Ускорителни глави

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2, 2015

Ускорителни главиУскорителни главиУскорителни глави

ПОДОБНИ СТАТИИ

Необходимост от ускорителни шпинделни глави
Шпинделът на металорежещата машина има техническа горна граница на честотите на въртене, чието надхвърляне по време на работа е недопустимо. За извършване върху същата машина на отделни обработки, които изискват по-висока честота на въртене от техническата, се използват ускорителни шпинделни глави.

Ускорителните шпинделни глави са принадлежност към машините от фрезово-пробивната група. Използването им позволява да се повиши технологичното ниво на производството и да се разшири кръгът от решавани производствени задачи без промени в съществуващия машинен парк и при минимални финансови разходи.

Ефектът от приложението на ускорителните глави се състои в следното:
• Пълно използване на възможностите на съвременния високопроизводителен твърдосплавен инструмент върху нискоскоростни машини. За оптималната работа на съвременния инструмент се изискват скорости на рязане 300 - 600 m/min, което съответства на 12 000 - 25 000 об/min на вретеното, докато основният дял от машините имат максимална честота на въртене на шпиндела не повече от 8000 об/min.

• Модернизиране на съществуващото оборудване, навлязло в процес на морално и физическо износване. Работата на твърдосплавния инструмент върху тези машини се придружава от вибрации, породени от радиалното биене и ниската скорост на рязане, което води до недостатъчна производителност, лошо качество на обработваната повърхнина и преждевременно износване на режещия ръб. Създава се възможност за машини, които до този момент не са били годни за рязане с твърдосплавен инструмент, да генерират допълнителен експлоатационен ресурс.

• Извършване на високоскоростна обработка върху машини с ниска максимална честота на въртене на шпиндела. Обикновената машина придобива характеристики на високоскоростна и така се добавя опцията за високоскоростно финишно фрезоване на закалени стомани и цветни сплави.

• Работа с микроинструменти с диаметър примерно от 0,5 mm до 2 mm (свредла, фрези), при които постигането на препоръчаната скорост на рязане изисква особено високи честоти на въртене, надхвърлящи скоростните възможности на машината. В този случай ускорителните глави могат да се използват и при високоскоростни машини.

• Запазване на ресурса чрез избягване на преждевременното износване на скъпоструващия шпиндел на машината, като по-леките високоскоростни обработки се извършват от ускорителната глава.

Рационалната област на използване на ускорителните глави е високоскоростното финишно рязане на различни материали с твърдосплавен инструмент с диаметър на фрезите до 12 mm. Така могат да се реализират основните предимства на високоскоростната обработка, като заедно с това времето за обработване се намалява благодарение на по-високата скорост на подаване, трайността на инструмента нараства в резултат на оптималните стойности на скоростта на рязане и подаването на зъб, а също така на намаленото радиално биене.

Редуцира се честотата на смяна на инструмента, което е особено тежък проблем при обработката на едрогабаритни детайли с големи по площ сложни обемно-профилни повърхнини. Друго често срещано приложение е гравирането.

Устройство
Ускорителните глави притежават собствен шпиндел, предназначен специално за работа с висока честота на въртене. Закрепването на инструмента в шпиндела на ускорителната глава се извършва по различни начини в зависимост от поръчката на клиента. Един от най-често срещаните варианти е закрепването във високоточен цангов патронник. Предвид особено високата честота на въртене, ротиращата система на ускорителните глави, в това число гайката и цангата, се подлагат фабрично на фино балансиране.

При използването й ускорителната глава се въвежда в базовия конус на машинния шпиндел и се затяга в него като обикновен инструмент, тъй като към нея могат да бъдат монтирани различни типове стандартни инструментодържачи (SK, BT, САТ, ISO, HSK).

Шпинделът на ускорителната глава може да се задвижва по два принципно различни начина, което разделя главите на две основни групи. Към първата група се отнасят задвижваните от шпиндела на машината, а към втората - задвижваните от собствен двигател. Тези със собствен двигател могат да получат движение от въздушна турбина или от електрически двигател; в този случай машинният шпиндел не трябва да се върти и следва да бъде фиксиран в определено положение.

