Cum se alege o maşină-unealtă (serie nouă) (VII)

Masini-Unelte

de Corneliu Gornic

Cum se alege o maşină-unealtă (serie nouă) (VII)

În episodul anterior specificam faptul că în întreaga lume, în toate domeniile industriale şi nu numai), se dă o luptă continuă pentru eficienţă, care include şi economia denenergie, de timp etc. Strădaniile sunt „în dublă partidă”: şi furnizorii de echipamente de producţie (în cazul de faţă - maşini-unelte) şi utilizatorii acestora încearcă să ofere/utilizeze sisteme tot mai eficiente, inclusiv din punct de vedere energetic.

2. Sisteme de lăgăruire

Constructorii de mașini-unelte caută soluții de lăgăruire a arborilor principali care

  • să permită performanțe cât mai ridicate ca: viteza de rotire (cât mai ridicată, dar și o plajă cât mai întinsă de turații), precizie de rotire, dezvoltarea unei cantități minime de căldură;
  • să fie simple din punct de vedere constructiv;
  • să aibă o comportare dinamică de înalt nivel, evaluată prin timpi de accelerare/decelerare cât mai mici, nivel de vibrații cât mai mic (pe întreaga gamă de turații);
  • să ofere o rigiditate statică ridicată, care să permită suportarea unor regimuri de așchiere intensive;
  • preț de cost cât mai mic etc.

Realizarea acestor deziderate implică multă experiență, multe încercări/variante (inclusive modelarea comportării complexe prin Metoda Elementului Finit, prin suprapunerea de câmpuri: comportare statică, dinamică, termică și modul d evoluție a primelor două la variația câmpului termic), multe informații, dar și o strânsă colaborare cu producătorii de rulmenți de o calitate deosebită (precizie, turații), destinați mașinilor-unelte. Această colaborare are în vedere (cel puțin) următorii parametri:

  • stabilirea tipului de rulment în funcție de condițiile de funcționare (turația maximă, capacitatea dinamică, prestrângerea);
  • metoda, procedeul de lubrifiere și, dacă este cazul, de evacuare a lubrifiantului din lagăre;
  • procedeul de menținere a temperaturii;
  • deformarea termică minimă a arborelui principal, luând în considerare și proiectarea simetrică a elementelor;
  • condiții de montare și de reglare/ajustare a ansamblului sau a componentelor etc. Toate aceste informații materializate în construcția sistemului de lăgăruire nu exclud activități de cercetare/testare, până la obținerea soluțiilor care asigură parametrii maximi (pentru condițiile date). Pentru producătorii care se respectă și care își respectă beneficiarii, fiecare sistem de lăgăruire este minuțios verificat în cadrul firmei, înainte de livrarea mașinii.

NOTA 9: Ca regulă generală în orice tip de activitate productivă, orice realizare cu rezultate positive este un punct de plecare pentru etapa, nivelul ulterior de performanță.

Principial, în domeniul mașinilor-unelte, se  utilizează trei tipuri de lagăre pentru arborii principali.

2.1 Lagăre hidrodinamice

Aceste ansambluri

  • asigură o mare precizie de rotire;
  • consumă puțină energie (nu au nevoie de pompe hidraulice decât la pornire);
  • solicită un anumit tip de lubrifiant și filtrarea foarte fină a acestuia;
  • permit realizarea unor precizii dimensionale (în combinație cu un sistem de control activ «in-process»), de formă (circularitate, cilindricitate) ridicate și o rugozitate foarte mică (Ra<0,2 μm);
  • în funcție de construcție, funcționează într-o plajă de turații restrânsă (viteze periferice ale fusurilor arborelui);
  • asigură lăgăruirea atât radială, cât și axială;
  • în funcție de parametrii constructivi, dar, mai ales, de cei de montaj/reglare, asigură rigiditățI radiale variabile, putând atinge valori foarte mari (de ordinul a 400 N/μm);

NOTA 10: La mașini-unelte performante, rigidităț ile în direcții radiale sunt de ordinul a 50 N/μm, iar în direcție axială de 250 N/μm [31 Dörries Scharmann Technologie].

