Proiect de cercetare științifică Nr.2 [309053]

[anonimizat]: Inginerie Industriala

Proiect de cercetare științifică Nr.2

[anonimizat]: [anonimizat]: Prof.dr.ing. Cornel CIUPAN

Cuprins

1. Introducere 2

2. Stadiul actual al arborilor principali pentru m-u 3

2.1. Cerințe tehnice și funcționale impuse arborilor 3

2.2. Rigiditatea unui arbore principal CNC 4

2.3. Constructia arborilor principali CNC 6

2.4. Mecanisme de prindere a sculei respectiv a piesei 7

2.5. Schimbator automat de scule 11

2.6. Antrenarea arborilor principali 13

2.7. Arbori cu motoare „built-in” sau cu motor integrat 15

2.8. Lagaruirea arborilor pricipali CNC 18

3. Sisteme etansare a unui AP CNC 27

3.1. Sisteme de etansare 27

3.1.1. Etansari cu contact 27

3.1.2. Etanșări fără contact 29

3.1.3. Etape în proiectarea unei etansari fara contact de tip labirint 34

3.1.4. Comparatie intre etansarile cu contact si cele fara contact 35

4. Sisteme de lubrifiere a lagerelor AP CNC 36

5. Sisteme de racire a arborilor CNC 39

6. Concluzii 41

7. Bibliografie și referințe 42

Introducere

O mașină-unelată este o mașina staționara antrenată de diverse surse externe ([anonimizat], pneumatice) și care este utilizată la prelucrarea prin așchiere a diferitelor piese din urmatoarele materiale: metal, lemn, ceramica, plastic sau piatra.

[anonimizat]. Mașinile-unelte au o [anonimizat], piesele și mașinile necesare în producție. [anonimizat]: mașini, turbine, avioane, trenuri, ceasuri, utilaje terasiere etc.

[anonimizat], mari producători și companii care se ocupă de construcția lor se concentrează sau accorda atenție protejării cunoștiințelor sau mai bine spus protejării “know-how-ului”.

[anonimizat]-unelte din întreaga lume este

într-o continua creștere și este susținută de o creștere a cererilor, care aparent este greu satisfăcută. Iar mari producători de pe glob a [anonimizat]-o competițieă, care conduc într-o continuă dezvoltare ceea ce privește creșterea productivității dar și de îndeplinire a condițiilor economice.

Pornind de la aceste aspecte rezultă o necesitate de lărgire și întărire a [anonimizat].

[anonimizat]-unealtă. [anonimizat], a arborilor principali este acela de a antrena scula sau piesa și influențeaza in mod direct precizia și calitatea prelucrării.

Astăzi majoritatea arborilor principali a mașinilor-[anonimizat], [anonimizat], fulii etc., astfel acești arbori cu motor încorporat sunt cei preferați de majoritatea clienților datorită performanțelor și a eficienței acestora.

Stadiul actual al arborilor principali de m-u

Cerințe tehnice și funcționale impuse arborilor

Forma constructivă a arborilor principali este dată de rolul funcțional al acestora pe care îl au în funcție de tipul de mașină-uneltă. Astfel arborii care sunt utilizați în principal la strunguri, mașini de frezat, mașini de rectificat etc., executa o mișcare de rotație ceea ce vor rezulta forme constructive adecvate funțiuni destinate.

Construcția arborilor este determinată de următori factori:

numărul, dimensiunile și poziția organelor ce urmează a fi montate;

tipurile de ajustaje pentru montarea diferitelor organe;

modul de fixare sau ghidare (cu pene, caneluri, cepuri, gulere, inele de siguranța) a organelor.

necesitatea de reglare a jocurilor radiale și axiale;

tehnologia de prelucrare, tratament și de montaj.

Un arbore principal de precizie utilizat în construcția mașinilor unelte trebuie să aibă niște cerințe de performanțe ridicate. Iar în etapa de proiectare a arborilor principal sunt importante și următoarele cerințe și constrângeri: puterea necesară de așchiere, încărcările maxime asupra arborelui sau mai bine spus forțele și încărcările ce rezultă în timpul așchierii, turația maximă a arborelui, tipul de antrenare a arborelui (acționare internă sau externă), tipul sculei, mărimea și capacitatea, dimensiunea de gabarit, interschimbabilitatea pieselor și costul.

Principalele funcții a unui arbore principal sunt următoarele:

asigurarea rotației sculei sau semifabricatului cu precizie ridicată;

asigurarea puterii necesare și rotației sculei sau semifabricatului in timpul operațiilor de așchiere;

să aibă capacitatea de a rezista, de a avea rigiditate ridicată, vibrații aproape nule în timpul operațiilor de așchiere.

Rigiditatea unui arbore principal CNC

Rigiditatea unui arbore, constă în stabilirea deformațiilor elastice produse de momentele de încovoiere și de torsiune. Aceste deformații elastice de încovoiere și răsucire se caracterizează prin mărimea săgeților și a unghiurilor prin deformarea fibrei medii ale arborelui principal.

În principal arbori mașinilor-unelte sunt rezemați pe două lagăre iar acestea pot fi formate fiecare din blocuri de rulmenți, asigurând astfel o construcție static nedeterminată. Iar pentru simplificarea calculelor analitice se introduce o ipoteză simplificatoare ce impune ca lagărele să fie cu autoreglare, cum ar fi rulmenți cu bile sau în ambele lagăre să existe câte un rulment fără pretensionare. Această soluție se impune ca ansamblul arborelui rezultat să nu fie supradimensionat. Deformațiile admisibile a unui arbore principal stabilește precizia unei mașini-unelte dar totodată să fie utilizată în condiții optime de funcționare.

De reținut este faptul că pentru a crește rigiditatea unui arbore principal, se poate realiza prin creșterea diametrelor arborelui, prin miscorarea distanței dintre lagăre sau prin adăugarea unui lagăr intermediar.

Pe lângă condiția ca un arbore să aibă o rigiditate sporită acesta trebuie să aibă și rezistență la vibrații, evitarea vibrațiilor se face determinând turația critică, iar aceasta are ca obiectiv evitarea apariției fenomenului de rezonanță dar tot odată se mai poate realiza și prin măsuri constructive. Acest lucru este important deoarece aceste vibrații au un efect negativ asupra preciziei arborelui. Aceste vibrații pot fi transversale și care produc încălziri și uzuri premature a lagărelor, precum și deteriorări a calități suprafețelor de așezare a lagărelor iar vibrațiile torsionale pot produce distrugeri rapide a sculelor cât și a suprafețelor prelucrate prin scăderea calității piesei executate. Combaterea vibrațiilor se poate realiza prin echilibrare dinamică a pieselor aflate în mișcare de rotație, eliminarea unor soluții de antrenare a arborilor cum ar fi eliminarea antrenării prin curele, eliminarea angrenajelor cu dinți drepți sau prin separarea cutiilor de viteze din aproprierea acestora și nu în ultimul rând prin utilizarea unor piese și ansamble cu rigiditate ridicată.

La proiectarea unui arbore principal datorită unei liste vaste de cerințe ce vor rebui impuse proiectantului, duce la o dificultate extraordinară în realizarea unui desgn optim. Astfel vom descoperi că unele cerințe sunt contradictori și într-un final se ajunge la compromisuri în ceea ce privește design-ul final. Tot în acest stadiu se vor ține cont și de următori factori și pași a proiectări arborelui principal a unui strung pentru mașini-unelte CNC: proiectarea diverselor componente ce intră în alcătuirea acestuia, ordinea de montaj, sistemul de etanșare, sistemul de răcire a acestuia, metode de montare și demontare. Altă proprietate importantă este și masa totală a ansamblului.

