Návrh konstrukce lože obráběcího stroje
Diplomová práce
Studijní program: N2301 Strojní inženýrství Studijní obor: Konstrukce strojů a zařízení
Autor práce: Bc. Jaroslav Matějka
Vedoucí práce: Ing. Petr Zelený, Ph.D.
Katedra výrobních systémů a automatizace Konzultant práce: Ing. Petr Bali Šoltés
Liberec 2020
Zadání diplomové práce
Návrh konstrukce lože obráběcího stroje
Jméno a příjmení: Bc. Jaroslav Matějka Osobní číslo: S19000353
Studijní program: N2301 Strojní inženýrství Studijní obor: Konstrukce strojů a zařízení
Zadávající katedra: Katedra výrobních systémů a automatizace Akademický rok: 2019/2020
Zásady pro vypracování:
Hlavním cílem práce je konstrukční návrh nového typu lože obráběcího stroje menší velikosti.
Body vedoucí k řešení:
1. Rešerše současného stavu, seznámení se s technickými parametry a požadavky na obráběcí stroje.
2. Konstrukční návrh lože, varianty řešení.
3. Pevnostní výpočet navrženého lože.
4. Ekonomické zhodnocení navržených variant.
5. Závěr, vyhodnocení, doporučení.
Rozsah grafických prací: dle potřeby Rozsah pracovní zprávy: 60 stran
Forma zpracování práce: tištěná/elektronická
Jazyk práce: Čeština
Seznam odborné literatury:
[1] MAREK, J. Konstrukce CNC obráběcích strojů III. Praha: MM publishing, s.r.o., 2014, 684 stran. MM speciál. ISBN 978-80-260-6780-1.
[2] SHIGLEY, J. E., Ch. R. MISCHKE, R. G. BUDYNAS, M. HARTL a M. VLK. Konstruování strojních součástí.
1. vyd. Brno: VUTIUM, 2010, xxv, 1159 s. ISBN 978-80-214-2629-0.
[3] Podnikové normy firmy TOS VARNSDORF a.s.
Vedoucí práce: Ing. Petr Zelený, Ph.D.
Katedra výrobních systémů a automatizace Konzultant práce: Ing. Petr Bali Šoltés
Datum zadání práce: 20. listopadu 2019 Předpokládaný termín odevzdání: 20. května 2021
prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld děkan
L.S.
Ing. Petr Zelený, Ph.D.
vedoucí katedry
V Liberci dne 20. listopadu 2019
Prohlášení
Prohlašuji, že svou diplomovou práci jsem vypracoval samostatně jako pů- vodní dílo s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedou- cím mé diplomové práce a konzultantem.
Jsem si vědom toho, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci nezasahuje do mých au- torských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu Technické univerzity v Liberci.
Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti Technickou univerzi- tu v Liberci; v tomto případě má Technická univerzita v Liberci právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Současně čestně prohlašuji, že text elektronické podoby práce vložený do IS/STAG se shoduje s textem tištěné podoby práce.
Beru na vědomí, že má diplomová práce bude zveřejněna Technickou uni- verzitou v Liberci v souladu s § 47b zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a o změně a doplnění dalších zákonů (zákon o vysokých školách), ve znění pozdějších předpisů.
Jsem si vědom následků, které podle zákona o vysokých školách mohou vyplývat z porušení tohoto prohlášení.
10. června 2020 Bc. Jaroslav Matějka
Poděkování
Zaprvé bych rád poděkoval vedoucímu práce panu Ing. Petru Zelenému, Ph.D. za ochotu, odborné vedení a cenné připomínky.
Dále děkuju panu Ing. Petru Bali Šoltésovi za přínosné rady a postřehy během zpracování diplomové práce.
Tento příspěvek byl vytvořen na Technické univerzitě jako součást projektu (21278) – „Optimalizace výrobních systémů, 3D technologií a automatizace“
podpořeného specifickým vysokoškolským výzkumem v rámci studentské grantové soutěže vyhlášené Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy České republiky v roce 2019.
TÉMA: NÁVRH KONSTRUKCE LOŽE OBRÁBĚCÍHO STROJE ABSTRAKT
Tématem této diplomové práce je návrh konstrukce lože obráběcího stroje.
Úvodní část je věnována rešerši současného stavu v oblasti obráběcích strojů a zejména jejich nosné soustavy. Praktická část se skládá jednak z návrhu zjednodušeného stroje tak především samotného lože. U vytvořených variant se provádí výpočtová analýza pomocí metody konečných prvků. Na základě výsledků analýzy probíhá výběr optimální varianty. Následně je konstrukce lože optimalizována a dokončena.
KLÍČOVÁ SLOVA:
lože, návrh, obráběcí stroj, rám, tuhost, konstrukce, vedení, kuličkový šroub, otočný stůl
THEME: CONTRUCTION DESIGN OF THE BED OF NEW MACHINE TOOL
ABSTRACT
The topic of this diploma thesis is design of construction the bed of machine tool.
The introductory part is focused on the research of the current state in the field of machine-tools and especially their machine frame. The practical part consists of a design of the simplified machine and primarily the machine bed itself. On the created versions there is performed computational analysis using the finite element method. The optimal version is selected upon the results of the analysis. Consequently the construction of machine bed is optimized and completed.
KEYWORDS:
machine bed, proposal, machine-tool, frame, rigidity, construction, guide way, ball screw, rotary table
7
OBSAH
Seznam zkratek a symbolů ... 9
1 ÚVOD ... 10
2 CÍLE A POPIS PRÁCE ... 11
3 REŠERŠE SOUČASNÉHO STAVU ... 12
3.1 Obráběcí stroje ... 12
3.1.1 Rozdělení OS... 12
3.1.2 Obráběcí centra ... 13
3.1.3 Porovnání vybraných strojů od konkurence ... 13
3.2 Nosná soustava obráběcích strojů... 15
3.2.1 Vlivy působící na nosnou soustavu ... 16
3.3 Základní části obráběcího stroje ... 18
3.3.1 Lože ... 19
3.3.2 Stojan ... 20
3.3.3 Vřeteník ... 21
3.3.4 Lineární vedení ... 21
3.3.5 Pohony lineárních os... 23
3.3.6 Stoly ... 25
3.4 Konstrukční materiály ... 27
3.4.1 Konvenční materiály ... 27
3.4.2 Nekonvenční materiály ... 29
3.4.3 Hybridní materiály ... 32
3.4.4 Srovnání vlastností materiálů ... 33
4 NÁVRHOVÁ ČÁST ... 34
4.1 Návrh stroje ... 34
4.1.1 Základní parametry stroje ... 34
4.1.2 Popis stroje ... 35
4.1.3 Varianty stroje ... 35
4.2 Návrh lože ... 38
4.2.1 Základní parametry lože ... 38
4.2.2 Konstrukční řešení lože ... 38
4.2.3 Návrh variant z litiny ... 40
4.2.4 Návrh alternativní varianty z polymerbetonu ... 41
4.2.5 Porovnání navržených variant ... 45
8
5 VÝPOČTOVÁ ČÁST ... 46
5.1 Metoda konečných prvků MKP ... 46
5.2 Tvorba výpočtového modelu ... 46
5.2.1 Geometrie ... 46
5.2.2 Materiál ... 46
5.2.3 Síť konečných prvků ... 47
5.2.4 Okrajové podmínky ... 47
5.3 Celkové zatížení modelu ... 49
5.4 Výsledky analýzy jednotlivých variant ... 50
5.4.1 Varianta A ... 51
5.4.2 Varianta B ... 51
5.4.3 Varianta C ... 52
5.4.4 Varianta D ... 52
5.4.5 Přehled výsledků pevnostní analýzy ... 53
5.5 Výběr nejvhodnější konstrukční varianty ... 54
5.5.1 Stanovení kritérií hodnocení ... 54
5.5.2 Porovnání parametrů ... 54
5.5.3 Určení důležitosti ... 55
5.5.4 Stanovení pořadí variant ... 55
6 OPTIMALIZACE A DOKONČENÍ VYBRANÉ VARIANTY ... 57
6.1 Optimalizace varianty ... 57
6.2 Dokončení varianty ... 58
6.3 Výsledná sestava stroje ... 60
7 ZHODNOCENÍ ... 61
8 ZÁVĚR ... 62
9 SEZNAM ZDROJŮ ... 63
9.1 Seznam použité literatury ... 63
9.2 Seznam obrázků ... 66
9.3 Seznam tabulek ... 67
9.4 Seznam příloh ... 67
9
Seznam zkratek a symbolů
Symbol Název Jednotka
a maximální zrychlení m ∙ s−2
f součinitel tření lineárního vedení -
FCELK celková zatěžující síla N
FgSL tíhová síla od skupiny stolu N
FgST tíhová síla od skupiny stojanu N
FKŠ síla kuličkového šroubu N
FOV síla odporu vedení N
FS setrvačná síla N
g tíhové zrychlení m ∙ s−2
Hx hodnota kritéria -
i převodový poměr -
Ix index změny -
Ixv vážený index změny -
mO hmotnost obrobku Kg
mSL hmotnost stolu Kg
mST hmotnost stojanu Kg
mV hmotnost vřeteníku Kg
M krouticí moment náhonu Nm
n otáčky motoru ot/min
qx váha významnosti -
𝑆𝑥 součet vážených indexů -
10
1 ÚVOD
Svět se neustále posouvá dopředu a z důvodu konkurenceschopnosti ve strojírenství je potřeba neustálý vývoj. Díky tomu dochází k velkému technickému pokroku průmyslové výroby. Kvůli zvýšení produktivity výroby se uplatňuje rozšíření možností strojů a možnost jejich kooperace s dalšími stroji na výrobní lince. Tento směr přinášející nové podněty a efektivnější vývoj, iniciuje výraz Průmysl 4.0. Ten označuje vznik tzv. chytré továrny, kde dochází ke kompletnímu propojení a automatizaci výrobních procesů nezávislých na lidské obsluze.
