Tribotechnické listy

 

 

Vysoko únosné klzné ložisko pre rotujúce sústružnícke nože

Požiadavky zvyšovania produktivity a kvality obrábania najmä ťažko obrábateľných materiálov viedla k vývoju rotujúcich sústružníckych nožov. Ich praktické využitie však naráža na problém vhodného uloženia. Pre značné hodnoty rezných síl sa valivé ložiská ukázali ako nevhodné. Vyžadovali by sa ložiská značných rozmerov. Rovnako klasické klzné ložiská nie sú vhodné pre ložiskovú vôľu, ktorá ovplyvňuje funkciu nástroja. Naviac stúpa s opotrebením ložiska. Príspevok opisuje optimálne vysoko únosné ložisko, ktoré tieto nárožné podmienky namáhania splňuje.


Podstata obrábania rotujúcimi nástrojmi
Základné princípy práce autorotujúcich nožov sú na obr. 1.

 

 


Obr. 1 Princíp práce rotujúceho noža a - pri kladnom a, b - pri zápornom uhle sklonu reznej hrany


Ak sledujeme relatívny pohyb bodu A, možno dôjsť k záveru, že jeho rýchlosť "v" je daná vektorovým rozdielom rýchlosti rotácie obrobku vo a nástroja vN. Podľa nastaveného uhla sklonu nástroja a ±λs možno veľkosť reznej rýchlosti regulovať v širokom rozsahu. Tento prístup umožňuje zvyšovať produktivitu obrábania zvyšovaním obvodovej rýchlosti obrobku a súčasne dosiahnuť vysokú trvanlivosť nástroja. Vhodnou voľbou uhla λs možno dosiahnuť stav, že v = vOPT keď je trvanlivosť nástroja maximálna. Medzi ďalšie pozitívne aspekty rotujúcich nožov patrí nízka teplota rezania v dôsledku intenzívneho chladenia reznej hrany mimo záberu. Táto skutočnosť sa tiež podieľa na vzraste trvanlivosti nástroja. Vzhľadom na veľké polomery kruhových rotujúcich nožov (desiatky mm) sa dosahuje znížená maximálna výška nerovností obrobenej plochy. Pre jej veľkosť platí vzťah:

 

vas

kde f je posuv nástroja, (mm)
re - polomer nástroja, (mm)
λs - uhol sklonu reznej hrany, ( ° )
Preto kvalita obrobeného povrchu je podstatne lepšia ako pri obrábaní klasickými nástrojmi s polomerom hrotu niekoľko mm, alebo desatín mm.


Návrh uloženia pre rotujúci nôž

Riešenie spočíva vo vytvorení klzného ložiska s kužeľovým čapom (obr.1). Na zabezpečenie únosnosti a udržanie ložiskovej vôle je na čape vytvorená skrutkovito - špirálová drážka, čím ložisko súčasne plné funkciu čerpadla oleja.
Komplexné posúdenie takéhoto ložiska je pomerne zložité, preto boli použité niektoré zjednodušenia a experimentálna analýza.
Prúdenie medzi rotujúcou kužeľovou stopkou a kužeľovým puzdrom možno sledovať ako prúdenie v úzkej medzere. Teoretickým základom sú Navier - Stokesove diferenciálne rovnice pohybu viskóznej kvapaliny. Uvažujeme ustálený pohyb viskóznej kvapaliny a touto podmienkou vylučujeme premenlivosť miestnej rýchlosti. Vytvorí sa laminárne prúdenie, ktoré vyžaduje malú vzdialenosť stien a malú strednú rýchlosť prúdu. Presné riešenie je vo všeobecnejších prípadoch zložité, preto boli zavedené nasledovné zjednodušujúce predpoklady:
- rýchlosť kvapaliny je vo smere výšky medzery rovná nule;
- vplyv bočných stien je zanedbateľný, veličiny nie sú funkciou šírky (obvodu);
- prúdenie je ustálené, všetky derivácie podľa času sú nulové;
- kvapalina je nestlačiteľná;
- tlak a viskozita sú po celej šírke medzery konštantné;
- hmotnostné sily sú nulové a počítame len so silami tlakovými a trecími;
- všetky parametre sú vzťahované k strednému polomeru v reze A - A (obr. 2);
- vplyv drážky je uvažovaný dodatočne.

 

Obr. 2 Schéma k výpočtu kužeľového ložiska

 

Prietok laminárneho prúdenia v medzere, vyvolaného len tlakovým spádom bude:

Rýchlosť v medzere na polomere r bude vektorovým súčtom rýchlosti v axiálnom a obvodovom smere:

kde

Šmykové napätie na stenách:

a celkové šmykové napätie:

Trecia sila, ktorá pôsobí proti otáčavému pohybu vnútorného kužeľa:

a výkon, stratený trením o stenu medzery:

Výkon, stratený prietokom kvapaliny pri prúdení vplyvom tlakového spádu na začiatku a na konci medzery:

a celkový stratený výkon:

Sila, ktorou pôsobí kvapalina kolmo na stenu:

Táto sila predstavuje únosnosť v radiálnom smere. Pretože na kužeľovej stopke rotujúceho noža sa nachádza skrutkovitá drážka obdĺžnikového profilu, možno porovnať jej funkciu s časťou skrutkovitého čerpadla (obr. 3).

