KONSTRUKČNÍ NÁVRH FRÉZOVACÍHO ZAŘÍZENÍ IFVW 212 CNC SVOČ FST 2011 Bc. Petr Bernardin Ječná 4, 326 00 Plzeň Česká republika ABSTRAKT Cílem práce je konstrukční návrh a výpočet frézovacího zařízení IFVW 212 CNC. Nejprve je čtenář uveden do problematiky konstruovaného zařízení. Tato část obsahuje začlenění zařízení do systému obráběcích strojů, detailní popis jeho funkčních částí a řešení konkurenčních firem. Další část potom obsahuje samotný konstrukční návrh zařízení. Při konstrukci byly provedeny podrobné výpočty detailních částí nově zkonstruovaného zařízení. Konkrétně jeho pohonů, pružin upínání nástroje, šroubových, drážkových spojů, byla provedena MKP tuhostní analýza, modální analýza, návrh přívodů řezné kapaliny, přívodů kabelů elektrické energie a signálních kabelů, odměřování polohy a snímání koncových poloh zařízení, aretace pro připojení zařízení k pinole stroje. Na závěr potom bylo vytvořeno ekonomické zhodnocení práce. KLÍČOVÁ SLOVA Frézovací hlava, pohon, upínání nástrojů, MKP, CAD dokumentace, převodové prvky, fréza ÚVOD Tato práce se zabývá konstrukčním návrhem frézovací hlavy dle zadání firmy Škoda MACHINE Tool. Toto zařízení má díky svému pohybu kolem dvou os umožnit frézování tvarově náročných ploch. Má práce obsahuje představení zadávající organizace Škoda MACHINE Tool, která se zabývá výrobou horizontálních frézovacích a vyvrtávacích zařízení a jejich příslušenství. Touto organizací mi byly stanoveny zadané parametry a požadavky na dané zařízení. POŽADAVKY FIRMY ŠKODA MACHINE TOOL 2 NC řízené osy.. ± 180, ± 95 Výkon. 30 kw Moment na vřetenu. 800 Nm Mezní otáčky.. 3000 ot./min. Doba životnosti... 5000 h Otáčky posuvů 5 ot./min. [1] Obrázek Požadované rozměry frézovací hlavy Osa rotace nástroje je shodná s osou rotace vstupní hřídele. (Smysl otáčení libovolný) Zajistit otáčení kolem osy X o ± 180 Zajistit kývání kolem osy Y o ± 95 Pro připojení hlavy na čelo pinoly stroje použít přírubu a zachovat její připojovací rozměr (480x480) Uvažovat mazání tukem Co nejmenší hmotnost frézovací hlavy Kuželová plocha pro upínání nástroje dle ISO 50 Frézovací hlava musí vyhovovat z hlediska zadaných parametrů a rozměrů POPIS KONSTRUOVANÉHO ZAŘÍZENÍ Frézování patří mezi zástupce metody konvenčního obrábění a mezi příslušenství frézovacích strojů řadíme frézovací hlavy. Konkrétně se jedná o příslušenství horizontálních frézovacích a vyvrtávacích strojů. Při návrhu frézovací hlavy jsem vycházel z již existujícího zařízení firmy Škoda MACHINE Tool IFVW 211 NC. K tomuto zařízení mi nebyla poskytnuta výkresová dokumentace k podrobnějšímu prozkoumání, proto jsem nové poznatky vyhledával v dokumentech, které mi poskytl p. Doc. Ing. Zdeněk Hudec CSc. a od konzultanta ve firmě Škoda MACHINE Tool.
