FRÉZOVACÍ ZAŘÍZENÍ IFVW122 SVOČ FST 2016 Bc. Marcel Švagr Kamýk nad Vltavou Kamýk nad Vltavou 230, 262 63 Česká republika ABSTRAKT Tato práce se zabývá konstrukčním návrhem frézovacího zařízení IFVW122 pro frézovací věž FS7 určenou k montáži na soustruh SR3 a větších. Zadávající firmou je ŠKODA MACHINE TOOL a. s. Řešení obsahuje návrh variant všech pohonů včetně jejich převodových prvků a uložení vřetene. Výběr z těchto variant a následné detailní zpracování vybrané verze. V práci byly provedeny výpočty potřebné k návrhu motorů (pro hlavní řezný pohyb, pro otáčení kývání ), převodových prvků (hřídele, ložiska, ozubená soukolí) a vřetene. Zpracování prostorového uspořádání a návrh skříně byly vytvořeny pomocí 3D softwaru Unigraphics 10, ve kterém byla následně provedena pevností, tuhostí a modální analýza skříně. KLÍČOVÁ SLOVA Frézovací věž, frézovací zařízení, frézovací hlava, uložení vřetene, vřeteno ÚVOD Cílem této práce je konstrukční návrh frézovacího zařízení IFVW122 pro frézovací věž FS7, návrhové výpočty, vytvoření 3D modelu a vybrané 2D dokumentace. Jedná se tedy o konstrukční návrh frézovacího zařízení pro frézovací věž FS7 určenou k montáži na soustruh SR3 a větších (FS7 a SR3 jsou konkrétní označení pro frézovací věž a soustruh zadávající firmy ŠKODA MACHINE TOOL a.s.). V práci je zprvu představena zadavatelská firma. Dále je uvedena problematika frézovacích zařízení, jejich zařazení do systému výrobních strojů, a popis jejich funkčních částí. V hlavní části práce je podrobně rozpracovaný konstrukční návrh frézovací hlavy. Návrh je rozdělen do několika kapitol, první se zabývá výběrem vhodné varianty kinematického uspořádání celku. Stěžejním návrhovým uzlem je řešení vřetene, tedy jeho uložení a kinematika přenesu krouticího momentu z motoru na vřeteno. Tento uzel obsahuje návrh hlavního motoru, přídavné dvoustupňové převodovky, prvků přenášejících krouticí moment (hřídele, kuželová ozubení, pera a ložiska) a samotné vřeteno. V další části je řešen pohon a kinematika natáčení (kývání) vřetenové skříně (pohyblivé skříně). Tedy návrh ozubených kol, jejich uložení a způsob přenesení řezných sil z nástroje do pevné skříně. Po návrhu všech přenosových částí následuje kapitola zabývající se kontrolou všech těchto částí. Dále je zpracován způsob přívodů pracovních medií (procesní kapalina a tlaková kapalina). Na závěr je provedena pevností, tuhostní a modální analýza pevné skříně v kontrakci s pohyblivou skříní. Zadávající organizace Firma ŠKODA byla založena roku 1859 a již koncem 19. století zaujala významné postavení mezi evropskými strojírenskými závody. Po první světové válce zvyšování podílu vývozu a potřeby nových, často unikátních obráběcích strojů vedlo ke vzniku nového výrobního oboru konstrukce a výroba obráběcích strojů. Během 2. světové války byl tento obor potlačen do ústraní.[1] Výrobní program obohacený moderními prvky byl obnoven po roce 1945. Stroje vyrobené po druhé světové válce se řadily mezi světovou špičku, vyznačovali se vysokými řeznými parametry a unifikací dílů, jako například řada horizontek: W160, W200, W250.