Vřetena svislých CNC soustruhů - Část 1

V tomto článku se budeme věnovat soustružnickým vřetenům svislých soustruhů neboli karuselů Okuma. Ta mají oproti vřetenům vodorovných soustruhů své zvláštnosti. Odlišují se především svým uložením a také koncepcí pohonu. Jak uvidíme, u malých strojů není rozdíl velký. Zato velké stroje, kde velkou roli hraje hmotnost obrobku, mají uložení vřetena zcela odlišné. Soustružnické vřeteno velkého karuselu nemá pro upnutí obrobku univerzální sklíčidlo. Protože se předpokládá obrábění i nerotačních polotovarů, je vřeteno osazeno rotačním upínacím stolem s drážkami pro univerzální upínky. Uložení velkých karuselových stolů vyžaduje speciální velkoprůměrová ložiska. Tato ložiska je třeba intenzivně chladit, k čemuž je potřeba vytvořit patřičné chladicí okruhy a přizpůsobit konstrukci lože upínacího stolu. Jako konstrukční příklady nám poslouží vřetena karuselů Okuma sérií V a 2SP-V a vřetena svislých multifunkčních obráběcích center série VTM a VTR. Protože multifunkční centra jsou vybavena frézovacími vřeteny, doplníme přehled ve druhé části článku také o tato vřetena, aby byl obrázek úplný

Série V představuje vertikální soustruhy (karusely) s jedním soustružnickým vřetenem, jak je obvyklé u běžných typů karuselů, a jednou nástrojovou hlavou. Okuma rozšířila možnosti těchto karuselů zdvojením strojů. Vznikly svislé CNC soustruhy se dvěma paralelními soustružnickými vřeteny a dvěma nástrojovými hlavami, označené jako série 2SP-V. Tyto stroje se sestaví z levého (L) a pravého (R) provedení modelů série V. Jsou určeny k nasazení v hromadné výrobě, zejména ve výrobních linkách. Mohou mít buď oddělený, nebo společný pracovní prostor. Podrobné technické parametry jednotlivých strojů ze série V a 2SP-V lze vyčíst v následující tabulce:

Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Vřetena svislých soustruhů série V a 2SP-V jsou uložena v obvyklé kombinaci válečkových a kuličkových ložisek. Na obrázku níže je pouze schematické znázornění sestavy vřetena, nikoli konstrukční výkres. Vřeteno je poháněno od motoru klínovými řemeny. Motor je umístěn mimo lože kvůli snížení tepelné radiace.

Radiální složka řezné síly a klopný moment a také tah řemene jsou zachyceny dvouřadými válečkovými ložisky ve dvou bodech hřídele. Obě ložiska jsou pomocí hřídelových matic předepnuta natažením na kužel vytvořený na hřídeli. Axiální zatížení od řezné síly a tíhy obrobku i upínací desky přenáší na lože pár kuličkových ložisek s kosoúhlým stykem uspořádaných tak, aby zachytily obousměrnou svislou zátěž. Kosoúhlá ložiska jsou předepnuta přesazením vnějšího a vnitřního kroužku pomocí matice, která předepne i válečková ložiska. Toto uspořádání ložisek je viditelné i na dalších příkladech. Schéma uložení na obrázcích bohužel nepostihuje konstrukční detaily, které umožňují předepnutí ložisek. Patrné jsou pouze kuželové úseky hřídele. V horní části hřídele vřetena je vidět pod krytem labyrintové těsnění. Normalizované rozhraní vřetena JIS A2-11 slouží k upnutí univerzálního sklíčidla viditelného v pravé části na následujícím obrázku.

Multifunkční obráběcí centra vznikla kdysi pravděpodobně na základě požadavků zákazníků, kteří vlastnili CNC soustružnické centrum s nástrojovou hlavou. I když už pokročilejší konstrukce nástrojových hlav umožňovaly použití poháněných frézovacích nástrojů, nestačily požadavkům na obrábění tvarově složitějších obrobků, na kterých bylo potřeba soustružit i frézovat. To obojí na jedno upnutí. Proto vývoj pokračoval přidáním natáčecího, frézovacího vřetena (B osa). Byla obětována nástrojová hlava ve prospěch zásobníku nástrojů. Tento krok bezesporu rozšířil technologické možnosti stroje. Nejen možností frézovat s řízenou B osou, ale také pracovat s větším počtem nástrojů s vyšším řezným výkonem. Navíc výkon frézovacích vřeten mnohonásobně předčil výkon poháněných nástrojů. Ve spojení s řízenou C osou soustružnického vřetena vznikly stroje nazývané víceúčelová nebo multifunkční obráběcí centra.

Okuma samozřejmě zachytila tento trend a vyvinula celkem dvanáct typů multifunkčních obráběcích center. Patří sem několik sérií označených Multus, což jsou stroje s vodorovnou osou soustružnického vřetena, a dále série VTM-65, -100 a -200, série VTM-80YB, -1200YB a -2000YB a konečně také karusely VTR-160A a -350A, vesměs stroje se svislou osou soustružnického vřetena. Výčet multifunkčních obráběcích center Okuma uzavírají univerzální centra s kolébkou série MU, kterým věnujeme samostatný článek.

Podrobné technické parametry jednotlivých strojů ze série VTM lze získat u společnosti Misan. Rozměrově se modely VTM-65, -100 a -200 a modely VTM-80YB, -1200YB a -2000YB vzájemně doplňují. První tři série VTM jsou jednodušší stroje, mají pouze tři řízené osy, zatímco modely VTM YB mají už pět řízených os. Bude zajímavé sledovat, jak se narůstající rozměry a velikost obrobku projevily v konstrukci vřeten a jejich pohonů.

Tyto modely mají frézovací vřeteno, které lze polohovat vodorovně v ose X a svisle v ose Z. Vřeteno není naklápěcí v ose B. Kvůli plynulému polohování ve svislé ose (jak při nízkých, tak při vysokých posuvových rychlostech) je vřeteník vyvážen protizávažím. Soustružnické vřeteno se polohuje v ose C. O konstrukci soustružnických vřeten modelů VTM -65, -100 a -200, zřejmě platí vše, co jsme řekli o vřetenech svislých soustruhů V a 2SP-V. Z připojené tabulky k obrázku níže je vidět, že modely VTM-65 a -100 mají stejná vřetena, zatímco model VTM-200, který dovoluje obrábět řádově těžší obrobky, se od nich odlišuje nejen tvarem konce vřetena, ale i rozměry ložisek. Všechny modely mají AC motory stejného výkonu. Maximální krouticí momenty prvních dvou modelů jsou jen málo odlišné. Zato model VTM-200 vyniká řádově vyšším krouticím momentem. Tomu odpovídá i mohutnější stavba vřetena s ložisky velkého průměru a také rozsah otáček.

Výkonové a momentové diagramy modelů VT
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Konfiguraci multifunkčních center VTM-80YB, -1200YB a -2000YB vidíme na dalším obrázku. Stroj má frézovací vřeteno polohované ve čtyřech osách X, Y, Z a B. Pátou osu tvoří NC osa C otočného stolu karuselu. Tyto modely mají lože, stojan a frézovací vřetena podobné modelům frézek, ale jelikož mají na loži svislé soustružnické vřeteno s upínací deskou, řadíme je mezi multifunkční obráběcí centra. Jsou tedy určeny k opracování rotačních obrobků, které mají řadu dalších tvarových komplikací, k jejichž obrobení je třeba všestranně polohovatelné frézovací vřeteno.

Soustružnické vřeteno VTM 80YB je poháněno od motoru řemenovým převodem s  převodem do pomala 1:4,45. Okuma používá motory vlastní výroby. Rotor motoru i velkoprůměrová řemenice jsou pečlivě vyvažovány, aby se vyloučil přenos házení rotorů na vřeteno.

Elektromotor 22/30 kW je umístěn mimo lože, čímž se zamezí oteplování lože od motoru. Výkonné elektromotory jsou při proměnlivé zátěži dominantním zdrojem tepla, které vyvolává značné deformace lože přenášené na vřeteno. U karuselů se k tomu připojují dilatace od značného oteplování ložisek, hlavně těch axiálních, zatížených hmotností obrobku a upínacího stolu. Protože tyto deformace jsou proměnlivé se zátěží stroje, a navíc působí v tvarově složitém odlitku lože, je jejich kompenzace velmi nesnadná. Snížení jejich vlivu na přesnost obrábění je proto omezováno vyloučením zdrojů tepla z lože a intenzivním chlazením ložisek.

