Vřetena a jejich komponenty

Vřetena pro obráběcí centra a brusky

Výrobci vřeten střední velikosti pro obráběcí centra a brusky představili několik zajímavých novinek a konceptů. Španělská firma Danobat vystavovala vřeteno pro vnitřní broušení vyvinuté ve spolupráci s výzkumným centrem Tekniker v rámci projektu Next řešeného v Šestém rámcovém programu. Vřeteno má maximální otáčky 72 000 min^-1, výkon 5,5 kW, krouticí moment 0,9 Nm. Průměr tubusu vřetena je pouze 120 mm. Hřídel vřetena je uložena v aktivních magnetických ložiskách. Pomocí těchto ložisek lze monitorovat řezné síly během procesu broušení. Jako největší výhody tohoto řešení firma uvádí bezkontaktnost uložení a jeho vysokou spolehlivost a dlouhou životnost.

Firma Fischer, která měla společný stánek s výrobcem vřetenových hlav Tramec, prezentovala své ucelené řešení v oblasti vřeten a jejich pohonů. Firma svůj koncept nazývá Mechatronic system. Ten se sestává z mechanické části (vřeteno), elektrické části (motor), elektronické části (napájecí měnič a vestavěné senzory ve vřetenu) a softwarové části (zajišťuje komunikaci s řídicím systémem). Výsledkem je firmou zaručovaný výsledek Plug & Mill (zapoj a frézuj), kdy uživatel již nemusí řešit nastavení a možnost vzájemné spolupráce všech složek řetězce. Většina vystavených vřeten měla krátkou délku a zadní konec osazený rychlospojkami pro snadné vsunutí a připojení do vřeteníku. To bylo prezentováno na příkladu vřetenové hlavy Tramec AC-6. Kromě jednotného průměru tubusu se tato vřetena vyznačují také relativně krátkou délkou.

Podobný koncept prezentovala i firma Franz Kessler, která vystavovala řadu pěti vřeten se stejnými vnějšími rozměry a rozdílnými výkonovými parametry. Tři vřetena uprostřed byly „univerzální" typy s výkonem 35 kW, krouticím momentem 130 Nm a max. otáčkami 10 000, 14 000 a 18 000 min^-1. První vřeteno (zavěšené níže) bylo „vysokomomentové" vřeteno s výkonem 46 kW, krouticím momentem 200 Nm a max. otáčkami 8 000 min^-1. Poslední vřeteno (zavěšené výše) bylo naopak „vysokorychlostní" vřeteno s výkonem 40 kW, krouticím momentem 90 Nm a max. otáčkami 24 000 min^-1. Toto řešení umožňuje sdílení některých komponent mezi jednotlivými typy, což snižuje cenu vřetena. Výrobce obráběcího stroje si pak může zvolit, které vřeteno lépe vyhovuje požadavkům zákazníka a tím osadit stroj.

Vřetena pro horizontální vyvrtávačky

Horizontální vyvrtávačky používají specifickou konstrukci výsuvných vřeten. Motor umístěný obvykle mimo osu vřetena pohání přes převodovku a převod řemeny nebo ozubenými koly dutou hřídel, ze které se vysouvá vlastní vřeteno. Celý uzel je tak poměrně komplikovaný a má velké množství dílů. Konstrukce tohoto uzlu musí zajistit požadovaný velký krouticí moment na vřetenu a současně mít v ose velký průchozí průměr, ve kterém je umístěno výsuvné vřeteno. Na EMO bylo možné vidět některá vylepšení tohoto konceptu.

Firma Fermat prezentovala elektrovřeteno pro své horizontky. Vřeteník s průřezem 420 x 420 mm označený EV 3400 má na duté hřídeli nasazen elektromotor firmy Bosch s maximálními otáčkami 3 400 min^-1 a krouticím momentem 1 100 Nm. Velký vnitřní průměr rotoru motoru umožňuje průchod výsuvného vřetena o průměru 120 mm. Zdvih vřetena (osa W) s rozhraním ISO 50 je 730 mm. Jedná se o elegantní jednoduchou konstrukci s minimalizovaným počtem dílů ve srovnání s klasickým řešením.