Лагеруването на шпиндела на ускорителната глава е върху радиално-аксиални едноредови сачмени лагери, монтирани обикновено по „О-схема” или схема „Тандем”. В зависимост от горната граница на честотния обхват, лагерите могат да бъдат в традиционно изпълнение (със стоманени търкалящи тела) или хибридни (с керамични търкалящи тела). Мазането най-често е с високоскоростна грес, а в отделни случаи - с маслена мъгла.

В зависимост от конструкцията си, ускорителните шпинделни глави могат да бъдат зареждани в машинния шпиндел ръчно или чрез системата за автоматична смяна на инструментите (АСИ). Това се определя от начина на свързване на главата с източника на енергия. Автоматично сменяваните ускорителни глави могат да бъдат зареждани в инструменталния магазин и сменявани чрез системата за АСИ на машината, което повишава степента на автоматизация и намалява спомагателните времена.

При избора на режимите на рязане с ускорителни глави винаги трябва да се отчита обстоятелството, че  техният шпиндел е със значително по-малък диаметър и по-малко разстояние между лагерните опори, което предопределя значително по-ниската му стабилност, мощност и въртящ момент в сравнение с машинния шпиндел.

Ускорителни шпинделни глави със задвижване от вретеното (с ускорителен механизъм) - представляват компактна конструкция в термообработен корпус. Въвеждат се в шпиндела на машината и ако той се върти с честота n1, ускорителната глава позволява шпинделът й да получи честота n2, превишаваща n1 примерно 5-6-10 пъти.

За предаване на въртящия момент към шпиндела на главата е необходимо корпусът й да бъде неподвижен. За целта се използва щифтът за застопоряване, който се свързва неподвижно с корпуса на шпинделната кутия (фиг. 1). При активирана ускорителна глава машинният шпиндел работи в щадящ режим - не се прегрява и износването на лагерите намалява.

Ефектът на ускоряването се дължи на планетния механизъм с предавателно отношение i = n2 / n1, разположен в корпуса на главата. При  закалени и шлифовани предавки се гарантира висока мощност при ниско ниво на шума и вибрациите.

Радиалното биене на шпиндела на главата обикновено не надвишава  0,005 - 0,01 mm. Режещият инструмент, установен в ускорителната глава, се върти с висока скорост равномерно, с използване на всички режещи ръбове. Благодарение на постиганите високи обороти се спазват заложените режими на високоскоростната обработка.

Недостатък на задвижваните от машинния шпиндел ускорителни глави е частичното предаване на неговото биене към главата, вследствие на което показателите на биенето на собствения й шпиндел се влошават.

Щифтът за застопоряване може да се използва за подаване през него на мажещо-охлаждаща течност (МОТ); за целта щифтът служи като свързващ елемент към магистралата за МОТ на машината. Възможни за реализация са няколко схеми на насочване на МОТ - през инструмента (фиг. 1), към дюзите, разположени в челото на ускорителната глава, към върха на инструмента. Размерите и разположението на щифта са в съответствие с изискванията на клиента.

Механичната предавка не позволява постигане на особено високи скорости - максималната честота на въртене е примерно до 40 000 об/min (в зависимост от модела и типоразмера). Мощността, предавана към шпиндела, нараства правопропорционално на честотата на въртене, а въртящият момент се запазва постоянен. В зависимост от модела и типоразмера мощността може да достига в типичния случай до 24 kW.

Наличието на механична предавка обуславя необходимостта от предварително прогряване на ускорителната глава до стабилно в температурно отношение състояние; това се прави с цел да се избегне по време на рязане топлинната деформация по ос Z. Обикновено прогряването отнема около 20 минути, което трябва да се има предвид винаги при работа с малки циклови времена.

