Vlastnosti vřeten CNC soustruhů - 1. část

Pohon vřetena musí dále také zajistit změnu otáček, reverzaci otáčení vřetena, rychlý rozběh i zastavení rotace vřetena s upnutým obrobkem. Polohovatelné vřeteno čili osa C není již výjimkou, neboť se požaduje obrobení složitých obrobků na jedno upnutí. Pro uživatele stroje je důležitá velikost sklíčidla, maximální soustružený průměr obrobku a vrtání vřetena. Neméně důležitá je tuhost vřetena v ohybu a v krutu i tuhost upnutí obrobku. Na těchto vlastnostech závisí stabilita řezného procesu a odolnost stroje proti kmitání při obrábění. S přesností obrábění souvisí způsob uložení hřídele vřetena ve vřeteníku a konečně i množství tepla, které vřeteno odvádí a vyzařuje do okolních částí stroje. Posledně jmenované vlastnosti podléhají zkouškám na prototypech strojů. Firma Okuma věnuje konstrukci vřeten a jejich pohonů, výrobě jednotlivých dílů i jejich montáži velkou pozornost, aby splnila náročné technologické požadavky zákazníků. Výsledkem je výkonný a spolehlivý agregát vřetena v každé velikostní třídě stroje.

V tomto článku se budeme věnovat vřetenům CNC soustruhů s vodorovnou osou firmy Okuma. Stroje, na které se zaměříme, uvádíme v tabulce spolu s vybranými parametry vřeten. Uvedeny jsou zde krajní hodnoty parametrů pro všechny vyráběné modely v dané sérii od nejmenšího po největší model. Proto se stoupajícím soustruženým průměrem maximální otáčky klesají. Ačkoliv v sérii může být až 30 modelů, tak velikost sklíčidla a vrtání vřetena, ale i maximální otáčky jsou parametry stejné vždy pro několik modelů. Např. série Genos má jen dvě hodnoty vrtání vřeten 66 a 80 mm. Avšak série LB, LU a Multus mají několik hodnot vrtání vřeten. Podobně je tomu s maximálním soustruženým průměrem, kde stroje sérií LT a 2SP mají jen dvě velikosti. Tabulka poslouží pouze k lepší orientaci v následujícím textu. Podrobné technické údaje každého modelu v dané sérii nalezne zájemce v technické literatuře, která je k dispozici ve společnosti Misan.

Pro zvětšení klikněte na tabulku

Vřetena vodorovných soustružnických strojů firmy Okuma jsou ke skříni vřeteníku upevněna prostřednictvím předního a zadního ložiskového domku s velmi tuhými přírubami. Kontaktní válcové plochy ložiskových domků a vřeteníku jsou při montáži dokončovány s velkou pečlivostí při úzkých tolerancích předepsaných tak, aby byl na ložiska po montáži vyvinut správný tlak zaručující dlouhodobě bezchybnou funkci vřetena ve vysokých otáčkách a při vysokém výkonu. Vzájemné tolerance předního a zadního domku a odpovídajících otvorů ve skříni vřeteníku jsou předepsány tak, aby po montáži celého uložení bylo možné vycentrování předního a zadního uložení hřídele vřetena. Měření a broušení vnějších a vnitřních průměrů se provádí při stálé teplotě 20 °C. Standardní přesah vnějších průměrů domečků je 3 až 5 µm. Předepsaný přesah je vždy přizpůsoben velikosti stroje. Jestliže uložení vřetena sestává z kombinace válečkového a kosoúhlého ložiska, pak je pro konečný rozměr vnitřního průměru domku rozhodující průměr válečkového ložiska, neboť kosoúhlá ložiska snášejí lépe tlakové síly.

Obecně se dodržují limity otáček ložisek podle tzv. DN čísel, což je násobek vnitřního průměru ložiska D a jeho otáček. Díky zlepšování funkce vřetenových ložisek a také díky preciznímu uložení ložisek v domečcích a ve vřeteníku se v poslední době DN čísla zvyšují. DN limit zaručuje kontinuální běh vřetena při mazání nedegradovaným mazivem. Životnost maziv kolísá mezi 8 000 a 10 000 hodinami chodu vřetena při maximálních otáčkách. U tlakového mazání olejem limit životnosti neexistuje. Záleží ovšem na prostředí, ve kterém stroj pracuje. Životnost ložisek je asi 20 000 hodin při dobrém mazání. Na standardních typech soustruhů Okuma se používají mazací tuky. V případech speciálních aplikací, kdy DN je větší než 500 000, se stroje mažou olejovou mlhou. Na obráběcích centrech používá Okuma mazání olejovou mlhou, i když je DN menší než 500 000, protože časy obrábění i za vysokých otáček jsou dlouhé.

K uložení hřídele vřetena soustružnických strojů používá Okuma obvyklé kombinace válečkových ložisek typu NN a N s kuželovou vnitřní dírou a ložisek s kosoúhlým stykem. Oba typy ložisek jsou předepnuty kvůli vymezení radiální a axiální vůle hřídele. Proti vnikání nečistot je uložení chráněno labyrintovým těsněním.

Válečková ložiska zachycují pouze radiální síly. Díky přímkovému styku valivých tělísek s valivými drahami ložiskových kroužků je únosnost těchto ložisek velká. Právě proto jsou tato ložiska vhodná k zachycení velkých radiálních sil při uložení soustružnických vřeten. Na druhou stranu, přímkový kontakt generuje za provozu vyšší tepelné ztráty než kontakt kuliček. Proto mají válečková ložiska omezený otáčkový rozsah. Vůle mezi valivými tělísky a drahami se vymezuje nasouváním ložiska tlakem korunové matice na táhlý kužel vytvořený na hřídeli vřetena. Mezi maticí a vnitřním ložiskovým kroužkem musí být distanční kroužek přesně lícovaný na průměr hřídele, aby se zajistilo čistě axiální působení montážního tlaku na ložisko. Kroužek v kombinaci s labyrintovým těsněním je viditelný na schématu uložení vřetena Genos L250II-e.

