost obrobku (mezi hroty) [kg] 3000 Vřeteno Ukončení vřetene [-] ISO 702/1 Vrtání [mm] 132 Omezný moment na vřetenu [N.m] 2600 Max. otáčky vřetena [1/min] 1600 Výkon na vřetenu [kw] 18 Suporty Rychlost posuvu příčného suportu [mm/min] 1-3000 Rychlost posuvu podélného suportu [mm/min] 1-5000 Koník Vnitřní kužel pinoly [-] MORSE 6 KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ VARIANTA A Toto konstrukční řešení, viz kinematické schéma na obr. 2., využívá pro změnu otáček a točivého momentu dvoustupňovou planetovou převodovku od výrobce ZF-Duoplan [4]. Tato převodovka se připevňuje přímo na přírubu motoru hlavního pohonu a poskytuje převodové poměry 1:1 pro první a 1:4 pro druhý převodový stupeň. Z výstupního hřídele převodovky, na kterém je uložena řemenice 4, je točivý moment přenášen přímo na vřeteno přes řemenici 5. Finální převod je tedy realizován pomocí klínových řemenu XPB. Točivý moment je dále přenesen na sklíčidlo 6 s obrobkem 7. Klíčovým prvkem tohoto konstrukčního řešení je planetová převodovka. Její použití snižuje výrobní náročnost tohoto konstrukčního řešení. Varianta A dále přináší úsporu v oblasti mazání. Planetová převodovka obsahuje vlastní olejovou náplň a ložiska uložení vřetene jsou mazána tukem. Není tedy třeba používat přídavný mazací agregát. Obr. 2 Kinematické schéma varianty A
KONSTRUKČNÍ VARIANTA B V tomto konstrukční řešení, viz kinematické schéma na obr. 3, jsou převodové mechanismy umístěny přímo ve skříni vřeteníku. Ze hřídele motoru (SH 1) je přenášen točivý moment na vstupní hřídel vřeteníku (SH 2). Dále je točivý moment přenesen pomocí ozubeného převodu s koly 3 a 4 na předlohový hřídel. Na tomto hřídeli je pomocí drážkování posuvně uložena dvojice ozubených kol 5 a 7. Posunutím kola 5, nebo kola 7 do záběru s koly 6, nebo 8 uloženými na vřetenu (SH 4) je řazen první, nebo druhý převodový stupeň. Točivý moment je dále přenesen na sklíčidlo 9 s obrobkem 10. Výhodou tohoto konstrukčního řešení je úspora nákladů na planetovou převodovku. Tuto variantu lze po úpravách ozubení, malého rozsahu, použít i pro soustruhy s většími výkonovými parametry. Lze tedy hovořit i o vyšší univerzálnosti tohoto řešení. Obr. 3 Kinematické schéma varianty B VÝBĚR VHODNÉ VARIANTY Při výběru vhodné varianty konstrukčního řešení je nutné přihlédnout především k výrobním možnostem zadavatele. Tato skutečnost značně ovlivňuje výslednou cenovou kalkulaci a určuje vhodnější řešení. V rámci této studentské práce bylo vypracováno technicko ekonomické hodnocení a byl vytvořen diagram vhodnosti variant, viz obr. 4. Na základě této analýzy byla pro detailní zpracování zvolena varianta B. Tab. 2 Ekonomicko-technické hodnocení Konstrukční řešení Kritérium Varianta A Variant B Ideální stav Konstrukce 3 2 4 Parametry na vřetenu 2 4 4 Univerzálnost 2 4 4 Vhodnost pro výrobu 4 3 4 Zástavbový prostor 4 4 4 Údržba 3 3 4 18 20 24 Technická hodnotnost 0,75 0,83 1,00 Počet částí 4 3 4 Doba montáže 4 3 4 Cena vyráběných částí 4 3 4 Cena nakupovaných částí 2 4 4 14 13 16 Ekonomická hodnotnost 0,88 0,81 1,00
Ekonomická hodnotnost 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 Varianta A Varianta B 0,00 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 Technická hodnotnost Obr. 4 Diagram vhodnosti variant NÁVRHOVÉ VÝPOČTY VŘETENÍKU Tato kapitola obsahuje ukázkový, návrhový výpočet ozubeného převodu, dle učebních textů [2], mezi pastorkem 5 a kolem 6. Jedná se o finální převod při zařazení prvního převodového stupně. Tento převod byl navržen tak, aby byl dosažen maximální převodový poměr při minimálních rozměrech vřeteníku. Maximální