Princip činnosti vřetena – povolování a upínání v CNC obráběcích centrech
Abstrakt: Tento článek podrobně popisuje základní strukturu a princip fungování mechanismu pro povolování a upínání vřetena v CNC obráběcích centrech, včetně složení různých součástí, pracovního procesu a klíčových parametrů. Jeho cílem je hluboce analyzovat vnitřní mechanismus této klíčové funkce, poskytnout teoretické reference pro příslušný technický personál, pomoci jim lépe porozumět a udržovat vřetenový systém CNC obráběcích center a zajistit vysokou efektivitu a přesnost obráběcího procesu.
I. Úvod
Funkce povolování a upínání nástrojů vřetenem v obráběcích centrech je důležitým základem pro CNC obráběcí centra k dosažení automatizovaného obrábění. Přestože existují určité rozdíly ve struktuře a principu fungování mezi různými modely, základní rámec je podobný. Hloubkový výzkum principu fungování má velký význam pro zlepšení výkonu obráběcích center, zajištění kvality obrábění a optimalizaci údržby zařízení.
II. Základní struktura
Mechanismus pro povolování a upínání nástrojů vřetenem v CNC obráběcích centrech se skládá hlavně z následujících součástí:
- Tažný čep: Je instalován na konci kuželové stopky nástroje a je klíčovým spojovacím prvkem pro utahování táhla nástroje. Spolupracuje s ocelovými kuličkami v hlavě táhla k dosažení správné polohy a upnutí nástroje.
- Tažná tyč: Prostřednictvím interakce s tažným čepem pomocí ocelových kuliček přenáší tahové a axiální síly k realizaci upínacího a povolovacího procesu nástroje. Její pohyb je řízen pístem a pružinami.
- Kladka: Obvykle slouží jako mezilehlá součást pro přenos síly v mechanismu povolování a upínání nástrojů vřetenem a může být zapojena do převodových článků, které pohánějí pohyb souvisejících součástí. Může být například připojena k hydraulickému systému nebo jiným pohonným zařízením pro pohon pohybu součástí, jako je píst.
- Bellevilleova pružina: Skládá se z několika párů pružinových listů a je klíčovým prvkem pro generování napínací síly nástroje. Její silná pružná síla zajišťuje stabilní uchycení nástroje v kuželovém otvoru vřetena během obrábění, což zaručuje přesnost obrábění.
- Pojistná matice: Používá se k upevnění součástí, jako je pružina Belleville, aby se zabránilo jejich uvolnění během pracovního procesu a aby se zajistila stabilita a spolehlivost celého mechanismu povolování a upínání nástrojů.
- Seřizovací podložka: Broušením seřizovací podložky lze přesně regulovat kontaktní stav mezi tažnou tyčí a tažným čepem na konci zdvihu pístu, což zajišťuje plynulé povolování a utahování nástroje. Hraje klíčovou roli v přesném nastavení celého mechanismu povolování a utahování nástroje.
- Vinutá pružina: Hraje roli v procesu povolování nástroje a napomáhá pohybu pístu. Například když se píst pohybuje dolů a tlačí na táhlo pro uvolnění nástroje, vinoucí se pružina poskytuje určitou pružnou sílu, která zajišťuje plynulý a spolehlivý chod.
- Píst: Je to součást vykonávající energii v mechanismu povolování a upínání nástroje. Poháněn hydraulickým tlakem se pohybuje nahoru a dolů a poté pohání táhlo, čímž provádí upínání a povolování nástroje. Přesné ovládání jeho zdvihu a tlaku je klíčové pro celý proces povolování a upínání nástroje.
- Koncové spínače 9 a 10: Slouží k odesílání signálů pro upínání a povolování nástroje. Tyto signály jsou přiváděny zpět do CNC systému, aby systém mohl přesně řídit proces obrábění, zajistit koordinovaný postup každého procesu a předejít nehodám při obrábění způsobeným chybným odhadem stavu upínání nástroje.