Axiální síly od řezného procesu jsou zachyceny párovanými kuličkovými ložisky s kosoúhlým stykem předepnutými axiálním přesazením vnitřních a vnějších ložiskových kroužků. Ložiska soustružnických strojů s otáčkami do 5 000 min-1 jsou mazána tukem. Okuma doporučuje zaplnit tukem asi 10 % vnitřního prostoru ložiska.

Vřeteno je při práci vystaveno velkým změnám teplot a nebezpečí kolize s obrobkem nebo jinou částí stroje. Proto jsou stroje i vřetena Okuma vybaveny ochrannými systémy Thermo Friendly Concept a Collision Avoidance System. Thermo Friendly Concept reaguje na vnější i vnitřní tepelné změny. Společně se systémem kompenzace tepelných dilatací vřetena i celého stroje zaručuje dlouhodobou stabilitu výrobní přesnosti stroje. Antikolizní systém předchází kolizím při ručním i automatickém provozu stroje a poskytuje ochranu zejména vřetenu, které je na stroji nejzranitelnější. Vřetena jsou chráněna proti kolizi buď v ručním, nebo v automatickém režimu. Navíc může být na stroji instalován systém pro optimalizaci řezných podmínek Machining Navi, který potlačuje samobuzené kmity při operacích frézování, soustružení a soustružení závitů. Vysoké amplitudy těchto kmitů mohou poškodit nejprve nástroj a pak vřeteno.

Ochrana vřetena (a nástrojů) před chvěním na strojích série Genos.
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Periodicky proměnlivé otáčky vřetena s optimalizovanou amplitudou a periodou, pomocí systému Machining Navi L-g, mohou efektivně potlačit chvění vznikající při obrábění. Prodlouží se tak nejen životnost nástrojů, ale zkrátí se také výrobní časy, díky optimálním řezným podmínkám při vnějším i vnitřním soustružení, vrtání a vyvrtávání. Vyskytne-li se chvění při závitování, používá se varianta Machining Navi T-g. Systém automaticky zvyšuje nebo snižuje otáčky při každém průchodu nástroje řezaným závitem.

Uvedeme nyní několik příkladů konstrukce vřeten vodorovných soustruhů Okuma. Modely Genos L250II-e a L400II-e jsou CNC soustruhy s jedním vřetenem a suportem. Maximální otáčky vřetena jsou 4 500 min-1, respektive 3 000 min-1. Vřeteno je poháněno elektromotorem s frekvenčním měničem. Přední konec vřetena je typu JIS A2-6 s průměrem předního ložiska 100 mm. Vrtání vřetena je 66 mm. Motor o max. výkonu 11 kW zaručuje krouticí moment 125 Nm. Tuhé uložení vřetena v předepnutých ložiskách NN30K, kombinovaných vpředu ještě s párem kosoúhlých ložisek pro zachycení axiálních sil, zaručuje vysokou přesnost výroby. Řemenový převod tlumí přenos vibrací z motoru na vřeteno.

Výkonové diagramy modelů Genos L250II-e a L400II-e
Pro zvětšení klikněte na diagram.

Výkonový diagram pohonu vřetena Genos L250 je uveden na obrázku společně s diagramem modelu L400II-e. Diagram zobrazuje závislosti výkonu a krouticího momentu vřetena na otáčkách. Ukazuje dvě provedení stroje – standard a high-torque. Varianta high-torque (diagram vpravo) má zvětšený průměr hnací řemenice podle následujícího obrázku. Je vidět, že až do jmenovitých otáček vřetena 840 min^-1 výkon lineárně narůstá se zvyšováním otáček, zatímco krouticí moment je konstantní. Nad jmenovitými otáčkami je naopak konstantní výkon vřetena až do otáček 3 760 min^-1 , případně do otáček cca 4 500 min^-1 .

Výkonové charakteristiky elektrovřetena centra Genos L2000-e

Model L400II-e je řešen obdobně jako L250II-e. Stroj je určen k těžším soustružnickým operacím. Má sklíčidlo průměru 10 nebo 12 palců, vzdálenost mezi hroty 500 nebo 1 100 mm. Oběžný průměr nad ložem je 520 mm, nad suportem je to 400 mm. Rozsah otáček vřetena je 25 až 3 000 min^-1. Stroj vyniká vysokým krouticím momentem až 570 Nm (při nastaveném výkonu 15 kW). Konec vřetena je typu JIS A2-8. Hlavní přední ložisko má 120 mm v průměru. Vrtání vřetena je 80 mm.
Na modelech Genos L2000-e a L3000-e byl klasický pohon vřetena změněn na pohon elektromotorem integrovaným do vřetena. Vřeteno má na L2000-e maximální výkon 15 kW, na L3000 je to 22 kW. Stroje Genos L2000-e a L3000-e představují novinky roku 2018 v sortimentu Okumy. Představení modelu Genos L2000-e M proběhne na letošním Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně.

V pokračování článku, které bude publikováno v následujícím vydání MM Průmyslového spektra č. 10, se budeme věnovat soustružnickým vřetenům Okuma u modelových řad strojů LB, LU, LT a víceúčelových strojů řady Multus.

Misan, umístění na IMT: pavilon P, stánek 132

Ondřej Svoboda, Pavel Bach

o.svoboda@misan.cz

http://www.misan.cz