Construcția arborilor principali pentru mașinilor-unelte trebuie realizată cât mai simplu posibil, pentru a asigura economicitate, execuție și mentenanță ușoară, iar numărul organelor de ansamblare montate pe un astfel de arbore trebuie să fie minim posibilă iar dimensionarea acestor organe să fie corect stabilite pentru a nu mări greutatea întregului subansamblu dar și a faptului că există posibilitatea creșteri inerțiilor în mișcarea de rotație, în concluzie toate acestea pot duce la supradimensionarea arborelui. O altă recomandare în ceea ce privește proiectarea unui arbore principal este așezarea diferitelor organe de ansamblare cât mai aproape de zonele de lagăruire. Forma constructivă a arborilor principali mai poate fi influențată de sistemele de lăgăruire utilizate și de modul de reglare a jocurilor axiale și radiale ale acestora.

Proiectantul trebuie să țină cont în ceea ce privește proiectarea, de următoarele principii:

forma arborelui principal trebuie să asigure montarea și demontarea pieselor fără strângere pe cât posibil;

arborele va avea forme în trepte pentru ușurarea montajului;

dacă arborele nu are trepte, ajustajele cu strângere se vor folosi doar pe capetele piesei ce se montează pe arbore pentru a evita deplasarea prin batere a acestor piese pe lungimi considerabile;

dacă arbori sunt fară trepte și avem un diametru nominal constant, pe care se vor monta diferite piese cu ajustaje diferite, acestea vor fi separate prin canale sau degajări.

Dimensionarea arborilor principali la mașini-unelte se realizează pe baza unor calcule:

de rezistență la solicitările compuse de încovoiere și torsiune;

de rigiditate și de uzură a suprafețelor de frecare;

de rezistență la vibrații.

Pe lângă factori prezentați mai sus la stabilirea dimensiunilor se nai iau în considerare și alți factori privind tehnologia de execuție, exploatarea, forma constructivă, materialul ales, care într-un final va exista riscul să conducă la arbori cu dimensiuni mai mari decât rezultă din calcule.

Principalele aspecte necesare în construcția unui arbore principal de CNC sunt:

modelul de arbore: antrenat prin curele (tipuri) sau cu motor încoporat (tip, capacitate, mărime);

carcasa arborelui: dimensiune, tipul de prindere în suport;

sistemul de lăgăruire: tip, număr, montaj și metoda de lubrifiere;

geometria arborelui: reținerea sculei, sistemul de scule utilizat.

Construcția arborilor principali CNC

Arborele principal al unei mașini-unelte CNC trebuie să fie introdus într-o carcasă, aceasta are rolul de a sprijini, centra și fixa rulmenți cu o precizie ridicată și să ofere toate utilitățile necesare unui sistem de arbore principal. În general carcasa poate fi parte comună cu mașina-unelata, sau poate fi cartuș de tip bloc , dar mai există și următoarele modele cu ar fi carcasă cu placă de prindere sau carcasă cu flanșă de prindere de tip cartuș. Forma geometrică a acestuia de tip “cartuș” a fost adoptată datorită faptului că acesta să poată fi adoptat cu ușurință la diferite mașini-unelte ce se găsesc la ora actuală pe piața de profil. Majoritatea arborilor principali pentru mașini-unelte CNC de mare turație și precizie utilizează carcase de tip cartuș, deoarece se poate face o intervenție rapidă și o mentenanță mai ușoară, iar datorită formei cilindrice se pot realiza tolerante mai precise în execuția acestora. O carcasă pentru arbori principali trebuie să fie robustă și să aibă o rigiditate sporită deoarece acesta va suporta ulterior toate forțele și șocurile transmise de la arbore către mașina-unealtă. În completare o carcasă pentru arbori principali de mașini-unelte CNC trebuie să asigure și alte funcții, cum ar fi cea de lubrifiere a organelor, de etanșeitate, de răcire cu apă sau ulei cât și a altor utilități necesare. Dacă arborele utilizează spre exemplu lubrifiere cu ajutorul uleiului, carcasa trebuie să aibă executate orificii și pasaje pentru a directiona și evacua uleiul de la rulmenți. Răcirea cu apa este folosită pentru a dispersa căldura degajată de motor în cazul arborilor cu motor încorporat dar și de a reduce dilatațiile care pot duce la modificări dimensionale și la pierderea preciziei întregii unități.

Fig.2.1. Arborele principal cu carcasă cartuș de tip bloc;

Fig.2.2. Arborele principal cu carcasă de tip cartuș cu flanșă;

Mecanisme de prindere a sculei respectiv a piesei

O caracteristică importantă a arborilor principali este cea legată de construcția zonei de capăt unde are loc prinderea port-sculelor, care poate avea o construcție diferită de la un tip de mașină-uneltă la alta, iar această zonă va permite prinderea corectă a sculei sau a piesei.

Pentru proiectarea unui arbore principal pentru mașinile CNC îndeosebi trebuie să ținem cont că acesta trebuie să permită schimbarea rapidă și automată a sculei. Cele mai comune portscule de prindere a sculelor așchietoare sunt de tipul: CAT, BT si ISO. În ultima perioadă, conform noului DIN și ISO sistemele de prindere standardardizate includ portscule și pentru aplicații particulare, sisteme ce includ viteze mari de schimbare, acest tip are denumirea de HSK.

Fig.2.3. Sistem de prindere de tip vechi ISO/MORSE cu schimbare manuală;

Fig.2.4. Sistem de prindere de tip CAT40/CAT50;

Acest model de port-sculă, CAT40/CAT50, conform figurii de mai sus, a făcut trecerea de la schimbarea manuală la schimbarea automată a sculelor depozitate într-o magazie de tip carusel. Cu ajutorul acestui model de port-sculă producători de scule așchietoare și de arbori principali împreună cu utilizatori de mașini-unelte CNC au reușit să realizeze o standardizare a port-sculelor cât și a capetelor de prindere a arborilor. Portscula de tip CAT se evidentieaza prin faptul că permite încărcări radiale mari și oferă o rigiditate sporită în prelucrare. Dezavantajul pe care îl are port-scula de tip CAT este acela că în timpul funcționări la turații ridicate aceasta se poate slăbi.

Fig.2.5. Sistem de prindere de tip BT30/40/50;

Concepția acestui model de prindere și reținere a sculei este originar din Japonia și a fost conceput de producători ce activau în domeniul industriei constructoare de mașini-unelte în perioada anilor 1970 si 1980. Datorită formei constructive, aceasta permite schimbări rapide ale sculei dintre arborele principal și magazia de scule. Turațiile acceptate în acest caz față de port-sculele CAT sunt mult mai ridicate dar ofera și o rigiditate sporită împotriva forțelor radiale.