  • Implică multe cunoștințe, tehnologii special (prelucrări, cupluri de materiale, montare și reglare, verificări etc).

Se utilizează frecvent la producția de serie, la mașini de rectificat fără centre (prin trecere sau prin pătrundere, inclusiv la rectificarea unor profile în trepte). Dacă se respectă condițiile de funcționare, de întreținere au o durabilitate de ani de zile.

2.2 Lagăre hidrostatice

Se deosebesc de cele hidrodinamice prin faptul că pelicula de fluid (uleiuri speciale) dintre suprafețele în mișcare relativă este creată de o sursă de presiune – pompă, lagărul funcționând doar după atingerea presiunii reglate. Se folosesc la lăgăruirea axială a platourilor strungurilor carusel (în special a celor cu dimensiunea platoului peste Ø5000 mm, inclusiv a celor destinate rectificărilor), a unor mese rotative și în multe alte aplicații. Construcția lor depinde de sarcina axială (greutatea platoului, a piesei și de componenta axială a forței de așchiere),de dimensiunile platoului (diametru, grosime/înălțime), de viteza periferică (turație). Ele asigură:

  • o rigiditate mare la degroșare și precizie la finisare (abateri de formă, rugozitate);
  • este posibil controlul temperaturii (se utilizează ulei termo­statat);
  •  se obțin precizii de poziționare mari etc.

Din experiența proprie, la un strung carusel cu un platou cu diametrul de 10 m și cu posibilitatea prelucrării unor piese de Ø12,5 x 8 m înălțime, pre­cizia de poziționare a fost de 6”, iar repetabilitatea de cca 3”(mașina a fost amplasată într-o hală cu variația temperaturii de la 5 la 15oC pe parcursul unei zile). La același platou, bătăile radială și axială (la Ø10000mm) au fost de 10 μm.

Construcția acestor lagăre poate fi cu una, două sau trei piste (figura 38.a,b,c,d [43;46;44;47]):

  • cu lăgăruirea hidrostatică și a pivotului;
  • cu lăgăruire cu rulmenți radiali cu role cu alezaj conic.

Lagărul axial este realizat din patine (de obicei executate din bronz, foarte rar din fontă), cu duze de alimentare (individuale figura 39 [43]), cu canale de circulație a uleiului pe aproape întreaga suprafață a patinei (aceasta este realizată cu o geometrie determinată prin calcul și realizată – practic – prin răzuire manuală și foarte atent veri­ficată – individual și întregul sistem de patine, pe toate pistele).

NOTA 11: Din cauza costurilor și a problemelor tehnologice, acest tip de lagăre se utilizează:

  • în cazuri în care sunt necesare atât o rigidi­tate, cât și o precizie ridicată a mișcării;
  • atunci când dimensiunile nu permit utiliza­rea rulmenților (limitați dimensional de probleme tehnologice).

Utilizând sustentația hidrostatică pentru platou­rile de strunguri carusel se pot obține performanțe deosebite:

  • viteze periferice de ordinul a 25 m/s, în regim de frezare, sau de peste 40m/s în regim de rectificare;
  • antrenarea platoului se poate face cu motoare (chiar peste puterea de 200 kW) sau cu arbore motorizat la rectificări,
  • lăgăruirea pivotului (arborele principal) se face cu un rulment cu două rânduri de role cilin­drice, pentru a permite deplasarea axială la realiza­rea peliculei hidrostatice (de ordinul a 0,02 mm).

În [39] se prezintă un platou cu Ø1650 mm, la care bătaia axială este garantată la 6 μm, iar cea radială la max.3 μm.