Firma FPT vystavovala inovovaný vřeteník pro stroj Spirit. Tento stroj, vybavený hydrostatickými vedeními ve všech osách, bude nyní osazován vřeteníkem s hydrostatickým uložením výsuvného vřetena, který firma označuje názvem Hydroquill. Dutá hřídel je i nadále uložena ve valivých ložiskách. Firma FPT uvádí jako hlavní výhody tohoto konceptu zlepšení tlumení vřetena, které prý umožňuje obrábět až o 50 % větším řezným výkonem. Hydrostatické uložení prý také výrazně zlepšilo geometrickou přesnost a opakovatelnost polohování. Další výhodou je plynulý pohyb vřetena i při malých posuvových rychlostech, nulové opotřebení povrchu v důsledku eliminace kontaktu kov-kov a odstranění rizika koroze vřetena. Vrstva oleje mezi dutou hřídelí a vřetenem spolu s chlazením vřeteníku umožňují plně kontrolovat tepelný stav tohoto uzlu, takže pokud je použito vřeteno z Invaru (speciální výbava - pouze na přání), zvyšuje se výrazně přesnost opakovaného polohování.

Vřetenové hlavy

Výměnné vřetenové hlavy jsou neoddělitelnou součástí vybavení velkých frézovacích strojů. Zvětšují technologické možnosti stroje pro obrábění vodorovných, svislých i šikmých ploch. Hlavy se souvisle řízenými rotačními osami rozšiřují kinematické možnosti celého stroje. Pokud jsou hlavy vybaveny elektrovřeteny, lze pomocí nich rozšířit také výkonové parametry stroje. Na výstavě EMO bylo k vidění množství vřetenových hlav od specializovaných výrobců i hlav zkonstruovaných výrobci strojů.

Firma Tramec prezentovala své vřetenové hlavy na společném stánku s firmou Fischer. Jako novinka byla prezentována hlava AC-11 s přímými pohony rotačních os. Jedná se o dvouosou frézovací hlavu s integrovaným elektrovřetenem Fischer. Obě rotační osy A i C jsou osazeny vodou chlazenými prstencovými motory. Souvisle řízené rotační osy mohou být pneumaticky zpevněny. Obě osy mají přímé optické odměřování. Hlavní nosné těleso (vidlice) a těleso vřeteníku jsou odlitky z litiny GGG. Ložiska jsou mazána tukovou náplní. Dále byla vystavena souvisle řízená hlava AC-6, která má pohony rotačních os provedeny řemenovým a šnekovým převodem. Hlava vyniká především univerzálním konektorovým rozhraním, které umožňuje automatickou výměnu vřeten v hlavě. To bylo prakticky ukázáno na třech vřetenech Fischer.

Portfolio vřetenových hlav firmy Cytec zahrnuje přímé, jednoosé a dvouosé hlavy s výkony vřeten 8 kW, 12 kW, 21 kW a 30 kW. Frézovací hlavy jsou osazeny elektrovřeteny CySpeed a mají obě rotační osy A i C osazeny vodou chlazenými prstencovými motory CyTorque. Pro dosažení vyššího krouticího momentu v ose C je využito zdvojených prstencových motorů, které využívají inkrementální odměřování integrované na radiálně axiálním velkoprůměrovém ložisku. Oba motory v ose C pracují na jednom napájecím zdroji. Prstencové motory pro přímý pohon osy A využívají společné absolutní odměřování instalované uvnitř prstence. Oba motory v ose A pracují na jednom napájecím zdroji.

Prstencové motory CyTorque jsou koncipovány s vinutím na vnitřním prstenci (statoru) a permanentními magnety na vnějším prstenci (rotoru). Tímto uspořádáním výrobce dosáhl většího poloměru vzduchové mezery a tím i vyššího krouticího momentu při stejných zástavbových rozměrech, oproti koncepci motoru s vinutím na vnějším prstenci a magnety na prstenci vnitřním. Rotory s permanentními magnety jsou na obou osách vybaveny hydraulicky ovládanou brzdou umožňující pevnou fixaci os při obrábění. Osa A je s osou C spojena ozubeným věncem a fixována prostřednictvím rychloupínacího hydromechanického upínacího rozhraní CyTrac. Připojení fluidního rozhraní zajišt'uje rychloupínací systém CyFit. Osu A lze tedy od osy C oddělit a měnit ji dle požadované operace.