- Kladka: Podobně jako kladka zmíněná v bodě 3 výše se podílí na převodovém systému, aby zajistila stabilní přenos výkonu a umožnila všem komponentům mechanismu pro povolování a upínání nástrojů spolupracovat podle předem stanoveného programu.
- Koncový kryt: Hraje roli ochrany a utěsnění vnitřní struktury vřetena, zabraňuje vniknutí nečistot, jako jsou prach a třísky, do vnitřku vřetena a ovlivňuje normální provoz mechanismu pro povolování a upínání nástrojů. Zároveň poskytuje relativně stabilní pracovní prostředí pro vnitřní součásti.
- Seřizovací šroub: Lze jej použít k jemnému nastavení poloh nebo vůlí některých součástí, aby se dále optimalizoval výkon mechanismu pro povolování a upínání nástrojů a zajistilo se, že si při dlouhodobém používání udrží vysoce přesný pracovní stav.
III. Princip fungování
(I) Proces upínání nástroje
Když je obráběcí centrum v normálním stavu obrábění, na horním konci pístu 8 není žádný tlak hydraulického oleje. V tomto okamžiku je vinutá pružina 7 v přirozeně nataženém stavu a její pružná síla způsobuje, že se píst 8 pohybuje nahoru do určité polohy. Současně hraje roli i talířová pružina 4. Díky svým vlastním pružným vlastnostem tlačí talířová pružina 4 na táhlo 2, aby se pohybovalo nahoru, takže 4 ocelové kuličky na hlavě tažného táhla 2 vstupují do prstencové drážky na konci tažného čepu 1 stopky nástroje. Po zapuštění ocelových kuliček se napínací síla talířové pružiny 4 přenáší na tažný čep 1 přes tažné táhlo 2 a ocelové kuličky, čímž se pevně drží stopka nástroje a zajišťuje se přesné polohování a pevné upnutí nástroje v kuželovém otvoru vřetena. Tato metoda upínání využívá silnou elastickou potenciální energii pružiny Belleville a může poskytnout dostatečnou napínací sílu, aby se nástroj neuvolnil působením vysokorychlostních rotačních a řezných sil, což zaručuje přesnost a stabilitu obrábění.
(II) Proces povolování nástroje
Když je nutné vyměnit nástroj, aktivuje se hydraulický systém a hydraulický olej vstupuje do spodního konce pístu 8, čímž vytváří vzestupný tlak. Působením hydraulického tlaku píst 8 překoná pružnou sílu vinuté pružiny 7 a začne se pohybovat dolů. Pohyb pístu 8 směrem dolů tlačí táhlo 2, aby se synchronně pohybovalo dolů. Jak se táhlo 2 pohybuje směrem dolů, ocelové kuličky se uvolní z prstencové drážky na konci tažného čepu 1 stopky nástroje a vstoupí do prstencové drážky v horní části zadního kuželového otvoru vřetena. V tomto okamžiku již ocelové kuličky nemají na tažný čep 1 zadržovací účinek a nástroj se uvolní. Když manipulátor vytáhne stopku nástroje z vřetena, stlačený vzduch vyfoukne stlačený vzduch skrz centrální otvory pístu a táhla, aby vyčistil nečistoty, jako jsou třísky a prach, v kuželovém otvoru vřetena a připravil nástroj na další instalaci nástroje.
(III) Úloha koncových spínačů
Koncové spínače 9 a 10 hrají klíčovou roli ve zpětné vazbě signálu během celého procesu povolování a upínání nástroje. Když je nástroj upnut na místě, změna polohy příslušných součástí aktivuje koncový spínač 9 a koncový spínač 9 okamžitě odešle signál upnutí nástroje do CNC systému. Po přijetí tohoto signálu CNC systém potvrdí, že nástroj je ve stabilním stavu upnutí, a poté může zahájit následné obráběcí operace, jako je otáčení vřetena a posuv nástroje. Podobně, když je akce povolování nástroje dokončena, aktivuje se koncový spínač 10 a odešle signál uvolnění nástroje do CNC systému. V tomto okamžiku může CNC systém řídit manipulátor k provedení operace výměny nástroje, aby byla zajištěna automatizace a přesnost celého procesu výměny nástroje.
