Корея Ever-Power · Ръководство за приложно инженерство
Червяк и червячно колело за индексиране на ротационна маса с ЦПУ
5-осен CNC обработващ център реже лопатка на турбина със скорост на шпиндела от 12 000 об/мин. Въртящата се маса по 4-та ос позиционира заготовката на лопатката с точност до 10 дъгови секунди — 0,003 градуса — и я държи срещу сила на рязане от 800 N, докато охлаждащата течност залива работната зона с дебит 20 литра в минута. Червячната зъбна предавка във въртящата се маса е едновременно прецизен ъглов позиционер, скоба за захващане на детайла и механичен компонент, устойчив на охлаждаща течност. Това е най-прецизното приложение на червячна предавка във всяка индустрия.
CNC въртящите се маси (4-та и 5-та ос) използват червячни зъбни колела за прецизно ъглово позициониране, непрекъснато контуриране по време на едновременна многоосна обработка и самозаключващо се захващане срещу сили на рязане. Таблицата за грешки от хлабина до позиция определя как хлабината на червячната зъбна колела се превръща в грешка в обработката в точката на рязане на детайла: e = R × B / 3,438, където R е радиусът на детайла в mm, а B е хлабината в дъгови минути. За детайл с радиус 200 mm, 1 дъгова минута хлабина води до грешка в позицията от 58 µm — надвишаваща типичния CNC толеранс от плюс или минус 25 µm. Ето защо червячните зъбни колела с CNC въртящи се маси универсално използват предварително натоварени механизми против хлабина (пружинно натоварено раздвоено колело или дуплекс с регулиране на подложката), за да намалят ефективния хлабина до под 10 дъгови секунди. Съотношението 360:1 е CNC стандартът — един градус на оборот на червяка — което позволява директно ъглово отчитане от серво енкодера без допълнително електронно зъбно колело. Клас на точност от 3 до 5 по DIN 3974 е специфициран за производствени CNC ротационни маси.
Защо CNC въртящите се маси използват червячни зъбни колела
Въртящата се маса с ЦПУ изпълнява едновременно три функции: позиционира детайла под прецизен ъгъл, държи детайла здраво по време на рязане и се върти непрекъснато по време на контурни операции (рязане на зъбни колела, фрезоване с ексцентрик, обработка на остриета). Червячната зъбна предавка осигурява и трите функции в един механичен етап - никой друг тип зъбна предавка не може да се сравни с тази комбинация.
Съотношението 360:1 преобразува един пълен оборот на червяка в точно един градус завъртане на масата. Серво мотор с енкодер с 10 000 броя осигурява 10 000 × 360 = 3 600 000 броя на оборот на масата — ъглова резолюция от 0,36 дъгови секунди на брой. Механична точност до плюс или минус 10 дъгови секунди е постижима с червячни зъбни колела клас 3 по DIN.
По време на фрезоване, силата на рязане се опитва да завърти детайла далеч от индексираната позиция. Самозаключването се съпротивлява на тази сила без отделна хидравлична скоба — силата на рязане по радиуса на детайла създава обратен въртящ момент, който червячната зъбна двойка абсорбира чрез своята необратимост.
При едновременна обработка по 4-та ос, масата се върти непрекъснато, докато шпинделът се движи по X/Y/Z — всички оси са синхронизирани от CNC контролера. Червячната зъбна предавка трябва да осигурява плавно въртене без хлабина при променливи скорости от 0,1 до 30 об/мин без грешка в предаването, която би довела до дефекти в повърхностната обработка на детайла.
Таблица на грешките от хлабината до позицията — от дъгови минути до микрони в точката на рязане
Връзката между хлабината на червячната зъбна двойка и грешката при обработка е чисто геометрична: ъгловата хлабина в центъра на масата създава линейна грешка в позицията по радиуса на детайла, която се увеличава пропорционално с разстоянието от центъра на въртене. Формулата е e = R × B / 3,438, където e е грешката в позицията в mm, R е радиусът на детайла (разстоянието от центъра на масата до точката на рязане) в mm, а B е хлабината в дъгови минути.
