Vřetena frézovacích strojů

Soustružnické stroje mají ve vřetenu upnutý polotovar obrobku a konají s ním hlavní rotační řezný pohyb. Nástroj může být přitom buď nepohyblivý, nebo je poháněný, tedy pohyblivý. Moderní soustruhy jsou poháněnými nástroji často vybaveny. Ve vřetenu frézovacího stroje je upnut řezný nástroj konající hlavní řezný pohyb. Vřetena brousicích strojů nesou brusné kotouče, tedy řezný nástroj konající rotační pohyb. U vrtacích strojů je ve vřetenu upnut nástroj a vřeteno opět koná hlavní řezný rotační pohyb. Vidíme tedy, že prvním společným znakem vřeten obráběcích strojů je jejich rotační pohyb. Od toho je také odvozen jejich název. V češtině slovo „vřeteno“ označuje něco, co rotuje. Jde převážně o technická zařízení, ale termín se používá také v botanice. Druhým znakem je možnost upnout řezný nástroj nebo obrobek. Třetí společnou vlastností vřeten je nutnost vytvořit dostatečný krouticí moment umožňující odřezávání materiálu obrobku. A konečně, všechna vřetena mají možnost pracovat za různých otáček. Rotačnímu pohybu, upínání nástroje nebo obrobku, zajištění krouticího momentu a změně otáček je přizpůsobena konstrukce vřeten všech typů obráběcích stroj.

Vřetena ovšem musejí vyhovovat ještě dalším požadavkům, jako jsou dostatečná tuhost v krutu i ohybu, minimální házení v ložiskách, vysoká teplotní stabilita, rychlá reverzace a brzdění, intenzivní přívod procesní kapaliny a další. V tomto článku bychom rádi představili vřetena frézovacích strojů japonské firmy Okuma. Zdůrazníme ty vlastnosti frézovacích vřeten, které jsou důležité pro jejich volbu. Zmíníme se také o systému ochrany a oprav vřeten.

Firma Okuma vyrábí CNC svislá obráběcí centra pro výkonné obrábění s označením typových řad MB-V, MA-V a Genos M. Pro přesné aplikace a výrobu forem jsou k dispozici modely MP-V. Řada MF se vyznačuje dvoupaletovým výměníkem. Stroje mají portálovou nosnou konstrukci a výkonné frézovací vřetenové jednotky.
Vodorovná frézovací obráběcí centra

Vodorovná CNC obráběcí centra vyrábí firma Okuma ve dvou typových řadách označených MA a MB. Stroje řady MA se vyznačují vysokou tuhostí provedení a širokým výběrem vřetenových jednotek. Jsou určeny k univerzálnímu použití. Série MB vyniká dynamikou stroje a vysokootáčkovými vřeteny pro obrábění slitin Al a neželezných kovů. Mohou být dodány se zvlášť výkonnými vřeteny.

Varianty frézovacích vřeten modelů MB-46/56V a MF-46V

Frézovací vřetena jsou uložena v kombinaci ložisek s kosoúhlým stykem. Do maximálních otáček 12 000 min^-1 jsou vřetena Okuma osazena ložisky s ocelovými kuličkami. Pro vřetena s vyššími otáčkami než 12 000 min^-1 se používají keramické kuličky. Dovolené limity DN (otáčkový faktor) pro ložiska s keramickými kuličkami jsou o málo vyšší než pro kuličky ocelové. Pro informaci o údržbě je na stroje instalován čítač životnosti ložisek. Varianty vřeten vertikálních frézovacích center jsou schematicky znázorněny na obrázku.

Ložiska frézovacích vřeten Okuma jsou mazána olejovou mlhou. Výhodou tohoto typu mazání je především schopnost olejové mlhy udržet teplotu ložisek na nízké úrovni, neboť olej je chlazen vzduchem. Systém používá jen malé množství oleje, takže kontaminace okolí je minimální. Na rozdíl od mazání tukem je mazání olejovou mlhou spolehlivé bez ohledu na životnost oleje. Správné množství oleje maže ložiska bez selhání.

K uložení vřeten je olejová mlha přiváděna čtyřmi tryskami rozmístěnými symetricky po obvodu uložení. Teplota je tak podél obvodu ložiska rovnoměrně rozložena, čímž jsou minimalizovány teplotní dilatace v rovině kolmé na osu rotace vřetena. Olejová mlha současně ložiska čistí.

Vřetena frézovacích strojů Okuma jsou konstruována podle zásad thermo-friendly systému. V tělese vřeteníku jsou vytvořeny dva chladicí okruhy protékané chladicí kapalinou. Informace teplotních čidel rozmístěných ve vřetenu jsou zpracovávány programem Thermo-Active Stabilizer (termoaktivní stabilizátor). Vypočtené dilatace ve směru osy rotace vřetena jsou kompenzovány (TAS-Spindle).

Funkci termostabilizace vřetena při změnách řezné rychlosti ukážeme na příkladu vřetena vodorovného obráběcího centra, které je tři hodiny zatěžováno frézováním zápustky nejprve za stálých otáček 15 000 min^-1 a pak za proměnlivých otáček podle grafu. Pokud není termostabilizátor aktivní, dosáhnou dilatace hodnoty až 34 μm. Po zapnutí TAS-S klesnou dilatace na nepatrné hodnoty 2 až 4 μm.