Hřídel vřetena VTM 80YB je uložena v kombinaci předepnutých ložisek NN30K a kuličkových ložisek s kosoúhlým stykem (vnitřního průměru 200 mm), jak jsme ji popsali dříve. V prostoru pod spodním ložiskem se nachází disková brzda vřetena.

Vřeteno modelu 1200YB se zásadně od vřetena modelu 80YB neliší, pokud jde o uložení. Veškerou axiální zátěž, od obrobku maximální hmotnosti 2 500 kg a samozřejmě i od upínacího stolu a axiálních složek řezné síly, nesou kuličková ložiska s kosoúhlým stykem ID 260 mm. Radiální síly zachycují válečková ložiska NN30 K. Odlišný je však pohon vřetena. To je poháněno kombinovaným převodem řemen–ozubená kola, čímž se docílí požadované redukce otáček, a tudíž vysokého krouticího momentu. Pozoruhodné je vtěsnání převodů do velmi malého prostoru. Horní uložení vřetena je chlazeno, aby se omezilo zahřívání ložisek při obrábění. Určitý podíl na ohřevu vřetena mají také ozubená kola.

Uložení a pohon soustružnického vřetena modelů VTM -1200YB
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Kotoučová brzda je patrná v blízkosti čela vřetena. Doporučeným otáčkovým rozsahem pro výkonnostní soustružení je rozsah konstantního krouticího momentu, tj. otáčky 5 až 47 min^-1 nebo 5 až 95 min^-1.

Velký stroj, jakým je model 2000YB, již vyžaduje speciální valivé ložisko o průměru 650 mm, které podpírá upínací desku proti loži. Toto ložisko musí zachytit hlavně svislou zátěž od tíhy obrobku o maximální hmotnosti 10 000 kg, tíhu upínacího stolu, svislou složku řezné síly, případně klopné momenty.

Radiální síly a klopné momenty stolu a obrobku opět přenášejí do lože další ložiska NN30K průměru 200 mm. Jelikož se na zachycení zátěže vřetena podílí velkoprůměrové ložisko, vycházejí válečková ložiska menší než u předchozího modelu 1200YB, i když obrobek zde může být čtyřikrát těžší. Použití ložisek velkého průměru s sebou nese problém odvodu značného množství tepla z oblasti vřetena. Hlavním zdrojem tepla je velkoprůměrové ložisko. Vedlejšími zdroji jsou válečková a kuličková ložiska, brzda, ozubená kola a jejich uložení. Elektromotor pohonu vřetena, ať už je separován od lože, nebo ne, rovněž přispívá k ohřevu lože a vřetena. Stroje tohoto typu mají proto v rámci lože stolu instalován zvláštní chladicí okruh s velkou olejovou nádrží. Ve standardním provedení je upínací stůl o průměru 1 400 mm. Na zakázku je možné montovat stůl s průměrem 2 000 mm. Disková brzda je řešena na co největším průměru vzhledem k velké hmotnosti rotujících částí stroje. Doporučené otáčky jsou 4 až 34 min^-1 a 6 až 68 min^-1, kdy je možné využít oblasti velkých krouticích momentů.

Soustružnické vřeteno modelu VTM -2000YB
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Soustružnická vřetena série VTR a frézovací vřetena multifunkčních obráběcích center Okuma budou popsána ve druhé části článku v následujícím vydání. Byli bychom rádi, kdyby se tato série článků stala i pozvánkou do předváděcí haly společnosti Misan v Lysé nad Labem, kde najdou zájemci vše potřebné k doplnění informací, které zde nenašli. Především je zde k vidění a praktickému předvedení řada CNC strojů Okuma. Kvalifikovaný personál společnosti poskytne další informace o technologických možnostech strojů, o jejich výkonnosti a přesnosti. K dispozici jsou informace o doporučených řezných nástrojích a dalším příslušenství strojů. V neposlední řadě je možné navrhnout doplnění stroje o mechanizační a automatizační zařízení včetně robotů nebo způsob zástavby strojů do výrobních linek. Je zde také servisní středisko strojů Okuma. Ideální pro takovou návštěvu jsou odborné semináře, kde jsou všechny stroje předváděny při obrábění zvláště zajímavých obrobků.

Misan

Ondřej Svoboda

o.svoboda@misan.cz

www.misan.cz