[1] V 90. letech 20. století byla firma privatizována, vznikl podnik ŠKODA MACHINE TOOL-DÖRRIES SCHARMANN GROUP, s.r.o. a byl zahájen vývoj řady nových soustruhů. V roce 2005 byl téměř celý podíl podniku prodán společnosti TELONIA TRADING LIMITED ze skupiny SIG a o rok později se z firmy stala akciový společnost. Poslední událostí v ŠMT a.s. byl vstup do skupiny ALTA, která je jednou z největších skupin strojírenství a engineeringu ve střední a východní Evropě.[1] [2] Nynější výrobní program společnosti se zabývá těžkými horizontálními frézovacími a vyvrtávacími stroji HCW doplněné lehčí řadou FCW. Ale také příslušenstvím k těmto strojů, jako jsou otočné stoly TDV a řada růžných frézovacích, vyvrtávacích a brousících hlav atd. V oboru těžkých soustruhů se věnuje nové řadě s označením SR. Všechny výrobky jsou koncipovány jako modulární stavebnicové řady s možností reagovat na požadavky zákazníků.[3]
Frézovací zařízení Zvyšují flexibilitu a technologické možnosti stroje. Používají se jako přídavná zařízení k růžným strojům, v případě použití na soustruhu se připevňují na čelní desku frézovací věže, která se umisťuje na support viz Obr. 1. Využitím frézovacích zařízení na soustruhu dochází ke snižování výrobních časů, především mezioperačních, a zvýšení přesnosti výroby, podloženou možností vyhotovit požadovaný tvar obrobku na jedno upnutí. Například tvorba drážek rovnoběžných s osou rotace obrobku, růžných zápichů, zarovnání, popřípadě opracování vnitřních ploch u velkých součástí. Obr. 1 - Umístění frézovacího zařízení na soustruhu
ZADÁNÍ Parametry zadané společností ŠKODA MACHINE TOOL a.s., podle kterých byl proveden návrh frézovacího zařízení. Výkon 51kW Maximální moment na vřetenu 2000Nm Maximální otáčky vřetene 2000ot/min Otáčení kolem osy B ±100 Možnost zpevnění pozice vřetene v jakékoliv poloze (ne indexovaní) Rychlost otáčení kolem osy B cca 5ot/min Obr. 2 - Pohled na fréz. hlavu shora KONSTRUKČNÍ NÁVRH Výběr kinematického schémata Obr. 3 - Varianta I - kinematické schéma Obr. 4 - Varianta II - kinematické schéma První provedení, tedy Varianta I (Obr. 4), je charakterizována tím, že má osu vřete shodnou s osu hlavního pohonu. K přenosu krouticího momentu od motoru na vřeteno se využívá dvou kuželových ozubený soukolí a jednoho čelního soukolí s přímými zuby. Pohyb otáčení (kývání ) zajišťuje dvojice motorů (master slave) zabírajích přes kuzelové kolo do kuželového věnce umístěného na pohyblivé skříni vřetene. Toto řešení je prostorově nejméně výhodné. Druhá varianta (Obr. 5) je oproti první změnená jak v pozici hlavního pohonu tak pohonu otáčení. V podstatě jsou prohozeny, hlavní pohon je napojen přes dvě kuželová soukolí k vřetenu zeshora. Mastr-slave využívá k přenosu krouticího momentu dvě hřídele, pro každý motor jednu, na kterých je z jedné strany napojeno kuželové ozubené kolo a na druhé střaně čelní ozubené kolo, které zabírá do věnce, který je upevněn na pohyblivé skříni vřetene.