STÁVAJÍCÍ ŘEŠENÍ FRÉZOVACÍ HLAVY IFVW 211 NC Výkon kw 25 Moment Nm 1000 Maximální otáčky min -1 3000 Převod otáček i 1:1 Kužel vřetene ISO 50 Natáčení 1. osy º 0-360 Natáčení 2. osy º ±95 [2] Obrázek Frézovací hlava Škoda MACHINE Tool Hmotnost kg 750 KONSTRUKČNÍ NÁVRH NOVÉHO ZAŘÍZENÍ Při konstrukčním návrhu bylo nutné navrhovat celkem tři pohonné mechanismy zařízení. Pohon hlavního řezného pohybu, pohon kývavého pohybu hlavy o ±95 º a pohon otáčení hlavy o 0-360 º. Pohon hlavního řezného pohybu měl být dle zadání odvozen od vřetene frézovacího stroje. Při návrhu jsem nejprve zvolil frézu a její adaptér ze zadaných parametrů, což bylo nutné pro stanovení momentů otáčení a kývání, které bylo nutné překonat pro vykonání požadovaných pohybů hlavy. Provedl jsem výpočet otáček frézy při požadovaném momentu a z něj potom průměr frézy. VÝPOČET MOMENTŮ PRO KÝVÁNÍ A OTÁČENÍ Jedná se o momenty, které je při frézování nutné překonat, aby byl zajištěn pohyb hlavy kolem osy. Tyto momenty bylo nutné stanovit z parametrů na výstupu frézy. Zde jsem vycházel ze zatěžovacích stavů. Z nich vyplývá, že frézovací zařízení pracuje po většinu své doby životnosti při maximálním zátěžném momentu. Zatěžovací stav Moment [Nm] Otáčky[ot./min.] Požadovaná životnost [hod.] 1 800 337 3000 2-800 337 1000 3 100 2696 1000 Z parametrů pro nejvyšší zatěžovací moment jsem stanovil sílu obvodovou, axiální, radiální, posuvovou a z nich vypočetl momenty kývání a otáčení. 2 M L 2 800 Fo 16000 N D 0,1 F Fr 0,8 Fo 12800 N Fa 0,6 Fo 9600 N Fpos 0,3 0,9 Fo Fpos 0,9 Fo 14400 N Z těchto parametrů potom byly stanoveny momenty kývání, resp. otáčení no 1 nk 1 5 ot./ min Mo 1 Fpos aa 3816 Nm 2 M L D21 M k1 Fpos aa Fpos aa M L 4616 Nm D21 2 Při znalosti těchto parametrů, bylo možné navrhnout konstrukční řešení jednotlivých pohonů.
HLAVNÍ ŘEZNÝ POHYB Hlavní řezný pohyb byl řešen pohonem od vřetena stroje. Po specifikaci požadavků, návrhu variant jednotlivých řešení a jejich hodnocení, byla navržena varianta se třemi převodovými prvky a to pomocí čelního soukolí a dvou kuželových kol. U všech s převodovým poměrem 1:1. Při tomto řešení byl proveden výpočet pro srovnání tuhosti převodu ozubenými koly a řemenovým převodem. Toto srovnání mi pomohlo vybrat vhodnou variantu, neboť převod řemenový z hlediska tuhosti naprosto nevyhověl. Pevnostní a tuhostní kontrola hřídelů, ložisek, ozubených kol a spojů byla provedena paralelně v programech MitCalc a PREV, stejně jako výpočet zbylých pohonů. [3] Obrázek Varianta 1 Schéma hlavního řezného pohybu [4] Obrázek Zjednodušené schéma uložení vřetene U tohoto návrhu byla nutná kontrola uložení vřetene z hlediska teplotní stability. V mém prvotním návrhu totiž figurovala kuželíková ložiska, která ovšem nevyhovovala z hlediska dovolených otáček při kontrole teplotní stability. Z tohoto důvodu jsem byl nucen volit variantu se dvěmi kuličkovými jednořadými ložisky s kosoúhlým stykem. Upínání nástroje je provedeno pomocí systému OTT-Jacob. K uvolnění dojde stlačením sady talířových pružin. POHON KÝVAVÉHO POHYBU O ±95º Pohon kývavého pohybu jsem se rozhodl řešit pomocí systému dvou motorů tzv. systém MASTER-SLAVE. Jedná se o dva motory s převodovkami. Na výstupu z převodovky je umístěno kuželové soukolí s převodem 1:1 a následuje pastorek. Pomocí obou pastorků je vymezena vůle na kole způsobujícím kývavý pohyb hlavy. Tuto variantu jsem volil na úkor varianty s jedním motorem kvůli menší prostorové náročnosti. Místo jednoho motoru je možné využít dvou motorů s polovičním výkonem. Varianta řeší i problém vymezení vůlí. Volba převodovek byla opět řešena z hlediska úspory rozměrů umístěním za motory. Po zvolení vhodné varianty jsem provedl výpočet a volbu motoru, převodovky, hřídelů, ložisek, převodových prvků a spojovaných součástí v programech PREV a MitCalc. POHON POHYBU OTÁČENÍ O ±180º Konstrukce motoru systémem MASTER-SLAVE. Při volbě převodovky jsem volil mezi umístěním jedné převodovky napojené na otočnou část skříně a variantou se dvěmi převodovkami napojenými přímo na motory. Zvolil jsem dvě převodovky připojené přímo k motoru, stejně jako u předchozího pohonu. Důvod byl opět výstupní moment, rozměry a způsob vymezení vůlí pohonu. [5] Obrázek Vybraná varianta pohybu kývání ±95º [6] Obrázek Pohon pohybu otáčení o ± 180 º