Таблицата обосновава необходимостта от предварително натоварени двойки червячни зъбни колела с антихлабинен ход в един ред: при R = 200 mm със стандартен хлабинен ход от 1 дъгова минута, грешката в позиционирането е 58 µm — повече от два пъти типичния толеранс от плюс или минус 25 µm за CNC обработка. Дори 0,5 дъгови минути (30 дъгови секунди) произвеждат 29 µm при радиус 200 mm — все още над границата. Само предварително натоварената конфигурация при 10 дъгови секунди (0,15 дъгови минути) остава удобно в рамките на допустимото отклонение от 9 µm. Общите индустриални двойки червячни зъбни колела при 5 дъгови минути са напълно неизползваеми за CNC индексиране — грешката при всеки практичен радиус на детайла надвишава допустимото отклонение с порядък.
Методи за предварително натоварване против обратен ход — как CNC въртящите се маси постигат обратен ход под 10 дъгови секунди
Стандартните червячни зъбни колела не могат да постигнат хлабина под 10 дъгови секунди, необходима за CNC индексиране, само чрез производствен толеранс — най-малкият постижим хлабина в конвенционално еднокомпонентно колело е приблизително 15 до 30 дъгови секунди при DIN клас 3. За да се достигне 5 до 10 дъгови секунди, червячната зъбна колела трябва да бъде механично предварително натоварена, така че страничните ръбове на зъбите да поддържат контакт едновременно от двете страни, елиминирайки зоната на свободен ход, която представлява хлабина.
Колелото е разделено на две половини, всяка от които се захваща с червяка от противоположните страни. Пружина между половините ги раздалечава, поддържайки контакт едновременно и от двете страни. Ефективен хлабинен ход: от 3 до 8 дъгови секунди. Предимство: саморегулираща се — пружината компенсира термичното разширение и незначителното износване. Недостатък: ограничен капацитет на въртящия момент (пружината трябва да бъде преодоляна, преди зъбите да предадат пълно натоварване). Най-подходящо за: леки индексиращи маси (4-та ос на вертикални обработващи центри, разделителни глави).
Две червячни резби се обработват на един и същ вал с леко аксиално отместване. Подложките между корпусите на червячните лагери задават предварителното натоварване, като контролират аксиалното положение на червяка спрямо колелото. Ефективен хлабинен ход: от 5 до 15 дъгови секунди. Предимство: пълен капацитет на въртящия момент (предварителното натоварване е механично, не е ограничено от пружина). Недостатък: изисква повторно поставяне на подложките при износване на колелото (на всеки 2 до 4 години). Най-подходящ за: тежкотоварни 5-осни маси, зъбно фрезоващи машини и хоризонтални пробивни фрези с ротационни маси.
Корейски производител на CNC машини закупи резервни червячни зъбни колела за 15 накланящи се ротационни маси (комбинация от 4-та и 5-та ос), инсталирани на хоризонтални обработващи центрове. Оригиналните двойки бяха от предварително напрегнат тип с разделени колела и ефективен хлабина от 6 дъгови секунди, DIN клас 4. Резервните двойки от различен доставчик бяха специфицирани като „DIN клас 4, без хлабина“, но бяха от двустранен тип с регулиране с подложки, а не с пружинно натоварено разделено колело. След монтажа хлабината беше 12 дъгови секунди — в рамките на допустимото отклонение от клас 4 на DIN, но двойно повече от оригиналните 6 дъгови секунди. При типичния радиус на детайла от 150 mm, грешката в позиционирането се увеличи от 4 µm на 9 µm — все още в рамките на допустимото от плюс или минус 25 µm на CNC за обща обработка, но недостатъчно за специфичен клиент от аерокосмическата индустрия, изискващ плюс или минус 10 µm на каналите за корените на лопатките на турбините. Производителят на машинни инструменти е трябвало да подложи отново подложките на всичките 15 маси, за да постигне 8 дъгови секунди — 2 часа квалифициран труд на маса при 85 щатски долара на час, което прави общо 2550 щатски долара непланиран труд. Урок: „противолуфтовата обработка“ не е единична спецификация — методът на предварително натоварване (разделен червяк срещу двустранен червяк), ефективната стойност на луфта (в дъгови секунди, не само „противолуфтова обработка“) и класът на точност по DIN трябва да бъдат изрично посочени. Два чифта антилуфтови уплътнения по DIN клас 4 от различни доставчици могат да осигурят различни стойности на луфта, защото „клас 4“ определя толеранса на геометрията на зъба, а не ефективността на предварителното натоварване.