U třetího porovedení (Obr. 6) bylo upuštěno od myšlenky mít osy pohonů rovnoběžné s osou vřetene. Tím bylo umožněno vypustit v pohonu otáčení (kývání) kuželové ozubené soukolí. Mechanismu se zjednuduřil pouze na čelní ozubené soukolí, kde věnec je spojen s pohyblivou skříní vřetene a do něj zabírají dva pastorky, umístěné přímo na výstupních hřídelích servomotorů. Hlavní pohon a přenos krouticího momentu zůstal totožně situaovaný jako v předchozí variantě. Tato varianta byla zvolena jako výchozí pro další zpracovávání, kvůli výhodnému prostorovému uspořádání a úspoře jednoho (respektive dvou) kuželového soukolí. Obr. 5 - Varianta III - kinematické schéma Návrh vřetene Pro návrh vřetene je zapotřebí zvolit hlavní pohon, přídavnou převodovku a navrhnout převodové prvky přenášející krouticí moment na vřeteno. Přídavná převodovka a hlavní pohon byly voleny podle potřebných otáček na vřetenu 2000ot/min, požadovaného momentu 2000Nm a výkonu 51kW. Byla zvolena dvoustupňová přídavná převodovka s prvním převodem 1:1 a druhým 1:5 od firmy ZF. Připadaly v úvahu dvě provedení přídavné převodovky a to 2k450 a 2k600. Po vyjádření výrobce byl uvažován typ 2k450 i přesto, že nevyhovuje přenášenému výkonu nominální hodnotou, což podle výrobce není problém, pokud splňuje hodnotu momentu a otáček. Tato záležitost byla řešena hlavně z finančních důvodů, kdy nižší řada tedy 2k450 je přibližně o 50 000Kč levnější než typ 2k600. Hlavní pohon byl zvolem od firmy SIEMENS. Obr. 6 - Ilustrační zobrazení dvoustupňových převodovek ZF [3] Tabulka 1 - Tabulka parametrů hlavního pohonu Obr. 7 - Ilustrační obrázek hlavního pohonu 1PH8
Mechanismus přenosu krouticího momentu od hlavního pohonu na vřeteno je znázorněn na Obr. 9. Použité přenosové prvky: Obr. 8 - Kinematika přenosu krouticího momentu z hlavního pohonu na vřeteno 4 x ozubené kuželové kolo Ozubení Klingelnberg Počet zubů 34 Úhel sklonu zubů 30 Normálový modul 5mm Šířka 46mm 4 x ložisko Kuželíkové SKF 33016/Q (d=80mm, D=125mm, B=36mm) 2 x hřídel Návrh byl proveden v programu KISSsys. Pro výpočet bylo uvažováno zatěžovací spektrum Tabulka 2. Zatěžovací stav Moment [Nm] Otáčky [min -1 ] Využití [%] Využití [hod] 1. 2000/2338 200/245 30 2400 2. 1000 300 20 1600 3. -1000 300 20 1600 4. 100 2000 30 2400 Součet 8000 Tabulka 2 - Zatěžovací spektrum Dále byla zvolena fréza, podle průměru vycházejícího z výpočtu (1) a k ní příslušný adaptér. Pro zátěžné stavy 1-3 byla zvolena stejná fréza o průměru D=160mm Obr. 10 a pro 4. zátěžný stav fréza o průměru D=20 Obr. 11. D = v π n Kde v je řezná rychlost, pro návrh byla uvažována hodnota v=100m/s a n otáčky. (1) Obr. 9 - Fréza CoroMill 490 Dc=160mm Obr. 10 - Fréza CoroMill 490 Dc=20mm Po zvolení uvedených náležitostí (motor, přídavná převodovka, frézy s adaptéry a navržení převodového mechanismu) jsou známé všechny údaje, které jsou potřebné pro návrh vřetene a jeho uložení. U vřetene byly uvažovány tři různé varianty. Všechny byly spočtené a kontrolované v prostředí KISSsoft. Pro výpočty bylo použito zatěžovací spektrum uvedené v Tabulce 2. První varianta uvažuje uložení na dvou kuželíkových ložiskách SKF 32022 X/Q (d=110mm, D=170mm, B=38mm), ložiska vyhoví z hlediska životnosti, kde přední ložisko (blíže působišti řezných sil vlevo Obr.12) vydrží cca 10 000 hodin a druhé ložisko 230 000 hodin. Tento rozdíl je způsoben tím, že ložisko blíže obrobku přenáší větší podíl řezných sil. Ložiska vyhovují i z hlediska tepelné stability, kde se dovolené otáčky pro zadané stavy pohybují okolo 2250ot/min, což je dostačující.