SCHÉMA CELKOVÉHO KONSTRUKČNÍHO ŘEŠENÍ A 3D MODEL Na následujícím obrázku je znázorněn pohon hlavního řezného pohybu (červená), pohon kývání hlavy (modrá) a pohon otáčení hlavy (černá). [7] Obrázek Schéma vybrané varianty řešení [8] Obrázek 3D model frézovací hlavy UMÍSTĚNÍ MOTORŮ Při návrhu konstrukčního řešení motorů jsem narazil na problém jejich umístění. Motor pro otáčení bývá umístěn na pevné části rámu a motor zajišťující kývání hlavy na rotační části hlavy. V mém případě by toto řešení nebylo možné, neboť by docházelo ke kolizím motorů při otáčení o ±180º. Tuto problematiku jsem se rozhodl řešit netradičně a to umístěním obou motorů na rotující část hlavy a tím jsem odstranil problém potkávání motorů. Výhodou je symetrický tvar hlavy a v kombinaci s metodou MASTER- SLAVE potom snížení rozměrů celé hlavy. Řešení je vhodné i z hlediska malého momentu setrvačnosti těl motorů při jejich otáčení. Ke všem motorům je nutné na rotační část hlavy vést přívody. ŘEŠENÍ PŘÍVODŮ Vzhledem k umístění všech čtyř motorů na rotační části bylo nutné vést k nim přívody z pevné na rotační část frézovací hlavy. Jednalo se o čtyři kabely signální (přenos informací) a čtyři silové (elektrická energie), dále bylo nutné vést na rotační část signální kabely ke koncovým snímačům a přívody řezné kapaliny ke vřeteni. [9] Obrázek Řešení přívodů pomocí energetických řetězů Triflex od firmy IGUS Přívody byly řešeny pomocí energetického řetězu s označením Triflex R 3D E-Chain od firmy IGUS. Ten umožňuje libovolný prostorový pohyb. Článková konstrukce a kloubový spoj řetězu umožňuje tahové namáhání a kroucení řetězu. Do řetězu lze vložit 2 a více kabelů, maximální průřezy d 1 = 13 mm resp d 2 =15 mm. Pro mou konkrétní aplikaci jsem využil řetěz s označením TRC 40.058.0.
DALŠÍ ŘEŠENÉ PROBLÉMY Práce obsahuje dále konstrukční řešení aretace polohy pohonu hlavního řezného pohybu, odměřování polohy pohonů kývání a otáčení, snímání koncových poloh indukčními snímači a havarijními snímači, řešení přívodu řezné kapaliny k nástroji externě a přívod vedoucí vřetenem až k nástroji. Pro přívod vedoucí vřetenem jsem použil rotující přívod od firmy GAT s označením Rotodisk SW. [10] Obrázky Havarijní snímač Baluff, indukční čidlo Siemens, GAT Rotodisk SW TUHOSTNÍ A PEVNOSTNÍ ANALÝZA MKP Pro stanovení pevnostní a tuhostní analýzy byl použit výpočet metodou konečných prvků. Z hlediska tvaru skříně neměla pevnostní analýza význam, což se také projevilo při samotném výpočtu. Tuhostní analýza mi potom pomohla stanovit stabilitu frézovací hlavy při procesu obrábění. Při stanovení optimální hodnoty tuhosti skříně jsem vycházel z doporučení, kdy celková tuhost hlavy měla být vyšší, než 50 kn/mm. Při prvotním výpočtu vycházela tuhost 57 kn/mm, což byla tuhost vyhovující, nicméně rezerva nebyla velká. Proto jsem se rozhodl najít slabé místo konstrukce. Z výpočtu vyplynulo, že slabé místo bude v místě připojení hlavy na přírubu, proto jsem se rozhodl toto místo vyztužit, zvětšením šířky příruby pevné části hlavy. [11] Obrázky Deformace pevné části hlavy dosedající na přírubu před a po vyztužení [12] Obrázky Výsledná tuhost ve směru X vzhledem k počátku souřadnic Výsledkem byl nejen pokles deformace z hodnoty 0,0761 mm na 0,0269 mm a tuhost celého zařízení stoupla na hodnotu 108,8 kn/mm, což je až dvojnásobný nárůst. Jedná se o nejmenší vypočtenou tuhost pro zatěžování ve všech možných směrech frézovací hlavy.
