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

Masini-Unelte

de Corneliu Gornic

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

Intelligence in Production” (Inteligenţă în producţie) a fost motto-ul ediţiei din 2013 a Târgului Internaţional de Maşini-Unelte EMO Hanovra 2013. În conformitate cu această sintagmă, producătorii de maşini-unelte, de ansambluri şi de componente pentru acestea sau furnizorii de alte tehnologii incluse în ceea ce se numeşte „tehnologia construcţiilor de maşini”, încearcă să ofere soluţii beneficiarilor acestor produse, în concordanţă cu principiile acestui concept. În acest sens, a produce „mai inteligent” înseamnă „cea mai bună economie” [2].

Arbori principali ai maşinilor-unelte

Încep abordarea acestor aspecte cu prezentarea problemelor legate de arborele principal al mașinii-unelte. Mai întâi, voi face următoarele precizări:

  • Arborii principali ai mașinilor-unelte pot acționa fie piesa de prelucrat, fie scula.
  • O mașină-unealtă poate avea mai mulți arbori principali, fie pentru antrenarea pieselor, fie a sculelor.
  • În prezentare voi utiliza termenul de arbore motorizat ca echivalent în limba română al termenului englezesc direct drive (acționare directă - în traducere mot à mot).

1.      Sisteme de angrenare

Diversitatea materialelor care trebuie prelucrate pe o mașină-unealtă (cu rare excepții, prezente în cadrul producției de serie mare sau de masă), a tipurilor de suprafețe, a dimensiunilor acestora, a condițiilor impuse suprafețelor (în special rugozitatea) impune necesitatea reglării vitezei de rotire a arborelui principal (portpiesă sau portsculă, sau a ambilor). Domeniul de reglare (raportul dintre valoarea minimă și cea maximă a turației), valoarea maximă a turației (care este diferită de viteza de așchiere – conform notei de mai jos), finețea reglării (gradul de apropiere a turației reale față de cea care rezultă din procesul tehnologic, sau posibilitatea variației acesteia față de cea rezultată din tehnolo- gie pentru evitarea apariției vibrațiilor în prelucrare) etc. au constituit întotdeauna preocupări ale producătorilor de mașini-unelte.

Notă: Viteza de așchiere se calculează cu relația: v=ΠDn/1000 [mm/min] sau v=ΠDn/1000.60 [mm/s], unde: D - diametrul suprafeței de prelucrat/al sculei [mm]; N - turația piesei/sculei [rot/min].

1.1.  Cutii de viteze cu mai multi arbori

Până acum 30-40 de ani, printre singurele și posibile metode de reglare a turațiilor erau cutiile de viteze cu (multe) roți dințate, cu (mulți) arbori intermediari, cu baladori cu acționare manuală, hidraulică sau cu cuplaje electromagnetice (fig. 1.a,b) [31].

Exemplele prezentate - cutii de viteze cu 2 și, respectiv, 4 trepte de turații – se referă la antrena rea arborelui principal (arbore de alezare) al unei mașini orizontale de alezare și frezare. Aceste cutii de viteze utilizează:

  • un motor sincron/asincron cu o singură viteză;
  • o carcasă în care sunt lăgăruiți arborii intermediari (utilizând rulmenți de diferite tipuri),
  • roți dințate fixe, baladori sau cuplaje electro- magnetice;
  • sisteme de ungere etc.

FIGURA 1 (a, b)

În principiu, randamentul unei transmisii prin roți dințate (un angrenaj) este de ordinul a 0,85-0,9, iar al unui rulment de 0,95-0,98. Restul este energie pierdută, care se transformă în căldură (sau vibrații), care se transferă treptat întregii structuri.

Perioada necesară stabilizării temperaturii se numește regim tranzitoriu. În toată această perioadă poziția axei arborelui principal variază atât în direcție radială (care poate fi evaluată în două planuri reciproc perpendiculare), cât și în direcție axială, conducând la ceea ce se numește deformație termică.

Aceasta continuă chiar după ce temperatura lagărelor (a rulmenților) arborelui principal s-a stabilizat. Deformația termică a (axei) poziției arborelui principal influențează precizia de prelucrare (a suprafețelor cilindrice coaxiale, a suprafețelor plane etc). La mașinile-unelte universale condițiile de prelucrare presupun rotirea arborelui principal la diferite turații, pe durate de timp diferite, ceea ce complică și mai mult comportarea termică a acestuia (variația în timp și spațiu a axei sale de rotire).

Din experiența proprie, la rotirea în gol - adică în lipsa forțelor de așchiere – a arborelui principal la turația maximă, la mașinile-unelte cu acest tip de cutii de viteze se consumă cca. 60% din puterea nominală a motorului de antrenare. La turații mici ale arborelui principal consumul de putere la rotirea în gol este de ordinul a 20% din puterea nominală a motorului de antrenare.

1.2.  Cutii de viteze cu curele dintate

O variantă simplificată de cutii de viteze pentru același tip de mașină-unealtă este prezentată în fig.2 [31], și este compusă:

  • dintr-un motor electric cu turație reglabilă;
  • dintr-un reductor cu două trepte mecanice;
  • dintr-o transmisie cu curea dințată.

Reductorul dublu de turație – cel cu două trepte plus cel cu curea dințată – are ca scop mărirea momentului capabil, necesar operațiilor de frezare grele (degroșări ale unor piese turnate, forjate).

O simplificare suplimentară este prezentată în fig.3.a [15], în care motorul este alimentat printr-un sistem cu variația frecvenței de alimentare, iar transmisia (reductorul) cu curea dințată servește la creșterea momentului capabil.

Trecerea la arborele motorizat (direct drive), fig.3.b [15], reprezintă un (mare) pas înainte pen­tru acționarea arborilor principali, din mai multe puncte de vedere (pe care le voi expune în articolul din numărul viitor).

Am avut ocazia să reparăm și să modernizăm, împreună cu echipa, diverse mașini-unelte produse în anii '70 ai secolului trecut.

Printre problemele puse au fost:

  • simplificarea cutiilor de viteze reutilizând construcția existentă;
  • creșterea randamentului;
  • creșterea posibilităților de reglare a turației (domeniu, finețe).

S-au găsit și s-au realizat următoarele soluții:

  • s-au (re)folosit motoarele asincrone originale, dar alimentate prin intermediul unui sistem de variație a frecvenței de alimentare;

NOTA: Motoarele asincrone clasice, cu sistem de ventilație înglobat (care are aceeași turație cu arborele motorului), au două limite:

  • una superioară, de ordinul a 125% din turația nominală, limită determinată de fenomene dinamice (în special de echilibrarea elementelor în mișcare de rotație, de ungerea rulmenților etc);
  • una inferioară, de ordinul a 50% din turația nominală, determinată de debitul aerului de răcire generat de ventilatorul înglobat.
  • simplificarea semnificativă a structurilor cinematice, con­structive ale cutiilor de viteze (de exemplu reducerea numărului de roți dințate de la peste 20 la doar 6) și restructurarea unor transmisii (la un alt caz, s-a modificat sistemul de montare a roților dințate pe arbori, prin solidarizarea roților dințate „libere” cu arborele corespunzător prin mijloace mecanice rigide, eliminând cuplajele cu lamele) etc.

Prin aceste metode

  • s-au redus costurile modernizării (s-au refolosit componentele existente);
  • s-a mărit randamentul (au fost diminuate frecările);
  • s-a redus nivelul de zgomot etc.

Metodele au fost aplicate unor mașini de găurit în coordonate (la care eroarea de afișare a fost de ±1μm, dar aceasta va fi o altă „poveste”!), la un strung carusel etc. (toate de fabricație străină).

Cred că ar fi de interes să prezint o realizare a unei firme românești de mașini-unelte cu care am colaborat la obținerea unor performanțe tehnice deosebite.

Prin cererea de ofertă s-a solicitat, și firma constructoare a acceptat, printre alte caracteris­tici, o turație a platoului unui strung carusel care corespundea unei viteze periferice de peste 30m/s (similară pietrelor mașinilor de rectificat). Am anali­zat, împreună cu colegii din departamentul de proiectare, soluția unei cutii de viteze cât mai simple, mai compacte. În cursul analizei s-a constatat că vitezele periferice ale unor roți dințate depășeau valoarea de 20m/s. În conformitate cu informațiile și cunoștințele dobândite, în acest caz:

  • roţile dinţate trebuiau să fie executate în clasa de precizie 4 (cel puțin), conform standardului german DIN;
  • precizia de execuţie a carcasei (precizie dimensională, abaterile de formă și de poziție) a ținut cont de alte limite decât cele specificate în cataloagele generale de rulmenți,
  • arborii, bucşele distanţier, îmbinările filetate au fost realizate la precizii superioare celor obișnuite și au fost specificate în mod expres în documentația de execuție, dar s-au purtat și discuții „la obiect” cu echipele de execuție și de montaj;
  • ungerea roţilor dinţate a ridicat probleme legate de accesul lubrifiantului între dinții roților în angrenare, din cauza curenților de aer etc.

La efectuarea verificărilor funcționale s-a atins turația respectivă fără nicio problemă, zgomotul produs de cutia de viteze fiind mult sub valorile standard admise. A apărut o problemă deosebită la transmisia cu curea dințată. Din cauza vitezei mari, a puterii mari de transmis, cureaua avea o lățime mare. Acești factori au făcut ca dinții curelei să for­meze, împreună cu șaibele de curea (toate executate și livrate de firmă de marcă) pompe de aer compri­mat. Se producea un zgomot care depășea valoarea de 130 dB(A), valoare cu mult peste limitele admise conform normelor de protecție a muncii. În această situație există două soluții care pot rezolva problema zgomotului:

  • practicarea, de către firma producătoare a curelei, a unor găuri în aceasta (numărul, dimen­siunea, pasul etc se execută de către producătorul curelei, în funcție de condițiile de funcționare). Nu este deloc recomandat ca operațiunea să fie efec­tuată de către utilizator, pentru că nu are experiența „parametrilor” găurilor și, în plus, există pericolul secționării fibrelor de armare, ceea ce ar conduce la diminuarea puterii capabile a curelei, la ruperea/deteriorarea mai rapidă a acesteia;
  • „secţionarea” curelei, adică utilizarea a două sau mai multe curele identice, dar mai înguste. Suma lățimilor acestora corespunde puterii maxime de transmis (trebuie respectate indicațiile de calcul de dimensionare ale producătorului curelei).

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;

59-          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

Acest site web utilizează module cookie în scopuri funcţionale, de confort şi statistică.

Dacă sunteţi de acord cu această utilizare a modulelor cookie, faceţi clic pe "Da, sunt de acord". Termeni si conditii

Nu sunt de acord Accept doar cookie functional Da, sunt de acord