Důležitou součástí toho je i rozvoj výroby obráběcích strojů. V současné době jsou na obráběcí stroje kladeny požadavky zejména z hlediska zvyšování rychlosti obrábění a rozměrové nebo tvarové přesnosti výroby při současném nezvyšování nákladů. Jedním z hlavních sledovaných témat je otázka spolehlivosti a bezpečnosti stroje. Může se jednat o činnost obsluhy tak i provozu stroje. Dalším atributem je oblast řídicích systémů.
Způsob řízení a kontroly celkové soustavy skýtá potenciál k získání přidané hodnoty stroje. Důležitým znakem, který pomáhá zvyšovat hodnotu stroje, je kvalitní design.
Kvůli silné konkurenci je dobrý vzhled účinným prostředkem prosazení se na trhu a výrazem celkové kvality stroje.
Stavba nosné struktury má velký význam pro konečné vlastnosti výrobního zařízení. Klíčové hledisko je výběr vyhovujícího materiálu. Nejpoužívanějším materiálem je stále ocel a litina, ale stále častěji se prosazuje použití nestandardních materiálů, které díky svým rozdílným vlastnostem se mohou více hodit na určité aplikace. Dalším stěžejním hlediskem je dimenzování náležitého tvaru. Z toho vyplývá potřeba využití výpočtových metod a následné optimalizace konstrukce. [25]
11
2 CÍLE A POPIS PRÁCE
Cílem této práce je návrh konstrukce lože pro nový typ obráběcího stroje.
Úvodní kapitola se bude zabývat rešerší současného stavu v oblasti nosných částí obráběcích strojů. Na začátku proběhne rozdělení obráběcích strojů spolu s popisem jeho základních částí. Následuje seznámení s největšími vlivy působící na nosnou soustavu. Dále budou představeny nejdůležitější konstrukční materiály s názornou ukázkou jejich využití v konstrukci loží.
Počátečním úkolem praktické části je podle zadaných požadavků, vytvoření výchozí koncepce stroje se všemi konstrukčními celky. Z výsledného konceptu se následně vychází při návrhu lože, který vyžaduje posouzení z různých hledisek.
Lože bude vyhotoveno v několika různých variantách. Modely je potřeba nakreslit vzhledem k následné analýze bez složitých prvků. V průběhu konstrukce je důležité dodržet u všech možností základní rozměry z důvodu jejich pozdějšího porovnání.
Dalším krokem je vypracování výpočtového modelu pro pevnostní analýzu.
Výpočtová část vybraných variant proběhne při aplikaci metody konečných prvků. Na základě výsledků této analýzy se provede výběr nejvhodnější varianty pomocí vícekriteriální rozhodovací metody. Vybraná varianta bude dokončena s optimalizovaným tvarem a se všemi částmi, které se kvůli zjednodušení výpočtů musí zanedbat. Po vyhotovení kompletního modelu se zpracuje výkresové dokumentace. Na závěr bude provedeno ekonomické zhodnocení a celkové posouzení práce.
Během celého projektu je nutné splnění požadavků stanovených oddělením konstrukce pro možné použití v rámci výroby ve firmě.
12
3 REŠERŠE SOUČASNÉHO STAVU 3.1 Obráběcí stroje
Obráběcí stroj se dá chápat jako komplikovaný celek složený z mnoha různých částí, které jsou ve vzájemném působení. Jde o výrobní stroj, jehož základním úkolem je dát polotovaru požadovaný tvar a rozměr. Obrábění se dá rozdělit na klasické metody využívající mechanickou práci k úběru materiálu a na nové nekonvenční způsoby. Ty zvládají opracování dílců, které běžnými metodami nejde vyrobit anebo velmi složitě.
Pro většinu způsobů třískového obrábění existuje vícero typů obráběcích strojů a zpravidla se dají rozdělit na základní části. [8]
Konstrukční celky obráběcích strojů se dělí na: [24]
Nosné uzly – rám stroje
Pohonné uzly – pohonné a posuvové mechanismy Spojovací uzly – pohyblivá a pevná spojení části stroje Pomocné uzly – mazání, chlazení, obslužné manipulace 3.1.1 Rozdělení OS
Obráběcí stroje se dají dělit podle různých kritérií. Prvním hlediskem posouzení může být jejich velikost, která se většinou odvíjí od rozměrů obrobků. Další možností je dělení podle kinematického uspořádání. Dnešní obráběcí stroje jsou stále projektovány s klasickým uspořádáním, kdy tři základní lineární osy muže doplnit přídavné osy rotační.
Nejčastěji se však obráběcí stroje rozdělují podle převažující technologie obrábění na tyto druhy:
Soustruhy
Frézovací stroje
Vodorovné vyvrtávačky
Obr. 1) Druhy obráběcích strojů [3]
Obráběcí centra, která mohou kombinovat více druhů obrábění, budou z důvodu další práce s nimi představena a popsána následně podrobněji.
13 3.1.2 Obráběcí centra
Kvůli současnému směřování ke zvýšení sortimentů výrobků je snaha dosáhnout multifunkčního využití strojů. Obráběcí centra tvoří významnou skupinu, která patří k technicky nejvyspělejším obráběcím strojům. Jejich koncepce vychází z běžných obráběcích strojů, proto je spousta jejich konstrukčních částí s nimi identická.
Multifunkční obráběcí centra jsou přizpůsobena pro více způsobů třískového obrábění.
Kdy se snaží dosáhnout přesného a vysokorychlostního obrábění. Díky tomu jsou kladeny vysoké požadavky na veškeré součásti stroje. To má za následek částečnou změnu koncepce stroje oproti klasickým.
Rozvojem výpočetní techniky došlo k rozmachu obráběcích center. Díky číslicovému řízení mohou stroje pracovat v automatickém režimu bez nutné přítomnosti obsluhy. Mezi další výhody patří obrábění dílu z více stran na jedno upnutí. Dále zvládají široká spektra obrobků, jak hranolovité tak i rotační součásti. Díky tomu se dosahuje značného snížení nákladů. Obvyklým znakem je přítomnost doprovodných struktur, jako je automatická výměna nástroje nebo obrobku. Dále pak systémy odměřování a diagnostiky. Díky tomu dosahujeme výraznému zkrácení pracovních časů.
Vzhledem k ustavičnému pokroku se stále více prosazuje využití stavebnicového systému. Při použití této struktury lze vcelku snadno měnit parametry stroje. Všechny tyto aspekty pomáhají zlepšit kvalitu stroje a jsou důvodem jejich velkého prosazení.