În ultimii cca 5 ani au apărut soluții noi de aplicare a principiilor sus­tentației hidrostatice:

  • la mașini orizontale de alezare și frezare, la care arborele de alezare este sustentat hidrostatic în arborele de frezare: soluția HYDROQUIL [49], LHB [50] (figura 42.a,b);
  • la strunguri orizontale și la mașini de rectificat [51] se realizează rigidități radiale de peste 1000 N/μm și turații de până la 7000 rot/min, sau chiar 35000 rot/min (arbore de rectificare a arborilor cu came).

 

2.3 Lagăre pe rulmenţi

La cap. 2.1 de mai sus am specificat faptul că la lagărele hidrodinamice se pot obține rigidități radiale foarte mari, care le depășesc cu mult pe cele măsurate la mașini-unelte. Din experiența proprie, din măsurările efectuate pe diverse mașini-unelte (românești și străine), din literatura de specialitate și din discuții cu specialiști străini a rezultat că se consideră sisteme performante (ansambluri de diferite tipuri ale mașinilor-unelte, inclusiv siste­mele de lăgăruire) cele a căror rigiditate este de min 100 N/μm. Prin sisteme înțeleg, aici, ansambluri.

NOTA 12: Rulmenții de superprecizie montațI  în tandem (montaj în O sau < >, sau back-to-back=spate în spate), cu alezaje de la 150 la 340 mm, au o rigiditate radială de la 150 la 300 N/μm la pretensionare ușoară (condiție obligatorie pentru atingerea turațiilor înalte) și de cca 300 la 570 N/μm la pretensionare ridicată (necesară la utilizarea regimurilor grele de așchiere).

 Cum rigiditatea totală se determină cu relația:

Rt este rigiditatea totală a sistemului;

Ri este rigiditatea fiecărei componente,rezultă că rigiditatea totală va fi mai mică decât rigiditatea componentelor individuale, fără a mai considera rigiditatea îmbinărilor dintre compo­nente, care este o cu totul o altă (mare) problemă (foarte complexă).

Mașinile-unelte grele din familia mașinilor orizontale de alezare și frezare folosesc, în prezent, aproape exclusiv, rulmenți radiali – axiali cu bile (rulmenți cu contact unghiular), de mare precizie (figura 40.a,b [31]). Pentru a putea funcționa la turații ridicate, una din condiții este ca preîncărcarea rulmenților să fie în clasa ușoară. Acest lucru face, însă, ca ansamblul să aibă o rigiditate mai mică decât cea care ar fi necesară la așchierea cu regimuri grele (degroșări). Constructorii de mașini-unelte au rezolvat problema „conflictului” turație ridi­cată – rigiditate în două moduri: n mașina poate funcționa la turațiile mari, dar o perioadă limitată de timp (20 – 30 min.), după care trebuie urmate recomandările producătorului (perioada de staționare etc); n au lăgăruit arbo­rele principal cu rulmenți radial – axiali cu role conice, dintre care cel din partea posterioară este cu preîncărcare variabilă, care poate fi reglată prin comanda numerică, în funcție de regimul de funcționare a mașinii (figura 41 [31] GIDDINGS & LEWIS). În diagramă se prezintă și modul de variație a presiunii de reglare a preîncărcării rulmentului, în funcție de turația arborelui principal.

Împreună cu o echipă complexă, am reușit să realizăm sisteme de lăgăruire pentru arbori de mașini de alezare și frezare, care au permis rotirea continuă a acestora la turații care asigurau o viteză periferică de aproape 20 m/s a arborelui de alezare. Încercările, reglajele s-au făcut, inițial, pentru obținerea funcționării la o temperatură stabilizată a lagărelor din față cât mai mică (aceasta a fost cu cca 15oC peste temperatura mediului). Ulterior, s-au făcut verificări timp de multe ore la turația maximă, cu aceleași rezultate.

În aproximativ aceeași componență a echipei complexe, am abordat problema creșterii turației maxime a arborelui principal (inclusiv a arborelui de alezare) astfel încât viteza sa periferică să fie de min. 20 m/s. Problema s-a pus inclusiv pentru mașini din categoria celor supergrele.