průměr kola 6 je omezen vnitřním prostorem vřeteníku. Kolo 5 je uloženo na předlohovém hřídeli (SH 3), který určuje i jeho minimální průměr. Na základě zvolených parametrů kola 6 byl navržen modul ozubení prvního převodového stupně, viz rovnice (1). Dále byly stanoveny počty zubů (2),(3), převodový poměr (4) a osová vzdálenost (5) tohoto soukolí. Obdobným způsobem byly navrženy i ostatní ozubené převody vřeteníku. Vstupní hodnoty: D 6 = 360 mm průměr roztečné kružnice kola 6 D 5 = 110 mm průměr roztečné kružnice pastorku 5 ψ 6 = 9 poměr šířky ozubení k modulu pro kolo 6 ψ 5 = 10 poměr šířky ozubení k modulu pro pastorek 5 M L = 2600 N.m maximální omezný točivý moment na vřetenu c = 30 MPa dovolené namáhání zubu v ohybu (materiál: ČSN 14 220.4) Výstupní hodnoty: M L m 5.6 = 2 = 4.127 5mm D 6 π c ψ 6 (1) m 5.6 modul ozubeného kola 6 a pastorku 5 [mm] z 6 = D 6 m 5.6 = 360 5 = 72 (2) z 6 počet zubů ozubeného kola 6 [-] z 5 = D 5 m 5.6 = 110 5 = 22 (3) z 5 počet zubů pastorku 5 [-] i 5.6 = z 6 z 5 = 72 22 = 3.273 (4) i 5.6 převodový poměr kola 6 a pastorku 5 [-]
a 5.6 = z 6 + z 5 72 + 22 = = 235mm 2 2 a 5.6 osová vzdálenost kola 6 a pastorku 5 [mm] (5) DETAILNÍ KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ VARIANTY B Na základě kinematického schématu, viz obr. 3., byla navrhována finální podoba vřeteníku univerzálního hrotového soustruhu, viz obr. 5. Vstupní hřídel je ve skříni vřeteníku uložen pomocí soudečkového a válečkového ložiska. Předlohový hřídel je na obou stranách uložen ve válečkových ložiskách, přičemž vnější kroužek levého ložiska je axiálně zajištěn v obou směrech. Na předlohovém hřídeli je vyhotoveno rovnoboké drážkování, přes které je přenášen točivý moment z hřídele na jednotlivá ozubená kola. Ozubené kolo 4 je axiálně zajištěno pomocí pojistných kroužků, zatímco ozubená kola 5 a 7 jsou na předlohovém hřídeli uložena posuvně. Vřeteno je v přední části uloženo v přesném dvouřadém válečkovém ložisku, které přenáší radiální zatížení. Axiální síly jsou zachyceny obousměrným axiálním ložiskem s kosoúhlým stykem. Díky tolerancím, ve kterých jsou vyrobeny vnější kroužky výše zmíněných ložisek, lze dosáhnout stavu, kdy obousměrné axiální ložisko s kosoúhlým stykem přenáší pouze axiální zatížení. V zadní části je vřeteno uloženo v přesném dvouřadém válečkovém ložisku. Na vřetenu jsou dále uložena ozubená kola 6 a 7, která jsou společně s předními ložisky zajištěna KMT maticí. Vřeteno a vstupní hřídel jsou utěsněny pomocí labyrintových kroužků. 19 17 16 15 14 13 18 12 18 8 2 11 1 7 4 6 5 9 18 3 Obr. 5 Varianta A řez vřeteníkem 1-vstupní hřídel, 2-soudečkové ložisko, 3-válečkové ložisko, 4-řemenice 2, 5-ozubené kolo 3, 6-předlohová hřídel, 7-válečkové ložisko, 8-ozubené kolo 4, 9-ozubené kolo 5, 10-ozubené kolo 6, 11-vřeteno, 12-dvouřadé válečkové ložisko, 13- obousměrné axiální ložisko s kosoúhlým stykem, 14-dvouřadé válečkové ložisko, 15-ozubené kolo 7, 16-ozubené kolo 8, 17 KMT matice, 18-labyrintové těsnění, 19-skříň vřeteníku 10
KONTROLNÍ VÝPOČTY VŘETENÍKU Pro navržené konstrukční řešení byly provedeny kontrolní výpočty, zaměřené na převodové mechanismy, uložení vřetene a skříň vřeteníku. Převodové mechanismy, uložení vřetene Převodové mechanismy a uložení vřetene byly kontrolovány pomocí analytických výpočtů v softwaru MathCad a PREV. Nejprve byly stanoveny zatěžovací stavy jednotlivých souhmotí [2], které charakterizují předpokládané zatížení během životnosti stroje. Tyto zatěžovací stavy sloužily spolu s rozměrovými a materiálovými parametry jako vstupní hodnoty pro výpočty v softwaru PREV. Pomocí softwaru PREV byla