[1][2][24]
Obr. 2) Základní rozdělení obráběcích center [15]
3.1.3 Porovnání vybraných strojů od konkurence
Na trhu se vyskytuje mnoho firem zabývající se vývojem a výrobou multifunkčních obráběcích center. V této analýze se prezentují jenom některé stroje s podobnou koncepcí a rozměry. Pro porovnání se zadanými parametry se sleduje především velikost jednotlivých pracovních os, posuvové rychlosti, otáčky a výkon vřetene a průměr otočného stolu. [11]
14 Soraluce - FMT
Jedná se multifunkční obráběcí centrum od španělské firmy Soraluce, která se zabývá výrobou obráběcích a tvářecích strojů. Stroj FMT muže podle zvolené frézovací hlavy dosáhnout až šestiosého kinematického uspořádání. Dva lineární pohyby zajišťuje pohyblivý stojan a další vykonává výsuvné smykadlo a otočný stůl.
Obr. 3) Soraluce FMT 4000 [30]
Hedelius - Tiltenta
Univerzální obráběcí centrum Tiltenta od tradičního výrobce z Německa. Stroj disponuje pětiosou kinematikou s integrovaným otočným stolem.
Obr. 4) Hedelius Tiltenta – 7 [31]
15 PAMA - Speedmat
Italská společnost vyrábí především velké vodorovné vyvrtávací a frézovací stroje. Multifunkční obráběcí centrum Speedmat využívá koncepci s pohyblivým stojanem. Základem jsou tři lineární pracovní osy dále otočný stůl a výsuvný vřeteník.
Obr. 5) Pama Speedmat HP/T [32]
Tab 1) Parametry strojů [30] [31] [32]
Výrobce Soraluce Hedelius PAMA
Typ FMT 4000 Tiltenta 7 -2600 Speedmat HP3/T
Osa X, Y, Z [mm] 4000/1500/1800 2600/750/800 3000/2500/2600
Posuvy [m/min] 45/35/35 40/40/40 40/45/45
Otáčky vřeteno
[ot/min] 4 000 - 7 000 12 000 - 18 000 4 500 - 12 000
Výkon [kW] 43 35 50 - 100
Průměr stolu
[mm] 1600 1100 2000
3.2 Nosná soustava obráběcích strojů
Základním celek každého obráběcího stroje je nosný systém spojených těles, která musí tvořit velmi tuhý celek. Většinou jde o nejrozměrnější části stroje. Cílem nosné soustavy je spojit jednotlivé uzly a zajistit průchod energie od nástroje k obrobku při obráběcím procesu.
Nosné konstrukce dávají svým uspořádáním a konstrukčním provedením stroji charakteristický tvar, velikost a celkovou koncepci. Odvíjí se od typu obráběcího stroje
16
nebo k jakým operacím budou sloužit. Dají se rozdělit na nesoucí nástroj nebo obrobek, přičemž obě skupiny mohou být pohyblivé nebo nepohyblivé. Podle kinematiky se rozdělují na dva základní typy - otevřené a uzavřené.
Obr. 6) Otevřený a uzavřený rám [3]
Základními prvky nosné struktury jsou především lože a stojany. Dále to mohou být různé sloupy, příčníky nebo konzole. Podle provedení a konstrukce stroje se určuje, z jakých částí se bude rám skládat. [2][7][10]
Při konstrukci těchto prvků je potřeba brát ohled na základní požadavky:
vhodný materiál
konstrukční provedení
odvod třísek
nízká hmotnost
snadná výroba
jednoduchá montáž
způsoby zatížení
uložení rámu
3.2.1 Vlivy působící na nosnou soustavu
Na nosnou soustavu působí řada různých vlivů vznikající přímo v obráběcím stroji nebo jeho okolí. Výrobce určuje podmínky, v jakých by měl stroj pracovat a tím dosáhnout požadovaných parametrů. Z pevnostního hlediska jsou rámy často předimenzovány díky snaze dosáhnout stabilní bezporuchové a především přesné činnosti stroje. Na nosnou část obráběcího stroje jsou kladeny největší nároky z hlediska tuhosti, dynamické a tepelné stability. Všechny následující atributy jsou určeny hlavně výběrem materiálu a kvalitou zpracování konstrukce. [8][9]
Statická tuhost
Deformace nosných částí stroje má velký význam pro udržení vzájemné polohy pracovních ploch což má zásadní vliv na pracovní přesnost stroje. Statická tuhost vyjadřuje schopnost konstrukce odolávat deformaci. Její hodnota musí být taková, aby vznikající deformace nepřekročily dovolené hodnoty. Pro zjištění statické tuhosti lze využít dva způsoby jednak měřením anebo výpočtem. Dále záleží, jestli statickou tuhost
17
zjišťujeme pro celkovou sestavu spojených součástí nebo určujeme dílčí tuhosti pro každou část samostatně. [19][24]
Nejčastěji se vyskytují čtyři základní druhy vycházející z charakteru zatížení:
Obr. 7) Druhy zatížení [2]
Dynamika obráběcího stroje
Obráběcí stroj je systém navzájem spojených těles, které se při kmitání vzájemně ovlivňují. V průběhu obráběcího procesu pokaždé vzniká kmitání, které je nedílnou součástí práce stroje. Vzniklé vibrace zvyšují namáhání, které může dosáhnout až na mez pevnosti materiálu součásti. Jde o nežádoucí jev, snižuje přesnost stroje a urychluje opotřebení součástí stroje. Dále ovlivňuje kvalitu obráběné plochy a zmenšuje trvanlivost nástrojů. Cílem návrhu je dosáhnout dynamické stability, jenž se rozumí jako odolnost soustavy proti kmitání. Nejdůležitějším úkolem při konstrukci ohledně kmitání je se vyhnout rezonančnímu jevu. Jde o stav, kdy se vlastní frekvence rovná frekvenci vnější síly. Díky tomu mohou výchylky nezadržitelně růst a dochází k poruše stroje.
[2][7][8][17][24]
Kmitání se u obráběcích strojů rozděluje na čtyři základní druhy:
Obr. 8) Druhy kmitání u obráběcích strojů Volné
Vzniká vychýlením uložené hmoty z klidové polohy působením síly nebo rázu a jejich následným zánikem. Vyskytuje se ve dvou formách jako tlumené a netlumené. Při dostatečné hodnotě tuhosti soustavy lze toto kmitání zanedbat.
18 Vynucené
Buzené kmitání vzniká tehdy, působí-li na obráběcí stroj periodicky proměnlivá síla. Charakteristickým rysem je, že frekvence vynuceného kmitání se shoduje s frekvencí budící síly. Příčinou můžou být vlastnosti stroje nebo vlastní obráběcí proces.
Samobuzené
Vzniká při obráběcím procesu bez periodického vnějšího budícího účinku a projevuje se hlukem a známkou chvění na opracovaném povrchu. Ukazuje se pouze za určitých řezných podmínek, díky jejich změně se dá obráběcí proces stabilizovat.
Trhavé pohyby
Při velmi malé rychlosti posuvu muže za určitých předpokladů vzniknout trhavý pohyb. Nejčastější situace nastává především při rozjezdu, kdy je nutné překonat odpor tření. Projevuje se zhoršením jakosti opracované plochy v místech zpomalení pohybu.
Příčiny vzniku kmitání v OS
Kmitání vyvozené samotným strojem:
nevyváženost rotujících součástí
setrvačné síly pohybujících se prvků
nepřesnosti převodů
Kmitání vyvozené procesem obrábění:
proměnlivý řezný odpor
změna průřezu třísky Teplotní stabilita
Teplotní stabilita představuje jednu důležitých oblastí při vývoji nových strojů.
Během své činnosti jsou obráběcí stroje pod vlivem různých zdrojů tepla. Toto teplo způsobuje nežádoucí deformace, které ovlivňují geometrickou přesnost stroje a jakost obráběných ploch.
Teplotní rušivé vlivy se dají rozdělit na vnitřní a vnější. Mezi vnější vlivy se řadí sluneční záření nebo teplota okolního prostředí. Důležitějším aspektem jsou vnitřní vlivy. Mezi ty patří především teplo vzniklé během obráběcího procesu. Kromě toho teplo vznikající chodem jednotlivých součástí stroje např. motorů, ložisek, převodů atd.