Firma CyTec představila novou a svou dosud nejvýkonnější sérii frézovacích hlav K 50. Tyto frézovací hlavy jsou osazeny přímými pohony s absolutním odměřováním (krouticí moment v osách A a C je 8 000 Nm, brzdný moment 15 000 Nm). Vřetena jsou navržena pro obrábění titanových slitin, a proto disponují krouticími momenty až do 1 000 Nm.

Italská firma Technai Team vyrábí čtyři koncepčně odlišné řady prstencových motorů (ty tvořily rozsáhlou část expozice), otočné a naklápěcí stoly, frézovací hlavy a servoaktuátory. Firma prezentovala moduly TO-MAX-A s rotačními osami obsahujícími prstencový motor, ložisko, brzdu, odměřování polohy a rotační jednotku. Vidlicová vřetenová hlava TCH 02 modular je sestavena ze zmíněných modulů. Uvedené pohonové moduly lze využít také v konstrukci naklápěcích stolů.

Pohony vřeten

Na EMO bylo patrné menší množství vystavovaných vřeten s koaxiálním externím motorem. Naopak pokračuje expanze konceptu přímého pohonu vřeten vestavěným elektromotorem, tzv. elektrovřeten.

Přímé pohony s vestavnými synchronními i asynchronními motory jsou nabízeny pro stále větší krouticí momenty, a tak pomalu pronikají do domény vřeten s převodovými pohony. Patrné to bylo např. na stánku firmy Fanuc, která nabízí vestavné asynchronní motory série BiI a synchronní motory série BiS pro nižší maximální otáčky a velké momenty. Vystavený motor BiS 200L4/3000 má maximální otáčky 3 000 min^-1 a parametry 31 kW/529 Nm (S1). Vystavované asynchronní motory Fanuc disponují možností přepínání vinutí, které umožňuje nastavit režim motoru na vysoký výkon nebo velký moment. Např. motor BiI 180LL/6000 Type M disponuje maximálními otáčkami 6 000 min^-1, v režimu „low" parametry 22 kW/700 Nm (S1) a v režimu „high" 37 kW/186 Nm (S1).

Přepínání vinutí motoru je obvyklým řešením problému potřebného rozsahu výkonových parametrů motorů vřeten. Používají ho především asijští výrobci (např. Mori Seiki, Hyundai-Kia aj.).

Navzdory pokroku v konstrukci přímých pohonů však někdy motor není schopen dosáhnout požadovaného krouticího momentu při rozumném zástavbovém prostoru. V tom případě je nutno použít převodovku. Firma Redex Andantex (francouzský výrobce převodovek) vystavovala elektrovřeteno s integrovanou planetovou převodovkou vyvinuté ve spolupráci s firmou Kessler. Jedná se o aplikaci série převodovek RAM-MSD, které jsou nyní nabízeny ve třech velikostech: 25, 28 a 35 (číslo odpovídá průměru pláště v cm). Např. převodovka velikosti 28 má maximální vstupní otáčky 8 000 min^-1 a při zařazeném převodu 1:4,6 může mít trvalý největší krouticí moment na výstupní hřídeli až 1 300 Nm. Firma Redex uvádí u těchto převodovek sníženou vůli v převodu na 20 arcmin, takže vřetenová jednotka může být použita např. také jako osa C pro polohování vřetenových hlav.

Firma CyTec nabízí pro obrábění vysokými krouticími momenty vřetena CySpeed GSG s odpojitelnou planetovou převodovkou. Při odpojené planetové převodovce a převodovém poměru 1:1 lze provádět dokončovací operace s parametry 382 Nm/10 000 min^-1. Zařazením převodového poměru 1:3 lze stejné vřeteno použít pro hrubování s parametry 1 150 Nm/1 000 min^-1.