Fig.2.6. Sistem de prindere de tip HSK – DIN 69893, model A,C,E si F;

Interfața HSK aparținând standardului DIN 69893 de port-sculă, a devenit cea mai utilizată în rândul centrelor de prelucrat prin așchiere. Fixarea acestor port-scule se realizează cu ajutorul conicității interioare a cozii și a flasei de contact care realizează o fixare axială. Datorită acestui fapt va rezulta o centrare precisă a port-sculei pe arborele principal ducând la o accuratete repetitva ridicată la operațiile automate de schimbare a sculei. Acronimul „HSK” provine din limba Germană și se traduce în limba Romană ca fiind „coadă goală conică”. Conicitatea port-sculelor HSK este de 1:10 în comparație cu cele ISO(BT,SK) acestea având o conicitate de 7:24.

Dezvoltatori acestui tip de port-sculă împreună cu producătorii de mașini-unelte, producătorii de scule așchietoare, utilizatori și organizațiile care se ocupă cu standardizările au creat standardul HSK care cuprinde șase mărimi de port-sculă a câte cinci tipuri de la A la F rezultând un număr de 35 de variante posibile.

Port-scula HSK acoperă o gama variată de aplicații destinate prelucrărilor prin așchiere, după cum urmează:

-tipul E si F sunt destinate aplicațiilor de prelucrare ușoară care nu necesită momente mari dar cu ții ridicate (ambele sunt compatibile cu sistemele de schimbare automată a sculelor „ATC”);

– tipul A si C se pretează aplicațiilor de prelucrare prin așchiere care necesită un moment moderat și o turație medie ( tipul A este compatibil cu „ATC” iar tipul C este pentru schimbări manuale a sculei);

– tipul B si D sunt destinate aplicațiilor de prelucrare prin așchiere grele dar cu turație medie (tipul B este compatibil cu „ATC” iar tipul D este pentru schimbări manuale ale sculei).

Fig.2.7. Sistem de prindere de tip ISO 26623-1 CAPTO pentru centre de prelucrat;

Fig.2.8. Sistem de prindere de tip ISO 26622-1 KM pentru centre de prelucrat;

În perioada anilor 1990 noile tehnologii introduc pe piață mașinile-unelte CNC pe care să poată executa o gama variată de operații (strunjire, frezare, găurire, filetare, rectificare, etc.) în consecință au dat naștere centrelor de prelucrat „multi-tasking” sau a mașinilor de frezat și strujit. Datorită acestui fapt scula așchietoare trebuia să execute atât mișcare de rotație în operațiile specifice (frezare,burgiere, etc.) cât și o poziție staționară în cazul operațiilor de strunjire. Totodată necesitatea de a avea un singur fel de prindere a sculei pe arborele principal sau pe capul revolver a dus la realizarea port-sculelor: ISO 26623-1 CAPTO și ISO 26622-1 KM. Ambele variante ating rezultate deosebite în ceea ce privește rigiditatea, accuratețea, rezistența și viteza de schimbare a sculelor.

Fig.2.9. Sistem de prindere de tip universal pentru strunguri;

Universalul este specific mașinilor-unelte care execută operații de strunjire și de rectificare exterioară și interioară a pieselor de revoluție, el realizează simultan centrarea și strângerea pieselor dintr-o gamă variabilă de diametre. Acesta formează un totunitar cu arborele principal așa-zis nedeformabil și asigură o strângere rigidă dintre piesa și arbore. Universalul cu trei bacuri se folosește îndeosebi la piese de revoluție iar cel cu patru bacuri se folosește la prinderea pieselor prismatice. Bacurile universalului permit strângerea pieselor atât din exterior cât și din interior datorită construcției și geometriei acestora.

Schimbatoare automate de scule

Un schimbător automat de scule denumit în limba Engleză „Automatic tool changer”, (ATC), ajută la diminuarea timpului în momentul schimbări sculelor între diferite operații de prelucrare, iar acesta se caracterizează în funcție de tipurile de port-sculă înmagazinate și de numărul de scule pe care le poate manipula. Un astfel de sistem permite mașini-unelte CNC să realizeze mai multe funcții fără intervenția operatorului să schimbe scula.

În industria constructoare de mașini-unelte CNC există trei mari categorii de schimbătoare de scule automate:

Sistem de schimbare a sculelor cu braț;

Sistem de schimbare a sculelor cu magazie de tip lanț;

Sistem de schimbare a sculelor de tip toretă sau disc;

Fig.2.10. Sistem de schimbare a sculelor cu braț cu acționare mecanică;

Fig.2.11. Sistem de schimbare a sculelor cu braț cu acționare pneumatică;

Fig.2.12. Sistem de schimbare a sculelor cu magazie de tip lanț;

Fig.2.13. Sistem de schimbare a sculelor de tip disc;

Antrenarea arborilor principali

În faza de concepție și proiectare a unui arbore principal pentru mașini-unelte CNC va trebui să ținem cont de cerințele pe care trebuie să le îndeplinească acesta, printre care se întâlnește și metoda de antrenare a acestuia. Principalele metode de antrenare a unui arbore principal pot fi fie prin transmisie prin curea sau cu motor încorporat. În funcție de metoda aleasă de antrenare arborele principal va fi influențat în ceea ce privește turația maximă, puterea și rigiditatea.

Un arbore principal antrenat de un mecanism de acționare montat extern este asemănător cu cele convenționale având doar câteva diferențe. Un asemenea arbore poate fi antrenat printr-o trasnmisie prin curele sau printr-o transmisie prin roți dințate. Turația arborelui și puterea vor fi date de caracteristicile motorului de antrenare iar raportul de transmitere este dat de raportul transmisiei prin curele sau a roților dințate. Principalele avantaje ale unui arbore antrenat din exterior sunt următoarele:

– cost relativ redus: un sistem de transmisie prin curele sau de antrenare printr-un angrenaj de roți dințate nu este scump;

– caracteristicile arborelui pot fi modificate: raportul de transmitere a curelelor poate fi modificat sau motorul poate fi înlocuit cu unul care are alte caracteristici privind puterea și momentul;

Fig. 2.14. Arbore principal cu un motor poziționat extern și transmisie prin curele;

Dezavantajele unui arbore antrenat din exterior pot fi:

– turația maximă este limitată: datorită incapacității transmisiei prin curele sau a roților dințate; în cazul transmisiilor prin curele de tip V acestea au tendința de a se întinde și slăbi contactul cu suprafața roților la turații ridicate și pot produce alunecări iar curele profilate au tendința de a introduce vibrații la turații ridicate; se mai pot folosi angrenaje cu roți dințate care au o caracteristică bună de transmitere a momentelor ridicate, însă la turații ridicate produc vibrații și cresc tempera în funcționare;

– transmisiile prin curele pot introduce încărcări suplimentare asupra sistemelor de lăgăruire atât in timpul funcționări dar și de sistemul de pretensionare a acestora dat de întinzător care va introduce o încărcare constantă supra rulmenților;

În concluzie precizia unui arbore principal de mașină-unealtă CNC cu antrenare din exterior va fi limitată în funcție de aplicație. Un astfel de sistem poate duce la limitări în ceea ce privește turația (maxim 15000 rpm) conform marilor producători în domeniu. Astfel tendința marilor producători de arbori pentru mașini-unelte CNC se îndreaptă către antrenări cu motoare integrate și este în continuă creștere oferta pentru arbori de acest tip. Această soluție este din ce în ce mai des întâlnită deoarece oferă un design compact și necesită un spațiu pentru instalare mult mai mic astfel influențează producătorii din acest domeniu de a fabrica mașini-unelte de dimensiuni scăzute. Acest model de antrenare are un avantaj extraordinar prin faptul că vibrațiile sunt aproape inexistente.