Спецификации на три червячни зъбни колела с въртяща се маса с ЦПУ
Случай 1 — Корейска въртяща се маса с 4-та ос: Ø250 мм, раздвоено колело, автомобилни части
Корейски производител на CNC машини е специфицирал червячни зъбни колела за въртяща се маса с диаметър 250 мм и 4-та ос, проектирана за обработка на автомобилни компоненти (алуминий и стомана, радиус на детайла до 125 мм). Необходима точност на позициониране: плюс или минус 15 дъгови секунди. Повторяемост: плюс или минус 5 дъгови секунди. Червячна зъбна колела: едноходова, модул 1.5, диаметър на колелото 180 мм, предавателно число 360:1, клас на точност по DIN 4. Предварително натоварване: пружинно разцепено колело. Ефективен хлабинен ход: 6 дъгови секунди. Грешка в позиционирането при R = 125 мм: 125 × 0.1 / 3,438 = 3.6 µm — в рамките на допустимото отклонение за обработка плюс или минус 25 µm. Червяк: закалена и шлифована стомана 20CrMnTi, Ra 0.2 µm, HRC 58 до 62. Колело: центробежно лят фосфорен бронз CuSn12Ni. Смазване: Шпинделно масло ISO VG 68 (споделено с лагерите на масата), циркулиращо от централната система за смазване на машината. Двигател: 1,5 kW AC серво с абсолютен енкодер 131 072 броя. Цена на комплект червячна зъбна предавка: 680 USD. Годишно производство: 400 маси (16 000 комплекта червячна зъбна предавка годишно за цялото продуктово семейство).
Случай 2 — Японска 5-осна накланяща се маса: Ø400 мм, дуплексен червяк, аерокосмически толеранс
Японски производител на 5-осни обработващи центрове е специфицирал червячни зъбни колела както за оста А (накланяне), така и за оста С (въртене) на 400 мм накланяща се ротационна маса, проектирана за обработка на титанови и инконелни компоненти за аерокосмическата индустрия. Точност на позициониране: плюс или минус 8 дъгови секунди. Аерокосмическата платформа изисква сили на рязане до 2500 N при радиус на детайла 180 mm — създавайки въртящ момент от 450 N·m на масата. Конструкцията с раздвоено пружинно натоварено колело не може да се справи с този въртящ момент (предварителното натягане на пружината е ограничено до приблизително 150 N·m). Спецификация: дуплексен червяк с регулиране на подложката. Модул 2, диаметър на колелото 280 mm, предавателно число 360:1, DIN клас 3. Ефективен хлабинен ход след поставяне на подложки: 5 дъгови секунди. Грешка в позиционирането при R = 180 mm: 180 × 0,083 / 3438 = 4,4 µm — в рамките на плюс или минус 10 µm аерокосмически толеранс с 56 процента отклонение. Червяк: цементиран 18CrNiMo7-6, шлифован Ra 0.15 µm, HRC 60 до 63. Колело: центробежно лят калаен бронз с добавка на никел (повишена издръжливост на умора за тежкотоварно рязане в аерокосмическата индустрия). Защита на охлаждащата течност: лабиринтно уплътнение плюс продухване с въздух на входа на червячния вал за предотвратяване на проникване на охлаждаща течност. Цена на комплект червячна зъбна предавка (ос A или C): 2400 USD. Разгледайте прецизен червячен редуктор опции за приложения с въртяща се маса с ЦПУ и машинни инструменти.