 

Obr. 3 Účinok drážky na prúdenie kvapaliny v kužeľovom ložisku

 

Vyvodený tlak možno všeobecne definovať rovnicou:

Funkcia ložiska bola verifikovaná na modeli z organického skla (obr. 4). Súčasťou modelu sú dve tlakomerné rúrky, ktoré slúžia na zisťovanie tlaku na minimálnom a maximálnom polomere a k stanoveniu tlakového spádu.

 

Obr. 4 Fotografia modelu ložiska na identifikáciu tlakového spádu

 

Model nástroja bol roztočený pomocou vŕtačky s definovanou frekvenciou otáčania. Zo skutočných hodnôt ω a zo zistených Δp boli zostavené závislosti:

ktoré sú na obr. 5 - 7.

 

Obr. 5 Závislosť Fa a Fk na rozdiele tlakov

 

Obr. 6 Závislosť výkonu a výkonu strateného prietokom na rozdiele tlakov

 

Obr. 7 Závislosť trecej sily, šmykového napätia strateného výkonu na trecej sile

 

Šmykové napätie a s ním aj trecia sila, ktorá pôsobí proti rotačnému pohybu, pomerne rýchlo rastie so zväčšovaním tlakového spádu. To isté platí o zväčšovaní strateného výkonu. Výhodnejšie je preto zväčšiť vyvodený tlak v drážke zväčšovaním súčiniteľa k1. Z toho dôvodu je účelné navrhnúť uloženie s drážkou v čape aj drážkou v statore, ale s opačným stúpaním. Rovnako je účelné aplikovať viacchodové drážky.

 

Konštrukčné varianty ložiska
Na plnenie funkcie ložiska možno navrhnúť niekoľko konštrukčných variantov. Na obr. 8a je integrovaný nástroj s čapom 1.

 

Obr. 8 Konštrukčné riešenia kužeľového ložiska.

a - integrovaný nástroj s čapom,

b - skladaný nástroj so samostatným čapom,

c - skladaný nástroj s drážkou v puzdre.

1 - nôž,

2- guľka,

3 - nastavovacia skrutka,

4 - samostatný rotačný nôž,

5 - ložiskové puzdro,

6 - hladký čap,

7 - drážkované puzdro,

8 - teleso noža,

9 - poistná matica

 

Na kužeľovom čape je vytvorená drážka, ktorá končí zápichom. Pri rotácii nástroja sa olej prečerpáva drážkou do horného zápichu, odtiaľ sa radiálnym a axiálnym otvorom vracia do spodného priestoru. Výhodou konštrukcie je možnosť výroby v ľubovoľnej presnosti, teda je daná možnosť eliminovať hádzanie noža. Na nastavenie počiatočnej vôle je v držiaku umiestnená nastavovacia skrutka 3, opretá čelom o guľku 2.
Druhý variant (b) počíta so samostatným ložiskom 5, ktoré má vonkajšiu a vnútornú drážku s opačným stúpaním. Drážka zabezpečuje spoľahlivú cirkuláciu oleja. Konštrukcia umožňuje použiť dostupné kruhové nože z rýchloreznej ocele, alebo spekaného karbidu 4. Ďalší variant je riešený s hladkým výmenným čapom 6 a drážkovaným statickým puzdrom 7, ktoré je uložené v držiaku noža 8. Na obr. 8c vidno poistnú maticu 9, ktorá slúži na poistenie polohy skrutky. V čapoch 5 a 6 je možné vytvoriť kužeľ, ktorý slúži k udržovaniu axiálnej polohy guľky. V otvore je vytvorený závit, ktorý umožňuje uvoľňovanie nástroja.
Na obr. 9 je príklad výkresu ložiskového čapu a na obr. 10 komplexný nožový držiak.

Obr. 9 Výkres drážkovaného ložiskového čapu


Obr. 10 Zostava komplexného nástroja (miskový nôž je sklonený pod dvoma uhlami λs a Θ ).


Na obr. 11 je pohľad na hotový nástroj



Obr. 11 Fotografia nástroja s miskovým rotujúcim nožom


Záver
Klzné uloženie na kužeľovom ložisku umožnilo dosiahnuť spoľahlivú prácu rotujúceho sústružníckeho noža pri obrábaní rozličných, najmä ťažko obrábateľných materiálov. Výsledky aplikácie sú publikované v iných prácach.

Prof. Ing. Karol Vasilko, DrSc
Technická univerzita v Košiciach
Fakulta výrobných technológií
so sídlom v Prešove
prof. Ing. Jozef Pilc, CSc.
Strojnícka fakulta
Žilinská univerzita v Žiline




 

 

 

 

 

 

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
4 + 8 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd