Sisteme de avans (V) - Aspecte de ordin tehnic

Masini-Unelte

de Corneliu Gornic

Sisteme de avans (V) - Aspecte de ordin tehnic

Prezentarea problemelor din suita de articole referitoare la mașini-unelte și la diversele lor sisteme destinate unei bune funcționări au ca scop îndrumarea unui potențial utilizator în „dialogul” său cu furnizori de mașini-unelte. Sper ca informațiile oferite să poată fi utilizate atât pentru satisfacerea necesităților beneficiarului (utilizatorului) cât și pe cele ale producătorului, care să furnizeze o mașină-unealtă „pe gustul clientului”, adică să satisfacă cerințele acestuia sau chiar să vină în întâmpinarea unor cerințe/necesități viitoare.

Pentru a fi mai exact, enumăr încă o dată (fără a considera că aceste reluări ar dăuna eforturilor de orientare a utilizatorului mașinii-unelte, care s-ar putea să nu fie un specialist în domeniu) câteva dintre condițiile pe care trebuie să le satisfacă o mașină-unealtă în exploatare:

 I. Menținerea preciziei de prelucrare

  • în timp;
  • în întregul spațiu de lucru;
  • în diverse condiții de lucru                      
    • la variația condițiilor de mediu; 
    • la variația condițiilor de lucru (forțe ca mărime, direcție, sens și punct de aplicare, viteze de deplasare sau de așchiere);
    • menținerea pozițiilor relative ale ansamblurilor funcționale (sau piesă/sculă) în timp și spațiu, în conformitate cu standardele de precizie (la verificarea în gol, adică în lipsa forțelor de așchiere).

II. Productivitate, care include diminuarea

  • timpilor de prelucrare;
  • timpilor auxiliari.

III. Creșterea valorii de întrebuințare a produselor realizate cu mașina-unealtă (satisfacerea unor nevoi reale-declarate și garantate o perioadă rezonabilă, care depinde și de „modă”, de caracteristicile energetice, adică de consumul de energie pe unitatea de produs realizat, de consumul de material etc.), care înglobează componentele realizate pe mașina-unealtă.

IV. Flexibilitate, care include

  • varietatea formelor și preciziei suprafețelor prelucrate, inclusiv rugozitatea acestora;
  • diversitatea materialelor prelucrate (și satisfacerea cerințelor privind condițiile de așchiere);
  • variația mărimilor loturilor de fabricație, incluzând și unicatele.

  • Figura 14

Toate aceste elemente sunt „verigi” ale unui lanț tehnologic și, ca în cazul oricărui lanț, acesta cedează din cauza celei mai slabe verigi. Din acest motiv, la alegerea unei mașini-unelte trebuie să se țină cont de o multitudine de factori, a căror agregare poate conduce la satisfacția utilizatorului și la crearea unei imagini favorabile sau a încrederii în producător.

În acest sens, fiecare episod prezintă una dintre verigile care definesc ceea ce trebuie să reprezinte mașina-unealtă solicitată/oferită.

  1.  Creșterea preciziei de deplasare

Specificam în [29] faptul că este mult mai importantă constanța unui parametru decât valoarea sa instantanee. Existența unei variații constante în timp și spațiu dă posibilitatea compensării unor mici variații ale parametrului respectiv, obținându-se o constantă acceptabilă a comportării ansamblului. Acesta este și cazul ghidajelor unei mașini-unelte, indiferent de tipul acesteia. Batiul, ca structură portantă a întregii mașini (în majoritatea cazurilor) are o mare importanță. Factorii care definesc comportarea batiului se referă la:

  • tipul ghidajelor (de alunecare, de rostogolire, hidrostatice ș.a.);
  • dimensiunile acestora;
  • amplasarea lor pe batiu pentru realizarea unei suprafețe de reazem suficient de mare;
  • poziția lor unghiulară în raport cu axele de coordonate.

