Особенности шпиндельных узлов. Важной особенностью многоцелевых станков с ЧПУ является применение в их конструкции мотор-шпинделей. Они обеспечивают высокую точность вращения, большие числа оборотов (до 60000 об/мин и более), имеют малые габариты и собственный вес. Обязательным условием является наличие систем охлаждения. Применяются системы внешней и внутренней подачи СОЖ. Внешняя система базируется на использовании сопел, устанавливаемых в нужном направлении для охлаждения режущего инструмента и смывания стружки с обрабатываемых поверхностей. Внутренняя система обеспечивает подачу СОЖ непосредственно через шпиндель. Давление охлаждающих жидкостей может достигать значительных величин.
Один из примеров внешнего вида такого шпинделя показан на рис. 79. А на рис. 80 показан разрез аналогичного устройства. Следует обратить внимание на наличие датчиков вибраций и температурных датчиков на подшипниках, а также датчика наличия инструмента и датчика положения.
Рис. 79. Внешний вид шпинделя для скоростной обработки деталей
Рис. 80. Структурная схема устройства шпинделя (продольный разрез)
Такое количество источников информации о процессе обработки делает его безотказным и безопасным на высоких режимах резания, позволяет получать необходимую точность размеров обрабатываемых деталей.
На рис. 81 представлены графики параметров работы шпиндельных узлов многоцелевых станков. Цифрой 1 обозначена кривая зависимости развиваемой мощности от числа оборотов шпинделя, а цифрой 2 – кривая зависимости развиваемого крутящего момента также от числа оборотов шпинделя.
Характер изменения указанных параметров хорошо просматривается по форме кривых и пояснений не требует.
Для шпинделя модели MTS-28.63 характерны большие значения параметров мощности и момента, чем для шпинделя модели ETS-21.32, что совпадает с данными табл. 10. Число оборотов у него значительно меньше.
Следовательно, модель MTS-28.63 целесообразно применять для более тяжелых условий обработки, в т. ч. для черновых операций.
Рис. 81. Графики параметров (мощности и крутящего момента) работы шпиндельных узлов: а – шпиндель модели ETS-21.32; б – шпиндель модели MTS-28.63
Табл. 10. Модели шпиндельных узлов станков и их технические данные
Табл. 11. Основные характеристики некоторых шпиндельных узлов обрабатывающих центров
Шпиндельные узлы, как основные узлы станков и наиболее ответственные за качество обработки, снабжаются дополнительными системами. Среди них система внутреннего охлаждения, система подачи СОЖ к инструменту через шпиндель, система охлаждения деталей поливом под давлением через специальные трубки-сопла. Имеются датчики величины вибрации, а также датчики температуры подшипниковых узлов, наличия инструмента и др. (рис. 82).
Учитывая сложные высокоскоростные условия обработки, решаются вопросы быстрой замены подшипниковых узлов и повышения долговечности подшипников за счет использования керамических тел качения.
а
|
б
|
Рис. 82. Схема размещения датчиков: а – наличия вибрации; б – температуры нагрева подшипников
Системы охлаждения станков. Большое внимание разработчики станков с ЧПУ уделяют проблеме охлаждения. Объектом внимания служат шпиндельные узлы, частота вращения которых достигает десятков тысяч оборотов в минуту. От эффективного охлаждения конструктивных элементов станка зависит точность обработки и долговечность работы самих узлов.
Еще более важно эффективно охлаждать обрабатываемую деталь и инструмент, находящиеся в зоне резания. Этим определяется точность получаемых размеров и стойкость режущего инструмента. В настоящее время находят применение различные схемы подачи СОТС в зону резания (рис. 83). Например, подача под давлением через шпиндель и каналы, выполненные в инструменте. В этом случае деталь охлаждается непосредственно по обрабатываемой поверхности (в отверстии). Улучшаются условия резания из-за вымывания стружки. Такими каналами для внутреннего подвода могут снабжаться твердосплавные сверла диаметром от 1 мм.
Первостепенная задача современной обработки на металлорежущих станках — это смазка инструмента, а также быстрое удаление из зоны резания стружки. При невыполнении данной задачи могут возникнуть проблемы, ведущие к преждевременному износу или повреждению инструмента, и даже к поломке станка.
Стандартное устройство станков Haas серий и VM — кольцевой механизм подачи СОЖ, при котором обеспечивается подача охлаждающей жидкости методом полива в область резания, одновременно удаляется стружка, которая образуется при резании.