Vřetenová ložiska

Firma SKF viditelně propagovala na svém stánku novou řadu vřetenových ložisek, která vznikla spojením nabídky firmy SKF a SNFA, která patří do koncernu SKF již několik let. Nová ložiska jsou vyráběna v rozměrových řadách 70 a 72. Firma dále prezentovala nový materiál ložiskových kroužků s označením NitroMax. Tento materiál podle údajů z firemních testů vykazuje ve srovnání se speciální ocelí Chromex 40 zlepšené parametry ve všech kategoriích. Dále firma SKF vystavovala svou bohatou nabídku tukových i olejových mazacích systémů pro ložiska i lineární vedení.

Firma GMN prezentovala svá vřetenová ložiska pod novým marketingovým označením BIGspi. Ložiska nabízená s průměrem vnitřního kroužku 75 až 120 mm mají kroužky z ložiskové oceli 100Cr6 a ocelové nebo keramické kuličky. Konstrukčním provedením (kontaktní úhly, mazání, těsnění atd.) zůstávají shodné jako předchozí typy ložisek. Firma dále nabízí ložiska s kluzným povlakem na vnějším kroužku. Červený DLC povlak s označením SliCoTec má vynikající kluzné vlastnosti, a tak může být ložisko bez problémů použito přímo pro suvné uložení zadního konce vřetena se sníženým rizikem vzpříčení při malých dilatačních pohybech.

Firma NSK vystavovala novou řadu zatěsněných předmazaných vřetenových ložisek s kroužky širšími cca o 20 %. Rozměry ložisek odpovídají standardním rozměrům ložisek řady ISO 20 a 29. Širší kroužky vytvářejí v ložisku více prostoru pro mazivo. Výsledkem je delší životnost maziva i celého ložiska. Ložiska mají polyamidovou klec pro menší tření a hluk. Dále firma prezentovala rozšíření své nabídky o ložiska s mazáním olejem nebo tukem skrz otvor ve vnějším kroužku.

Tepelné vlastnosti vřeten

Tepelným vlastnostem vřeten byla na EMO věnována velká pozornost. Vestavěný elektromotor a vřetenová ložiska představují zdroje tepla, které negativně ovlivňují přesnost a životnost vřetena. Velkým problémem je prohřívání hřídele, která je uvnitř vřetena špatně přístupná. Většinou výrobci vřeten proto chladí pouze stator motoru, ev. tubus vřetena. To však není dobré pro ložiska, která během provozu potřebují určitý prostor, aby mohla expandovat v důsledku vlastního oteplení a působení odstředivých sil. Rozpínající se hřídel a ev. chlazený tubus tak vytvářejí ložisku stísněné podmínky, při kterých roste riziko zadření. I z tohoto důvodu bylo na EMO vidět vřetena s chlazenými hřídelemi. Na svém stánku je vystavovala firma Fischer, která uvádí, že chlazení hřídele zkracuje až o 80 % čas potřebný pro temperování jednotky, snižuje provozní teplotu vřetena a hodnoty tepelné dilatace a prodlužuje jeho životnost. Firma inzerovala již 500 vřeten s chlazenou hřídelí v nasazení u zákazníků. Vodou chlazená hřídel má i nový externí motor od firmy Franz Kessler s parametry 2 500 min^-1/125 kW/9 200 Nm. Firma YCM uvádí, že hřídele svých vřeten chladí proudícím vzduchem. Ten vstupuje do vřetena v jeho přední části, ochlazuje motor a vystupuje v zadní části. Firma uvádí, že toto patentované řešení zvyšuje přesnost a spolehlivost vřetena.

Vřetena jsou také stále častěji osazována dalšími čidly teploty, jejichž signál je zaveden do řídicího systému pro vytvoření kompenzačního signálu. To je spolu s intenzivním chlazením statoru motoru nejvíce používaný způsob pro minimalizaci vlivu teplotních dilatací vřetena na přesnost práce stroje.

