Мотор-шпиндели

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 1/2016 • 29.02.2016

Мотор-шпиндели
Мотор-шпиндели

Mотор-шпинделът представлява самостоятелно мехатронно изделие, което се изготвя от специализирани фирми и се предлага на производителя на металорежещата машина в завършен вид. В шпинделната кутия се монтира върху предварително подготвени монтажни повърхнини, а чрез стандартни интерфейси (куплунги, нипели, щуцери и др.) - към системата за ЦПУ, електрозахранването, хидроагрегата и охлаждащия агрегат, цеховата магистрала за въздух под налягане.

От всички останали компановки мотор-шпинделът се отличава с това, че главният двигател не е разположен извън корпуса на шпинделния възел, а е интегриран в него. Функциите на шпиндела се изпълняват от ротора на двигателя, в който са оформени стандартните базови повърхнини и са развити всички необходими механизми, сензори, енкодери и системи за пълноценна работа.

Решението да се предпочете мотор-шпиндел пред конкурентните варианти се базира на следните негови предимства:
• компактна и завършена конструкция със собствено задвижване;
• малък инерционен момент на ротиращата система - предпоставка за високи динамични показатели при ускоряване, забавяне, спиране и реверс;
• минимален брой на елементите, потенциален източник на дебаланс, в сравнение с алтернативните варианти; това, заедно с предходния пункт, прави балансирането сравнително лесно за реализиране, работата плавна и безвибрационна;
• високи честоти на въртене, които не се ограничават от междинни предавки (ремъчни, зъбни) и позволяват работа с инструменти с особено малък диаметър.

Недостатък на мотор-шпиндела е високата му цена. Понякога тя може да бъде съизмерима с цената на една обикновена машина. Поради това е икономически целесъобразно мотор-шпинделите да се монтират само върху металорежещи машини от висок клас, които произвеждат детайли с висока печалба.

Мотор-шпинделите се използват основно при обработващите центри, предназначени за високоскоростна точна и свръхточна обработка, но намират приложение също така при машините от струговата група и шлифовъчните машини.

Обхватът на приложение на машините с мотор-шпиндел е широк - от високопроизводителното снемане на голям обем прибавка при едрогабаритните тънкостенни детайли за авиационната, космическата и автомобилната промишленост (предимно от леки алуминиеви и магнезиеви сплави), през обемния формообразуващ инструмент, медицинските и денталните импланти от труднообработваеми материали и материали с висока твърдост (изкуствени стави, зъбни протези и др. от титан, титанови сплави и закалени стомани с твърдост 48-65 HRC), сложните по форма електроди от графит и мед за обемни електроерозийни машини до дребните високоточни детайли от финомеханичната техника (часовници, офисна техника, измервателни уреди и др.). В кръга на обработваните материали влизат също така различни пластмаси, композити, дърво.

Мотор-шпиндели за обработващи центри
На фиг. 1 е показан надлъжен разрез на мотор-шпиндел за обработващ център. Шпинделът 15 е разположен в корпуса 16 върху търкалящите лагери на предната 18 и задната 13 опора и се задвижва от синхронен двигател. Ротор е самият шпиндел, върху който е монтирана роторната гилза 6, съдържаща постоянни магнити. В корпуса е разположен статорният пакет 4 на двигателя. В конуса на предния край на шпиндела се базира инструментодържачът 19, който се затяга от пакет дискови пружини.

За освобождаването му в хидроцилиндъра 10 се подава налягане и буталото 11 свива пакета пружини. Данните за ротацията на шпиндела (посока, честота, ускорение) се измерват от ротационния енкодер 8. Сигналите му служат същевременно и за точното комутиране на намотките на статора във функция от ъгъла на завъртане на ротора. Монтирането в шпинделната кутия се извършва по челото на фланеца 3 и цилиндричния пояс 17.

Подаването на мажещо-охлаждаща течност или друг флуид се осъществява по непрекъснат херметичен канал в централния отвор на шпиндела.
Особен интерес представлява предната опора (фиг. 2), тъй като тя е най-натоварената и в нейната зона са концентрирани множество функции. В корпуса 5 са развити няколко магистрали. По едната от тях се подава мажещо-охлаждаща течност, която чрез дюзите 4 се насочва за външно охлаждане на инструмента.