Ускорителните глави се предлагат в два главни обхвата: стандартни (до 20 000 об/min) и високоскоростни (до 40 000 об/min).
Някои производители имат специално изпълнение на ускорителната глава като ъглова, при което оста на шпиндела е завъртяна на 90 градуса. Максималните обороти в този случай са по-малки, отколкото при стандартния вариант.

Ускорителни вретенни глави със собствено задвижване от въздушна турбина - при задвижването със собствен двигател се елиминира вредното въздействие, оказвано върху шпиндела на ускорителната глава от страна на машинния шпиндел вследствие на неговата неточна ротация и вибрации.

Задвижването с въздушна турбина дава възможност да се получат значително по-високи скорости, отколкото при главите с механична предавка - максималната честота на въртене достига до 120 000 min-1. Честотите над 100 000 min-1 позволяват работа със свредла с диаметър около 0,4 mm и фрези с диаметър около 0,6 mm.

 Диаметърът и теглото на главата, задвижвана с турбина, са по-малки от тези при ускорителните глави с планетен механизъм. По-ниско е и нивото на генерирания шум.
 Въздухът под налягане, подаван в турбината, се използва едновременно и за охлаждане на самата ускорителна глава.

Това отстранява необходимостта от специална система за охлаждане и минимизира топлинните деформации (примерно до 2 микрона). По този начин ускорителната глава може да работи продължително време без прекъсване. Заедно с високата прецизност на системата за затягане на инструмента, това кореспондира добре с изискванията на микроинструментите.

Вградената в ускорителната глава турбина (фиг. 2) се задвижва от въздух под налягане, подаван чрез цеховата магистрала или от автономен компресор; валът на турбината е шпиндел на ускорителната глава. В зависимост от изпълнението на главата, въздухът към турбината може да се подава по три различни варианта.

При вариант 1 е налице странично подаване, което е по-икономично за реализиране, но изисква загуба на време за ръчно свързване на въздухопроводния шланг към щуцера на главата. Подаването по вариант 2 е възможно само тогава, когато машината притежава функция за подаване на въздух през шпиндела със съответните технически характеристики (налягане, дебит).

Удобството на вариант 2 се състои в това, че ускорителната глава може да бъде сменяна автоматично чрез системата за АСИ и по-нататъшна намеса на оператор не е нужна. Вариант 3 също така способства за автоматичната смяна на ускорителната шпинделна глава. Въздухът под налягане се подава през нипел, чиято ос е успоредна на оста на шпиндела.

При автоматичното й въвеждане в машинния шпиндел нипелът влиза в присъединителния блок, който свързва главата с магистралата за въздух под налягане. Присъединителният блок е монтиран неподвижно към шпинделната кутия и се движи по ос Z заедно с главата.
Особеност на главите с въздушно задвижване е падащата характеристика на въртящия момент в зависимост от честотата на въртене на шпиндела (при постоянно налягане).

Това означава, че при работа в близост до горната граница на честотата на въртене трябва да се извършват най-фините обработки при най-леки режими, изискващи минимални стойности на въртящия момент. При избора на типоразмер на ускорителната глава следва да се има предвид, че колкото по-малък е габаритният й диаметър, толкова турбината е по-високоскоростна, а въртящият момент - по-малък.

Ускорителни вретенни глави със собствено задвижване от електродвигател - вграденият в ускорителната шпинделна глава електродвигател позволява да се получат благоприятни технически характеристики, които не могат да се постигнат при другите глави - високата честота на въртене се съчетава със сравнително висок въртящ момент (фиг. 3). По този начин обхватът на технологичното използване на ускорителната глава се разширява - тя може да работи и при по-тежки режими на рязане. Мощността на шпиндела достига до 5 kW, в отделни случаи до 15 kW, честотата на въртене до 80 000 min-1.

Високоскоростният електродвигател и лагерните опори се нуждаят от охлаждане по време на работа, което усложнява конструкцията. Комуникациите, свързани с охлаждането и електрозахранването, пораждат и един друг недостатък - неудобството за АСИ. Поради това ускорителните глави с електродвигател подлежат предимно на ръчна смяна.

доц. д-р инж. Пламен Угринов

Top