UPÍNACÍ DESKA KONÍKU SOUSTRUHU ŘADY SR SVOČ FST 2009 Bc. Milan Kušnír Západočeská univerzita v Plzni Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika ABSTRAKT Práce řeší uložení otočné vložky svršku koníka soustruhu SR5 výrobce Škoda Machine Tool a.s. a možnost připojení upínací desky (jako je použita na vřetení stroje) k otočné vložce. Je navržen svršek koníka splňující toto zadání, kvůli změně rozměrů jsou navrženy a zkontrolovány i související mechanické části nového svršku koníka. Byla provedena i MKP analýza deformace a napětí na pinole a svršku koníka pro zjištění únosnosti a průhybů těchto částí. Ve druhé části práce je řešeno upevnění upínací desky k otočné vložce a jeho analýza z hlediska dynamického namáhání jednotlivých prvků jako jsou šrouby a nalisování. KLÍČOVÁ SLOVA uložení, upínací deska, průhyb, deformace, tuhost, připevnění, bezpečnost ÚVOD Návrh uložení kritéria: uložení musí přenést požadované zatížení dané uvažovanými zátěžnými stavy po celou uvažovanou dobu provozu (L h > T 1 + T 2 ) musí zaručit požadovanou trvalou přesnost obrábění (C 0 / R > 5) průměry ložisek (které předběžně určíme ze statické únosnosti ložiska C 0 a reakce v uložení R, přičemž musí platit, že C 0 / R > 5) musí být voleny s ohledem na montáž a vymezení vůlí při montáži, a s ohledem na rozměry otočné vložky úhel natočení hřídele vlivem zatížení v místě ložiska nesmí být vyšší než přípustná hodnota udávaná výrobcem teplotní stabilita ložisek za provozu, resp. dovolené otáčky ložiska z hlediska teplotní stability vzhledem k tomu, že zadavatel diplomové práce Škoda Machine Tool, a.s neudal přesné požadavky na přesnost chodu, resp. uložení otočné vložky, bude provedena nejprve analýza současné koncepce uložení hrotu (bez uvažované upínací desky) pro zjištění současné teoretické tuhosti uložení, otočné vložky a pinoly poté po návrhu nové varianty bude provedeno srovnání, zda varianta vyhovuje či nikoliv Zátěžné stavy soustruhu SR5 po celkovou dobu provozu stroje která je udávána na minimálně 20 000 hodin není stroj zatížen plným výkonem, kroutícím momentem, maximální hmotností či maximálními otáčkami vždy najednou Základní parametry: F M maximální tečná složka řezné síly, Q M maximální tíha obrobku, M L maximální (omezný) kroutící moment na vřeteni, n L jmenovité otáčky (při omezném kroutícím momentu), n M maximální otáčky vřetene, T 1, T 2 doba běhu při obrábění, resp. bez obrábění 1. normální soustružení: F = F M Q = 0,4.Q M n = n L T C1 = 0,1.T 1 2. normální soustružení přejíždění: F = 0 Q = 0,4.Q M n = n L T C2 = 0,1.T 2 3. opačné soustružení zapichování: F = 0,5. F M Q = Q M n = n L T C3 = 0,05.T 1 4. opačné soustružení přejíždění: F = 0 Q = Q M n = n L T C4 = 0,05.T 2 5. dokončování: F = 0 Q = Q M n = 0,2.n M T C5 = 0,1.T C 6. dokončování: F = 0 Q = 0,2. Q M n = n M T C6 = 0,4.T C 7. druhé hrubování: F = 0,3. F M Q = 0,3. Q M n = 0,5. n M T C7 =0,35.T 1 8. druhé hrubování přejíždění: F = 0 Q = 0,3. Q M n = 0,5. n M T C7 =0,35.T 1
ANALÝZA ULOŽENÍ HROTU Původní uložení otočné vložky: Použitá ložiska (zleva): radiální válečkové ložisko dvouřadé SKF NNU 4096 KM/W33: radiální válečkové ložisko jednořadé SKF NCF 2988: axiální soudečkové ložisko SKF 29 468E: uložení je vyhovující s mírným snížením životnosti ložiska při trvalé přesnosti a možností snížení trvanlivosti z důvodu nenulového úhlu natočení v předním dvouřadém válečkovém radiálním ložisku Výsledky tuhostní analýzy otočné vložky a ložisek: Původní koncepce uložení s úpravou otočné vložky svršku koníka pro použití upínací desky: původní ložiska NNU 4096 a NCF 2988 nevyhovují dynamicky ani staticky a tudíž použití upínací desky bez úprav uložení otočné vložky pinoly koníka není možné (bez ohledu na kontrolu dalších parametrů ložisek) Rekonstrukce uložení otočné vložky svršku koníka při zachování dosavadních rozměrů svršku koníka: Použitá ložiska (zleva): radiální válečkové ložisko čtyřřadé SKF BC48012/HA4: radiální válečkové ložisko dvouřadé SKF NNU 4192 M: axiální soudečkové ložisko SKF 29 468E (dle kapitoly 1): materiál otočné vložky: 15 142.9, Re = 750850 MPa uložení je staticky i dynamicky vyhovující, ovšem z nevýhod vysoké ceny předního ložiska, montáže, vymezení vůlí, nízké tuhosti takto navržené pinoly při výsuvu je nutné zvětšit průměr pinoly, a také vzdálenost mezi radiálními ložisky, potažmo tedy i odlitek svršku koníka
Nová konstrukce svršku koníka a její analýza: Zdůvodnění vývoje: z analýzy uložení varianty 1 a 2 při použití upínací desky je patrné, že není možné použít současnou konstrukci odlitku svršku koníka a potažmo i souvisejících mechanických částí svršku koníka, poněvadž uložení by buď staticky i dynamicky nevyhovovalo (varianta 1) či by uložení bylo velmi montážně a finančně nákladné s relativně vysokou pravděpodobností destrukce uložení při výsuvu pinoly o požadovaných 250 mm Použití ložiska (zleva): radiální válečkové ložisko dvouřadé SKF NNU 41/670 KM30/W33: axiální soudečkové ložisko SKF 292/600 EM radiální válečkové ložisko jednořadé SKF NCF 3092 CV: navržené uložení vyhovuje jak staticky, tak dynamicky nenulovým úhlem natočení v předním radiálním dvouřadém válečkovém ložisku by mohlo docházet ke snížení jeho trvanlivosti, ovšem vzhledem k vysoké statické i dynamické bezpečnosti, definovaným zátěžným stavům a konstrukci otočné vložky, shledávám navržené uložení jako vyhovující navržené uložení vyhovuje ve všech stanovených parametrech Výsledky tuhostní analýzy otočné vložky a ložisek: SROVNÁNÍ TUHOSTÍ PŮVODNÍ A NOVĚ NAVRŽENÉ VARIANTY posunutí ve směru osy X [mm] posunutí ve směru osy Y [mm] zátěžný stav 1 3 3 5 otočná původní varianta 0,015200 0,007620 0,235000 0,222000 vložka nová varianta 0,070800 0,035400 1,230000 1,170000 ložisko A původní varianta 0,019180 0,010280 0,225000 0,214000 nová varianta 0,019900 0,010200 0,278000 0,266000 ložisko B původní varianta 0,002778 0,001494 0,032700 0,031100 nová varianta 0,006250 0,003440 0,085000 0,081000 celkem původní varianta 0,037158 0,019394 0,492700 0,467100 nová varianta 0,096950 0,049040 1,593000 1,517000
SHRNUTÍ DOSAŽENÝCH VÝSLEDKŮ A ZÁVĚR z tabulek vlivu jednotlivých tuhostí, resp. posunutí na tuhost na hrotu a procentuálního vyjádření je patrné že: Ložisko A: díky své vyšší únosnosti u nové varianty má i při vyšším zatížení, které na něj připadá zhruba stejné hodnoty deformace ve směru os X, Y, procentuálně je zde zhruba 2,5 násobný pokles oproti původní variantě Ložisko B: u tohoto ložiska je zde zhruba dvojnásobné zvětšení deformace ve směru os X, Y, avšak na celkové deformaci je to pouze 6ti procentní podíl Otočná vložka: vykazuje cca čtyřnásobné zvětšení deformace, což dělá cca 75% z celkové deformace ZÁVĚR: nová konstrukce je oproti původní vyhovující pro použití upínací desky, zvětšení rozměrů je tedy nevyhnutelné TEPLOTNÍ STABILITA LOŽISEK teplotní stabilita ložiska je stav, kdy při konstantních provozních podmínkách teplota ložiska již neroste. Výpočet teplotní stability ložiska tedy spočívá ve výpočtu tzv. tepelně bezpečných provozních otáček nperm pro dané