[3]
Odstraněním těchto negativních vlivů a tím zvýšení teplotní stability lze dosáhnout několika způsoby:
vhodně dimenzovaná konstrukce
využití náležitého materiálu
plynulý odvod třísek
dobré chlazení
3.3 Základní části obráběcího stroje
Stroj obsahuje spoustu různých dílů, jejichž rejstřík se různí podle typu stroje.
Z důvodu návrhu nejen samotného lože je zde popis i dalších podstatných celků, které tvoří základ většiny strojů. Všechny tyto části jsou v přímém kontaktu s ložem, a tudíž na něj mají vliv.
19 3.3.1 Lože
Základní část nosné soustavy obráběcího stroje, na kterém je umístěna většina ostatních součástí stroje. Jedná se o nosný a nepohyblivý díl, který je připevněn k zemi nebo základu. Skládá se z jednoho nebo více částí kdy spojení se musí zajišťovat tak by byla zaručena taková tuhost jakoby tvořil jeden kus.
Jelikož jde o většinou nejrozměrnější a nejtěžší část stroje je důležité hospodárné využití výrobního materiálu. Za účelem snížení hmotnosti a tím i nákladů je důležité navrhnout v prvé radě vhodné žebrování, vodící plochy pro pohyblivé části a dosedací plochy pro uložení dalších částí stroje. U těchto míst často využíváme metodu zaškrábání pro zvýšení přesnosti vodících ploch.
Cílem hotového lože je především vysoká tuhost pro zachycení řezných a setrvačných sil a dobré tlumící vlastnosti. Dále schopnost zvládnout mechanické a tepelné namáhání. [8][19][24]
Průzkum trhu
Cílem průzkumu trhu je získání přehledu o dostupných konstrukcí loží používaných v současné době.
Na začátku jsou ukázány typy loží pro stroje od firmy TOS Varnsdorf. Lineární vedení je umístěno horizontálně s dvěma nebo více kolejnicovými drahami. Odvod třísek je pomocí šnekových dopravníků na krajích lože nebo pomocí článkových dopravníků umístěných pod strojem v betonovém základu. Hlavním materiálem používaným pro lože jsou odlitky ze šedé litiny.
Obr. 9) Lože od firmy TOS Varnsdorf ze strojů WHT 110 a WRD 130 [33]
Ukázky různých konstrukcí loží
Jelikož pro každý typ stroje se používá jiné lože, existuje nepřeberné množství různých tvarů a uspořádání. Další ukázky jsou představeny vždy u jednotlivých konstrukčních materiálů.
20
Obr. 10) Ukázky různých konstrukcí loží [36][41][40][37]
3.3.2 Stojan
Jde o jeden z nosných prvků, který se řadí se mezi nejrozměrnější části obráběcích strojů. Zajišťuje pohyb v jedné pracovní ose a zároveň obsahuje vodící a dosedací plochy pro umístění dalších částí. Nejdůležitější částí umístěnou na stojanu je vřeteník. Na základě toho probíhá konstrukční návrh podle koncepce umístění vřeteníku na stojanu. Ten může být na vedený centrálně nebo na boku stojanu.
Podle typu stroje dělíme stojany na pohyblivé nebo pevné. Pohyblivý zajišťuje pohyb v jedné ose, má složitější konstrukci, ale nižší hmotnost. Naopak pevný zvyšuje hmotnost, ale současně dosahuje lepší tuhosti. Tuhost stojanu má velký vliv na celkovou pevnost a přesnost stroje. Zpravidla se dá zvýšit účelným žebrováním. Z toho důvodu při návrhu stojanu hraje roli, jestli bude svařovaný nebo odlévaný. Nejčastěji se vyrábí z konvenčních materiálů. [11][12]
Obr. 11) Stojany od firmy TOS Varnsdorf WHN 13 a WHT 130 [33]
21 3.3.3 Vřeteník
Jde o důležitý stavební prvek zajištující hlavní rotační pohyb obráběcího stroje.
Dále se jedná o zásadní konstrukční uzel pro zabezpečení pracovní přesnosti stroje.
Podoba vřeteníku se odvíjí od požadavků pro konkrétní typ stroje. Základním prvkem je skříň, která zajišťuje připojení k rámu stroje, a jsou v ní umístěny většiny dalších součástí vřeteníku. Hlavním úkolem je zaručení co nejpřesnějšího uložení pracovního vřetena pomocí ložisek. Ty mohou být valivé, kluzné nebo elektromagnetické. Nejdůležitější částí je vřeteno, které má za úkol zabezpečit přesný rotační pohyb pro nástroj. Jako materiál se používá většinou ocel, v případě vysokých otáček se dá využít kompozitních materiálů. Čelní konec vřetena je normalizován, z důvodu umístění upínání nástroje a většinou má tvar kužele. Základem pohonu vřetena je motor. Ten muže být instalován přímo na vřetenu nebo nepřímo převodem přes řemen, ozubené soukolí či převodovku. Další oblastí je systém vyvažování hmotnosti vřeteníku. Vyvažování se realizuje pomocí hydraulických válců nebo protizávažím. Mezi další části patří systémy přívodu chlazení a mazání.
Důležitou podmínkou fungování vřeteníku je dobrý odvod tepla a co nejmenší teplotní roztažnost. [15]
Obr. 12) Vřeteníky od firmy TOS Varnsdorf ze strojů WHT 110 a WRD 130 [33]
3.3.4 Lineární vedení
Jde o systém vodících ploch s přesně určenou dráhou, na kterých se stýkají pohyblivá a nepohyblivá část stroje. Hlavním úkolem lineárního vedení je zajištění pohybu daného prvku po určité trajektorii. Dále musí zvládat přenášet určitá zatížení od vlastní hmotnosti součásti eventuálně od zatěžujících sil obráběcího procesu.
Přímočaré vedení můžeme rozlišit podle způsobu přenášení zatížení mezi pohybujícími se prvky do několika základních druhů na kluzné, valivé nebo kombinované. U většiny současných obráběcích strojů se využívá valivé lineární vedení.
22 Valivé lineární vedení
Lineární vedení se skládá předně z kalených kolejnic, které jsou upevněny na dosedací plochy pomocí šroubů. Na kolejnici jsou umístěny vozíky, které nesou pohybující se objekt. Počet a rozmístění vozíků se odvíjí od velikosti a způsobu zatížení.
Mezi kolejnicí a vozíkem jsou umístěny valivé elementy, v tělese vozíku zajištující pohyb po určité dráze. Mezi základní valivé elementy patří kuličky a válečky případně jehly.
Podle typu vedení muže mít tato dráha i neomezenou délku.
Tento způsob zajišťuje velice přesné polohování, plynulost pohybu, snadnou údržbu a dlouhodobou životnost. Díky své vysoké tuhosti a nízkému součiniteli tření se hodí pro použití při vysokých rychlostí posuvu. Nevýhodou je nízká schopnost tlumení chvění a vysoká náročnost na přesnost výroby. Dále je nezbytné použití ochranných krytů proti vnikání nečistot a kvalitního mazání kvůli snížení opotřebení. Využitím tohoto způsobu odpadá nákladný zásluhou dodání kompletní sestavy od výrobce.
[13][24]
Obr. 13 Lineární vedení [13]
Hydrodynamické vedení
Jedná se o nejjednodušší a nejméně nákladný způsob lineárního vedení. Mezi vodícími plochami se vytváří souvislý olejový film až během jejich pohybu. Jakmile se zvýší rychlost pohybujících se částí, součinitel tření klesá. Při nízkých rychlostech může dojít k trhavým pohybům. Tomuto stavu se zabraňuje přidáním speciálních aditiv do oleje nebo obložením vodících ploch pomocí kluzných materiálů. Obvykle se vedení zhotovuje ze dvou různých materiálů s odlišnou tvrdostí. Mezi používané materiály se řadí šedá litina, ocel nebo některé druhy plastů.
