Zasada działania narzędzia wrzecionowego – luzowanie i zaciskanie w centrach obróbczych CNC
Streszczenie: Niniejszy artykuł szczegółowo omawia podstawową konstrukcję i zasadę działania mechanizmu luzowania i zaciskania narzędzi w centrach obróbczych CNC, w tym skład poszczególnych komponentów, proces obróbki oraz kluczowe parametry. Celem artykułu jest dogłębna analiza wewnętrznego mechanizmu tej kluczowej funkcji, dostarczenie teoretycznych odniesień dla odpowiedniego personelu technicznego, pomoc w lepszym zrozumieniu i utrzymaniu układu wrzeciona centrów obróbczych CNC oraz zapewnienie wysokiej wydajności i precyzji procesu obróbki.
I. Wprowadzenie
Funkcja luzowania i zaciskania narzędzi wrzeciona w centrach obróbczych stanowi ważny fundament dla automatyzacji obróbki na centrach obróbczych CNC. Chociaż występują pewne różnice w konstrukcji i zasadzie działania poszczególnych modeli, podstawowe założenia są podobne. Dogłębne badania nad zasadą działania mają ogromne znaczenie dla poprawy wydajności centrów obróbczych, zapewnienia jakości obróbki i optymalizacji konserwacji sprzętu.
II. Podstawowa struktura
Mechanizm luzowania i zaciskania narzędzi wrzeciona w centrach obróbczych CNC składa się głównie z następujących podzespołów:
- Sworzeń ściągający: Zamontowany na końcu stożkowego trzonu narzędzia, jest kluczowym elementem łączącym pręt ściągający, umożliwiającym dokręcenie narzędzia. Współpracuje ze stalowymi kulkami na końcu pręta ściągającego, zapewniając pozycjonowanie i zaciskanie narzędzia.
- Drążek pociągowy: Poprzez interakcję ze sworzniem pociągowym za pośrednictwem stalowych kulek, przenosi siły rozciągające i naciskowe, realizując zaciskanie i luzowanie narzędzia. Jego ruch jest kontrolowany przez tłok i sprężyny.
- Koło pasowe: Zazwyczaj pełni funkcję elementu pośredniego w przenoszeniu mocy, w mechanizmie luzowania i zaciskania narzędzia wrzeciona, może być częścią ogniw przekładni, które napędzają ruch powiązanych podzespołów. Na przykład, może być połączone z układem hydraulicznym lub innymi urządzeniami napędowymi, aby napędzać ruch podzespołów, takich jak tłok.
- Sprężyna Belleville: Składa się z wielu par piór sprężyny i jest kluczowym elementem generującym siłę naciągu narzędzia. Jej duża siła sprężystości zapewnia stabilne zamocowanie narzędzia w stożkowym otworze wrzeciona podczas obróbki, gwarantując dokładność obróbki.
- Nakrętka zabezpieczająca: Służy do mocowania elementów, takich jak sprężyna Belleville, aby zapobiec ich luzowaniu się w trakcie pracy oraz zapewnić stabilność i niezawodność całego mechanizmu luzowania i zaciskania narzędzia.
- Podkładka regulacyjna: Szlifowanie podkładki regulacyjnej umożliwia precyzyjną kontrolę styku między prętem pociągowym a sworzniem pociągowym na końcu skoku tłoka, zapewniając płynne luzowanie i dokręcanie narzędzia. Odgrywa ona kluczową rolę w precyzyjnej regulacji całego mechanizmu luzowania i zaciskania narzędzia.
- Sprężyna śrubowa: Odgrywa rolę w procesie luzowania narzędzia i wspomaga ruch tłoka. Na przykład, gdy tłok porusza się w dół, aby popchnąć drążek pociągowy i poluzować narzędzie, sprężyna śrubowa zapewnia pewną siłę sprężystości, gwarantując płynność i niezawodność działania.
- Tłok: Jest to element przenoszący siłę w mechanizmie luzowania i zaciskania narzędzia. Napędzany ciśnieniem hydraulicznym, porusza się w górę i w dół, a następnie napędza drążek pociągowy, realizując czynności zaciskania i luzowania narzędzia. Precyzyjna kontrola jego skoku i docisku ma kluczowe znaczenie dla całego procesu luzowania i zaciskania narzędzia.
- Wyłączniki krańcowe 9 i 10: Służą odpowiednio do wysyłania sygnałów zacisku i luzu narzędzia. Sygnały te są przekazywane zwrotnie do systemu CNC, dzięki czemu system może precyzyjnie sterować procesem obróbki, zapewnić skoordynowany postęp każdego procesu i uniknąć wypadków przy obróbce spowodowanych błędną oceną stanu zacisku narzędzia.
- Koło pasowe: Podobnie jak koło pasowe wspomniane w punkcie 3 powyżej, jest częścią układu przeniesienia napędu, zapewniającą stabilne przenoszenie mocy i umożliwiającą wszystkim elementom mechanizmu luzowania i zaciskania narzędzia współpracę zgodnie z ustalonym programem.
- Osłona końcowa: Pełni funkcję ochronną i uszczelniającą wewnętrzną konstrukcję wrzeciona, zapobiegając przedostawaniu się zanieczyszczeń, takich jak kurz i wióry, do wnętrza wrzeciona i zakłócaniu prawidłowego działania mechanizmu luzowania i zaciskania narzędzia. Jednocześnie zapewnia stosunkowo stabilne środowisko pracy dla elementów wewnętrznych.
- Śruba regulacyjna: Można jej używać do dokonywania precyzyjnych regulacji położenia lub luzów niektórych podzespołów w celu dalszej optymalizacji działania mechanizmu luzowania i zaciskania narzędzia oraz zapewnienia utrzymania wysokiej precyzji pracy podczas długotrwałego użytkowania.
III. Zasada działania
(I) Proces zaciskania narzędzi
Gdy centrum obróbcze znajduje się w normalnym stanie obróbki, na górnym końcu tłoka 8 nie ma ciśnienia oleju hydraulicznego. W tym momencie sprężyna śrubowa 7 jest naturalnie rozciągnięta, a jej siła sprężystości powoduje ruch tłoka 8 w górę do określonej pozycji. Jednocześnie rolę odgrywa sprężyna talerzowa 4. Ze względu na swoje właściwości sprężyste, sprężyna talerzowa 4 popycha drążek pociągowy 2 do góry, tak aby 4 stalowe kulki na końcu drążka pociągowego 2 weszły w pierścieniowy rowek na końcu sworznia pociągowego 1 trzpienia narzędzia. Dzięki osadzeniu stalowych kulek siła napinająca sprężyny talerzowej 4 jest przenoszona na sworzeń pociągowy 1 poprzez drążek pociągowy 2 i stalowe kulki, co zapewnia ścisłe przytrzymanie trzpienia narzędzia i precyzyjne pozycjonowanie oraz mocny zacisk narzędzia w stożkowym otworze wrzeciona. Ta metoda zaciskania wykorzystuje dużą energię potencjalną sprężystości sprężyny Belleville i zapewnia wystarczającą siłę napinającą, aby mieć pewność, że narzędzie nie poluzuje się pod wpływem działania szybkich obrotów i sił skrawania, co gwarantuje dokładność i stabilność obróbki.
(II) Proces luzowania narzędzi
W przypadku konieczności wymiany narzędzia, uruchamiany jest układ hydrauliczny, a olej hydrauliczny wpływa do dolnego końca tłoka 8, generując siłę nacisku w górę. Pod wpływem siły nacisku hydraulicznego tłok 8 pokonuje siłę sprężystości sprężyny śrubowej 7 i zaczyna się poruszać w dół. Ruch tłoka 8 w dół popycha drążek pociągowy 2, który porusza się synchronicznie w dół. Podczas ruchu drążka pociągowego 2 w dół, stalowe kulki wysuwają się z pierścieniowego rowka na końcu sworznia pociągowego 1 trzpienia narzędzia i wchodzą w pierścieniowy rowek w górnej części tylnego, stożkowego otworu wrzeciona. W tym momencie stalowe kulki nie wywierają już działania hamującego na sworzeń pociągowy 1, a narzędzie zostaje poluzowane. Gdy manipulator wyciąga trzpień narzędzia z wrzeciona, sprężone powietrze wydmuchuje się przez centralne otwory tłoka i drążka pociągowego, aby oczyścić zanieczyszczenia, takie jak wióry i kurz, z otworu stożkowego wrzeciona, przygotowując go do kolejnego montażu narzędzia.
(III) Rola wyłączników krańcowych
Wyłączniki krańcowe 9 i 10 odgrywają kluczową rolę w przekazywaniu sygnału zwrotnego w całym procesie luzowania i zaciskania narzędzia. Gdy narzędzie jest zaciśnięte, zmiana położenia odpowiednich komponentów aktywuje wyłącznik krańcowy 9, który natychmiast wysyła sygnał zacisku narzędzia do systemu CNC. Po odebraniu tego sygnału system CNC potwierdza, że narzędzie jest w stabilnym stanie zacisku i może rozpocząć kolejne operacje obróbki, takie jak obrót wrzeciona i posuw narzędzia. Podobnie, po zakończeniu luzowania narzędzia, aktywuje się wyłącznik krańcowy 10, który wysyła sygnał luzowania narzędzia do systemu CNC. W tym momencie system CNC może sterować manipulatorem w celu przeprowadzenia operacji wymiany narzędzia, zapewniając automatyzację i precyzję całego procesu wymiany narzędzia.
(IV) Kluczowe parametry i punkty projektowe
- Siła naciągu: Centrum obróbcze CNC wykorzystuje łącznie 34 pary (68 sztuk) sprężyn talerzowych, które generują dużą siłę naciągu. W normalnych warunkach siła naciągu do dokręcania narzędzia wynosi 10 kN i może osiągnąć maksymalnie 13 kN. Taka konstrukcja siły naciągu jest wystarczająca, aby sprostać różnym siłom skrawania i siłom odśrodkowym działającym na narzędzie podczas obróbki, zapewniając stabilne zamocowanie narzędzia w stożkowym otworze wrzeciona, zapobiegając jego przesunięciu lub wypadnięciu podczas obróbki, a tym samym gwarantując dokładność obróbki i jakość powierzchni.
- Skok tłoka: Podczas wymiany narzędzia skok tłoka 8 wynosi 12 mm. Podczas tego 12-milimetrowego skoku ruch tłoka jest podzielony na dwa etapy. Najpierw, po przesunięciu się tłoka o około 4 mm, zaczyna on popychać cięgno 2, aż stalowe kulki wejdą w pierścieniowy rowek Φ37 mm w górnej części stożkowego otworu wrzeciona. W tym momencie narzędzie zaczyna się luzować. Następnie cięgno kontynuuje opadanie, aż powierzchnia „a” cięgna zetknie się z górną częścią sworznia pociągowego, całkowicie wypychając narzędzie ze stożkowego otworu wrzeciona, tak aby manipulator mógł płynnie wyjąć narzędzie. Dzięki precyzyjnej kontroli skoku tłoka, czynności luzowania i zaciskania narzędzia mogą być wykonane dokładnie, unikając problemów, takich jak niewystarczający lub nadmierny skok, które mogą prowadzić do luźnego zacisku lub niemożności poluzowania narzędzia.
- Naprężenie kontaktowe i wymagania materiałowe: Ponieważ 4 stalowe kulki, stożkowa powierzchnia sworznia pociągowego, powierzchnia otworu wrzeciona oraz otwory, w których znajdują się stalowe kulki, podlegają znacznym naprężeniom kontaktowym podczas procesu obróbki, stawiane są wysokie wymagania materiałom i twardości powierzchni tych części. Aby zapewnić spójność siły działającej na stalowe kulki, otwory, w których znajdują się 4 stalowe kulki, muszą być ściśle ustawione w tej samej płaszczyźnie. Zazwyczaj te kluczowe części będą wykonane z materiałów o wysokiej wytrzymałości, wysokiej twardości i odporności na zużycie oraz poddawane precyzyjnej obróbce mechanicznej i cieplnej w celu poprawy ich twardości powierzchni i odporności na zużycie, zapewniając, że powierzchnie kontaktowe różnych komponentów mogą utrzymać dobry stan roboczy podczas długotrwałego i częstego użytkowania, zmniejszając zużycie i odkształcenia oraz wydłużając żywotność mechanizmu luzowania i zaciskania narzędzia.
IV. Wnioski
Podstawowa konstrukcja i zasada działania mechanizmu luzowania i zaciskania narzędzi w centrach obróbczych CNC tworzą złożony i zaawansowany system. Każdy komponent ściśle ze sobą współpracuje i koordynuje. Dzięki precyzyjnej konstrukcji mechanicznej i pomysłowym konstrukcjom mechanicznym, możliwe jest szybkie i dokładne zaciskanie i luzowanie narzędzi, co stanowi solidną gwarancję wydajnej i zautomatyzowanej obróbki w centrach obróbczych CNC. Dogłębne zrozumienie zasady działania i kluczowych aspektów technicznych ma kluczowe znaczenie dla projektowania, produkcji, użytkowania i konserwacji centrów obróbczych CNC. W przyszłości, wraz z ciągłym postępem technologii obróbki CNC, mechanizm luzowania i zaciskania narzędzi wrzeciona będzie również stale optymalizowany i udoskonalany, dążąc do wyższej precyzji, większej prędkości i bardziej niezawodnej wydajności, aby sprostać rosnącym wymaganiom przemysłu wytwórczego klasy premium.