Mazání a chlazení přesných vřeten obráběcích strojů

Cílem tohoto příspěvku není poskytnutí celkového přehledu vřeten obráběcích strojů z pohledu konstrukce, použití ani celkového přehledu výrobců těchto přesných komponentů obráběcích strojů, nýbrž seznámit zájemce se současným stavem a vývojem v tomto oboru. Především pak s problematikou mazání, chlazení a údržby těchto velmi přesných celků. V příspěvku bohužel bylo nutné jmenovat některé výrobce vřetenových systémů i některá maziva a chladiva na trhu a tudíž nebylo možné splnit stoprocentní nekomerčnost.


Druhy vřeten obráběcích strojů

V tomto příspěvku se budu věnovat pouze svislým a vodorovným přesným vřetenům a tzv. elektrovřetenům, které jsou v moderních obráběcích strojích dnes nejčastěji používány. Vřetenům, která jsou velice drahá a jejichž cena často přesahuje milion korun a která si proto zaslouží pravidelnou údržbu a servis.



Existují v podstatě dva typy těchto přesných vřeten:

Tubus - kdy těleso vřetena má rotační tvar a je uloženo do přesných vyvrta-ných otvorů. Toto řešení konstrukce umožňuje lehkou manipulaci v pří-padě poruchy snadnou výměnu nového vřetena a tudíž minimální prostoje opravou stroje.

Skříň - kdy těleso vřetena je ve tvaru kvádru a je umístěno na rovinnou plochu stroje. Uložení ve skříni má vyšší tuhost oproti tubusu, ale při opravách je nutné vyjmout celé těleso, se kterým je horší manipulace a tudíž vyšší prostoje.


Mezi přední výrobce se dnes řadí firmy STEP-TEC, FISCHER, KESSLER, IBAG, MITSUBISHI, MAZAK, OKUMA, IMG, STUDER, EIGENE a další. Přední pozice drží švýcarští a němečtí výrobci, ale na paty jim šlapou japonské a nově již také čínské firmy. Cena většinou odráží kvalitu a přesnost.
Ve svém příspěvku se chci věnovat především vřetenům typu TUBUS, které jsou nejvíce rozšířené a používané.

Pohon vřeten většinou obstarávají asynchronní anebo vektorově řízené synchronní elektromo-tory a jsou nazývány tzv. elektrovřeteny. V některých případech je pohonnou jednotkou stlačený vzduch. Jeho výhodou jsou sice vysoké otáčky a poměrně vysoký výkon a malá údržba, ale nevýhodou je špatná regulace otáček a vysoká spotřeba vzduchu.

Elektrovřetena, neboli vřetena s integrovaným pohonem mají motor integrovaný ve vřetenu. Rotor je nasazen na vřetenovou hřídel a stator je zasazen v tubusu vřetene, což je vnější plášť. Pohon je uložen mezi zadními a předními ložisky, není proto potřeba žádných spojovacích součástí, což snižuje vznik vibrací. To je důvod proč má tato konstrukce vřeten ty správné předpoklady pro použití za vysokých otáček. Stejně jako vřetena s přímým pohonem se tato vřetena používají pro HSC obrábění. Z důvodu vysokých otáček se používají speciální hybridní keramická ložiska. Jednou z největších nevýhod těchto vřeten je ale samotný motor umístěný ve vřetenu. Motor vytváří velké množství tepla, které se samozřejmě přenáší na vřeteno. Je tedy nutno zabránit teplotním dilatacím tak, že teplo vzniklé uvnitř vřetene se musí odvádět. Vřeteno musí být tedy intenzivně chlazeno a musí být monitorována teplota, vibrace, axiální posunutí atd. Chladicí systém funguje tak, že voda protéká množstvím kanálků uvnitř tubusu vřetene. Některá vřetena jsou chlazena pouze vzduchem. Elektrovřetena jdou poměrně snadno vyměňovat. Obráběcí stroje některých výrobců disponují systémem automatické výměny vřeten. Tento systém dovoluje použít určitý typ vřetene pro danou aplikaci. Nejčastěji se s tímto systémem setkáme na obráběcích strojích s vřetenovými hlavami, tedy na portálových frézkách. Hřídel vřetene je obvykle uložen na přesných kuličkových ložiskách s kosoúhlým stykem, která jsou axiálně předepnuta pružinou. Tato ložiska jsou velice přesná a jsou proto velice náchylná na způsob mazání a použití vhodného maziva. Dále se tedy budu věnovat pouze elektrovřetenům.


Typy přesných elektrovřeten
Většina výrobců je rozděluje na vertikální a hori-zontální a dále podle výkonu a otáček na:
· přesná, jednoduchá a robustní (cca 8 -10 tis. min-1)
· vysoký výkon, tuhost, nízká hmotnost (obvykle do 6 -20 tis. min-1)
· vysoká rychlost a optimální krouticí moment (36-54 tis. min-1 )
· vysoký výkon a velký krouticí moment (10-15 tis. min-1 )
· vřetena pro broušení (18-150 tis. min-1 )

Při CNC obrábění jsou dnes nejpoužívanější vřetena pro tzv. optimální obráběcí proces s otáčkami v rozmezí 12 000 až 48 000 min-1. Jsou většinou mazána olejovou mlhou a chlazena buď, vzduchem nebo speciálním chladicím mediem.


Mazání přesných vřeten obráběcích strojů
Mazání vřeten obráběcích strojů obvykle závisí na zatížení a především na počtu otáček vřetene.
mazání plastickým mazivem (cca 8 -12 tis. min-1)
mazaní olejem s nuceným oběhem (cca 12 -20 tis. min-1)
mazání olejovou mlhou ( cca 36-54 tis. min-1 ) poměr je 1:10
mikromazání typu olej-vzduch (10-15 tis. min-1 ) poměr je 1:100


Plastické mazivo
Výběr maziva je nutný pro správnou funkci. Vhodné mazivo je většinou doporučeno výrobcem vřetene. Většinou se jedná o tzv. long-life maziva na bázi lithia nebo kombinací Li-Ca. Důraz je kladen zejména na životnost maziva a odolnost vůči vlhkosti. V tomto případě se jedná o tzv. doživotní náplň maziva.

V některých případech se používají plastická maziva pro vysoké otáčky tzv. high-speed maziva. Většinou jsou na syntetické nebo esterové bázi se zahušťovadlem lithia nebo polymeru. Tato plastická maziva mají většinou otáčkový faktor od 500 tis. do 1,4 mil. Ve svém sortimentu je mají výrobci speciálních maziv jako Klüber, Molyduval, Lubcon, Castrol a další. Každý výrobce vřeten většinou spolupracuje s nějakou firmou, kterou předepisuje. Servisní firmy většinou z důvodu záruky a ceny vřetene nedoporučují předepsané náhrady.


Mazání olejem
Výběr oleje je také většinou doporučen výrobcem vřetena. Oleje mívají kinematickou viskozitu od 2 do 10 Cst. a musí účinně a efektivně odvádět teplo od vřetene. Musí mít tedy dobrou tepelnou kapacitu. Důležitý je i vyšší bod vzplanutí a nesmí obsahovat aromáty a VOC a musí mít dobrou ochranu proti korozi a pěnění. Kromě pravidelné výměny tyto produkty nevyžadují žádnou údržbu. Mazání je prováděno nuceným oběhem.


Mazání olejovou mlhou
U přesných vřeten, nejčastější způsob mazání. Olej je míchán většinou v poměru 1:10 se stlačeným vzduchem. Z důvodů velké přesnosti a minimální vůle ve vřetenu se používá speciál- ní olej vysoké čistoty typu SPINDLE LUBE HYPERCLEAN. Jedná se o speciální mazivo pro vřetenová ložiska (DIN 51 524/T2) třídy HLP-D pro vysoce zatěžovaná vřetena. Olej je nejjemněji filtrovaný podle třídy čistoty 15/13/10 (ISO 4406). Díky tomu je prodloužena životnost ložisek a zajištěno jejich mazání a chlazení. Mazací systém stroje se potom skládá z dávkovací jednotky vzduchu a oleje, mazací pumpy a filtračního zařízení. K uložení vřetena je olejová mlha přivedena obvykle čtyřmi symetricky rozloženými tryskami po obvodu uložení. Teplota je tak po obvodu rovnoměrně rozložena a tím jsou minimalizovány teplotní dilatace v kolmé rovině na osu rotace vřetena. Olejová mlha zároveň vyplavuje případné nečistoty a ložiska čistí.


Chlazení přesných vřeten obráběcích strojů
Jak již bylo řečeno, motor vřetena vytváří velké množství tepla, které je třeba odvést, aby byla zaručena teplotní stabilita, přesnost a zamezilo se případným dilatacím. Teplota vřetena je během obrábění nepřetržitě monitorována a kontrolována.

Způsoby chlazení jsou různé a záleží především na zatížení a otáčkách vřetena:
chlazení olejem
chlazení vzduchem (používá se do cca 20 tis. min-1 )
chlazení speciální kapalinou (většina vřeten s otáčkami nad 24 tis. min-1 )

Při chlazení kapalinou se používají dva systémy chlazení:
chlazení motoru a ložisek (kapalina cirkuluje v uzavřeném okruhu chladničky a je vedena vnějším pláštěm motoru) systém OCS

Tento systém využívá STEP-TEC, FISCHER, KESSLER, EIGENE. IBAG a další.
chlazení vřetenové hřídele (díky tomuto chlazení jsou zkráceny doby zahřívání a je zvýšena teplotní stabilita, která je hlavním faktorem pro rozměrovou stálost)

Tento systém využívá především STEP-TEC.



Existuje několik schválených výrobků pro chlazení vřeten
(COOL-X, COOL-CONCENTRATE, COOL CORE, GLYSANTIN, XTREMCOOL, GREENCOOL)
Z důvodů nekomerčnosti nelze jmenovat jejich výrobce. U všech výrobků je důležitá tepelná kapacita a odvod tepla a účinná ochrana proti korozi. Výměnné lhůty předepsané výrobce vřeten jsou dva roky. Systém je třeba při výměně vždy vyčistit schváleným a účinným systémovým čističem. Obsažené látky musí pasivovat různorodé materiály ve vřetenu a dlouhodobě chránit před korozí. Některé kapaliny jsou velmi efektivní a mají tepelnou kapacitu 4,1 J/g-K, která je téměř stejná jako u vody (4,187 J/g-K).



Závěr
Až 60 % oprav vřeten je zbytečných. Příčinou většiny závad na vřetenové jednotce je absence preventivních prohlídek a zanedbání údržby, následky jsou potom fatální. Každá vřetenová jednotka by měla být podrobována pravidelným prohlídkám. Ty musí být komplexní (kontrola stavu ložisek, vibrací, vyvážení, chlazení nástrojů, těsnosti převodníků médií, chlazení motoru, upínacích a uvolňovacích systémů, geometrie upínacího rozhraní atd.). S tím souvisí i měření geometrických úchylek vřetenové jednotky ve vztahu k celkové přesnosti stroje.
V nedávném průzkumu jedné renomované firmy byly analyzovány příčiny selhání vřeten: ze 42 % opotřebení vřetenových ložisek, 33 % kolize, 15 % jiné důvody a 5 % nečistoty a mazání. Ačkoli si je mnoho uživatelů vědomo centrálního významu vřetenového systému, stále není využíván prostor pro optimalizaci, i když investiční podíl vysokofrekvenčního vřetena činí 10 až 15 % z ceny stroje.
Text: Ing. Ivan Trybenekr
DECKENBACH CZ, s.r.o.

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
7 + 5 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd