Корея Ever-Power · Ръководство за приложно инженерство
Червяк и червячно колело за задвижвания на шлифовъчни и полиращи машини
Полираща машина за оптични лещи създава повърхностна гладкост от 0,05 µm — приблизително една хилядна от дебелината на човешки косъм. При този мащаб всеки източник на вибрации в машината оставя своя отпечатък върху обработената повърхност. Червячната зъбна предавка, задвижваща полиращия шпиндел, трябва да допринася с по-малко от 0,002 mm/s вибрации на мрежата — с един порядък по-тихо от първокласно задвижване на асансьора и с два реда по-ниско от стандартен индустриален редуктор.
Шлифовъчните и полиращи машини произвеждат най-фините повърхностни покрития в производството — Ra 0,05 до 0,8 µm — и всяка вибрация от задвижващата система се отпечатва директно върху обработената повърхност като периодично влошаване на вълнообразността или грапавостта. Анализът на вибрациите спрямо качеството на повърхността определя количествено как амплитудата на вибрациите на червячната предавка при честотата на предавката се превръща в принос към грапавостта на повърхността: всяка вибрация от 0,01 mm/s добавя приблизително 0,02 до 0,05 µm към стойността на Ra на повърхността. За шлифовъчна машина за повърхности, насочена към Ra 0,2 µm, бюджетът на вибрациите на червячната зъбна двойка е под 0,02 mm/s — постижимо само с прилепнали или свръхфиниширани червяци при Ra 0,1 до 0,2 µm и клас на точност по DIN 3 до 4. За оптично полиране при Ra 0,05 µm бюджетът пада под 0,005 mm/s — което изисква червячни зъбни двойки клас 2, които са индивидуално прилепнали и тествани на вибрации. Стабилността на скоростта в рамките на плюс или минус 0,5 процента е задължителна, тъй като скоростта на отстраняване на материал от шлифовъчния диск е пропорционална на скоростта на масата - 1% вариация на скоростта води до 1% вариация в дълбочината на рязане, която надвишава общия толеранс на формата на прецизно шлифовани компоненти.
Защо машините за шлифоване и полиране се нуждаят от задвижвания с ултраниски вибрации
Шлайфането и полирането се различават от фрезоването и струговането по фундаментален начин: дълбочината на рязане се измерва в едноцифрени микрометри (от 1 до 20 µm на проход), а не в милиметри. В този мащаб разликата между умишлено отстраняване на материал и вибрационно увреждане на повърхността се размива — вибрационно изместване от 5 µm в точката на контакт премахва 5 µm материал на пика на вибрациите и нула на дъното, което води до вълнообразност на повърхността, равна на амплитудата на вибрациите. Обработената повърхност се превръща в запис на всеки източник на вибрации в машината.
Червячната зъбна предавка е един от 5 до 8 източника на вибрации в типична шлифовъчна машина (други включват лагерите на шпиндела на шлифовъчния диск, дисбаланса на диска, хидравличната помпа, помпата за охлаждаща течност и основата на машината). Всеки източник трябва да се придържа към определения си бюджет за вибрации, така че комбинираната сума да остане под прага на качеството на повърхността. Приносът на червячната зъбна предавка идва от два механизма: възбуждане на честотата на зацепване (периодичното зацепване на зъбите, докато червякът се върти) и грешка в предаването (микровариации в изходната скорост на входен оборот поради несъвършенства в геометрията на зъбите).
Плъзгащото зацепване на всяка червячна резба със зъба на колелото създава периодична сила с честотата на зацепване (обороти на червяка при еднократно пускане). Тази сила възбужда структурата на машината. По-гладките повърхности на зъбите (по-ниско Ra) намаляват амплитудата на възбуждане - основната причина, поради която за шлифовъчните машини се предписват притискани червяци.
Несъвършенствата в геометрията на зъбите водят до леко ускоряване и забавяне на изхода в рамките на всяко завъртане - микро-вариация, наречена грешка при предаване. Тази вариация се превръща директно в вариация на скоростта на масата, което води до вълнообразност на повърхността на детайла по време на периода на въртене на червяка. DIN клас 3 до 4 минимизира грешката при предаване.