řešena jednotlivá souhmotí vřeteníku. Kontrolovány byly ozubené převody, hřídele, spojovací prvky a ložiska. Veškeré kontrolované součásti vřeteníku vyhověly požadavkům vzhledem k bezpečnosti, životnosti, případně k maximální deformaci. Skříň vřeteníku Skříň vřeteníku je vyrobena jako odlitek z šedé litiny. Skříň byla analyzována pomocí MKP ve dvou základních úlohách. V první úloze byly zjišťovány maximální hodnoty celkového redukovaného napětí ve skříni vřeteníku. Jako okrajové podmínky byly použity reakce v ložiskách, při zatěžovacím stavu s maximálními řeznými silami, vypočtené v softwaru PREV. Vypočtené celkové redukované napětí dle HMH dosahovalo maximálních hodnot cca 80 MPa, což vzhledem k použitému materiálu představuje hodnoty vyhovující požadavkům. V rámci druhé úlohy byla zjišťována posunutí středů ložisek uložení vřetene. Ložiska byla zatěžována jednotlivě určitou konstantní silou, působící ve směru zjišťovaného posunutí. Z hodnot posunutí a velikosti sil byly stanoveny tuhosti v jednotlivých směrech, v oblastech, kde jsou umístěna ložiska uložení vřetene. Tuhost uložení vřetene Dále byla vypracována analýza tuhosti uložení vřetene [2]. Tuhost uložení vřetene je ovlivněna tuhostí skříně vřeteníku, tuhostí ložisek a tuhostí samotného vřetene. Tuhosti byly určovány v místě počátku souřadného systému, ve směrech os X, Y a Z, viz obr. 6. Minimální tuhost byla pro všechny směry definována hodnotou 200 kn/mm. Veškeré vypočtené hodnoty tuhostí, viz rovnice (6)-(8), splňují tento požadavek. Obr. 6 Tuhost uložení vřetene
Tuhost uložení vřetene ve směru osy X Vstupní hodnoty: kx vret = 500 kn/mm tuhost vřetene ve směru x kx loz = 2283kN/ mm tuhost ložisek ve směru x kx sk = 668kN/mm tuhost skříně vřeteníku ve směru x Výstupní hodnoty: kx c = kx vret kx loz kx sk (kx vret kx loz ) + (kx vret + kx sk ) + (kx sk + kx loz ) = 291 kn/mm (6) kx c celková tuhost uložení vřetene ve směru x [kn/mm] Tuhost uložení vřetene ve směru osy Y Vstupní hodnoty: ky vret = 500 kn/mm tuhost vřetene ve směru y ky loz = 2283kN/ mm tuhost ložisek ve směru y ky sk = 808kN/mm tuhost skříně vřeteníku ve směru y Výstupní hodnoty: ky c = ky vret ky loz ky sk (ky vret ky loz ) + (ky vret + ky sk ) + (ky sk + ky loz ) = 343 kn/mm (7) ky c celková tuhost uložení vřetene ve směru y [kn/mm] Tuhost uložení vřetene ve směru osy Z Vstupní hodnoty: kz loz = 2320kN/ mm tuhost ložisek ve směru z kz sk = 1429kN/mm tuhost skříně vřeteníku ve směru z Výstupní hodnoty: kz c = kz loz kz sk = 884 kn/mm (kz sk + kz loz ) (8) kz c celková tuhost uložení vřetene ve směru z [kn/mm]
ZÁVĚR A DOPORUČENÍ V této studentské práci byly navrženy dvě varianty konstrukčních řešení vřeteníku pro univerzální hrotový soustruh SU 840. Pro obě varianty bylo vypracováno ekonomicko-technické hodnocení a bylo zvoleno vhodnější konstrukční řešení. Dále byl vytvořen detailní konstrukční návrh zvolené varianty. Byly stanoveny základní zatěžovací stavy vřeteníku a jeho jednotlivé části byly zkontrolovány pomocí analytických a numerických výpočtů. Dále byl proveden výpočet tuhostí uložení vřetene pro jednotlivé směry. Veškeré vypočtené hodnoty splňují požadavky, tudíž navržené konstrukční řešení vyhovuje. LITERATURA [1] LAŠOVÁ, V. KKS/ZSVS Základy stavby obráběcích strojů. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, 2012, 154 s. ISBN 978-80-261-0126-0. [2] HUDEC, Z. Přednášky a cvičení předmětu Konstrukce obráběcích strojů, zkratka předmětu KKS/KOS a KKS/KVS. Plzeň: 2012 [3] HOSNEDL, S., KRÁTKÝ, J. Příručka strojního inženýra 1. Brno: Computer Press, 1999 [4] Použité katalogové listy firmy: ZF