Данная концепция, по сравнению с традиционной, в которой используются шланги, значительно усовершенствованна. Точная регулировка наконечников легкоподвижных форсунок кольца позволяет направлять на инструмент струю охлаждающей жидкости под различными углами. Эргономичная установка кольца обеспечивает простоту использования и максимальный зазор.
Помимо основной системы подачи СОЖ, существуют еще другие способы охлаждения. Один из них — использование программируемых форсунок СОЖ (P-Cool), которые в зависимости от инструмента автоматически подстраиваются под его длину.
Еще один эффективный способ — подача СОЖ через хвостик инструментальной оправки и каналы режущего инструмента под высоким давлением. Система подачи СОЖ через шпиндель TSC (Through-Spindle Coolant) доступна в 2-х конфигурациях в соответствии с давлением: 300 или 1000 фунтов на дюйм 2 (20 или 70 бар). Ее эффективность особо высока при сверлении глубоких отверстий и фрезеровании глубоких выемок.
При использовании современного твердосплавного инструмента с усовершенствованными покрытиями для резки в сухой среде велика вероятность повторной резки стружки, своевременно неубранной из зоны резания. Это является главной причиной повышенного износа инструмента. Для решения проблемы компания Haas Automation разработала систему, которая подает струю воздуха через инструмент (дополнение к системе TSC), с помощью которой из зоны обработки сразу удаляется стружка, до того как она снова попадет под режущий инструмент. Этот метод важен в процессе обработки глубоких полостей.
Такая же функция выполняется при помощи воздушной автоматической пушки Haas. Система безупречна для использования небольших инструментов, непригодных для подачи воздуха через инструментальное отверстие. Автоматическая воздушная пушка — отличное дополнение к системе подачи воздуха через инструмент. Пушка используется при невозможности применения жидкостной системы охлаждения и при необходимости подачи значительных объемов воздуха.
В случаях, когда невозможно использование смазочно-охлаждающей жидкости, но необходимо обеспечить смазку инструмента, применяют систему подачи минимального количества смазки. Инновационная система Haas распыляет на режущие кромки инструмента умеренное количество смазки при помощи воздушной струи. Количество используемого СОЖ столь мало, что его невозможно увидеть.
Главное преимущество метода — незначительной расход смазочного материала. Количество подаваемых воздуха и охлаждающей жидкости регулируется независимо, т.е. в каждом конкретном режиме работы можно самостоятельно осуществлять регулировки для оптимального охлаждения.
Металлообрабатывающее производство только тогда может считаться эффективным, когда сведено к минимуму количество неприятных сюрпризов, появляющихся в процессе изготовления деталей.
Эффективное производство не может позволить себе увеличение времени цикла изготовления детали, получение исправимого или неисправимого брака. Чаще всего это происходит из-за неправильного закрепления заготовки, неправильного использования инструмента, нагрева заготовки в процессе обработки и т.д. Кроме того, нужно обратить внимание на причины, связанные с выходом из строя шпинделей станков.
На производстве, особенно занимающемся изготовлением деталей высокой точности, при заказе оборудования должны позаботиться об установке максимально подходящих шпинделей. В процессе эксплуатации станка важно, чтобы шпиндель не перегревался, чтобы не было столкновений с заготовками и станочными приспособлениями, а СОЖ и металлическая стружка не просачивались через уплотнения и не повреждали компоненты шпинделя.
ПРИ НАГРЕВЕ ТВЕРДЫЕ ТЕЛА РАСШИРЯЮТСЯ
От выделяющегося в процессе обработки тепла могут расширяться не только заготовки, но и сам шпиндель. Происходит это обычно при высокоскоростной обработке и обработке, требующей высокой мощности в течение длительного периода времени. Если расширение шпинделя достаточно велико, он может выдвинуться относительно своего нормального положения, а это, в свою очередь, привести к выходу размеров детали за пределы поля допуска.
При линейном расширении колесико для измерения времени может сместиться относительно датчиков станка настолько сильно, что станок не будет знать точное положение шпинделя, а значит, и инструмента. В результате вполне вероятна остановка станка, это особенно неприятно при его работе в автоматическом цикле. Другая возможная проблема - потеря привязки положения инструмента к положению руки манипулятора для смены инструмента. Рука манипулятора работает в унисон с тягой шпинделя для закрепления инструмента. Если их движения не будут согласованы, то манипулятор может врезаться в инструмент, а манипулятор, инструмент, а также и шпиндель получить повреждения.