(IV) Klíčové parametry a konstrukční body
- Napínací síla: CNC obráběcí centrum používá celkem 34 párů (68 kusů) pružin Belleville, které dokáží generovat silnou napínací sílu. Za normálních okolností je napínací síla pro utažení nástroje 10 kN a může dosáhnout maxima 13 kN. Taková konstrukce napínací síly je dostatečná k tomu, aby zvládla různé řezné a odstředivé síly působící na nástroj během obráběcího procesu, a zajistila tak stabilní upevnění nástroje v kuželové díře vřetena, zabránila posunutí nebo pádu nástroje během obráběcího procesu a tím zaručila přesnost obrábění a kvalitu povrchu.
- Zdvih pístu: Při výměně nástroje je zdvih pístu 8 12 mm. Během tohoto 12mm zdvihu je pohyb pístu rozdělen do dvou fází. Nejprve, poté co se píst posune asi o 4 mm, začne tlačit na táhlo 2, aby se pohybovalo, dokud ocelové kuličky nevstoupí do prstencové drážky o průměru Φ37 mm v horní části kuželového otvoru vřetena. V tomto okamžiku se nástroj začne uvolňovat. Následně táhlo pokračuje v klesání, dokud se povrch „a“ táhla nedotkne horní části tažného čepu, čímž se nástroj zcela vytlačí z kuželového otvoru vřetena, takže manipulátor může nástroj plynule vyjmout. Přesným řízením zdvihu pístu lze přesně provést uvolňování a upínání nástroje, čímž se předejde problémům, jako je nedostatečný nebo nadměrný zdvih, který může vést k volnému upnutí nebo nemožnosti nástroje uvolnit.
- Kontaktní napětí a požadavky na materiál: Vzhledem k tomu, že 4 ocelové kuličky, kuželový povrch tažného čepu, povrch otvoru vřetena a otvory, ve kterých se nacházejí ocelové kuličky, vykazují během pracovního procesu značné kontaktní napětí, kladou se vysoké požadavky na materiály a tvrdost povrchu těchto součástí. Aby byla zajištěna konzistence síly působící na ocelové kuličky, je třeba striktně zajistit, aby otvory, ve kterých se nacházejí 4 ocelové kuličky, byly ve stejné rovině. Tyto klíčové součásti obvykle používají vysoce pevné, tvrdé a otěruvzdorné materiály a podléhají přesnému obrábění a tepelnému zpracování, aby se zlepšila jejich povrchová tvrdost a odolnost proti otěru. Tím se zajistí, že kontaktní plochy různých součástí si udrží dobrý provozní stav i při dlouhodobém a častém používání, sníží se opotřebení a deformace a prodlouží se životnost mechanismu pro povolování a upínání nástrojů.
IV. Závěr
Základní struktura a princip fungování mechanismu pro povolování a upínání nástrojů s vřetenem v CNC obráběcích centrech tvoří komplexní a sofistikovaný systém. Jednotlivé komponenty spolupracují a úzce koordinují své fungování. Díky přesné mechanické konstrukci a důmyslným mechanickým strukturám je dosaženo rychlého a přesného upínání a povolování nástrojů, což poskytuje silnou záruku efektivního a automatizovaného obrábění na CNC obráběcích centrech. Hluboké pochopení principu fungování a klíčových technických bodů má velký význam pro návrh, výrobu, používání a údržbu CNC obráběcích center. V budoucím vývoji, s neustálým pokrokem technologie CNC obrábění, bude mechanismus pro povolování a upínání nástrojů s vřetenem neustále optimalizován a vylepšován s cílem dosáhnout vyšší přesnosti, vyšší rychlosti a spolehlivějšího výkonu, aby splňoval rostoucí požadavky špičkového zpracovatelského průmyslu.