Mezi hlavní výhody patří jednodušší konstrukce a levnější provoz oproti ostatním metodám. Dále dosahuje vysoké tuhosti a zvládá velká zatížení. Vlivem výrazné změny třecího odporu dochází k velkým třecím ztrátám a nerovnoměrnému chodu, což má za následek špatnou přesnost polohování. Vedení se vyrábí se v několika tvarových provedeních např. ploché, rybinové nebo prizmatické. [13]
23
Obr. 14) Hydrodynamické vedení [3]
Hydrostatické vedení
U hydrostatického vedení se zatížení přenáší přes tenkou vrstvou oleje, který se přivádí pod tlakem mezi vodící plochy. Z toho důvodu musí být na jedné z těchto ploch vytvořeny mazací kapsy. Podle provedení se vedení dělí na otevřená a uzavřená.
Otevřená se hodí pro stavy s velkým a rovnoměrným zatížením. Naopak pokud je stroj zatížení nerovnoměrně je nutné využít vedení uzavřené.
Na rozdíl od hydrodynamického vedení zůstává součinitel tření zhruba stejný i v klidové poloze. Díky tomu je možné zabránit vzniku trhavých pohybů. Jde o způsob, kdy nedochází k mechanickému kontaktu ploch, což vede k téměř nulovému opotřebení.
Dále zásluhou neexistující vůle jde o systém s vysokou tuhostí. Výrazným faktorem je také vysoká tlumící schopnost ve směru kolmém na směr pohybu.
Na rozdíl od ostatních způsobů jde o složitou konstrukci s komplikovaným rozvodem tlakového oleje a potřebou jeho neustálé filtrace. Vzhledem k malému součiniteli tření nalézá uplatnění u přesných obráběcích strojů. [13]
Obr. 15) Hydrostatické vedení [50]
3.3.5 Pohony lineárních os
Lineární posuv se dá vytvořit dvěma způsoby. První variantu je převod rotačního pohybu na přímočarý a druhým způsobem je aplikace lineárního motoru.
Pohony obráběcích os by měli splňovat základní parametry, mezi něž se řadí vysoká tuhost, přesnost, plynulá regulace
Mezi základní používané systémy patří:
Kuličkový šroub
Pastorek a ozubený hřeben
Lineární pohon
24 Kuličkový šroub
V poslední době se stává nejběžnějším způsoben náhonu lineárních os. Zajišťuje přenos rotačního pohybu na přímočarý posuv. Základem je šroubová hřídel, matice, mechanismus pro oběh a kuličky. Šroub se vyrábí ve třech základních třídách jako válcovaný, okružovaný nebo broušený. Pro odvalování kuliček užívají dvě provedení závitů buď s gotickým, nebo kruhovým profilem. V závitech mezi šroubem a maticí obíhají kuličky. Na konci matice jsou kuličky usměrněny do převáděcího kanálku. Tím jsou navráceny zpět do závitu a tím vykonává nekonečný cirkulační pohyb. Konstrukce kuličkového šroubu se používá ve dvou způsobech uspořádání buď s pohyblivým, nebo stojícím šroubem. Od toho se odvíjí umístění motoru pro náhon.
Výhodou je vysoká účinnost a malé opotřebení, tím se dosahuje dobré provozní spolehlivosti a životnosti. Rovněž zaručuje plynulý chod po celém rozsahu šroubu i při velkém zatížení. Vymezením vůle a vytvoření předpětí, získáváme vysokou tuhost a přesnost.
Na druhou stranu dochází ke tření a tím opotřebování komponent díky čemuž je nezbytná potřeba kvalitního mazání. Další nevýhodou je využití šroubu v omezené délce, pro delší aplikace se spíše uplatňuje ozubený hřeben. [2][13][14][24]
Obr. 16) Kuličkový šroub [13] [48]
Pastorek a hřeben
Pracuje na principu odvalování pastorku po ozubeném hřebenu. Ty jsou vyráběny s přímým nebo šikmým ozubením. Hřeben se připevňuje k nepohyblivé části stroje a je možné ho skládat z vícero dílů. Používá se pro aplikace nevhodné pro kuličkový šroub. Na rozdíl od nich dosahuje menší tuhosti, ale vyznačuje se lepší účinnosti. Dále zvládá přesun vysokých hmotností. Rychlost a tuhost nejsou závislé na délce posuvu, kvůli tomu nalézají uplatnění pro dlouhé pojezdy. Mezi nevýhody se řadí nutnost vymezení vůle a mazání pohyblivých částí. Jelikož mechanismus není samosvorný je potřeba k pohonu instalovat brzdný systém. [2][13]
25
Obr. 17) Pastorek a hřeben [51]
Lineární pohon
Pracuje na principu rotačního servomotoru, který se skládá ze statoru a rotoru.
Po přivedení proudu do statoru vzniká elektromagnetická síla a dochází k pohybu.
Lineární motor poskytuj vysokou dynamiku chodu, plynulost a velmi přesné polohování. Neobsahuje mechanické převody, díky tomu dosahuje menších vibrací a hluku. Zároveň vykazuje nízké opotřebení funkčních částí, čímž dosahuje dlouhé životnosti. Výhodou je možnost neomezené délky posuvu při udržení rychlosti a přesnosti. V porovnání s kuličkovým šroubem jde o jednodušší konstrukci, ale s vyššími pořizovacími náklady.
Nevýhodou je trvalé působení magnetické síly, jež zvyšuje zatížení vedení a také vede k nutnosti krytování při obrábění kovových materiálů. Zahřívání motoru především při malých rychlostech muže vést k potřebě chlazení.
Uplatnění nalézá spíše u vysokorychlostního oproti výkonnému obrábění, pro které se spíše hodí kuličkové šrouby. [13][20]
Obr. 18) Lineární pohon [50]
3.3.6 Stoly
Slouží především k nesení, upínání a případně polohování obrobku v pracovním prostoru. Nejčastěji jsou vyrobeny z oceli nebo litiny. Upínací deska má vodorovnou plochu v několika různých tvarech např. čtvercová, obdélníková nebo kruhová. Upínání obrobku probíhá pomocí závitových otvorů nebo matic v T-drážkách vyfrézovaných do desky stolu. Důležitým úkolem stolu je přenos řezných sil do základu stroje. Kvůli tomu je nutné, aby měl stůl dostatečnou tuhost, která ovlivňuje celý stroj. [12]
26 Mohou existovat v několika variantách:
pevný
posuvný
otočný
sklopný
kombinace posuvného a otočného stolu Otočný stůl
Současný vývoj klade neustále se zvyšující požadavky na zlepšení parametrů obrábění. Některé tyto nároky pomáhá zajistit otočný stůl, který slouží k rozšíření pracovních možností stroje. Jeho přidáním získáme další pracovní osu pro obrábění.
Rotační pohyb se využívá pro nastavení obrobku do správné polohy nebo přímo během obráběcího procesu.
Výhodou je obrábění dílů z různých úhlů při jednom upnutí obrobku, čímž dosáhneme přesnější výroby a zkrácení pracovních časů. Použitím otočného stolu mohou také vzniknout příznivější řezné podmínky.
Většina otočných stolů se skládá ze čtyř základních částí, kterými jsou upínací deska, uložení desky v ložisku, pohon a rám stolu. Vedlejšími úseky jsou např. mazací soustava nebo odměřování. Vyskytuje se jako příslušenství ke klasickým tříosým strojům nebo jako integrovaná součást obráběcích center. [23]
Obr. 19) Otočné stoly Fibro, Rückle a Demmeler [44][45][46]
Kolébka
Zakomponováním otočného stolu do kolébky vznikne sklopný stůl. Jde o vylepšení stroje o další pracovní osu. Díky tomu můžeme dosáhnout pětiosého obrábění.
Takovéto víceosé obrábění pomáhá k výrobě dílů, které by na klasickém stroji nešlo
27
zhotovit. Dále přispívá k dosáhnutí lepších strojních časů při zhotovování složitých součástí. [23]
Pro naklápění stolu existují dva základní typy uložení:
letmé
oboustranné
Obr. 20) Otočné stoly s kolébkou od firmy Fibro [44]
3.4 Konstrukční materiály
Vlivem snažení vývoje o zvýšení produktivity a přesnosti výroby se neustálé zvedají nároky i na vlastnosti konstrukčních materiálů. Pro stavbu rámu obráběcího stroje se využívají různé materiály. Při volbě materiálu posuzujeme vhodnost pro danou koncepci a především jeho základní fyzikální a mechanické vlastnosti.
vysoká tuhost a pevnost
vysoký útlum chvění
nízké vnitřní pnutí a tepelná vodivost
Dále pak je nutné uvažovat zpracovatelnost, obrobitelnost, rychlost dodávky a zejména cenu materiálu. Všechny tyto vlastnosti materiálů významně ovlivňují provozní chování celého rámu stroje. [2]
3.4.1 Konvenční materiály
Nejčastěji používané materiály pro konstrukci strojů jsou stále litina a ocel. Jde o slitiny železa s různým množstvím uhlíku a dalšími přídavnými prvky. Díky dlouhodobé práci a mnoha zkušenostem jde o ověřené materiály, ke kterým je spousta podkladů.
Mezi jejich hlavní výhody patří přiměřená cena, snadná dostupnost, nenáročné zpracování a v neposlední řadě dobré mechanické vlastnosti. Dalším kladným hlediskem je zaběhlá navazující výroba nebo vyzkoušené montážní postupy. Všechny tyto aspekty pomáhají k udržení klasických materiálů a zároveň oddalují užití těch nekonvenčních.
Obvyklá realizace rámové konstrukce z konvenčních materiálů probíhá odléváním nebo svařováním. Určujícím parametrem je velikost stroje a počet vyráběných kusů. Pro sériovou výrobu výhodnější odlévání naopak při kusové výrobě lepší použít svařenec. [7][24]
28 Ocel
Ocel se používá pro konstrukci svařenců nebo ve formě odlitku při použití oceli na odlévání. V dnešní době je svařování nosných částí používanější metoda oproti odlitkům z oceli.
Svařovaná konstrukce se většinou vyrábí z ocelových profilů a plechů, kdy zvolený materiál musí mít zaručenou svařitelnost. Počet a velikost svarů musejí být navrženy tak, aby nedošlo ke vzájemnému pnutí a tím zborcení svařované sestavy.
Nevýhodou je, nutné odstraňovaní vzniklého pnutí po svařování, proto jsou svařence následně žíhány.
Častým důvodem pro volbu svařence je požadavek rychlejší výroby. Oproti odlévaným dílcům není potřeba model, což snižuje výrobní náklady. Výhodou je možnost dodatečné úpravy, zejména pokud jde o oblast vývoje a výrobu prototypu.
Z těchto důvodů se používá pro kusovou nebo menší sériovou výrobu.
Dobré mechanické vlastnosti oproti litině umožňují navrhnout slabší stěny při stejné tuhosti rámu a tím docílit snížení hmotnosti celého stroje. Základní materiál většinou nelze použít pro výrobu vodících ploch. Z toho důvodu se musejí připevnit speciální mnohdy kalené lišty z vhodného materiálu.
Ocel má oproti ostatním materiálům nižší tlumící schopnosti. Pro zvýšení tlumení nabízí se vyplnění betonem nebo minerální litinou. [3][6][10]
Obr. 21) Svařované lože od firmy Baykal a Ningbo [26][47]
Litina
Nejrozšířenější a nejpoužívanější materiál pro výrobu nosných dílů obráběcích strojů. Mezi významné litiny používané pro obráběcí stroje patří především šedá litina (s lupínkovým grafitem) a tvárná litina (s kuličkovým grafitem).
Hlavní výhodou litiny oproti oceli jsou lepší tlumící vlastnosti. Z důvodu několikanásobně větší pevnosti v tlaku než v tahu je důležité navrhovat konstrukci tak, aby v kritických místech působilo tlakové namáhání. Litina má menší modul pružnosti, proto při požadavku zachovávání stejné tuhosti jako u ocele je nutné volit silnější stěny odlitku. Kvůli tomu mají litinové dílce vyšší hmotnost než ocelové. Po konstrukčním návrhu je tvar odlitku upravován podle zvyklostí příslušné slévárny. Z toho důvodu musí vzniknout kompromis mezi konstrukcí a technologií. Během návrhu konstrukce je potřeba brát ohled na snadnou manipulaci, možnost čištění a přístup k opracovaným plochám.
29
Základními požadavky pro odlévání jsou především co nejjednodušší tvary, zešikmené plochy a zaoblené hrany. Další nezbytností je dodržení rovnoměrného tuhnutí a stejná struktury v celé součásti. Nevýhodou je nemožnost případných dodatečných úprav konstrukce. Dále nutnost výroby modelu, formy a případně jader.
Během odlévání a následném chladnutí vzniká v odlitku kvůli nerovnoměrnému chladnutí vnitřní pnutí. Proto je kvůli jeho snížení potřebné odlitek nechat tzv.
zestárnout. Tento proces spočívá v nechání odlitku při normální teplotě, kdy za určitý čas proběhne samovolný pokles pnutí. Vzhledem k běžné potřebě rychlejšího snížení napětí je možnost využit žíhání dílce jako umělé stárnutí. [21]
Obr. 22) Litinové lože od firmy STOLLE a DMG Mori [38][39]
3.4.2 Nekonvenční materiály
Nové trendy a neustále zvyšující se nároky na kvalitu výrobních strojů vedou k hledání nových materiálů, které by nahradili obvyklé možnosti. Rozdílné vlastnosti od běžně používaných variant mohou být důvodem jejich aplikace ve výrobě. Většinu výrobců odrazuje od použití těchto materiálu technologické požadavky a především pořizovací náklady. Na druhou stranu díky svým lepším statickým a dynamickým vlastnostem se dají využít pro stavbu konkrétních nosných částí. Bohužel jejich uplatnění není možné pro všechny případy a z toho důvodu jsou prozatím stále málo používané. Za nekonvenční materiály jsou stále považovány jiné materiály než železné.
[8][12]
Betonové materiály
Betonové materiály náleží do kategorie částicových kompozitů. Nejedná o žádnou novinku, svoje uplatnění ve strojírenství nalézají už delší dobu. Původním důvodem jejich aplikace, byla náhrada běžných kovových materiálů. [7][10]
Největší využití nacházejí především následující skupiny:
polymerbeton
hydrobeton
vysokohodnotný beton
30 Polymerbeton
Minerální litina neboli polymerbeton se řadí mezi částicové kompozitní materiály. Jedná se o směs plnící materiálu a spojovacího činidla. Plnivo tvoří zhruba 80% celkového objemu odlitku. Mezi materiály používané jako plnivo patří žula, křemenec a živec. Ty se přidávají ve formě zrn a jejich velikost se odvíjí podle tvaru a velikosti odlitku. Dále se do plniva přidávají drobné částice ve formě kuliček nebo prášku kvůli zlepšení zpracovatelnosti. Mezi těmi to příměsemi může být ocel, litina nebo sklo. Na rozdíl od klasického betonu se místo cementu používají jako pojivo polymery. Většinou se skládá ze dvou složek nejprve z pryskyřice a tvrdidla. Složení materiálu se různí podle předpisu jednotlivých výrobců.
Výroba minerální litiny probíhá litím za studena při maximální teplotě 40-50°C.
Pokojová teplota při odlévání do rozebíratelných forem zaručuje jednodušší technologii výroby. Formy jsou umístěny na vibračních stolech. Díky kterým dosahujeme vyšší zabíhatelnosti a nezbytného rovnoměrného rozložení směsi. Po odlévání je potřeba materiál zhutnit. Následuje procedura vytvrzení směsi, která je závislá na velikosti součásti, složení a množství materiálu.
Prozatímní nevýhodná cena se částečně vyvažuje jejich užitnými vlastnostmi.
Podstatně lepší dynamické vlastnosti především dobré tlumení proti vibracím, kdy koeficient tlumení může být až desetkrát vyšší než u litiny, přispívá k celkovému snížení úrovně chvění stroje, což vede ke zlepšení kvality obráběného povrchu a poklesu hluku.
Nespornou výhodou je též vyšší tepelná kapacita a nízká tepelná vodivost, která pomáhá ke zlepšení přesnosti stroje.
V porovnání se stroji z konvenčních materiálů dochází po odlití k minimálnímu smrštění a malému vnitřnímu pnutí. Další předností je odolnost proti působení olejů, chladících emulzí a různým mazacím kapalin. Minerální litina také nepodléhá korozi.
Základní tvar odlitku je převážně navržen z jednoduchých rovinných tvarů.