Ако честотата на мрежата съвпада с резонанса на структурата на машината (диапазон от 10 до 200 Hz), дори малки амплитуди на възбуждане предизвикват големи вибрации в точката на контакт при шлифоване. Промяната на входната скорост на червяка с 5 до 10 процента може да измести честотата на мрежата от резонанса - настройка, която не изисква промяна на хардуера.
Анализ на вибрациите спрямо качеството на повърхността — от mm/s на мрежата до µm Ra върху детайла
Връзката между вибрациите на зацепването на червячната зъбна предавка и грапавостта на шлифованата повърхност зависи от амплитудата на вибрациите, пътя на структурно предаване от корпуса на зъбното колело до контакта за шлифоване и параметрите на процеса на шлифоване (скорост на диска, дълбочина на рязане, охлаждаща течност). Предавателната функция варира в зависимост от конструкцията на машината, но емпиричните данни за редица повърхностни и цилиндрични шлифовъчни машини показват последователно правило: всяка RMS вибрация на зацепването от 0,01 mm/s в корпуса на червячната зъбна предавка допринася с приблизително 0,02 до 0,05 µm към стойността Ra на повърхността на детайла.
Таблицата разкрива йерархията на прецизността: червяк с фрезована повърхност (Ra) 1,6 µm допринася с 0,16 до 0,75 µm за грапавост на повърхността само от вибрации - което го прави безполезен за каквото и да е приложение за шлифоване (той би надвишил целия бюджет за грапавост на повърхността, преди шлифовъчното колело дори да докосне детайла). Шлифованите червяци с Ra 0,4 µm са подходящи за промишлено безцентрово и грубо шлифоване на повърхности. Прилепнатите червяци с Ra 0,2 µm служат за прецизно повърхностно и цилиндрично шлифоване. Суперфинишираните червяци с Ra 0,1 µm са запазени за оптично полиране и полупроводникови процеси, където целевата грапавост на повърхността е под 0,1 µm.
Корейски производител на прецизни шлифовъчни машини за повърхности получи оплаквания от клиент, производител на лагери: шлифованите лагерни релси показват периодична вълнообразност с честота, която не съответства на оборотите на шлифовъчния диск, оборотите на работната глава или честотата на хидравличната помпа. Дължината на вълната на вълнообразността е 0,42 мм — съответстваща на придвижването на масата на оборот на червяка при определената скорост на подаване (съотношение на червячната зъбна двойка 30:1, стъпка на водещия винт 5 мм, едно оборот на червяка = 0,167 мм ход на масата × 2,5 шлифовъчни минавания на оборот на червяка при специфичната комбинация от скорости = 0,42 мм шарка на повърхността). Червячната зъбна двойка е била сменена по време на скорошен основен ремонт със шлифован червяк с Ra 0,35 µm — отговарящ на спецификацията за покупка „Ra под 0,4 µm“. Измерването на вибрациите обаче показва 0,04 мм/с при честотата на зацепване — в горната граница на допустимия диапазон за целева повърхностна обработка Ra 0,2 µm на лагерните релси. Оригиналният фабрично монтиран червяк е бил шлифован до Ra 0,18 µm с вибрация от 0,012 мм/с. Решение: новият червяк беше шлифован до Ra 0,15 µm (допълнителни разходи от 35 USD), вибрациите бяха намалени до 0,008 mm/s и периодичната вълнообразност изчезна. Урок: спецификациите на червяка на шлифовъчната машина трябва да посочват границата на вибрациите при честотата на мрежата (mm/s RMS) в допълнение към повърхностната обработка Ra — защото два червея с една и съща Ra могат да генерират различни нива на вибрации поради разлики в точността на профила на зъба, които Ra не отчита.