Fig. 2.15. Arbore principal de mașină-unealtă CNC cu motor încorporat;

Dezavantajul pe care îl are un arbore antrenat de un motor încorporat este acela că avem nevoie de un sistem de răcire al motorului care conduce mai departe la un design complex în ceea ce privește proiectarea unui astfel de arbore.

Arbori cu motoare „built-in” sau cu motor integrat

Un arbore principal cu motor integrat, sistemul de antrenare se regăsește în carcasa acestuia iar rotorul ce execută mișcarea de rotație se montează prin fretare pe axul arborelui. Totuși trebuie să amintim faptul că mărimea motorului este influențată direct de spațiul disponibil din interiorul carcasei arborelui iar ca urmare precizia unui astfel de arbore depinde de tipul și mărimea rulmenților care mai departe pot afecta capacitatea de încărcare, rigiditatea, turația maximă. În concluzie caracteristicile fizice ale unui motor cu antrenare electrică trebuie să fie compatibil cu capabilitățile rulmenților.

Cele mai folosite motoare la antrenarea unui arbore principal CNC sunt motoarele de curent alternativ la care puterea și cuplul sunt influențate de tipul de înfășurare a statorului sau rotorului. Astfel motorul unui astfel de arbore va produce un cuplu constant până la o anumită valoare de bază a turației și o putere constantă după valoare de bază a turației. O caracteristică a motoarelor de curent alternativ, în special a celor integrate în arbore este aceea că au trei faze care va necesita în functioanarea lor utilizare unui „driver” pentru a putea produce curentul necesar. Driver-ul are rolul de a genera o tensiune și o frecvență variabilă a curentului pentru acționarea motorului. Turația unui motor de curent alternativ se poate determina cu următoarea formulă: n=f*120/p. Unde: f-frecvența [Hz] p-numărul de poli. La arbori principali ce au turații ridicate se utilizează controlul acestora cu ajutorul driver-ului prin conceptul de buclă deschisă care va oferi tensiunea și frecvența motorului fără a avea un feedback. Totuși folosirea unui feedback (fie pe bază magnetică sau optică) este absolut necesară la mașinile-unelte CNC deoarece este important să se poată controla turația și poziția unghiulară a arborelui la operațiile de filetare și de schimbare a sculei de către sistemul automat al CNC-ului.

Fig. 2.16. Sistem de control prin buclă închisă a motoarelor de curent alternativ;

Folosirea unui encoder de mare rezoluție într-un arbore principal de mașină-unelată CNC oferă următoarele avantaje: viteza de rotație precisă și control la turații joase, control în realizarea operațiilor de filetare, poziționare unghiulară precisă a arborelui, accelerații și decelerații rapide. În funcție de tipul rotorului putem cataloga motoarele de curent alternativ integrate pentru arborii principali CNC după cum urmează: motoare integrate asincrone și motoare integrate sincrone.

Motorul anincron este compus din stator și rotor, la care statorul poate fi prevăzut cu o înfășurare monofazată sau polifazată și un rotor bobinat în scurtcircuit sub formă de colivie simplă sau multiplan. La un astfel de motor câmpul magnetic creat de stator realizează un flux magnetic în rotor, ceea va conduce la o mișcare de rotație a arborelui, totuși în funcție de natura inducției, viteza de rotație a rotorului va fi diferită de câmpul magnetic rotativ ca urmare acesta se va denumi motor sau mașină asincronă.

O mașină sincronă este un motor alimentat de curent alternativ la care turația se păstrează constantă indiferent de regimul de funcționare, ea se mai caracterizează și prin faptul că rotorul este realizat din magneți permanenți. Turația de sincronism este influențată direct de frecvența rețelei de cuent alternativ. Un astfel de motor sincron se pretează în special în a fii utilizat în instalațiile și mașinile-unelte la care este necesară menținerea unei turații constante și un factor e putere bun la turații mici. Aceste motoare electrice sincrone sunt folosite de regulă la mașinile-unelte CNC, deoarece căldura generată în funcționare este mult mai mică respectiv dilatațiile termice se micșorează, au eficiență ridicată iar dimensiunile acestora sunt relativ mici raportate la putere și cuplu fată de motoarele asincrone. În ultimile decenii acest tip de motor sincron era foarte rar utilizat datorită costului ridicat de fabricare a acestuia însă în prezent producători de arbori principali de mașini-unelte folosesc din ce în ce mai mult în construcția arborilor astfel de motoare.

Avantajele rezultate în folosirea unui motor sincron în construcția unui arbore principal pentru o mașină-unealtă CNC sunt următoarele: design simplist al arborelui, căldură disipata în rotor cu 90% mai puțină, eficiență ridicată, mașini-unelte mai compacte, productivitate ridicată.

Fig. 2.17. Comparație între carecteristicile unui motor sincron și unul asincron;

Fig. 2.18. Comparație privind durata accelerației la un motor asincron și unul asincron;

Fig.2.19. Ansamblu de motor sincron, stator și rotor;

Lăgăruirea arborilor pricipali CNC

Pentru asigurarea mișcări de rotație a arborilor principali a unei mașini-unelte CNC este nevoie de sisteme de lăgăruire care trebuie să îndeplinească anumite cerințe, după cum urmează: să suporte turații ridicate, să suporte încărcări și șocuri mari, precizie ridicată, zgomot redus, fiabilitate și randament ridicat, încălzire redusă, cost redus.

Lagărele pot fi de mai multe tipuri:

-de alunecare;

-de rostogolire (cu rulmenți);

-hidrostatice (presiune de ulei este asigurată de alt sistem);

-hidrodinamice (presiunea este creată prin turația arborelui);

-aerostatică (presiune de aer este asigurată de alt sistem);

In prezent cele mai folosite sisteme de lăgăruire sunt cele de rostogolire iar cele hidrostatice se folosesc la mașini-unelte cu gabarit ridicat. Pentru alegerea tipului de rulment la realizarea lagărelor de rostogolire a unui arbore principal se va ține seama de următori factori:

dimensiunea alezajului rulmentului realizata din concepția și proiectarea arborelui (ce gabarit disponibil avem în ansamblul respectiv, gabarit radial sau gabarit axial, fie ambele);

mărimea și direcția sarcinii (axială, radială sau axial-radială);

turația arborelui (deoarece pentru arborii cu turații mari se folosesc rulmenți cu bile pe un singur rând);

durata de funcționare sau durabilitatea lagărului;

precizia (deoarece rulmenții se executa în trepte de precizie);

dilatațiile axiale (se poate evita influența dilatațiilor axiale prin montarea libera în carcasă sau prin construcția rulmenților radiali cu role cilindrice sau cu ace).

Un arbore principal de precizie și turație ridicată cuprinde în componenta sa mai multe tipuri de rulmenți: cu bile, cu role cilindrice, cu role conice, cu bile și cu ace, iar selecția lor depinde în special de operațiile pentru care sunt destinate.