zatěžovací stavy pro všechny kritické zátěžné stavy (z hlediska teplotní stability) vycházejí tepelně bezpečné provozní otáčky nperm > n navržené uložení je vyhovující i z hlediska teplotní stability MKP ANALÝZA VLIVU ZATÍŽENÍ NA PINOLU A TĚLESO KONÍKA Cíle: stanovení tuhosti na hrotu s uvažováním průhybu pinoly při výsuvu pinoly o 250 mm vliv deformace pinoly na vnější kroužek radiálních ložisek a životnost ložisek napětí v pinole a tělese koníka a vyhodnocení statické únosnosti těchto prvků průběh měrných tlaků v kruhovém vedení nové konstrukce svršku koníka (varianta 3) Analýza původní konstrukce svršku koníka: zjednodušený 3D model diskretizovaný konečným počtem elementů: Vyhodnocení deformace ve směru osy Y maximální deformace na odlitku svršku koníka je na hraně mezi odlitkem svršku koníka a visutým koncem pinoly a činí 0,17 mm maximální deformace v ose šířky předního ložiska: A = 0,45 mm maximální deformace v ose šířky zadního ložiska: B = 0,055 mm Vyhodnocení napětí dle hypotézy HMH na odlitku svršku koníka a na pinole: konstrukce je vyhovující
Analýza nové konstrukce svršku koníka: zjednodušený 3D model diskretizovaný konečným počtem elementů: Vyhodnocení deformace ve směru osy Y: Vyhodnocení napětí dle hypotézy HMH: na odlitku svršku koníka: konstrukce je vyhovující maximální deformace na odlitku svršku koníka je na hraně mezi odlitkem svršku koníka a visutým koncem pinoly 0,15 mm maximální deformace v ose šířky předního ložiska: A = 0,25 mm maximální deformace v ose šířky zadního ložiska: B = 0,0925 mm na pinole: konstrukce je vyhovující Celkové vyhodnocení analýzy a závěr: při maximálním výsuvu pinoly (o 250 mm) a maximálním zatížení (dle zátěžného stavu č.5) je tuhost nové konstrukce díky zvětšení rozměrů (i přes výrazné zvětšení ramene působiště sil) vyšší než tuhost původní varianty, a to 2,5krát v místě předního ložiska A a 1,5krát na hrotu otočné vložky nová konstrukce je tuhostně vyhovující deformace vnějšího kroužku zadního ložiska B nebude mít vliv na jeho trvanlivost, a to jak u původní, tak u nové konstrukce konstrukce jsou vyhovující deformace předního ložiska by jak u nové konstrukce, tak u původní konstrukce pravděpodobně vedla ke značnému snížení jeho trvanlivosti, vzhledem k tomu, že deformace pinoly v místě ložiska u nové konstrukce je nižší než u konstrukce původní (referenční), je nová konstrukce je deformačně vyhovující
KONSTRUKCE A ANALÝZA SOUVISEJÍCÍCH ČÁSTÍ SVRŠKU KONÍKA 1 otočná vložka, 2 posuvná pinola, 3 axiální soudečkové ložisko, 4 pístek předepínající axiální soudečkové ložisko, 5 pružinky předepínající axiální soudečkové ložisko, 6 zadní hrnec, 7 radiální válečkové ložisko, 8 posuvová matice, 9 talířové pružiny k odpružení hrotu, 10 axiální ložisko tenzometru, 11 tenzometr Odpružení hrotu Návrh pružin Kontrola axiálních ložisek na zvýšenou axiální sílu od pružin Výpočet minimálních otáček motoru Kontrola kruhového vedení pinoly na měrné tlaky: kruhové vedení je vyhovující, neboť p K p D a současně pl pd Pevnostní kontrola pohybového šroubu, návrh převodovky: Výpočet otlačení mezi pohybovou maticí a šroubem MKP analýza zadního hrnce zadní hrnec přenáší veškerou axiální sílu FaKmax (maximální axiální síla + dilatace obrobku 4,8 mm), která působí na mezikruhovou plochu dle obrázku 3D model diskretizovaný konečným počtem elementů: konstrukce je vyhovujcí 3D MODEL SVRŠKU KONÍKA