Стабилност на скоростта — равномерно отстраняване на материал по целия проход за шлифоване
Освен вибрациите, зъбната двойка трябва да осигурява постоянна изходна скорост, тъй като скоростта на отстраняване на материал при шлифоване е пряко пропорционална на скоростта на подаване на масата. Ако подаването се променя с 2% по време на напречно подаване, дълбочината на рязане се променя с 2%, което води до грешка във формата, която може да надвиши общия допуск при прецизно шлифовани компоненти. Стабилността на скоростта в рамките на плюс или минус 0,5% изисква геометрия на зъбите по DIN клас 4 или по-добра с грешка на предаване под 5 дъгови секунди от пик до пик - същата степен на точност като спецификацията на въртящата се маса с ЦПУ (статия A22), но по различна функционална причина: точност на позициониране спрямо постоянство на подаването.
Три корпуса на червячни зъбни колела за шлифовъчна и полираща машина
Случай 1 — Корейска прецизна шлифовъчна машина за повърхности: цел Ra 0,2 µm, приложение на лагерно колело
Корейски производител на плоскошлифовъчни машини е определил червячни зъбни колела за задвижването на надлъжното подаване на масата на прецизна плоскошлифовъчна машина, използвана за финална обработка на лагерни шейни. Целева грапавост на повърхността: Ra 0,2 µm. Размер на масата: 600 × 300 mm. Скорост на подаване: от 1 до 15 m/min (хидравлично възвратно-постъпателно движение с червячно задвижвано индексно напречно подаване). Червячна зъбна колела за индексно напречно подаване: едноходова, модул 1,5, междуосово разстояние 30 mm, съотношение 30:1, припокриване Ra 0,15 µm, клас на точност по DIN 4. Вибрации при честота на зацепване: 0,008 mm/s RMS (проверено от акселерометър по време на фабрично приемателно изпитване). Принос на Ra от вибрациите на зъбното колело: приблизително 0,02 µm — изразходвайки 10 процента от бюджета от 0,2 µm. Материал: цементиран червяк 18CrNiMo7-6, HRC 60, центробежно лято колело от фосфорен бронз. Смазване: масло за шпиндел ISO VG 32 (споделено с плъзгащите се на масата). Цена за чифт: 185 USD. Шлифовъчната машина произвеждаше лагерни релси с Ra 0,15 µm постоянно — удобно в рамките на целевата стойност от 0,2 µm.
Случай 2 — Японска машина за полиране на оптични лещи: Ra 0,05 µm, свръхполиран червяк, тестван за вибрации
Японски производител на оптично оборудване е определил червячна зъбна предавка за задвижването на шпиндела на автоматизирана машина за полиране на лещи, произвеждаща оптика за камери и микроскопи. Равност на целевата повърхност: 0,05 µm (една четвърт от дължината на вълната на видимата светлина). Червячната зъбна предавка е задвижвала полиращия шпиндел с 15 до 60 об/мин при съотношение 40:1. Бюджет на вибрации за задвижването: под 0,003 mm/s RMS при честотата на зацепване. Червячна зъбна предавка: едноходова, модул 1, междуосово разстояние 25 mm, съотношение 40:1, суперфинирана Ra 0,08 µm, клас на точност DIN 2. Всяка зъбна предавка е била индивидуално тествана на вибрации на специален тестов стенд в целевия диапазон на скоростта — двойките, надвишаващи 0,003 mm/s, са били отхвърлени (приблизително 15 процента процент на отхвърляне, което отразява екстремната толеранс). Материал: азотиран червяк 31CrMoV9, повърхност HRC 62, центробежно лят калаен бронз с добавка на антимон (превъзходни характеристики на разработване за минимални първоначални вибрации при износване). Цена за чифт: 680 USD (включително индивидуален сертификат за вибрационен тест). Разгледайте червячно зъбно колело с ниска вибрация опции за прецизно шлифоване и оптично полиране.