Fig. 2.20. Impactul asupra arborelui în funcție de cerințe și tipul de rulment;

După cum se poate observa în figura de mai sus, impunerea unor cerințe asupra arborelui acestea vor conduce la alegerea tipului de rulment și asupra design-ului. În consecință la concepția și proiectrea unui arbore principal de mașină-unealtă CNC, proiectantul trebuie să găsească soluții echilibrate și eficiente în ceea ce privește designul și funcționalitatea. Cei mai utilizați rulmenți în construcția arborilor principali de turații ridicate ale mașinilor unelte CNC sunt rulmenții cu bile cu contact unghiular deoarece aceștia oferă precizii și turații ridicate respectiv capacități portante mari. Rulmenții cu role conice se folosesc atunci când asupra arborelui acționează încărcări sau forțe mari și este nevoie de rigiditate ridicată asupra rolelor rulmentului. Dezavantajul rulmenților cu role conice este incapacitatea de a accepta turații mari de funcționare.

Uzual unghiurile de contact a rulmenților sunt standardizate în 12˚,15˚ și 25˚. Aceste unghiuri determină raportul dintre încărcările axiale și radiale posibile ale rulmentului.

Fig. 2.21. Evidențierea unghiului de contact a unui rulment axial-radial;

Dacă unghiul de contact este mic, crește capacitatea radială de încărcare iar cu cât este mai mare unghiul de contact, crește capacitatea axială de încărcare a rulmentului. De exemplu pentru un arbore principal destinat operațiilor de frezare se folosesc rulmenți cu unghiul de contact egal cu 15˚ iar pentru un arbore principal destinat operațiilor de găurire se folosesc rulmenți cu unghiul de contact egal cu 25˚.

Rulmenții de precizie trebuie să se încadreze într-un câmp de tolerante standardizate, iar aceste tolerante de formă, dimensionale și de precizie se regăsesc în standardul internațional ISO 492 respectiv în standardul german DIN 620.

Pentru a putea asigura o rigiditate sporită arborelui principal rezultată din lăgăruirea acestuia, este nevoie ca distanța dintre capătul arborelui solidarizat cu port-scula și ansamblul de rulmenții să fie minimă iar raportul dintre distanța liniilor de presiune a lagărelor celor două capete a arborelui și diametrul arborelui primului rulment să satisfacă relația: l/d=2,5 -3, respectând aceste condiții vom ajunge la cel mai bun compromis.

Iar compromisul legat de rigiditatea arborelui în funcție de diametrul rulmenților și turație se reflectă în relația: DN= D*N, unde D este diametrul rulmentului și n este turația arborelui. Valoarea lui DN poate ajunge și la două milioane.

Montaje generale cu rulmenți

Rulmenții utilizați în construcția lagărelor trebuie să preia reacțiunile din lagărul respectiv și să poziționeze univoc arborele în raport cu carcasa asigurând o centrare cât mai perfectă și asigurând posibilitatea unor dilatări inegale ale arborelui și carcasei în timpul funcționări. În practică lagărele cu rulmenți se proiectează ținând seama de funcțiile specifice ale acestora, recomandări din literatura de specialitate, cataloage și recomandări ale firmelor producătoare.

Funcțiile pe care trebuie să le îndeplinească în mod general toate lagărele cu rulmenți se pot enumera după cum urmează:

rezemarea și centrarea arborelui;

poziționarea axiala în raport cu carcasa;

să permită eventuala dilatare a arborelui respectiv carcasei la temperatura de funcționare;

ungerea și etașarea lagărului;

răcirea lagărului.

Montaje cu rulmenți axiali-radiali

În principal rulmenți axiali-radiali îi întâlnim în practică în două variante și anume : rulmenți axiali-radiali cu bile și rulmenți axiali-radiali cu role conice. În ambele situații vor există două tipuri de montaj și anume montajul în X și montajul în O. Acești rulmenți se pot utiliza ca rulmenți pereche iar cei cu role conice sunt astfel construiți încât inelul exterior este separabil de restul rulmentului astfel putem vorbi de un așa zis joc inițial, jocul fiind realizat și reglat întotdeauna la montaj, existând diverse metode și elemente specifice de reglare a jocului.

Montajul în X

Fig. 2.22. Montaj cu rulmenți axiali-radiali în X;

Denumirea de montaj în X provine de la litera formată de liniile de presiune în cazul în care suprapunem centrele de presiune. Acest montaj poate fii caracterizat ca fiind un montaj cu conducere reciprocă sau bilaterală. Într-un astfel de sistem cu conducere bilaterală, ambii rulmenți preiau forțele axiale și poziționarea axială a arborelui în raport cu carcasa. Reglarea jocurilor se face prin elemente de reglare așezate între capac și carcasă ce vor acționa asupra inelelor exterioare a rulmentului.

Dezavantajul principal al unei astfel de soluții o poate reprezenta o eventuală dilatare inegală a arborelui respectiv a carcasei și poate solicita suplimentar rulmenții în mod egal scoțând în totalitate eventualele jocuri și chiar a apariției unor strângeri excesive iar la revenire la temperatura de montaj jocurile cresc. Se recomandă acolo unde lungimea între centrele de presiune este relativ mică și unde există dilatații inegale sau unde diferențele de temperatură sunt foarte mici. Al doilea dezavantaj poate fii micșorarea distanței „l” între centrele de presiune în raport cu distanța între punctele care ar marca mijlocul lagărului „L”.

Montajul în O

Fig. 2.23. Montaj cu rulmenți axiali-radiali în O;

Problemele sunt diferite față de cei cu montaj în X, reglajul în cazul de față se realizează asupra inelelor interioare ale rulmenților pentru a scoate jocul din aceștia. Lungimea „l” între centrele de presiune este mai mare în raport cu distanța între punctele care ar marca mijlocul lagărului „L”.

O dilatare inegală a arborelui în raport cu carcasa duce la creșterea și apariția jocurilor în cei doi rulmenți ceea ce și de această dată va conduce la un dezavantaj. Reglarea și scoaterea jocurilor se consideră corectă dacă arborele se rotește ușor și fără jocuri pe rulmenți montați.

Montajul în tandem

Această tehnică de așezare a rulmenților este cea mai des întâlnită într-o asamblare a unui arbore principal. În general într-o asemenea asamblare doi sau trei rulmenți sunt așezați în partea din fată a arborelui având liniile unghiurilor de contact paralele iar în partea opusă a arborelui sunt montați perechea acestora, însă așezați în sens opus. Acest tip de montaj asigură o bună rezistență împotriva forțelor din ambele sensuri. Pentru a îmbunătăți capacitatea de preluare a unor momente mari și de a crește performanțele arborelui principal se pot folosi distanțiere între rulmenții care formează un set.

Fig. 2.24. Montaj arbore cu rulmenți în tandem;

Montaj cu rulmenți radiali-axiali cu lagăr conducător și unul liber

Atât la montajul în X cât și la montajul O, o dilatare inegală a arborelui în raport cu carcasa duce la o modificare a jocurilor și a prestrângerilor din lagăre fapt ce constituie un principal inconvenient și care are drept urmare scăderea preciziei și scăderea durabilității efective a lagărelor.

Această modificare a jocurilor poate fii exprimată cu relația:

unde:

: coeficient de dilatație termică a arborelui;

: coeficient de dilatație termică a carcasei;

: temperatura de funcționare;

: temperatura de reglaj.

Pentru a elimina acest inconvenient se utilizează în practică așa numitele montaje cu lagăr conducător și lagăr liber. Lagărul conducător este format din doi rulmenți radiali-axiali montați în pereche, fie în montaj X, fie în montaj O iar lagărul liber va fi format dintr-un rulment radial cu bile sau cu role cilindrice care va permite o dilatare liberă și o revenire tot liberă a capătului acestuia respectiv a carcasei.