Dalším příkladem teplotní stálosti vřeten Okuma může být test, jehož výsledky jsou znázorněny na dalším grafu. Otáčky se během osmihodinové zátěže a měření dilatací měnily po krocích – od maxima 15 000 min-1 přes 8 000, 5 000, 2 000 až 0 min^-1. Termostabilizátor udržel dilatace v pásmu 6 μm v osách Z a Y.

Nástroje pro otáčky vyšší než 16 000 min^-1 musejí být vyváženy. Do otáček 15 000 min^-1 mohou být použity standardní, avšak předem vyvážené nástroje. Požaduje se stupeň vyvážení 6,3 G. Pro otáčky 20 000 min-1 je nutné vyvažovat na 2,5 G.

Frézovací stroje Okuma jsou vybaveny elektrovřeteny vlastní výroby. Uživatel může volit vřeteno provedení Standard nebo použít doporučení firmy a zvolit vřeteno podle požadavků konkrétní aplikace. Možnosti volby se například u typové řady MB-V pohybují v otáčkovém rozmezí 6 000 až 35 000 otáček za minutu a výkonově od 11 kW do 30 kW.

Dlouhodobá zkouška teplotní stability vřetena Okuma za proměnlivých otáček
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

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. 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. Pomocí Machining Navi jsou vřetena efektivně chráněna.

Ochrana hřídele vřetena proti poškození nedovolenou radiální silou, např. při kolizi, je provedena mosazným kroužkem. Kroužek má menší radiální vůli proti hřídeli vřetena než čelní kryt vřetena, a proto dojde při nadměrné radiální zátěži vřetena ke kontaktu s hřídelí dříve na kroužku než na krytu. Indikací je nárůst krouticího momentu.

Dojde-li ke kontaktu hřídele a mosazného kroužku, zastaví to nebo omezí proud vzduchu profukovaného vřetenem při výměně nástroje. To rovněž indikuje kolizi. Kontakt kroužek–vřeteno se také projeví neobvyklými zvuky a vzrůstající teplotou konce vřetena.

V případě, že se vyskytne závada na vřetenu nebo dojde k jeho poškození při provozu, např. kolizí s obrobkem, provede opravu autorizovaný servis, firma Misan. Vřeteno je jedna z nejzranitelnějších částí obráběcího stroje. Opotřebovává se však i při správném provozu, např. upínací kužel nebo kleština. Proto se počítá s opravami ve třech rozsazích: malé poškození vřetena, středně velké poškození včetně poškození hřídele a silné poškození, což znamená kompletní opravu vřetena.
V prvním případě se obvykle vymění kleština vřetena (na obrázku znázorněno žlutě). Dále se obvykle vyměňuje tlačník, unášecí kameny, ostřikovací kroužek labyrintového těsnění. Tyto součásti se poškodí např. při nesprávné funkci mazání nebo vniknutím chladicí kapaliny do vřetena.

Jde-li o silnější poškození vřetena, pak se rozsah opravy malého poškození vřetena obvykle rozšiřuje o žlutě označené součásti na dalším obrázku, tj. hřídel a upínací mechanismus.

Při opravách prvního a druhého typu poškození provede autorizovaný servis demontáž vřetena, zašle vřeteno výrobci na opravu a po doručení opraveného vřetena provádí montáž a kontrolní test, který zahrnuje i test náběhu provozních teplot. Firma Okuma garantuje dodací lhůtu opraveného vřetena při opravě prvního a druhého typu poškození pět pracovních dnů ex works po dodání poškozeného vřetena do opravny. K tomu je nutno připočítat dva až tři dny na demontáž a zpětnou montáž vřetena. Záruční lhůta opravených částí je dvanáct měsíců.

Rozsah kompletní opravy je vyznačen na obrázku níže. Provádí se metodou výměny celé vřetenové jednotky. Výrobce zašle opravené vřeteno zpět do 24 hodin po doručení. Výměna celé vřetenové jednotky, montáž a testy, včetně kontrolního testu náběhu teplot, vyžaduje dva pracovní dny.

Firma Okuma poskytuje na všechna frézovací vřetena nových strojů záruku v délce trvání 36 měsíců, a to bez omezení počtu provozních hodin. Firma odmítne záruční výměnu vřetena v případě, kdy je zřejmé, že bylo poškozeno kolizí, jako například pokud je hřídel vřetena ohnuta více, než dovoluje tolerance, házení upínacího kužele vřetena je mimo toleranci, přímé nebo rotační osy stroje jsou mimo toleranci, zaznamenané alarmy v řídicím systému stroje indikují kolizi nebo když na ložiskových kroužcích jsou viditelné známky po kolizi (otisky valivých tělísek).

Všechna vřetena procházejí po montáži, ať už ve výrobě, nebo po opravě, kontrolním testem. Test probíhá za předepsaných podmínek a při aktivním chladicím systému vřetena.

Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Vřetenům obráběcích strojů je třeba věnovat náležitou pozornost ze všech stran – od uživatele, servisní organizace i výrobce. Uživatel by neměl vřetena přetěžovat, vystavovat kolizím a pravidelně je udržovat. Také by měl volit správné a odpovídající nástrojové držáky. V součinnosti se servisní organizací by měl pravidelně diagnostikovat stav vřetena a v případě potřeby realizovat opravy. Společnost Misan nabízí mnohaleté zkušenosti v oblasti údržby a oprav vřetenových jednotek strojů Okuma.

Misan

Ondřej Svoboda

o.svoboda@misan.cz

www.misan.cz