Случай 3 — Виетнамска безцентрова шлифовъчна машина: Ra 0.8 µm, шлифован червяк, обем на производство
Виетнамски производител на машинни инструменти е определил червячни зъбни колела за задвижването на регулиращото колело на безцентрово шлифовъчна машина, произвеждаща стоманени щифтове и валове. Целева грапавост на повърхността: Ra 0.8 µm (индустриален клас). Скорост на регулиращото колело: 10 до 40 об/мин. Двигател: 0.75 kW VFD управление. Предаващо число: 25:1. Изходен въртящ момент: 45 N·m. Релаксираната целева стойност Ra 0.8 µm позволява шлифован червяк при Ra 0.4 µm — приносът на вибрациите от приблизително 0.1 µm изразходва само 12% от бюджета от 0.8 µm. Полираната обработка е ненужна и би добавила 40% към цената на двойката без измеримо предимство за качеството при това ниво на толеранс. Червячна зъбна колела: едноходова, модул 2, междуосово разстояние 40 mm, клас на точност DIN 6. Материал: закален червяк от въглеродна стомана, колело от фосфорен бронз. Защита на охлаждащата течност: EPDM уплътнение IP55 с предпазител от пръски (охлаждащата течност за безцентрово шлифоване се насочва към зоната на шлифоване, а не към задвижването). Цена на чифт: 52 USD. Годишно производство: 200 безцентрови шлифовъчни машини (200 чифта годишно). Спецификацията показва, че качеството на червячната зъбна двойка на шлифовъчната машина трябва да съответства на целта на процеса — суперфинишната обработка на червяк за безцентрова шлифовъчна машина с Ra 0.8 µm води до загуба на 70 процента от допълнителните разходи за довършителни работи.
Често задавани въпроси
В: Как да измеря приноса на вибрациите от червячната зъбна двойка на съществуваща шлифовъчна машина?
Монтирайте акселерометър върху корпуса на червячната предавка и измерете спектъра на вибрациите по време на подаване на масата (шлифовъчният диск не реже — изолиране на вибрациите на задвижването от вибрациите на процеса). Идентифицирайте пика при честотата на зацепване на червяка (единично пускане: пик при обороти на червяка в Hz). Сравнете амплитудата на този пик (в mm/s RMS) с таблицата за съотношението вибрации към качеството на повърхността, за да оцените приноса на Ra. Ако пикът надвишава бюджета за целевата обработка на повърхността, или сменете червяка с по-фина обработка, или регулирайте входната скорост на червяка с 5 до 10 процента, за да изместите честотата на зацепване далеч от структурния резонанс.
В: Влияе ли материалът на червячната зъбна двойка на вибрациите?
Да — материалът на колелата има значително влияние. Бронзовите колела омекотяват вибрациите на мрежата чрез вътрешно демпфиране на материала (бронзът има по-висок капацитет на демпфиране от стоманата). Колелата от POM и MC Nylon осигуряват дори по-високо демпфиране — от 3 до 5 пъти повече от бронза — но са ограничени до много леки натоварвания (под 20 N·m). За прецизни шлифовъчни машини с умерен въртящ момент (от 20 до 80 N·m), бронзът е стандартът. За ултрапрецизно оптично полиране с много лек въртящ момент (под 10 N·m), POM колелата могат да осигурят допълнително намаляване на шума с 2 до 4 dB(A) и измеримо по-ниски вибрации — но за сметка на по-кратък живот на колелата и по-ниска точност на позициониране поради размерната нестабилност на пластмасата.
В: Може ли стърженето на охлаждащата течност да повреди червячната зъбна двойка?
Охлаждащата течност за шлифоване (обикновено водоразтворима режеща течност с концентрация от 3 до 8 процента) е умерено корозивна и съдържа абразивни стружки (частици от смлян метал). Ако охлаждащата течност попадне в корпуса на червячната предавка през повредени уплътнения, се развиват два проблема: водното съдържание емулгира маслото на шпиндела (намалявайки смазването), а стружките действат като притискаща смес върху повърхностите на зъбите на зъбното колело (ускорявайки износването и увеличавайки хлабината). Резултатът е измерим в рамките на месеци - вибрациите се увеличават и качеството на повърхността се влошава. EPDM уплътненията (устойчиви на водоразтворима охлаждаща течност) и продухването с въздух на входа на вала са стандартната защита. Анализът на маслото на всеки 6 месеца (съдържание на вода под 0,05 процента, брой частици под ISO 18/16/13) следи ефективността на уплътненията.