Fig. 2.14. Montaj cu rulmenți axiali-radiali în X și un lagăr radial liber;

Fig. 2.15. Montaj cu rulmenți axiali-radiali în O și un lagăr radial liber;

Montaj cu ți axiali ca lagăr conducător și doi rulmenți radiali liberi

Fig. 2.16. Montaj cu rulmenti axiali ca lagar conducator si doi rulmenti radiali liberi;

Intr-un astfel de montaj functia de centrare cu carcasa a arborelui o indeplinesc cei doi rulmenti radiali cu bile, totodata rulmenti radiali cu bile preiau reactiunile care lucreaza pe aceste reazeme iar pozitionarea axiala a arborelui in raport cu carcasa o realizeaza cei doi rulmenti axiali cu bile care de asemenea preiau fortele axiale care actioneaza unul intr-un sens si celalalt in sens opus.

Rulmentul radial de pe capatul arborelui permite eventuala dilatare inegala a arborelui si carcasei fiind liber in raport cu alezajul din carcasa. Jocul dintr-o asemenea asamblare se va scoate la montaj prin strangerea pana la refuz a rulmentilor axiali astfel incat sa fie scaose eventualele jocuri intre piesele montate in spatele tronsonului cu diametrul maxim al arborelui.

Configuratii universale de asezare a rulmentilor

Aceste configuratii speciale de asezare a rulmentilor in set a cate trei sau mai multi se utilizeaza in cazurile in care avem nevoie de rigiditate ridicata sau capacitate de incarcare mare sau in cazurile in care dimensiunile arborelui sau a carcasei nu permit rulmenti cu gabarit mare.

Fig. 2.17. Configuratii universale de asezare a rulmentilor;

Sisteme etansare a unui AP CNC

Sisteme de etansare

Un lucru important in ceea ce priveste arbori principali a masinilor-unelte o poate reprezenta etanseitatea deoarece acestia sunt foarte sensibili la contaminari care pot proveni din exterior. Contaminarea rulmentilor poate avea loc din contaminarea cu particule de metal rezultate din aschiere sau de alta natura produse din fisuri si ciupituri din intreg sistemul de arbore, prin praf si muradarie, de agentul de racire. Toate acestea pot deteriora suprafetele rulmentilor care pot duce la o degradare prematura a acestora cat si a sistemului de lubrifiere. Pentru protectia asupra acestor conditii in proiectarea arborelui se va tine cont ca acesta trebuie sa imbine diferite tipuri de etansari care sa previna contaminarea.

Exista doua tipuri de etansari cum ar fi cele cu contact sau fara contact direct. Cele mai simple etansari sunt cele cu contact dar nu sunt pretabile in cazul functionari la turatii ridicate, in scimb cele de tip labirint sunt utilizate aici.

Un sistem de etansare de tip labirint este o metoda de etansare fara contact care consta intr-un sistem format dintr-o piesa stationara sau fixa si una aflata in miscare de rotatie iar aceste piese au prelucrate in constructia lor diferite canale si orificii. Imbinate aceste piese creaza o serie de labirinturi ce vor proteja rulmenti de mediul exterior. Aceste tipuri de etansari se folosesc datorita faptul ca particulele aflate in lichidul de racire nu vor reusi sa treaca de acest labirint. Un sistem de tip labirint se foloseste impreuna cu un aer sub presiune care ajuta la o siguranta sporita si o protectie ridicata la turatii ridicate in functionare. De retinut este faptul ca in cazul arborilor principali cu actionare interna de catre un motor electric integrat, acesta genereaza caldura care se propaga in rulmenti, carcasa si arbore iar cand arborele este oprit rotorul va incalzi si mai mult volumul de aer aflat in interiorul arborelui care poate duce la aparitia unui fenomen care poate atrage o miscare de aer din exterior in interior iar acest lucru poate fi periculos daca materialul aschiat este un material care are in compozitie un grad ridicat de carbon grafitat. Dar prin introducerea unui aer sub presiune vom putea preveni acest lucru.

Una dintre cele mai vulnerabile zone a unui arbore este cea de capat sau de iesire din arbore, deoarece rulmenti din aceasta pozitie sunt foarte apropriati de zonele in care se realizeaza prelucrarea respectiv in acesta zona se va stropi din plin cu lichid de racire dar si de aschiile rezultate din procesul de aschiere iar acest lucru va impune sa avem un sistem de etansare extrem de sigur.

Etansari cu contact

Acest tip de etansari se folosesc la diametre mici de arbori principali care au o viteza de rotatie relativ mica ele se mai pot denumi, etansari mobile radiale sau etansari mobile axiale. Pentru alegerea unui sistem de etansare prin contact respectiv a unei etansari mobile prin frecare, este nevoie sa tinem cont de un set de factori:

tipul materialului etansări și elasticitatea etansări;

viteza periferica in zona suprafetei etansate;

temperatura mediului din zona etansata;

calitatea suprafetelor in zona de montaj a etansari;

tipul de ungere: usoare sau ulei.

Fig. 3.1. Etansari cu contact a arborilor principali de la SKF;

De retinut este faptul ca aceste tipuri de etansari prin contact au tendinta de a creste temperatura in sistemul in care lucreaza datorita frecarilor existente, in consecinta ele nu se pot folosi la toate tipurile de masini-unelte. Etansarile prin contact pot oferi si asigura o calitate superioara a etansarii in cazul in care ungerea lagarelor se realizeaza prin ulei la viteze periferice de 5 si 10 m/s si a temperaturilor de -40 ֩C si 120֩ C.

Fig. 3.2. Viteza periferica pe diferite tipuri de etansari cu contact de la SKF;

Deoarece aceasta tehnologie de etansare cu contact s-a de dezvoltat foarte mult in ultimii 20 de ani, respectiv pe piață au aparut o multitudine de producatori legat de acest domeniu putând astfel alege dintr-o gama diversificata axată nevoilor noastre.

Etanșări fără contact

Etansarile fara contact se folosesc indeosebi la arbori principali care au temperaturi si viteze ridicate in functionare iar acestea au o durabilitate considerata nelimitata iar ele se pot fi etansari mobile de tip labirint sau etansari mobile cu fante. Aceste tipuri de etansari mobile pot avea orientare axiala sau radiala chiar si oblica iar prin marirea numarului de fante si combinarea orientarilor creste in special gradul de etansare.

Etansarile fara contact de tip fanta se folosesc la arbori principali indeosebi a celor ce lucreaza in conditii mult mai lejere in ceea ce priveste umiditatea cat si a impuritatilor. Aceste tipuri de etansari sunt folosite in special pentru a retine unsoare din lagar. Performanta acestora depinde de lungimea fantei si de dimensiunea orificiului dintre elementul de etansare si arbore. Daca ungerea arborelui respectiv a lagarelor se face cu ulei atunci pe suprafata arborelui se realizeaza niste canale elicoidale iar sensul lor trebuie neaparat sa fie ca si sensul de rotatie a arborelui, iar conditia este ca viteza periferica sa nu depaseasca 5 m/s.

Etansarile de tip labirint se pot folosi in conditii de lucru relativ grele si anume atunci cand carcasa arborelui este stropita constant de apa sau lichid de racire iar mediul este bogat in impuritatii, precum praful.