Upínání nástrojů do vřeten

V aplikacích vyžadujících častou výměnu nástrojů, např. ve výrobě automobilových dílů, se stává nástrojové rozhraní a nástrojový upínač kritickou částí vřetena. Opotřebované rozhraní ztrácí tuhost i přesnost upnutí. U upínačů dochází nejčastěji k praskání upínacích pružin a k poškození rotační jednotky.

Firma Franz Kessler vystavovala vřeteno s 18 000 min^-1/18 kW/29 Nm se snadno vyměnitelným nástrojovým upínačem. Celý upínací mechanismus je vsazen v trubce, která má v přední části nástrojové rozhraní. Tento celek je možné relativně snadno vyměnit z přední strany vřetena zamontovaného ve stroji. Výhodou řešení je i současná výměna dutiny nástrojového rozhraní.

Firma Röhm prezentovala upínání nástrojů systémem clamp-by-wire, který nepotřebuje klasické talířové pružiny a tekutinový odepínací válec. Pro frézovací vřetena systém sestává ze dvou hlavních prvků: mechanické upínací a odepínací jednotky a samojistného upínacího mechanismu. Upínací jednotka je tvořena elektromotorem, který přes převod vysouvá tažnou tyč. Ta provádí upnutí/odepnutí nástroje přes samojistný mechanismus, který zaručuje bezpečné upnutí nástroje bez požadavku na trvalou tažnou sílu. Firma Röhm nabízí upínací jednotku clamp-by-wire v odlišném provedení i pro soustružnická vřetena.

Požadavky na tuhost a stabilitu upnutí nástroje ovlivňuje také typy nástrojových rozhraní ve vřetenech. Na EMO bylo vidět na mnoha strojích upnutí nástrojů na dvě kontaktní plochy. Kromě rozšiřujícího se počtu nových strojů s rozhraním HSK bylo prezentováno množství strojů, které měly nově nahrazené rozhraní ISO rozhraním Big-Plus. Tento posun byl vidět především na japonských a korejských strojích.

Shrnutí a závěr

EMO 2009 v Miláně přineslo v oblasti vřetenové techniky proti minulým dvěma výstavám v Hannoveru (r. 2005 a 2007) mnoho drobných zlepšení jak v konstrukci vřeten, tak jejich komponent. Výrobci vřeten se soustřeďují na snižování ceny vřeten pomocí nabídky základních „katalogových" vřeten. Ty jsou nabízeny ve výkonových řadách s větším množstvím sdílených komponent, aby se snížily výrobní náklady. Trvajícím trendem je sledování vysoké přesnosti a spolehlivosti vřeten. Výrobci vřetenových ložisek pokračují v postupném vylepšování své nabídky. Nejde o žádnou revoluci, spíše o postupnou evoluci, kdy všichni rozšiřují a doplňují své výrobní programy, aby nezaostávali za konkurencí. Tím ubývá výrobců, kteří se mohou pochlubit nabídkou konkrétního nestandardního řešení.

Ing. Petr Kolář, Ph.D.

Ing. Jan Moravec

ČVUT v Praze, Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii

Tyto výsledky byly získány za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci podpory projektu výzkumu a vývoje 1M0507.

VSVTT, ČVUT v Praze

p.kolar@rcmt.cvut.cz 

Tímto uzavíráme náš seriál, který přinášel specializované pohledy na produktové novinky a inovace prezentované na loňské výstavě EMO. Jednalo se konkrétně o následující: Celkové pohledy na výstavu EMO - trendy, statistiky, česká účast atd. (MM 11/2009), Soustružnické stroje malé a střední velikosti (MM 12/2009 a MM 3/2010), Karusely (MM 1,2/2010), Jednoúčelové stroje (MM 4/2010), Brousicí stroje (MM 4/2010), Vřetena a jejich komponenty (MM 5/2010). Čtenáři, kterým některý díl unikl, mají možnost obrátit se na redakci a dodatečně si článek vyžádat, nebo jej naleznou v plné verzi na www.mmspektrum.com/archiv.

-dvo-