În principiu, nu s-au făcut modificări ale cutiilor de viteze, acționându-se doar asupra componentelor sistemului de lăgăruire. Au fost luate în considerare următoarele elemente:

  • sistemul de lăgăruire (tipurile, numărul, și modul de montare a rulmenților);
  • sistemul de ungere a rulmenților și de evacuare a uleiului din zonele rulmenților;
  • dimensiunile reale ale rulmenților (indicate de producător pe inele);
  • coroborarea dimensiunilor reale și a toleranțelor dimensionale, de formă și de poziție, rugozitatea componentelor cu cele ale rulmenților și cu recomandări speciale, specifice arborilor cu viteze de rotire ridicate.

Urmărind cu foarte multă atenție și colaborând cu toate compartimentele (proiectare, tehnologic, execuție, verificare, montaj, reglaje și verificări funcționale), elaborând procedurile de lucru specific (scopului, condițiilor, posibilităților) s-a ajuns la următoarele rezultate:

  • turații între 2400 și 3000 rot/min, cu funcționare continuă, fără oprire, timp de 8 ore,
  • temperatura lagărelor s-a stabilizat după 2-3 ore de funcționare, la o valoare de cca 15oC peste temperatura mediului.

În comparație cu platoul cu arbore motorizat bazat pe principiul SDD (capitolul 1.6 din numărul 1/2016 și figura 23. b), care are nevoie doar de un lagăr radial, platourile realizate cu motoare sincrone (figura 43 [36]) au nevoie de o lăgăruire cu rulment radial – axial cu role cilindrice sau radial – axial pretensionat [18].

NOTA 13: Lăgăruirile din [36], fie că sunt cu role, fie că sunt cu bile sunt cu elemente de rostogolire ceramice (rulmenți hibrizi).

Pentru strunguri și mașini de frezare având arbori principali motorizațI se folosesc diverse soluții de lăgăruire cu rulmenți:

  • chiar în cadrul aceleiași firme, pentru diverse mașini se folosesc

● rulmenți cu bile cu contact unghiular în față și un rulment radial cu două rânduri de role cilindrice și alezaj conic în spate (figura 44 [14]);

● 2 perechi de rulmenți radiali – axiali cu bile în față și în spate, ambele montate în O (< > = back – to – back) (figura 45 [42]);

  • la arborele motorizat al unui centru de prelucrare vertical se folosesc, în față, două perechi de rulmenți radial – axiali cu bile în montaj O, iar în spate este o altă pereche de același tip de rulmenți, în același tip de montaj (figura 46 [33]).

Accesoriile care înglobează cel puțin 2 axe de rotație, utilizează:

  • la arborele motorizat portsculă – un tandem de 2+2 rulmenți cu bile cu contact unghiular, montați în O (figura 47 [52;5;53]);
  • la rotirea/bascularea axelor comandate numeric (C și A) se utilizează rulmenți radiali – axiali cu role (conice) în cruce, indiferent dacă accesoriul este cu cap de frezare universal [52], cu axă basculantă [53], sau radial – axiali pretensionați [18].

O altă soluție de lăgăruire este prezentată în figura 48 ș26ț, care utilizează la lagărul din față trei rulmenți cu bile cu contact unghiular în montaj / \\. Arborele motorizat este de tip „casetă”, care este lăgăruit în spate într-un lagăr (neprecizat ca tip) amplasat în carcasa mașinii (la fel ca și în [27;54].

Soluția prezintă cel puțin două avantaje:

  • nu trebuie intervenit la înfășurarea statorului;
  • timpul necesar înlocuirii arborelui motorizat este mult mai mic decât în cazul unor modele anterioare.

Cu titlu informativ, vreau să menționez faptul că mai există și alte sisteme performante de lăgăruire a arborilor principali:

  • sustentație aerostatică;
  • sustentație magnetică.

Nivelul limitat de răspândire a acestor tipuri este cauzat de o serie de factori, printre care:

  • tehnologii sofisticate de prelucrare a componentelor și software;
  • prețul de cost.

Lagărele cu sustentație magnetică se utilizează cu succes în alte domenii, care au echipamente în mișcare de rotație (industriile petroliere și de gaz, generatoare de putere, turbocompresoare etc).

Lagărele aerostatice se folosesc în domenii ca: mașini de măsurat în coordonate, echipamente de testare, mașini-unelte ultraprecise și cu viteze de rotire foarte mari etc.

Dacă prețul nu este un impediment în atingerea scopurilor, avantajele oferite de aceste sisteme sunt evidente:

  • durată de viață, teoretic, nelimitată;
  • funcționare fără vibrații și fără frecare;
  • precizie axială și radială ridicate;
  • nu se folosesc lubrifianți și, ca atare, nici instalații de termostatare a acestuia etc.

BIBLIOGRAFIE

1-             BECKER, Sylke- Press release: EMO Hannover 2013 will showcase „Intelligence in Production”;

2-             SCHÄFER, Marlies- VDMA: „Producing more intelligently” boosts the competitivenes of German industry;

3-             *** DSEI: Setting a new benchmark; PRODUCTION ENGINEERING SOLUTIONS, August 2013;

4-             *** German quality at the right price; PRODUCTION ENGINEERING SOLUTIONS, August 2013;

5-             *** CyteC SYSTEMS: CyMill; flyer 38.2011;

6-             *** GROB motor spindle; GROB International Trade Fair Edition; EMO 2013 Production highlights;

7-             *** Vertikal – Drehzentren; One stop solution for metal cutting; HURON; cat. 2013-09:

8-             *** MAZAK: HCN –Horizontal center VEXUS; cat. 99J324705 E0

9-             *** MAZAK: MAZATECH FH-680 Horizontal machining center; cat. FH680 99J306696E1;

10-          *** MAZAK: Touch the future;

11-          *** MAZAK: Horizontal center NEXUS II series; cat. 99J325506E3;

12-          *** MAZAK: QUICK TURN 6G; cat. 99J114996E2;

13-          *** MAZAK: QUICK TURN 6T; cat. 99J115296E2;

14-          *** MAZAK: QUICK TURN 10; cat. 99J109595E2;

15-          *** MAZAK: INTEGREX 30&35; cat. 99J108194E1;

16-          *** YCM: TOTAL SOLUTION; cat. 062012 NE03-2000;

17-          *** EDEL : ROTA MILL-High Performance mit 6 Achsen, Ausgabe 09/2013;

18-          *** EDEL : 5 Axis Performance MULTI MILL; Edition 03/2013;

19-          *** FAHRION PRÄZISION – Press release EMO 2013;

20-          *** SKF: SKF Life Cycle Management: Expert support-for the lifespan of a machine; Press information;

21-          *** SKF: Maintenance and optimization: SKF spindle service ensures more efficient machine tools; Press release;

22-          *** SKF: Energy Efficient Microdosage Lubrication system for High-Speed Spindles; Press release;

23-          *** SKF: SKF ECONOMOS presents intelligent sealing solutions for longer machine up-time at EMO; Press Release;

24-          *** SIGMA: FLEXI-Simultaneous 5-axes vertical machining centres; cat. MOD.04-E;

25-          *** DMG MORI SEIKI : NLX 1500/NLX 2000; cat. NLX 1520-EA05-1ABD;

26-          *** DMG MORI SEIKI : NL Series; cat. NL-EG10-1ABD;

27-          *** DMG MORI SEIKI : NHM Series, cat. NHM-ED01-1ABD;

28-          *** ZF: Presseinformation: Higher Performance: ZF Develops new Duoplan Hollow Shaft Drives for Machine Tools;

29-          *** ZF: Presseinformation: High Speed or High Torque? Both!