Aceste tipuri de etansari sunt cele mai folosite in constructia arborilor principali chiar daca realizarea lor implica o fabricatie mai complexa si mult mai costisitoare. In proiectarea acestor etansari se mai pot folosi diferite caracteristici si elemente de protectie suplimentare pentru ca lichidul sa nu interactioneze direct cu canalul primar a etansari precum si folosirea unor gauri de drenaj cu diametrul cat mai mare.

Etanșarea și lubrifierea rulmenților arborilor este una de importanță vitală în ceea ce privește durata de funcționare a acestuia. Protecția vaselinei sau a uleiului rulmenților de orice contaminare cum ar fi lichidul de răcire a sculei, agentul de răcire a motorului se realizează în ziua de astazi prin diferite metode de etanșare, iar cel mai des caz intalnit ar fi o-ringurile impreuna cu etansarile de tip labirint. Intre piesele staționare este de preferat să se facă etanșarea cu garniture de tip o-ringuri iar intre suprafetele ce se mișcă sau se rotesc cu viteze mari se vor folosi sisteme de tip labirint care au găuri de drenaj pentru ca lichidul de răcire să fie eliminat înainte să ajungă la rulmenți sau organe de ansamblare sensibile.

Fig. 4.2. Sistem de etansare fara contact de tip fantă, dispusă axial;

Fig. 4.3. Sistem de etansare fara contact de tip fantă dispus axial cu profilare al arborelui pentru scurgerea lichidului de racire cand acesta este stationar;

Fig. 4.4. Sistem de etansare fara contact de tip fantă dispus axial si protectie suplimentara montata pe arbore;

Fig. 4.5. Sistem de etansare fara contact de tip fantă pe directie axiala cu degajari dispuse oblic;

Fig. 4.6. Sistem de etansare fara contact de tip fantă cu profilare al arborelui pentru scurgerea lichidului de racire cand acesta este stationar;

Fig. 4.7. Sistem de etansare fara contact de tip fantă pe directie axiala;

Fig. 4.8. Sistem de etansare fara contact de tip labirint cu orficii dispuse pe directii axiale si radiale;

Fig. 4.9. Sistem de etansare fara contact de tip labirint pe directie axiala cu orficii dispuse curbilinii;

Fig. 4.10. Sistem de etansare fara contact de tip labirint cu orficii dispuse axial-radial și protectie suplimentara in partea din fata a arborelui;

Fig. 4.11. Sistem de etansare fara contact de tip labirint pe directie axiala cu orficii dispuse in zig-zag;

Fig. 4.12. Sistem de etansare fara contact de tip labirint pe directie axiala si radiala cu orficii de drenare orizontale si verticale;

Fig. 4.13. Sistem de etansare fara contact de tip labirint complex si orficii de drenare;

Etape în proiectarea unei etansari fara contact de tip labirint

Etape:

Evitarea prin diverse metode de patrundere a lichidului si de intrare în contact cu zona primei degajari a etansari;

Adaugarea unei flanse deflectoare in partea superioara a arborelui;

Inaltimea canalelor sa nu depaseasca 0.2 mm;

Realizarea unor prelucrari de tip degajare direct pe arbore care vor ajuta scurgerea lichidului din etansare atunci cand acesta nu se afla in miscare;

Incaperile din zona drenarii lichidului sa fie cat mai mare posibil;

Gaurile de drenaj trebuie sa aiba un volum suficient de mare pentru a putea face fata evacuari lichidului;

Inaltimea canalelor labirintului se recomanda sa fie intre 0.2-0.3 mm;

Realizare de camere secundare de drenaj in caz ca prima nu face fata unui flux ridicat de lichid;

Colectorul trebuie sa asigure ghidarea lichidului catre gaurile de drenaj si sa impiedice infiltrarea oricarui lichid mai departe;

Gaurile de drenaj a camerei suplimentare de drenaj trebuie sa aiba un volum suficient de mare pentru a putea face fata evacuari lichidului inflitrat;

Fig. 4.14. Etapelor primordiale in proiectarea etansarilor de tip labirint;

Comparatie intre etansarile cu contact si cele fara contact

Tabel. 4.1. Comparatie intre etansarile prin contact si cele fara contact;

In concluzie pentru obtinerea unor etansari de calitate superioara este indicat sa combinam etansarile de tip labirint adica fara contact cu cele de tip contact asigarand astfel fara probleme etanseitatea lagarelor in orice conditii de lucru. O importanta referire o putem face legat de arborii principali verticali, prin care afirmam ca diferenta dintre acestia si arbori orizontali este una nesemnificativa, exceptie facand zona lagarelor din partea inferiora care necesita un sistem suplimentar de etansare pentru a impiedica pierderea lubrifiantului.

Sisteme de lubrifiere a lagerelor AP CNC

In decursul utilizarii intr-o anumita perioada de timp a unui arbore principal de masina-unealta CNC putem constata aparitia uner uzuri fizice si morale. Modificarea dimensiunilor si formei pieselor, inrautatirea calitatii suprafetelor prin aparitia diferitelor fisuri precum si aparitia deformarilor plastice sau arsuri ale suprafetelor care intr-un final conduc la la uzura fizica. Uzura morala se produce intr-un timp mai indelungat de exploatare si este caracterizata prin depasirea performatelor constructive de catre alt arbore destinat aceluias scop.

Uzurile fizice de cele mai multe ori se produc prin lipsa unei bune tehnici de lubrifiere care conduc la uzuri premature ale suprafetelor datorita frecarilor. Pentru diminuarea frecarilor respectiv a uzurilor suprafetelor aflate in constact este nevoie de un mediu lubrifiant care poate fii de natura fluida (gaze sau lichida) si rareori poate fii doar solida. Punctul de interes cel mai important, in cazul prelungirii duratei de viata a unui arbore principal este lubrifierea corecta a lagarelor acestuia. Aditional prin lubrifiere protejam suprafetele impotriva coruziunii, oxidarii si contaminarii.

Cea mai simpla metoda de lubrifiere este cea bazata pe vaselina, care este introdusa intre bilele de rulment si inelele acestuia . Aceasta metoda necesita mentenanta minima insa ne impune niste limitari in ceea ce priveste turatia, deoarece odata cu cresterea turatiei direct proportional creste si temperatura arborelui existand riscul ca vaselina sa devina in stare lichida sa se scurga si nu mai indeplineasca rolul de lubrifiere a lagarelor. Se recomanda doar 30% din volumul golurilor dintre bile si inel sa se umple cu vaselina iar patrunderea si contaminarea vaselinei de diverse particule este strict interzisa deoarece poate duce la distrugerea lagarelor. Lubrifierea bazata pe ulei se foloseste la arborii principali care sunt caracterizati de turatii ridicate si forte mari un aschiere iar tehnicile de lubrifiere a lagarelor cu ulei poate cunoaste o gama diversificata.