В: Защо е необходимо да се посочва вибрация (mm/s) в допълнение към повърхностната обработка (Ra) за червяка?
Повърхностната обработка Ra измерва средната грапавост на повърхността на резбата на червяка — тя показва колко гладка е повърхността на микрогеометрично ниво. Вибрацията (mm/s при честота на зацепване) измерва динамичното възбуждане, което червячната зъбна двойка произвежда по време на въртене — тя показва колко силно двойката разклаща машината. Два червяка с еднакви стойности на Ra могат да генерират различни нива на вибрации, защото вибрациите зависят и от точността на профила на зъба, точността на хода и концентричността — параметри, които Ra не отчита. За шлифовъчни приложения, спецификацията на вибрациите е по-пряко свързана с качеството на готовата повърхност, отколкото само Ra на червяка. Посочете и двете: Ra за производствен контрол, вибрации за функционална проверка.
В: Какъв е типичният експлоатационен живот на червячна зъбна двойка на шлифовъчна машина?
Шлифовъчните машини работят от 2000 до 4000 часа годишно с прекъсващ режим на подаване (червячната зъбна предавка работи по време на индексните ходове на напречното подаване, а не непрекъснато). При този режим на работа и леките въртящи моменти, типични за шлифоване (10 до 80 N·m), бронзовото колело издържа от 8 до 15 години. Ограничаващият живота фактор е влошаването на вибрациите, а не луфта - с износването на колелото, моделът на контакт се променя и възбуждането на зацепването се увеличава. Когато вибрациите при честотата на зацепване се удвоят спрямо първоначалната стойност, качеството на повърхността започва да се влошава. Планирайте подмяната на колелото, когато вибрациите се удвоят - обикновено при 60 до 70 процента от ограничения от луфта механичен живот.
Шлифовъчните и полиращите машини работят в най-финия край на спектъра на прецизност на производството - а червячната зъбна двойка, задвижваща подаващото устройство на масата или шпиндела, е един от малкото компоненти, чиято вибрационна сигнатура може да бъде директно измерена върху обработената повърхност на детайла. Анализът на съотношението вибрации-повърхност (всяка вибрация на мрежата от 0,01 mm/s добавя 0,02 до 0,05 µm към повърхността Ra) определя количествено защо червяците с фрезоване са неизползваеми за шлифоване, шлифованите червяци служат за промишлено шлифоване, притисканите червяци служат за прецизно шлифоване, а свръхшлифованите червяци служат за оптично полиране. Границата на вибрациите при честотата на мрежата (mm/s RMS) трябва да бъде специфицирана заедно с обработката на повърхността на червяка (Ra µm) - защото само Ra не предсказва вибрационните характеристики. За производителите на шлифовъчни машини спецификацията на червячната зъбна двойка определя най-фината обработка на повърхността, която машината може да постигне - тя е компонент, определящ възможностите, а не просто задвижващ елемент.
За производителите на шлифовъчни и полиращи машини, нашето инженерно бюро предоставя червячни зъбни колела с индивидуални сертификати за вибрационни тестове за прецизни приложения. Стандартен каталог прецизни червячни зъбни колела включете шлифовани, припокрити и суперфиниширани конфигурации с точност по DIN клас 2 до 6. Изпратете Спецификация на шлифовъчното задвижване с целева грапавост на повърхността, диапазон на скоростта на масата и бюджет на вибрациите.
Специфициране на червячни зъбни колела за шлифовъчни или полиращи машини?
Изпратете целевата грапавост на повърхността (Ra), скоростта на масата или шпиндела, вибрационния бюджет (ако е известен) и вида шлайфане (повърхностно, цилиндрично, безцентрово, оптично). Ще препоръчаме степента на обработка на червяка, DIN клас и ще предоставим индивидуални сертификати за вибрационни тестове за прецизни приложения.
Редактор: Cxm