Utilizarea unor batiuri cu ghidaje înclinate (30°) îmbunătățește precizia de prelucrare și capacitatea de așchiere. Se utilizează ghidaje prismatice datorită faptului că diminuează vibrațiile [10]. La un centru de prelucrare vertical, se utilizează un montant deplasabil pe ghidaje înclinate. Cele două soluții asigură prelucrarea cu precizie ridicată a pieselor cu diametru mare. Dacă se utilizează ghidaje înclinate la o traversă de la un centru de prelucrare vertical, acest fapt echilibrează (o distribuție îmbunătățită) eforturile care apar în prelucrare. Soluția oferă și o stabilitate mai mare la deplasarea traversei. Ghidajele păpușii unui centru de prelucrare orizontal sunt realizate cu restricții pe 8 fețe. Soluția asigură absorbția favorabilă a forțelor de așchiere, îmbunătățind condițiile de așchiere grele, asigurând o precizie pe termen lung și o rugozitate foarte bună a suprafeței prelucrate (figura 14) [10]. Principiul ghidajelor înclinate se utilizează și la un centru de prelucrare orizontal, la care montantul este mobil. Se asigură o rigiditate mărită, pe întreaga cursă a acestuia.

La realizarea unui centru de prelucrare pe structura unui strung paralel s-au introdus noutăți interesante:

  • batiul este înclinat la 45° și se folosesc trei ghidaje de rostogolire pentru deplasarea unei turele portscule acționate (poziționarea turelei și acționarea sculelor se fac cu servomotoare);
  •  mașina este echipată cu o axă Y reală, care constă dintr-un montant deplasabil pe batiu și pe care se deplasează păpușa cu axă verticală, care acționează o altă sculă (figura 15)

  • Figura 15

În [30] se analizează diferite cazuri referitoare la suprafața de reazem, inclusiv distribuția suprafețelor de contact și efectul asupra suprafeței de reazem.

  • Figura 16

Sistemul Dynamic CNC Ram Balancing (patentat) ia în considerare precizia geometrică a deplasării culisei – rectiliniaritate și paralelism – la deplasarea pe verticală a păpușii și longitudinală a culisei și este deosebit de util pentru mașini echipate cu capete de lucru schimbabile. Mecanismul constă dintr-un sistem electromecanic comandat CNC, asamblat în interiorul saniei verticale, și folosește un traductor de deplasare liniar. Se mărește precizia, în special la echiparea cu un sistem de schimbare automată a capetelor de lucru, permițând corectarea automată a abaterilor culisei, indiferent de greutatea capetelor de lucru (figura 16) [3].

Culisa este susținută și ghidată prin intermediul a 16 buzunare hidrostatice, ceea ce asigură susținerea enormei sale greutăți, rigiditatea și precizia deplasării. În culisă este montată axa C, care asigură poziționarea unghiulară continuă și care poate fi blocată hidraulic. Ca variantă, axa C poate fi utilizată și la prelucrarea suprafețelor complicate.

Se utilizează ghidaje hidrostatice și la deplasările portalului, și ale saniei transversale pe traversă. Cursele sunt măsurate cu traductoare, iar acționarea este realizată cu motoare digitale răcite cu apă. Deplasarea mesei (axa X) se realizează cu un mecanism pinion dublu/cremalieră [9] (figura 20).

Structurile simetrice oferă o serie de avantaje: viteze de deplasare, precizie, stabilitate și accelerație mai mari. Aceleași avantaje sunt oferite și de structuri box-in-box (cadru închis), inclusiv prin acționarea cu două șuruburi cu bile. Utilizarea ghidajelor de rostogolire permite obținerea unor viteze de deplasare de ordinul a 60 m/min, cu accelerații de 0,8 – 0,9 g [11]. O analiză detaliată a soluțiilor privind acționarea simetrică a elementelor mobile (păpușă mobilă, chiar montanți) este prezentată în [68] și prezentată ca variantă în figura 17.