O metoda des intalnita in lubrifierea lagarelor unui arbore principal este cea bazata pe combinarea uleiului intr-o masa de aer denumita si mix de ulei. Aceasta tehnica de lubrifiere este formata dintr-un ungator care are incorporat un rezervor de ulei si de o alimentare cu aer comprimat. Exista cel putin doua tipuri de ungatoare in functie de dimensiunile picaturilor de ulei care regasesc in masa de aer si anume: ungatoare cu pulverizare obisnuita (ceata de ulei) si ungatoare cu pulverizare fina (cu microceata de ulei). Avantajele acestei tehnici de lubrifiere constau in faptul ca instalatia poate asigura o lubrifiere corecta si este o metoda simpla de utilizat iar pe de alta parte asigura si o curatare a suprafetelor lagarelor cat si o racire a acestora. Din cauza faptului ca reglarea cantitatii corecte de ulei in masa de aer este dificila de controlat acest sistem nu este cel mai indicat acolo unde lagarele contin rulmenti pretentiosi.

Fig. 5.1. Sistem de ungere cu mix de aer-ulei a unui arbore;

Alta metoda comuna si des intalnita de lubrifiere a lagarelor este cea cu injectie directa directionata catre rulment. Acest sistem este pretabil arborilor principali a masinilor-unelte care sunt supuse la solicitari si turatii mari respectiv temperaturi ridicate. Metoda descrisa este una complexa formata dintr-un rezervor de ulei si o pompa de presiune iar toate acestea sunt legate la o unitate de control a temperaturi.

Fig. 5.2. Sistem de ungere cu injector de ulei;

Alt sistem de lubrifiere a lagarelor poate fi format dintr-un amestec de aer si ulei distribuit prin pulsatie in zona rulmentilor. Din experienta putem spune ca aceasta metoda este una eficienta deoarece injectarea aerului si a uleiului se realizeaza cu o frecventa pulsatorie ce depinde de tipul operatiei pe care o realizam in timpul prelucrarii iar pulsatia poate fii stabilita la un anumit interval de timp. Pentru setarea unui timp pentru un debit de ulei optim este nevoie de cele mai multe ori sa fie stabilit prin incercari experimentale.

Fig. 5.3. Sistem de ungere cu injector de ulei;

In prezent pentru a putea asigura o lubrifiere corecta a lagarelor majoritatea rulmetilor ai in constructia inelului exterior executat un canal cu ajutorul caruia lubrifiantul este directionat direct catre bilele si colivia acestuia mentinand incontinuu o pelicula de ulei pe suprafata acestora.

Fig. 5.4. Lubrifiere directa prin orificiu realizat in inelul exterior;

Producatorii de lubrifianti au o gama diversificata de uleiuri disponibile in prezent iar pentru alegerea corecta a acestuia este indicat sa se consulte manualele oferita de acestia. Lubrifierea corecta a lagarelor unui arbore principal de masina-unealta CNC este extrem de importanta pentru functionarea la parametrii optimi si a duratei de viata. Tipul de lubrifiere poate fi influentata de marimea rulmentilor, tipul rulmentilor, viteza suportata de acestia in functionare, la care se adauga o monitorizare stricta daca conditiile impuse de producatori sunt respectate pe tot parcursul utilizari. Deasemenea amestecul de ulei-aer sau ulei trebuie sa fie carutat si filtrat in permanenta pentru ca orice contaminare a acestuia duce la uzuri premature si distrugerea lagarelor.

Sisteme de racire a arborilor CNC

Arborele unei masini unelte CNC este principala cauza in cresterea temperaturii din ansamblul acesteia. Temperaturile ridicate generate intr-o masina-unealta pot fi cel mai mare rival al acestora, care pot conduce la pierderea preciziei si intr-un final distrugerea diferitelor organe din coponenta lor. In ziua de astazi, majoritatea producatorilor de arbori principali pentru masini-unelte CNC au integrat in interiorul acestra sistemul de actionare care poate fi un moror electric, care urmare pot exista o serie de avantaje si dezavantaje. Totusi integrarea unui motor electric intr-un arbore creeaza o sursa de caldura care trebuie sa fie mentinuta la o temperatura constanta. Datorita faptului ca scula aschietoare este direct legata de arborele principal precizia acestuia poate fi afectata datorita dilatatiilor termice care sunt direct raportate cu cresterea temperaturilor. Astfel este necesar un sistem de racire eficient care sa stabilizeze temperaturile si de evitare a efectelor negative in timpul prelucrarilor. De aceea mari constructori prezenti in acest domeniu utilizeaza diverse sisteme active de racire. Daca arbori sunt actionati din exterior iar arborele principal este integrat intr-o cutie de viteze atunci racirea acestuia se va realiza cu ajutorul uleiului iar la arbori care au motorul integrat in componenta lor, racirea se va putea face in jurul statorului cu diversi agenti de racire: aer, ulei sau apa cu aditiv pentru prevenirea oxidari suprafetelor.

Fig. 6.1. Racirea statorului unui arbore principal de strung CNC;

In funtie de designul arborelui capacitatea sistemului de racire poate sa fie diferit. Producatori din acest domeniu estimeaza in functie de marimea motorului integrat relatii de dependenta intre caldura si debitul agentului de racire. Un alt sistem de racire este cel care implica aerul ca mediu de racire, aceasta metoda consta in suflare unui rece in jurul motorului integrat. Aceasta metoda este una eficienta deoarece putem raci atat rotorul cat si statorul in consecinta motorul poate genera o putere mai ridicata respectiv efectele de tip dilatatii termice sunt reduse.

Tabel. 6.1. Recomandari ale debitului in functie de puterea motorului;

Temperatura ridicată în timpul funcționări unui arbore principal CNC are un rol important ce poate afecta buna fucționare a arborelui și anume dilatarea termică în arbore poate avea loc în orice direcție. Însă cea mai importanta directie de dilatare termică este cea pe direcție axială, deoarece aceasta este pe direcție longitudinală in consecinta este mai mare decât cea radială iar aceasta va influența pretensionarea rulmenților. În concluzie orice deformație apărută în arbore va avea urmări în ceea ce privește precizia și acuratețea acestuia.

Fig. 6.2. Temperatura intr-un arbore principal cu motor sincron integrat;

Fig. 6.3 Efectul dilatatiilor termice intr-un arbore cu motor sincron integrat;

Concluzii

În concluzie orice deformație apărută în arbore va avea urmări în ceea ce privește precizia și acuratețea acestuia.

Pentru a putea asigura o rigiditate sporita arborelui principal rezultata din lăgăruirea acestuia, este nevoie ca distanta dintre capatul arborelui soldilarizat cu port-scula si ansamblul de rulmentii sa fie minima iar raportul dintre distanta liniile de presiune a lagarelor celor doua capete a arborelui si diamentrul arborelui primului rulment sa satisfaca relatia: l/d=2,5 -3, respectand aceste conditii vom ajunge la cel mai buna compromis.

Iar compromisul legat de rigiditatea arborelui in functie de diametrul rulmetilor si turatie se reflecta in relatia: DN= D*N, unde D este diametrul rulmentului si n este turatia arborelui. Valoarea lui DN poate ajunge si doua milioane.

Bibliografie și referințe

Bibliografie

[1] Florin Teodor Tanasasescu, Valerius Stanciu, Smaranda Nițu, Constantiv Nițu, Agenda Tehnica, Editura Tehnica Bucuresti -1990.

Referințe bibliografice

[1] https://www.skf.com/binary/tcm:12-129139/0901d196802a262e-Industrial-shaft-seals–10919_2-EN_tcm_12-129139.pdf

[1] https://www.gmn.de/en/

[1] https://www.accutekusa.com/tool-shanks-styles-applications

[1] http://www.thermwood.com/multipurpose_77_home.htm