Линейным расширением шпинделя можно управлять несколькими методами. Первый метод заключается в подводе к нему охлаждения. Рабочим телом является смесь воды с гликолем. Оно проходит через рубашку охлаждения, его температура поддерживается с помощью станции охлаждения. Второй метод - конструирование шпинделя таким образом, что при нагреве он расширяется не вперед, а назад. Следовательно, точность размера детали не пострадает.
СОЖ ДОЛЖНА БЫТЬ В РАБОЧЕЙ ЗОНЕ
Шпиндель может быть также поврежден смазочно-охлаждающей жидкостью, проникающей через уплотнения и достигающей подшипников. Проникновение СОЖ в шпиндель - одна из основных причин его поломки. В данном случае у шпинделя два основных врага - системы подачи СОЖ высокого давления и системы подачи СОЖ с большим количеством сопл. Следует точно регулировать сопла для того, чтобы минимальное количество СОЖ попадало в шпиндель станка. В любом случае СОЖ будет попадать на шпиндель, поэтому могут понадобиться дополнительные экраны, механические или лабиринтные уплотнения. Эти уплотнения не должны мешать автоматической смене инструмента. Другим способом, помогающим предохранить шпиндель от попадания СОЖ, является применение системы прочистки шпинделя воздухом. Она включается при смене инструмента, увеличении или уменьшении частоты вращения шпинделя. При изменении частоты вращения шпинделя воздушные потоки и теплота, выделяющаяся от него, заставляют туман из СОЖ проникать в шпиндель. Система прочистки воздухом удаляет СОЖ и тем самым защищает шпиндель от повреждения. Использование системы прочистки воздухом не является необходимым для всех случаев обработки, однако дешевле будет установить ее в качестве опции и сэкономить на ремонте шпинделя. При шлифовании система прочистки воздухом защищает шпиндель и от мелкодисперсной металлический пыли.
КАК ИЗБЕЖАТЬ СТОЛКНОВЕНИЙ
Поломка шпинделя в результате столкновения - достаточно частое явление. Столкновения происходят из-за различных причин. Например, оператор может случайно ввести неверное значение, забыв поставить разделитель, и нажать кнопку. Даже если он сразу же осознает ошибку, времени может не хватить для того, чтобы остановить станок. Одним из способов решения такого рода проблем является использование программного обеспечения для моделирования обработки. Графический интерфейс позволяет по шагам отследить весь процесс и увидеть точки возможного столкновения с заготовкой, приспособлением или самим станком.
Часто приходится вести обработку достаточно близко к станочной оснастке. Например, при фрезеровании или сверлении - близко к тискам. В результате повышается жесткость, а, следовательно, и точность изготовления. Таким же способом борются с вибрациями. Близость инструмента к станочной оснастке при моделировании может обернуться столкновением в реальности. В данном случае, после моделирования программисты обязательно должны предупредить операторов о возможных местах столкновений, и тогда последние будут готовы к прохождению опасных участков при отладке программы на минимальной скорости.
На шпиндель негативное воздействие могут оказывать вибрации, возникающие при недостаточной жесткости системы станок - приспособление - инструмент - деталь. Для некоторых областей применения могут понадобиться антивибрационный инструмент и оснастка, обеспечивающая высокую жесткость крепления инструмента.
Для хорошего отвода стружки при сверлении СОЖ должна подаваться через инструмент. Если станок не оснащен системой подачи СОЖ через шпиндель, рекомендуется подавать СОЖ через специальные вращающиеся переходники. При глубине отверстия менее 1xD допускается использование внешнего охлаждения и пониженные режимы. На диаграмме показан расход СОЖ для различных типов свёрл и материалов. Тип СОЖ Рекомендуется эмульсия 6-8%. При сверлении нержавеющей стали и высокопрочных сталей применяйте 10% эмульсию. При использовании сверлильных головок IDM используйте 7-15% эмульсии на основе минеральных и растительных масел для сверления нержавеющей стали и высокотемпературных сплавов. Сверление без СОЖ Возможно сверление чугуна без СОЖ с подачей масленного тумана через каналы сверла. Симптомы износа сверлильной головки Изменение диаметра 0 > D nominal + 0.15mm D nominal (1) Новая головка (2) Изношенная головка Сильно увеличивается вибрация и шум Ышыг D41 (шшшрти. (шшртц/ Руководство по использованию Условия обработки Давление внутреннего охлаждения Рекомендуемые значения давления и расхода Расход СОЖ (л/мин) Минимальное давление СОЖ (бар) Диаметр сверла D (мм) Диаметр сверла D (мм) Для специальных свёрл больше 8xD рекомендуется высокое давление СОЖ 15 70 бар.