  • Figura 17

  • Figura 18

O metodă eficientă de evitare a erorilor Ernst ABBE (generate de existența distanței dintre planul de măsurare a deplasării și cel în care are loc deplasarea) și a unor abateri de rotire (în special girația sau precesia – rotirea după o axă perpendiculară pe planul de deplasare) este amplasarea cât mai apropiată posibil a ghidajului, a șurubului cu bile și a traductorului (figura 18) [68].

Chiar dacă măsurarea deplasării ansamblului mobil se face direct, indiferent de tipul traductorului, modul de comportare a șurubului cu bile poate influența rezultatele preciziei de deplasare, fără a mai lua în considerare probleme de uzură neuniforme, consumuri de energie, abateri geometrice. Prin modul lui de funcționare, șurubul cu bile are zone de solicitare intensă – mecanice, termice. Acestea sunt zonele de contact cu piulița și lăgăruirile. Dacă în cazul acestora din urmă problema a fost, în mare parte, rezolvată de producătorii de rulmenți (tipuri specifice, dedicate, care asigură și rigiditate mare a sistemului de lăgăruire, și condiții de lubrifiere care mențin temperatura ansamblului în limite acceptabile) și de recomandările făcute producătorilor de mașini-unelte, problema menținerii constante a temperaturii piuliței a fost rezolvată într-un alt mod.

  • Figura 19

Răcirea piuliței șurubului cu bile diminuează dilatările termice, iar utilizarea unui diametru mai mare al șurubului cu bile asigură posibilitatea creșterii eforturilor de așchiere (cu menținerea condițiilor funcționale), îmbunătățind randamentul motorului de acționare (figura 19) [10].

  • Figura 20

La mașini-unelte, grele se utilizează curse pe axele comandate de lungimi ce pot ajunge la zeci de metri. Din experiența unor companii, acționarea cu șuruburi cu bile se face pentru lungimi ale curselor comandate numeric până la 4500 mm. Peste această lungime de cursă, se utilizează transmisii de tip pinion dublu cremalieră (figura 20) [68]. Acționarea este realizată cu motoare individuale, câte unul pentru fiecare pinion. Motoarele funcționează în regim master – slave, cu preîncărcare și comanda electronică a acestora, în funcție de sensul de deplasare a elementului mobil acționat (în cazul de față, un montant).

Pentru satisfacerea solicitărilor utilizatorului, se caută înțelegerea profundă a provocărilor venite din partea beneficiarilor. Se încearcă găsirea unor modalități care să asigure succesul și care sunt realizate conform cerințelor individuale, oferind o nouă valoare. Abordarea este multidisciplinară și se iau în considerare toți parametrii de dezvoltare, cum sunt materialele, funcționalitatea și prețul.

Una dintre problemele prioritare ale constructorului de mașini-unelte este de a oferi beneficiarului un ansamblu cu o durabilitate cât mai mare sau, mai exact, de a-i oferi acestuia componente cu aceleași caracteristici comportamentale pe întreaga durată de exploatare.

NOTĂ: Din informații mai vechi (pe care nu le-am putut verifica din surse independente), ar rezulta că producătorii japonezi de automobile au reușit să dimensioneze (din punct de vedere constructiv, din punctul de vedere al comportării, al condițiilor etc.) componentele unui automobil de așa manieră încât atunci când anumite componente încep „să cadă”, urmează defectarea în cascadă a majorității componentelor funcționale.

Printre elementele cele mai sensibile la uzură prematură, neuniformă, sunt ghidajele. Conform unei teorii a uzurii (Nam SUH), pe care am verificat-o parțial, mecanismul cu ponderea maximă în valoarea coeficientului de frecare îl reprezintă ruperea unor asperități. Ruperea are loc cu dezvoltarea unor temperaturi ridicate, care conduc la călirea particulelor rupte la o duritate mai mare decât cel puțin a uneia dintre componentele în mișcare de deplasare relativă (suprafețele de ghidare). În condiții normale (la realizarea ghidajelor cu materialele și tehnologiile actuale) de funcționare, aceste particule dure provoacă, prin fenomenul de abraziune, canale în direcția de deplasare pe cel puțin una dintre componente – cea cu duritate mai mică (gripaj).