SPOJENÍ OTOČNÉ VLOŽKY A UPÍNACÍ DESKY možné alternativy: nalisování na válec: výhody: jednoduchá výroba válcových ploch nevýhody: velmi obtížná montáž, spočívající v nahřátí náboje (desky) nebo ochlazení hřídele (otočná vložka) nebo jejich kombinace nalisování na krátký kužel (norma DIN) + předepnutí šrouby na čelní ploše: výhody: předepnutí pomocí šroubů bez nutnosti teplotního ovlivnění hřídele resp. náboje nevýhody: nízká únosnost krátkého kužele, navíc snížená potřebným předepnutím, obtížnější výroba přesných kuželových ploch nalisování na dlouhý kužel + předepnutí šrouby na čelní ploše: výhody: vysoká statická i dynamická únosnost dlouhé kuželové plochy, možnost předepnutí bez teplotního ovlivnění hřídele resp. náboje nevýhody: obtížná výroba přesných kuželových ploch Analýza dosavadního spojení na vřeteni stroje: použito celkem 20 předepnutých šroubů M32 vypočtená bezpečnost proti odlehnutí na čelní válcové ploše: 0,78 vypočtené maximální namáhání šroubů: tahové: 180,7 MPa, ohybové: 11 MPa, smykové: 0,4 MPa, tlak v závitu: 48,9 MPa Nákres: současný stav je díky bezpečnosti proti odlehnutí na čelní ploše (0,78 < 1) nevyhovující, navíc při výpočtu nebyly uvažovány hlediska jako únavové namáhání šroubů či stykové kuželové plochy Návrh a optimalizace nové konstrukce spojení: oproti původní konstrukci použito 32 šroubů M36x4 navíc bude provedena únavová analýza spoje
Namáhání: pulsující tah střídavý ohyb: kombinované ve fázi: přehled jednotlivých kontrolovaných veličin a jejich hodnoty bezpečnost označení hodnota požadováno hodnocení proti odlehnutí ve směru +Z S 1 1,023 min. 1,0 vyhovuje proti odlehnutí ve směru Z S 2 9,971 min. 1,0 vyhovuje vůči mezi únavy na stykové kuželové ploše k kp 1,51 min.1,2 vyhovuje šroubů vůči mezi únavy k ú 1,66 min.1,2 vyhovuje statická vůči mezi kluzu b s 2,7 min.2,0 vyhovuje kontrolní hodnoty dovoleno měrný tlak pod hlavou šroubu na šroubu p m 298,1MPa max. 750 MPa vyhovuje měrný tlak pod hlavou šroubu na přírubě p m 298,1MPa max. 600 MPa vyhovuje měrný tlak v závitech šroubu p z 70,0 MPa max. 600 MPa vyhovuje navržené spojení vyhovuje jak staticky tak únavově optimalizace spočívá ve snížení počtu šroubů ze 32 na 24 přineslo předpokládané příznivější rozmístění šroubů a vyšší únavovou bezpečnost (zvětšení z původní 1,42 na 1,66) navržená a optimalizovaná konstrukce je vyhovující a není zapotřebí ji dále optimalizovat ZÁVĚR viz jednotlivé kapitoly a podkapitoly LITERATURA [1] PÍČ, J., BRENÍK, P. Obráběcí stroje Základy konstrukce a výpočtů. Praha: SNTL, 1970. [2] BRENÍK, P., PÍČ, J. Obráběcí stroje konstrukce a výpočty. Praha: SNTL, 1986. [3] BOLEK, A., KOCHMAN, J. a kol. Části strojů 1. svazek. Praha: SNTL, 1989. [4] BUREŠ, V. Části strojů I. Plzeň: Ediční středisko VSŠE Plzeň, 1988. [5] LEINVEBER, J., ŘASA, J., VÁVRA, P. Strojnické tabulky. Praha: Scientia, 2000. ISBN 8071831646. [6] Kolektiv autorů ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Pružnost a pevnost II., Praha: Ediční středisko ČVUT, 1981. [7] RŮŽIČKA, M., HANKE, M., ROST, M. Dynamická pevnost a životnost., Praha: Ediční středisko ČVUT, 1989. [8] EDWARDS JR., K. S., McKEE, R. B., Fundamentals Of Mechanical Component Design, Mc.GrawHill, New York 1991, ISBN 0070191026 [9] FRÖHLICH, J. Technika uložení s valivými ložisky, Praha: SNTL 1980 [10] HOSNEDL, S., KRÁTKÝ, J. Příručka strojního inženýra obecné strojní části 1, Praha: Computer Press, 1999. ISBN 8077260553 [11] HOSNEDL, S., KRÁTKÝ, J. Příručka strojního inženýra obecné strojní části 2, Praha: Computer Press, 2000. ISBN 8077262025 [12] STANĚK, J., NĚMEJC, J. Metodika zpracování a úprava diplomových (bakalářských) prací, Plzeň: ZČU, 2005