Случай 3 — Виетнамска ръчна делителна глава: 40:1, без предварително зареждане, образователна и работна работилница
Виетнамски дистрибутор на машинни инструменти е определил червячни зъбни колела за ръчни делителни глави, продавани на професионални училища и малки цехове. Делителната глава се монтира на маса на фрезова машина и индексира детайла с фиксирани ъглови стъпки за рязане на зъби на зъбни колела, шестоъгълни плоски повърхности и равно разположени отвори. Съотношение: 40:1 (9 градуса на оборот на червяка - стандартното съотношение на делене, което води до често срещани деления: 40 завъртания за пълно завъртане, 20 завъртания за 180 градуса, 10 завъртания за 90 градуса). Без предварително натоварване (стандартно еднокомпонентно колело с хлабина от 2 до 3 дъгови минути). Грешка в позиционирането при R = 50 мм: 50 × 2,5 / 3438 = 36 µm. Това е приемливо за типичния толеранс от плюс или минус 0,1 мм (100 µm) при ръчна обработка в цех - посоката на подход на ръчното колело на оператора (винаги приближаване от една и съща посока) ефективно елиминира хлабината от позиционирането. Червяк: въглеродна стомана, фрезована с Ra 0.8 µm, закалена HRC 55. Колело: отлят фосфорен бронз с пясъчна отливка. Цена за чифт: 32 USD. Случаят показва, че не всички индексиращи машини се нуждаят от защита от обратен ход — ръчната работа с постоянна посока на подход елиминира ефекта на обратния ход, който се появява само при двупосочно позициониране с ЦПУ.
Често задавани въпроси
В: Защо 360:1 е стандартното съотношение за ротационни маси с ЦПУ?
При 360:1, един пълен оборот на червяка завърта масата точно с един градус, което прави ъгловото отчитане от серво енкодера лесно: броят на енкодера на градус е равен на разделителната способност на енкодера на оборот. Електронното предавателно число на CNC контролера е 1:1, което елиминира грешките от закръгляване в контура на позициониране. Някои специализирани приложения използват 90:1 (за високоскоростно непрекъснато контуриране) или 720:1 (за ултрафина ъглова разделителна способност), но 360:1 е стандартът за индексиращи маси с общо предназначение, защото осигурява най-добрия баланс между ъглова разделителна способност, изходна скорост и механична ефективност.
В: Как топлината при обработка влияе върху точността на червячната зъбна двойка?
Машинната обработка генерира топлина, която се отвежда от детайла и шпиндела към тялото на масата, повишавайки температурата на масата с 5 до 20 градуса по Целзий по време на удължени цикли на рязане. Това термично разширение разширява диаметъра на диска и измества разстоянието между центровете - увеличавайки хлабината с приблизително 2 до 5 дъгови секунди на всеки 10 градуса по Целзий покачване. При предварително натоварените двойки, термичното разширение може да стегне предварителното натоварване (намалявайки ефективността и увеличавайки натоварването на двигателя) или да го разхлаби (увеличавайки хлабината) в зависимост от това дали дискът или корпусът се разширяват повече. Пружинно натоварените раздвоени дискове се самокомпенсират за термично разширение; дуплексните двойки с регулиране на подложките не са - те изискват термична стабилизация (цикъл на загряване преди прецизна обработка) или активна термична компенсация в CNC контролера. За аерокосмическа обработка с изисквания от плюс или минус 8 дъгови секунди, 30-минутен цикъл на загряване е стандартна практика преди рязане на първия детайл.
В: Как се предотвратява навлизането на охлаждаща течност в корпуса на червячната предавка?
CNC машинната обработка използва охлаждаща течност под високо налягане (10 до 70 бара), която залива работната зона и се разпръсква върху въртящата се маса. Три стратегии за уплътняване защитават червячната зъбна двойка: лабиринтно уплътнение на интерфейса между тялото на масата и корпуса (безконтактно, без износване); продухване с въздух (сгъстен въздух от 0,1 до 0,3 бара, непрекъснато издухван навън през лабиринта, предотвратявайки проникването на охлаждаща течност); и дренажни канали, които насочват охлаждащата течност, преминаваща през лабиринта, далеч от корпуса на зъбното колело, преди да достигне масленото уплътнение. Висококачествените CNC маси използват и трите. Ако охлаждащата течност попадне в маслената система, тя емулгира маслото на шпиндела и води до ускорено износване на контактните повърхности на червяка и колелото - измеримо като увеличение на хлабината от 5 до 10 дъгови секунди в рамките на 6 месеца. Редовният анализ на маслото (съдържание на вода под 0,05 процента) следи ефективността на уплътнението.
В: Какъв е типичният експлоатационен живот на червячна зъбна предавка на ротационна маса с ЦПУ?