Fenomenul conduce la accelerarea uzurii (uneori, locală), la creșterea consumului de putere, la dezvoltarea unei temperaturi locale, care, la rândul ei, produce deformații locale cu „alaiul” de fenomene negative în creștere.

Printre soluțiile găsite și adoptate, menționez:

  •  soluția Nam SUH, care a creat „capcane de particule”, prin caroierea uneia dintre suprafețele cu mișcare de alunecare relativă sub forma tablei de șah; unele pătrățele aveau duritatea diferită de ale altora și, în plus, erau prelucrate la o adâncime de sub 1mm. În cercetări pe care le-am efectuat în anii 1980 cu materiale ceramice sinterizate am constatat că materialele realizau prin procedeul tehnologic aceste „capcane de particule”. Ca rezultat, în condiții de deplasare relativă fără lubrifiant, sau de lubrifiere cu apă sau ulei, într-un anumit domeniu de viteze de deplasare relativă, coeficientul de frecare a variat între 0,007 și 0,003, valori care sunt inferioare chiar frecării de rostogolire din rulmenți. 
  • Acum câteva zeci de ani, într-unul dintre institutele de cercetare din fosta URSS a fost elaborată o tehnologie de acoperire cu diamant a unor suprafețe de alunecare. A rezultat un coeficient de frecare foarte mic și o durată de viață a cuplului de alunecare foarte mare. Soluția a fost abandonată, fără să cunosc cauzele.
  • Acoperirile groase, rezistente la o uzură intensă, sunt mai potrivite pentru protecția unor componente decât acoperirile în strat subțire. Proprietățile celor în strat gros le fac deosebit de favorabile la suprafețe extrem de solicitate. În realitate, pe piață sunt scule cu o acoperire cu o grosime de maximum 5 μm. A fost dezvoltată o nouă soluție de acoperire pentru filme cu grosime mai mare de 100 μm. Se întrevăd noi perspective pentru aplicații în domeniul sculelor, ca și în alte tipuri de aplicații [42]. Există mai multe considerente privind limitarea grosimii stratului de acoperire. Unul dintre acestea este faptul că la creșterea grosimii apar defecte și tensiuni, care diminuează calitatea acoperirilor cu strat gros. Un alt motiv îl constituie diminuarea preciziei conturului la filme groase. Cu cât stratul este mai gros, cu atât calitatea este mai mică. Acoperiri cu strat gros pot fi produse în acele cazuri în care apariția defectelor poate fi eliminată, iar starea de tensiuni este corectată corespunzător. Filme cu grosimi de peste 100 μm pot fi produse sigur și convenabil privind costul. Structura filmului este omogenă și corespunzătoare aplicării la scule. Distribuția caracteristicilor mecanice (de exemplu, duritatea) este foarte uniformă. Este posibil și un tratament ulterior de restructurare și de polisare, dacă este necesar. Pe de altă parte, este posibilă acoperirea componentelor cu solicitare foarte mare.
  • Într-o emisiune de pe canalul HISTORY (Ancient Aliens din 11.09.2019), a fost prezentată o filmare de la un laborator de cercetare din Los Angeles care arăta un corp de tip disc dintr-un material metalic. Acesta a fost adus la temperatura azotului lichid (a fost realizată condiția de superconductivitate), deci suprarăcit, și a fost amplasat pe un inel conductor (părea a fi un sistem de bobine plane), alimentat cu curent electric. Corpul suprarăcit s-a deplasat pe acel conductor – indiferent dacă era plasat deasupra sau dedesubtul inelului, putând trece și peste mici „obstacole” realizate din așchii de lemn. Dacă discul ar putea fi suprarăcit permanent (menținut la temperatura azotului lichid), acesta ar putea levita și s-ar putea deplasa ani la rând (recordul actual este de 4 ani!), în aceleași condiții. S-a avansat ideea că principiul ar putea fi aplicat și la realizarea de nave. De ce nu și a unor sisteme de ghidare sau de sustentație?

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.