По другата се подава предварително подготвен филтриран въздух, който създава необходимото налягане в лабиринтното безконтактно уплътнение 2 с цел предотвратяване на попадането отвън на замърсители, включително при престой на шпиндела. Въздушните струи 7 са предназначени за почистване на контактните повърхнини по време на автоматичната смяна на инструмента. Илюстрирано е и подаването на въздушно-маслена смес за мазане и охлаждане на лагерите.

Мотор-шпинделите се предлагат в различни варианти, продиктувани от предназначението им. Изпълняват се в много широк диапазон от мощности, въртящи моменти, честоти на въртене, габарити, монтажни повърхнини и др. Диаметрално противоположни примери за това са мотор-шпинделите за тежка обработка, изискващи голяма мощност и въртящ момент, и тези за фрезоване и пробиване с особено малък диаметър на инструмента, при които определяща е голямата скорост на ротация.

При наклоняващите 2 и въртящите 1 шпинделни глави (при 5-осните обработващи центри) мотор-шпинделите са единствената алтернатива (фиг. 3). Изпълнението им има своите особености с оглед спецификата на монтирането, минимизирането на габарита и инерционната маса - интерфейсът за връзка с външните системи е изведен в горната част, шпинделът се монтира директно в тялото на главата, затягането на инструментодържача е с хидроцилиндър.

Фактори за безотказна работа и голям експлоатационен ресурс
С оглед централното място на мотор-шпиндела при определяне на работоспособността и цената на машината, важен момент е неговата функционална и параметрична безотказност в течение на дълъг експлоатационен период. Постигането на високоефективна и надеждна работа при продължителен времеви ресурс на използване се гарантира от три основни фактора - първият е заложен в самата конструкция и нейното изпълнение, вторият се състои в техническото обслужване и активната профилактика, а третият се отнася до правилната експлоатация.

Първи фактор. Един успешен мотор-шпиндел е резултат от дългогодишна опитно-конструкторска работа върху различни варианти в областта на механиката, електрониката, електротехниката, компютърната техника, уредостроенето и т.н., което е по силите на фирми, разполагащи с необходимата база, традиции и отговорност. Всички елементи на мотор-шпиндела се изработват с особено висока прецизност от качествени материали с висока якост, твърдост и износоустойчивост, което способства за безотказната работата на изделието като цяло. Извършва се фино фабрично балансиране с качество от G0,4 до G1.

За поддържане на постоянна и широкообхватна обратна връзка за актуалното състояние, на подходящите места се монтират различни по предназначение сензори- за положение 9 и температура 14 (фиг. 1), за наличие на метална маса 1, преместване 3, температура 6 и 10, вибрации 9 (фиг. 2). Високата надеждност се гарантира от различни алгоритми за реализация на контролни, адаптивни и диагностични функции.

Контролните функции са предназначени да регистрират пределно допустимото състояние на следения параметър и да не допуснат експлоатация при надвишаване на граничната стойност. Включват ограничаване на максималната честота на въртене на шпиндела и инструмента, ограничаване на ъгловото ускорение (при екстремни ъглови ускорения възниква приплъзване в търкалящите лагери, което ускорява износването им), избягване на резонансни честоти, предотвратяване на ротация при интензивни вибрации, недопускане на прегряване на статора, контрол на положението на челото на шпиндела (използва се за разпознаване на колизия; в някои конструкции е вградена механична предпазна система за редуциране на последствията за лагерите при аксиален удар), наличие-отсъствие на инструментодържач в шпиндела, затегнат-освободен инструментодържач.

Диагностичните функции са предназначени да регистрират текущото състояние на следения параметър, което позволява да се прогнозира моментът на настъпване на граничното му състояние. По този начин може да се планира с достатъчна точност моментът за ремонт. Тъй като най-честата причина за излизане от строя са търкалящите лагери, диагностиката е насочена към тях. Предвидени са две диагностични функции, които следят съответно тяхната температура и вибрации.

Адаптивните функции са предназначени за приспособяване на мотор-шпиндела към променящите се условия и режими на работа с цел запазване на параметричната работоспособност. Управлява се важното за точността осово изместване на челото на шпиндела, (дължащо се на силови и топлинни деформации, изместване на пътечката на движение на сачмите на лагерите под действие на центробежните сили).