Z důvodu nižší tuhosti a pevnosti oproti konvenčním materiálům je nutné zvolit vhodnou tloušťku stěn. Její minimální hodnota je 80 mm. Žebrování a vnitřní prostory charakteristické u odlitků z litiny se nedají pro polotovary z polymerbetonu v podstatě využít. Díky nižší hustotě materiálu není proto většinou potřeba odlehčování pro snížení hmotnosti. Přesto při nutnosti odlehčení se dají do vnitřních prostor zalít polystyrenová jádra, která po odlití v rámu zůstávají.
Velkou výhodou je možnost aplikace integrovaných prvků zásluhou odlévání za studena. Mezi tyto elementy se řadí závitová pouzdra, ocelové lišty a desky sloužící pro spojování s dalšími dílci nebo k ustavování stroje. Dále je možné do vnitřní struktury dílce zabudovat rozvody médií nebo průchodky pro kabely. Tvar a velikost všech těchto vestavěných prvků tak aby styková plocha byla co největší. U klasických materiálů nutnost tyto případy řešit speciálními dutinami nebo dalším obráběním.
Dodatečným obráběním ocelových ploch lze dosáhnut stejných přesností jako dílců z litiny. Jak se vývoj neustále jsou už dnes společnosti, které dokážou zajistit přesné lití minerální litiny bez nutnosti následného obrábění.
Další uplatnění polymerbetonu poskytuje možnost vylití vnitřních prostor tenkostěnné ocelové konstrukce rámu. Při tomto způsobu nám odpadá nutnost pracné výroby žebrování.
Existuje spousta výrobců z toho důvodu, je možné se setkat s různými jeho názvy.
[2][7][16][24][26]
31
Obr. 23) Polymerbetonové lože od firmy Schneeberger a RAMPF [35][36][40]
Hydrobeton
Ve své podstatě jde vlastně o klasický cementový beton, který se využívá především ve stavebnictví, ale někdy nachází uplatnění ve strojírenském odvětví.
Skládá ze dvou základních částí:
plnivo - štěrk, písek
pojivo - cement a voda
Mezi hlavní přednosti patří dobré tlumení dynamického kmitání, nízká tepelná vodivost a příznivá cena, která je nižší než u polymerbetonu. Na druhou stranu většímu využití brání malé znalosti při výrobě dílů pro obráběcí stroje. Dalšími nedostatky jsou nižší odolnost proti olejům a jiným kapalinám nebo náchylnost na působení vlhkost vzduchu. Menší odolnost proti krutu a ohybu z toho důvodu při vyšším namáhání je možnost zlepšení pevnosti armováním. Jedná se o přidání ocelových výztuží, čímž se vytváří železobetonová konstrukce. Díky své dobré přilnavosti k ocelovým materiálů se používá hlavně jako výplň svařovaných ocelových loží. [7][10]
Vysokohodnotný beton
Vysoko pevnostní beton má podobnou strukturu jako klasické cementové betony.
Na rozdíl od nich obsahuje přidané složky, které zlepšují pevnost v tlaku, houževnatost a odolnosti proti trhlinám. Dále snižuje pórovitost a pomáhá dlouhodobé stabilitě.
Podobně jako u minerální litiny je díky odlévání za pokojové teploty možné zalití integrovaných prvků. Jeho cena se pohybuje výše než u běžných cementových betonů ale oproti polymerbetonům je stále nižší. [7]
Obr. 24) Betonové lože od firmy Durcrete a RAMPF [36][37]
32 Granit
Jde o přírodní materiál - žulu získávanou těžbou. Žulové bloky jsou následně opracovány na požadované rozměry. Následně je potřeba všechny pracovní plochy přebrousit.
Hlavním důvody použití granitu jsou rozměrová a teplotní stabilita, vysoká tuhost a odolnost proti opotřebení. Oproti konvenčním materiálům v granitu nedochází k vnitřnímu pnutí. Dobré tlumící vlastnosti přispívají ke snížení chvění stroje a tím zlepšení kvality obráběného povrchu. Naopak zásadní nevýhodou je velká nákladnost, nutnost broušení a případná pozdější úprava hotové konstrukce. Dalším záporem je nutnost předvrtání závitových děr, do kterých se následně lepí kovové vložky. Komplikované spojení s dalšími dílci se provádí lepením nebo sešroubováním.
Hlavní využití nalézají stavby z granitu u speciálně přesných obráběcích nebo vysoce přesně měřících strojů. Většímu využití granitu brání stále vysoká cena. [20]
Obr. 25) Ukázky nosných částí z granitu od firmy Microplan [42]
3.4.3 Hybridní materiály
Hybridními se označují takové materiály, které k výrobě nosného dílce používají dva různé materiály. Většinou jde o kombinaci konvenčních a nekonvenčních materiálů.
To pomáhá snižovat cenu dílce při zachování nebo zlepšení vlastností. Oproti obvyklým metodám vyšší náklady na vývoj a výrobu. [6]
Mezi nejčastěji používané kombinace patří:
litinové odlitky s výplní z betonu
ocelové svařence s výplní z betonu
sendvičové struktury s hliníkovou pěnou
odlitek nebo svařenec vyztužený uhlíkovými vlákny
kombinace polymerbetonu a granitu
33
Obr. 26) Ukázka hybridních konstrukcí nosných částí [26][34][43]
3.4.4 Srovnání vlastností materiálů
Při porovnání materiálu nelze říct, který je lepší. Každý je jiný a má oproti ostatním svoje specifické vlastnosti. Výběr materiálu proto závisí na konkrétním požadavku pro práci stroje. Od toho se odvíjí volba materiálu. Konstrukčních materiálů existuje samozřejmě mnohem více, zde jsou popsány jen některé příklady.
Tab 2) Porovnání vlastnosti materiálu [7]
Materiál
Měrná Hmotnost
[𝐤𝐠 ∙ 𝐦𝟑]
Modul Pružnosti
[GPa]
Mez pevnosti v tahu [MPa]
Mez pevnosti v tlaku
[MPa]
Mez pevnosti v ohybu
[MPa]
Ocel 7 850 210 400 - 1 600 250 - 1200 150 - 600
Litina 7200 120 150 - 400 600 - 1000 250 - 250
Polymerbeton 2 300 - 2 600 30 - 44 10 -40 140 - 160 15 - 50
Granit 2 300 50 - 250 13
Hydrobeton 2 200 - 2 500 10 - 30 1,5 - 3,5 10 - 35 3 - 8
HPC beton 2 200 - 2 500 50 - 60 8 -10 100 - 200 3 8
34
4 NÁVRHOVÁ ČÁST
Tato diplomová práce má za cíl návrh konstrukce lože pro obráběcí stroj. Prvním úkolem je určení celkové koncepce a výběr vhodné kinematiky stroje. Po jejím zvolení následuje konstrukce jednotlivých uzlů.
Po stanovení koncepce následuje tvorba několika variant loží podle zadaných parametrů. Dále je nezbytné navrhnout i další důležité části z důvodu kompletního představení stroje. Na vybraných variantách loží bude v následující části práce provedena pevnostní analýza.
Modely konstrukčního návrhu stroje budou provedeny v softwaru Solid Edge.
4.1 Návrh stroje
Během vývoje a při návrhu je důležitý požadavek konečného zákazníka, který se často podílí na vlastní konstrukci stroje. Určujícím faktorem je pro jaké produkty bude stroj sloužit. Jaká bude jeho velikost, použitý materiál a z toho určující se způsob obrábění.
Díky současnému trendu v konstrukci obráběcích strojů by výstupem návrhu stroje mělo být obráběcí centrum. Takové stroje mohou v dnešní době zahrnovat možnosti obrábění mnoha způsoby. V tomto případě jde o klasické metody obrábění.
Protože v této práci jde především o návrh lože, pro ostatní součásti vzniknou pouze zjednodušené modely. Ty slouží při návrhu, na pevnostní výpočet a pro představu o tom jak bude budoucí stroj vypadat. Pro navrhovanou vodorovnou osu vřetena existuje několik základních konstrukčních provedení. Ty se rozdělují podle pohybu obrobku nebo nástroje v jednotlivých pohybových osách.
4.1.1 Základní parametry stroje
Pro vypracování takového projektu je podstatné určení základních parametrů.
Tyto hodnoty mohou být napevno dané nebo určené rozmezí v jakých hodnotách by se měly pohybovat. Všechny následující kritéria jsou pro jednotlivé varianty stejné.