ZÁVĚR Cílem mé práce byl konstrukční návrh frézovacího zařízení dle zadaných parametrů. Tato část byla bez výjimky splněna. Navrhované zařízení splnilo všechny zadané parametry a byla u něj provedena řada kontrolních výpočtů, na jejichž základě bylo zařízení dále optimalizováno tak, aby plně vyhovovalo. Jedním z nejdůležitějších faktorů byly požadavky na rozměry zařízení, které má konstrukce splňuje. Z hlediska hmotnosti je zařízení srovnatelné s vyráběným zařízením firmy Škoda MACHINE Tool. Zařízení by ovšem bylo možné optimalizovat ve vztahu hmotnost-tuhost, neboť co se týče tuhosti má frézovací hlava značné rezervy, což vyplývá z tuhsotní analýzy (108 kn/mm). Ekonomické zhodnocení nového návrhu bude provedeno kalkulací vyráběných a nakupovaných dílů. Mezi nakupované patří indukční a havarijní snímače, hydraulické rozvody, rotační přívod řezné kapaliny, pružiny a další. Mezi vyráběné patří části skříně, které budou zhotovovány v místě závodu. Celková kalkulace nákladů obsahuje ještě náklady na konstrukci a náklady na montáž. Tyto náklady není možné přesně stanovit, lze je pouze odhadnout. Ekonomické hodnocení bude podrobně popsáno v diplomové práci. Zařízení by mělo po všech stránkách vyhovovat požadavkům zadavatele. Jeho další výhodou pro firmu Škoda MACHINE Tool je navíc zcela originální konstrukční řešení, z něhož je možné vycházet i v budoucnu a je možné se podle něj inspirovat při konstrukci typově podobného zařízení. Unikátnost řešení spočívá v umístění dvou párů motorů zapojených v systému MASTER-SLAVE na rotující část hlavy. Vzhledem k jednoduchému konstrukčnímu řešení přívodů médií k nim, tak vzniká zcela kompaktní zařízení, jehož výhodami jsou symetrický tvar vhodný pro užití pro zadané frézovací operace, uspoření prostoru oproti použití jednoho motoru s dvojnásobným výkonem. Další výhodou je poměrně snadná montáž. Té bylo docíleno konstrukcí frézovací hlavy, která je tvořena rozdělením skříně dělící rovinou na dvě části (resp. na tři). Závěrem bych rád zdůraznil, že výsledkem mé práce je nově navržená, originální varianta řešení frézovací hlavy, která vyhovuje veškerým zadaným požadavkům. LITERATURA Knižní publikace: [1] HOSNEDL S., KRÁTKÝ J.: Příručka strojního inženýra 1, Praha: Computer Press, 1999. [2] HOSNEDL S., KRÁTKÝ J.: Příručka strojního inženýra 2, Praha: Computer Press, 1999. [3] HUDEC Z.: Přednášky a cvičení předmětu Konstrukce obráběcích strojů, zkratka předmětu KKS/KOS a KKS/KVS, Plzeň: ZČU, 2009. [4] STANĚK J., NĚMEJC J.: Metodika zpracování a úprava diplomových prací, Plzeň: ZČU, 2005. [5] HUDEC Z.: Uložení vřeten obráběcích strojů, Plzeň: Učební text, 2009. Katalogy součástí: Staženo z http://www.skf.com/portal/skf_cz/home/products?maincatalogue=1&lang=cs&newlink=1 SKF Ložiska, těsnění, pojistné matice KM, KMTA dne 20.1.2011 Staženo z http://www.ott-jakob.de/dt/produkte/sk/sk_spannsaetze.php OTT-Jakob Spanntechnik GmbH - Upínací systém pomocí kleštiny dne 8.3.2011