Obr. 11 - Vřeteno varianta I - kuželíková ložiska Druhá varianta Obr. 13, využívá tři stejná kuličková ložiska s kosoúhlým stykem FAG B7022-E-T-P4S (d=110mm, D=170mm, B=28mm) a jedno válečkové ložisko SKF NU 1020 ML (d=100mm, D=150mm, B=24mm). První ložisko (nejblíže řezným silám vlevo) podle výpočtu v KISSsoftu nevyhoví požadovaným 8000 hodin, ale jeho životnost bude 6278 hodin. Další ložiska vydrží s velkou rezervou. Podle výrobce ložisek se dvojice stejných kosoúhlých ložisek v provedení jak je znázorněno na Obr. 13 počítá přes náhradní ložisko, s jinou dynamickou únosností, to poté požadovaných 8000hodin splní. Třetí varianta je obdobná, pouze se použije druhé ložisko z leva s jiným vrcholovým úhlem, což podle KISSsoftu rozloží lépe zatížení mezi obě ložiska a poté splní požadovanou životnost. Bohužel není jiný způsob jak zjistit skutečnost než toto uspořádání reálně vyzkoušet, protože v praxi se nevyužívá. Z důvodu nedostatečné přesnosti kuželíkových ložisek z první varianty a nedostatku dat, známých o využití dvojic ložisek s jinými vrcholovými úhly, je volena varianta dvě pro další postup. Obr. 12 - Vřeteno varianta II - dvojice ložisek s kosoúhlým stykem Návrh otáčení (kývání) Pro návrh bylo nutné zvolit moment otáčení, který byl stanoven na hodnotu 6000Nm s přihlédnutím na působící řezné síly. Dále servomotory do uspořádání mastr-slave a přídavná převodovka. Převodovka byla zvolena od společnosti WITTENSTEIN s převodem i=100. Servomotor byl zvolen od společnosti SIEMENS se jmenovitým momentem M=12Nm. Z toho vyplývá, že potřebný převod mezi výstupem z převodovky a samotným otáčením vřetene je i=2,5. Vycházíme z předpokladu, že oba motory se podílí stejně na přenášeném momentu, tedy 100x12x2,5=3000Nm pro jeden motor. Z prostorových důvodů bylo nutno přidat do sestavy pohonu otáčení, oproti navrženému schématu, vložené kolo (Obr. 15.) Pohyblivá skříň je uložena na dvou ložiskách s kosoúhlým stykem. Obr. 13 - Převodovka SP+ 210 s připojeným motorem 1FT7
Obr. 14 - Pohled na uspořádání převodů otáčení - spodní pohled bez víka CELKOVÉ USPOŘÁDÁNÍ Obr. 15 - Pohled na celek frézovací hlavy Obr. 16 - Pohled na frézovací hlavu situovanou na frézovací věži
Obr. 17 - Boční pohled na frézovací zařízení usazená na čelní desce frézovací věže i s připojeným hlavním motorem Obr. 18 - Řez frézovacím zařízením ZÁVĚR V této zprávě nejsou uvedeny výsledky pevnostní, deformační a modální analýzy, které ovšem byly vyhotoveny a budou prezentovány. Je to z důvodu nedostatku prostoru pro jejich uvedení, a také protože výsledky jsou závislé na barevném spektru, které by nebylo možné reprezentativně zobrazit ve stupních šedi. Další část, která zde není uvedena, je unášecí pouzdro v čelní desce frézovací hlavy, které slouží jako propojovací prvek mezi hlavním motorem a hřídelí kinematiky přenášející krouticí moment na vřeteno. Je navrženo tak, aby mohla být připojená i jiná zařízení, pokud budou mít stejné drážkování na připojovací hřídeli, popřípadě i jiný hlavní motor, ale pouze v případě, že nepřekročí moment, na který je pouzdro navrženo. Dále byl vyřešen přívod pracovních kapalin středem vřetene na nástroj. V práci byl úspěšně navržen, namodelován a následně výpočetně prověřen nový typ frézovacího zařízení určeného jako přídavné příslušenství pro frézovací věž umisťovanou na soustruh. Detailně byl rozpracován návrh vřetene, které je nejdůležitější částí frézovací hlavy. Tento návrh byl zhruba nastíněn i v této zprávě. ZDROJE [1] WWW stránky ŠMT [online]: http://www.skodamt.com/spolecnost/historie/ [2] WWW stránky ALTA [online]: http://www.alta.cz/ [3] Katalog ZF dostupný online na: http://www.docin.com/p-208719386.html [4] Katalog SIEMENS dostupný online na: http://stest1.etnetera.cz/ad/current/content/data_files/katalogy/pm21/cat_pm_21_2013_en.pdf