Tab 3) Tabulka výchozích parametrů stroje
Parametr Hodnota
Příčná osa X [mm] 2000 – 3000
Svislá osa Y [mm] 1200 - 1300
Výsuv vřetena W [mm] 600 - 700
Posuvy [m/min] 25
Průměr otočného stolu [mm] 1000
Max. hmotnost obrobku [kg] 2000 - 3000
Řezná síla [N] 10 000
35 4.1.2 Popis stroje
Obr. 27) Schéma stroje
Základem je koncepce kinematické struktury. Pro tento stroj bylo zvoleno uspořádání, kdy stojan s výsuvným vřeteníkem vykonává všechny lineární pohyby. Stroj by měl být používán pro více alternativ s možností rozšíření pracovního prostoru.
Na navrhovaném loži, které tvoří základ stroje, jsou dosedací plochy pro umístění upínacího základu. Ten slouží k uložení otočného stolu. Ostatní plochy zajišťují upevnění dalších eventuálních variant přídavných stolů.
Důležitou součástí je pohyblivý stojan. Tato koncepce snižuje hmotnost stroje a zmenšuje zástavbový prostor. Na druhou stranu má nižší tuhost a složitější konstrukci.
Pohyb stojanu je zajištěn kuličkovým šroubem umístěným mezi dvěma kolejnicemi valivého lineárního vedení.
Vřeteník umístěný ve stojanu jezdí po lineárním vedení a tím zajišťuje pohyb ve vertikální pracovní ose. Jeho výsuv by měl dosahovat nejméně do středu otočného stolu.
Dále pak je důležité, jestli bude vřeteník umístěn centrálně nebo na boku stojanu.
Z důvodu symetričnosti stroje a rovnoměrného tepelného a silového zatížení stroje se jeví jako lepší možnost centrálně vedený vřeteník.
Stroj bude uložen na betonový základ pomocí přesně rozmístěných kotevních šroubů. Dopravník třísek bude umístěn podle zvolené koncepce lože.
4.1.3 Varianty stroje
V dnešní době má každý zákazník odlišné požadavky na to, jakou práci by měl stroj zvládnout. Proto je výhodné navrhnout obráběcí stroj tak, aby ho bylo možné nabízet v různých konfiguracích. Z toho důvodu je stroj konstruován pro vícero možností. Všechny varianty udržují stejnou koncepci. Změna nastává pouze výměnou použitých typů stolů.
36 Varianta I - Otočný stůl
Jde o základní variantu, kdy stroj obsahuje pouze samotný otočný stůl. Z důvodu omezené nosnosti stolu se používá pro díly s nižší hmotností a menšími rozměry.
Výhodu této aplikace je že na rozdíl od realizace s posuvným stolem zjednodušuje konstrukci.
Obr. 28) Otočný stůl Varianta II - Otočný stůl + pevné desky
Tato možnost vychází z předchozí varianty. K otočnému stolu se přidají ze dvou stran pevné upínací desky. Jejich zakomponováním do stroje získáme větší pracovní prostor a opěrnou plochu. Díky tomu lze obrábět větší díly a rozšíří se škála použitelnosti stroje.
Obr. 29) Otočný stůl + pevné stoly
37 Varianta III - Pevná upínací deska
Může nastat situace, kdy zákazník nepotřebuje pro svou práci otočný stůl. Pro tento případ je navržena varianta, která obsahuje pouze pevnou upínací desku. Jedná se nejjednodušší možnou variantu určenou zejména pro jednodušší operace a rozměrnější obrobky. Deska se pouze připevní na lože a není potřeba přivádět média nutné pro práci pohyblivého stolu.
Obr. 30) Pevný stůl Varianta IV – Otočný stůl s kolébkou
Jde o speciální variantu, která se využívá při potřebě náročných obráběcích operací. Integrováním kolébky na stroj získáme další pracovní osu. Zásluhou toho je možné obrábět i složité díly na jedno upnutí. Další výhodou této alternativy je, že jde o nakupovanou součást, která se jen umístí na lože. Z toho důvodu není potřeba nezbytný nákladný vývoj.
Obr. 31) Kolébka
38
4.2 Návrh lože
Zásluhou neustále zvyšujících se parametrů pohyblivých částí obráběcích strojů, se musí úměrně k tomu vyvíjet konstrukce nosných částí.
Tato práce se zabývá vývojem nového typu lože. Tento projekt je navrhován jako odlitek ze šedé litiny, nejpoužívanějšího materiálu pro nosné díly obráběcích strojů. Pro porovnání se šedou litinou a k teoretickému použití je zpracována alternativní varianta z minerálního betonu. Z důvodu preferování odlévaných dílů se neuvažovalo o svařované konstrukci.
4.2.1 Základní parametry lože
Na základě požadavků a zadaných parametrů bude navrženo několik variant loží.
V průběhu bylo nezbytné kvůli následnému porovnání dodržet hlavní rozměry. Jejich velikost se postupně vyvíjela, než se dostala ne pevně dané hodnoty. Bohužel některé rozměry vzhledem k rozdílné konstrukci nelze dodržet. Kvůli tomu jsou ukázány hodnoty pro všechny varianty shodné.
Tab 4) Tabulka rozměrů lože
Rozměry lože
Délka [mm] 3500
Šířka [mm] 1500
Výška [mm] 800
Rozteč příček [mm] 500
Tloušťka stěn [mm] 15 - 30
4.2.2 Konstrukční řešení lože
Lože je základní část stroje, která je spojena s mnoha jeho dalšími úseky. Z důvodu snížení nákladů, probíhá unifikace, tzn. sjednocení jednotlivých částí stroje pro co nejvíce typů. Díky tomu nelze lože navrhnout podle libosti, ale musí se brát zřetel na další prvky stroje. Často jde o normalizované komponenty, které mají ustálené provedení. Proto je nutné vytvořit model pro jejich možné použití.
Následující oddíl popisuje nejdůležitější hlediska, která mají vliv na konečnou podobu lože.
Odvod třísek
Jde o jeden ze základních aspektů, ze kterého vychází celková koncepce celého rámu. Základní myšlenkou při návrhu lože je záměr dosažení gravitačního odvodu třísek. Jde o nejjednodušší metodu a při splnění tohoto požadavku není potřeba pomocných způsobů přesunů třísek k dopravníku.
V prvním případě probíhá odvod třísek prostředkem lože, z toho důvodu se lože svažuje směrem ke středu, další možností je svažování na jednu stranu a odvod mimo osu lože.
a) Dopravník ve středu lože b) Dopravník na kraji lože
39
Obr. 32) Schematické zobrazení odvodu třísek Lineární vedení
Následujícím aspektem ovlivňující podobu lože je způsob vedení stojanu. Na základě provedené rešerše bylo zvoleno valivé lineární vedení. Dosahuje vysoce přesného polohování, nízkého součinitele tření, dlouhé životnosti a snadné zástavby do konstrukce. Jeho velikost se bude odvíjet od velikosti zatížení.
Varianty vedení stojanu:
a) Dvě kolejnice vertikálně
b) Jedna horizontálně a jedna vertikálně c) Dvě kolejnice vertikálně
Obr. 33) Ukázky způsobů uchycení lineárního vedení [35]
Z výše uvedených možností bylo zvoleno vertikální umístění vedení na boku lože.
Tento způsob zajištuje nejjednodušší konstrukci, pro určenou strukturu stroje s jedním kusem lože. Vybrané lineární vedení se skládá ze dvou kolejnicve stanoveném rozmezí, na kterých budou instalovány vozíky připevněné ke stojanu. Kolejnice jsou k loži uchyceny pomocí šroubů. Jejich umístění hraje důležitou roli při následné tvorbě vhodného žebrování.
Z důvodu jednodušší montáže a kvalitního vyrovnání vodících kolejnic je potřeba vytvořit dorazové plochy. Vyrovnání se dosáhne natlačením kolejnic proti dorazové ploše pomocí přítlačných lišt.
Náhon stojanu
Důležitým úsekem je volba vhodného náhonu lineární pracovní osy nesoucí stojan. Díky schopnosti zvládnout velká zatížení s vysokou mírou přesnosti polohování se vzhledem ke koncepci stroje, ukazuje jako nejvhodnější možnost kuličkový šroub.