В съответствие със заложения алгоритъм системата за ЦПУ изработва автоматично компенсация на изместването, което е особено важно за точността при финишното фрезоване с предния край на инструмента. Поддържа се постоянно топлинно-деформационно състояние. За целта се използват охлаждащите ризи към статора на главния двигател 5, предната 2 и задната 7 лагерни опори (фиг. 1); температурата на циркулиращата течност (най-често вода) се регулира автоматично в зависимост от показанията на съответните температурни сензори. В отделни случаи се прилага допълнително и доказалото високата си ефективност охлаждане на шпиндела с циркулираща течност (фиг. 4), охлаждане на подложения на силно топлинно въздействие от зоната на рязане преден край на шпиндела с водната риза 1 (фиг. 1).

В зависимост от честотата на въртене и натоварването на шпиндела се регулира предварителната стегнатост в лагерите на предната опора. За безстепенно регулиране се използват пневмо- или хидроцилиндрите 3, които с управлявано налягане чрез втулката 2 изтласкват външния пръстен на лагера надясно. Това принципно е най-ефективният начин за регулиране, но същевременно и най-скъпият. Друга схема предлага икономически по-изгодно решение, но с компромис спрямо ефективността.

При ротация със средни и високи честоти предварителната стегнатост се поддържа от комплекта пружини 1, който чрез втулката 2 изтласква със сила F1 външния пръстен на лагера надясно. При ниски честоти и голямо натоварване се добавя силата F2, която се създава от комплекта пневмо- или хидроцилиндри 3.

При реализацията на втория фактор потребителите на машини с мотор-шпиндел трябва да осъзнават отговорността си за поддържане на висока функционалност и дълъг срок на работа на сложната конструкция. Техническото обслужване следва да се изпълнява в строго съответствие с обхвата на дейностите и периодичността, препоръчвани от производителя. В помощ са извежданите върху дисплея на системата за управление информационни подсказки за предстоящо обслужване и профилактика.

Консумативите (масло, мажещо-охлаждаща течност) трябва да се сменят както периодично, така и в зависимост от текущото им състояние. Проблемите в работата на мотор-шпиндела трябва да се откриват навреме и да се планира успешното им решаване. Така се намалява броят на отказите и престоят на машината. Важен елемент е наблюдението на състоянието на лагерите, появата и развитието на дебаланс, изменението на температурата, радиалното и аксиалното биене, осовата хлабина, статичната стабилност, ефективността на защитата на лагерите (една от основните причини за дефектиране е замърсяването на лагерите) и др.

Третият фактор е правилната експлоатация. Мотор-шпинделът трябва да се използва в съответствие с паспортното му предназначение, да не се претоварва извън допустимото и да не се подлага на удари. Инструментът (режещ инструмент и инструментодържач) следва да е предварително балансиран, режещата част да е в добро състояние, върху базовия конус не трябва да има побитости и драскотини.

Мотор-шпиндели за машини от струговата група
При струговите центри като мотор-шпиндел се изпълнява насрещният шпиндел; все по-често концепцията на мотор-шпиндела се прилага и при главния шпиндел. Поради спецификата на струговата обработка максималната честота не надвишава 12 000 оборота в минута. В някои случаи при ротацията на главния шпиндел се измерва дебалансът на заготовката и се дава информация, препоръчваща ограничаване на максималната честота до безопасната.

Малогабаритни високооборотни мотор-шпиндели се използват за задвижване на въртящите се инструменти - в револверната глава (фиг. 6 - поз. 1 и 2) и инструменталните блокове на машините swiss-type, докато в наклоняващата фрезова глава по ос B на многофункционалните машини мотор-шпинделът е с голяма мощност.

Мотор-шпиндели за шлифовъчни машини
Различават се шпиндели за вътрешно и външно шлифоване. Това са принципно високоскоростни шпиндели, примерно до 100 000 оборота в минута. По-високооборотни са шпинделите за вътрешно шлифоване. Основно изискване към шлифовъчните шпиндели е бързоходността, точността и плавността на ротацията. За повишаване на виброустойчивостта, шпинделът се изработва плътен.

Използват се предимно търкалящи лагери, комплектовани по различни схеми. При особено високи изисквания към спокойната работа, радиалното биене и демпфирането на вибрациите, шпинделът се монтира върху хидростатични лагери. На фиг. 7 е показан мотор-шпиндел на търкалящи лагери за вътрешно шлифоване.

доц. д-р инж. Пламен Угринов

ЕКСКЛУЗИВНО

Top