Въртящите се маси с ЦПУ в производствени среди обикновено работят от 2000 до 4000 часа годишно с периодично индексиране. Животът на бронзовото зъбно колело е от 5 до 10 години за обща обработка (стомана и алуминий) и от 3 до 6 години за тежкотоварна аерокосмическа обработка (титан, инконел — по-високите сили на рязане водят до по-високо контактно напрежение върху зъбите на червячното зъбно колело). Стоманеният червяк издържа от 10 до 20 години. Ограничаващият живота фактор е нарастването на хлабината отвъд допустимия толеранс на обработка — наблюдава се чрез годишна проверка на точността с помощта на лазерен интерферометър или прецизен полигон. Планирайте подмяната на колелото, когато хлабината надвиши два пъти първоначалната предварително заредена стойност (напр. сменете, когато оригиналната стойност от 6 дъгови секунди нарасне до 12 дъгови секунди).
В: Може ли директно задвижващ моментен двигател да замени червячната зъбна предавка в ротационни маси с ЦПУ?
Моментните двигатели с директно задвижване (DDT) се използват във високоскоростни 5-осни маси, където е необходима непрекъсната скорост на контуриране над 50 об/мин. DDT елиминира изцяло проблема с хлабината, тъй като няма зъбно предаване. DDT обаче няма самозаключване - необходима е отделна хидравлична скоба, за да се задържи масата по време на рязане, което добавя разходи и сложност. DDT също така има по-ниска плътност на въртящия момент от червячна зъбна двойка при ниска скорост - 400 мм DDT маса струва от 3 до 5 пъти повече от еквивалентна маса с червячна зъбна колела. За по-голямата част от производствената CNC обработка (индексиране плюс контуриране със средна скорост под 30 об/мин), червячната зъбна двойка остава по-рентабилна от DDT. DDT се предпочита само за високоскоростна непрекъсната 5-осна обработка на сложни повърхности със свободна форма, където скоростта на контуриране надвишава практическия лимит на червячната зъбна двойка.
В тази серия от 30 статии, червячните зъбни колела за въртящи се маси с ЦПУ работят с най-високо ниво на прецизност от всички приложения — луфт под 10 дъгови секунди, клас на точност по DIN от 3 до 5 и грешки в позиционирането, измерени в едноцифрени микрони в точката на рязане на детайла. Таблицата за луфт-грешка спрямо грешка в позиционирането (e = R × B / 3438) определя защо стандартните индустриални червячни зъбни колела не могат да обслужват CNC индексиране: при типичен радиус на детайла, дори 1 дъгова минута луфт надвишава допустимите отклонения за CNC обработка с коефициент 2 до 3. Предварително заредените механизми против луфт (пружинно раздвоено колело за лек режим на работа, дуплекс с регулиране на подложките за тежък режим на работа) са задължителни за производствените CNC маси. Съотношението 360:1 е стандартът, защото осигурява целочислена ъглова резолюция от серво енкодера. За производителите на машинни инструменти, които специфицират червячните зъбни колела за въртящи се маси, ключовите параметри са луфтът (в дъгови секунди, а не в дъгови минути), клас на точност по DIN, метод на предварително натоварване и стратегия за уплътняване с охлаждаща течност.
За производителите на CNC машини и ремонтните компании за въртящи се маси, нашето инженерно бюро предлага прецизни червячни зъбни колела от клас DIN от 3 до 6 с предварително заредени конфигурации против обратен ход. Стандартен каталог прецизни червячни зъбни колела Включва предавателни числа 360:1 и 40:1 от 80 до 280 мм диаметър на диска с опции за разделяне на диска и дуплекс. Изпратете спецификация за задвижване на CNC маса с диаметър на масата, точност на позициониране (дъгови секунди), максимален радиус на детайла, сила на рязане и вид на охлаждащата течност.
Специфициране на червячни зъбни колела за CNC ротационни маси?
Изпратете диаметъра на масата, необходимата точност (дъгови секунди), максималния радиус на детайла и силата на рязане, вида на охлаждащата течност и дали се нуждаете от предварително натягане с раздвоено колело или двойно. Ще изчислим грешката в позиционирането при радиуса на вашия детайл и ще препоръчаме DIN клас и спецификация за предварително натягане.
Редактор: Cxm