30-          ALBERELLI, Laura: La potenza nascosta delle macchine; In Motion; 1, settembre-ottobre 2013;

31-          GORNIC, Corneliu: Târgul de maşini unelte Hannover 2005; Raport Tehnic (document intern, nepublicat).

32-          GORNIC, Corneliu – Parameters constancy-much more important than their values; Proceedings in Manufacturing Systems, vol. 9, Issue 1,2014; Romanian Academy;

33-          HURON: One Stop Solution for metal cutting; cat. 01k-3;2013-09;

34-          *** VIGEL: PLATFORM 5 – 5 Axes Multispindle Horizontal Machining Centers; TW.TR.QD 500/SP;

35-          *** DMG MORI SEIKI: DMU/DMC monoBLOCK® series;

36-          *** CyteC Systems: CyTurn (04/2008);

37-          *** DMG MORI SEIKI: NMV 5000 DCG/NMV 8000 DCG; cat. NMV-ECO 1ABV;

38-          *** Chiron: 24 series (09/13);

39-          *** ITRI (Industrial Technology Research Institute): Fation Design;04-22338796;

40-          *** MAZAK-Vertical center SMART 430A (07/2000); cat. S99J252710EO;

41-          *** MAZAK-High-Precision, High-Efficiency Integrated Mill Turn Center NT 6600 DCG; cat. NT6600-ECO 5 ABV;

42-          *** DMG MORI SEIKI: SPRINT 50/60 Next Generation; cat. PRO.05 992-071 UK;

43-          *** press.danobatgroup.com/vertical-lathes-hydrostatic technology/

44-          *** www.hilgert.ch

45-          *** www.elha.de

46-          *** www.zollern.de

47-          *** youtube.com

48-          *** SKF-Super-precision angular contact ball bearings: High capacity 719...D(SEB) and 70...D(Ex) series;

49-          *** HYDROQUIL – Arbore de alezare cu sustentaţie hidrostatică FPT;

50-          *** LBH-LAZATTI hydrostatic; www.lazatti.eu/index.php/products/floor-type;

51-          *** HYPROSTATIC – Hydrostatic Spindles;

52-          *** CyMill; G30 UNIVERSAL;flyer g30-45-2010;

53-          *** CyMill: M21 GABEL/FORK; flyer m21-2010;

54-          *** DMG MORISEIKI: MAX3000; cat. EAO3-1ABD;

55-          *** DMG MORISEIKI: NT6600 DCG; cat. ECO5 ABV;

56-          *** STAUFF: Reliability that pays for itself; Press Release; June,6,2013;

57-          *** STAUFF: Early identificationof contamination; Press Release; August,19,2013;

58-          *** LOSMA: Losma takes part at EMO Hannover;GORNIC, Corneliu: Bearing area – what it means and how to handle it; Proceedings in Manufacturing Systems; vol.6, issue 1, 2011, Editura Academiei Române, pp.53-59;

60-          *** MAZAK: INTEGREX  eII series; cat. T99J154705EO;

61-          *** MAZAK: NEXUS II series; cat.T99J325506E3;

62-          *** DMG MORI SEIKI: NVX 5000 II series; cat. EBO4-1ABD;

63-          *** DMG MORI SEIKI: NLX 2500; cat. EB14ABV;

64-          *** ETP Transmission AB: ETP HYDRO-GRIP Hydraulic high precision toolholders;

65-          *** FAHRION Vertriebs GmbH; The collet chuck- on all-rounder for milling applications; Press Release EMO 2013;

66-          *** CyTec Zilindertechnik GmbH:Spantechnik; Ausgabe 9/2007;

67-          *** www.Vortec.com: Cold air guns;

68-          *** www.exair.com : Cold gun aircoolant systems;

69-          *** www.nex-flow.com/tool-cooling.htm;

70-         *** TIMKEN: Where you turn (e-catalogue).


Corneliu Gornic este Preşedinte PROFEX, Centru de Dezvoltare Tehnologică



Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.

Da, sunt de acord