Корея Ever-Power · Ръководство за приложно инженерство
Червяк и червячно колело за задвижвания на подаване на фрези и стругове
Фреза зацепва стоманен детайл с тангенциална сила на рязане от 2000 N. Компонентът на тази сила, насочен към посоката на подаване – от 400 до 800 N в зависимост от геометрията на фрезата – се избутва назад през водещия винт, през червячната зъбна предавка и се опитва да ускори масата към фрезата. Ако задвижването на подаването позволи това ускорение, инструментът задълбочава, силата се увеличава и масата се ускорява допълнително – самоусилващ се сблъсък, който огъва инструментите и поврежда машините. Самозаключващата се червячна зъбна предавка е механичната бариера, която предотвратява тази нестабилност на посоката на подаване.
Задвижванията за подаване на фрезови машини и стругове използват червячни зъбни колела за две едновременни функции: контролирано намаляване на скоростта на подаване (преобразуване на скоростта на двигателя в бавно, постоянно движение на масата или каретката по време на рязане) и самоблокираща се безопасност (предотвратяване на обратното задвижване на механизма за подаване от режещи сили и издърпване на детайла в инструмента). Анализът на обратната връзка за силата на рязане проследява как тангенциалните, радиалните и аксиалните компоненти на силата на рязане се превръщат в обратно задвижващ въртящ момент при червячната зъбна двойка и показва, че само самоблокиращата се геометрия на червяка (еднократно стартиране, ъгъл на извеждане под ъгъла на триене) надеждно абсорбира този въртящ момент при всички условия на рязане. Точността на скоростта на подаване зависи от грешката на извеждането на червяка: грешка на извеждане от 10 µm на оборот на червяка води до периодично изменение на скоростта на подаване, което се проявява като вълнообразност на повърхностната обработка при честотата на въртене на червяка. Шлифованите червяци (Ra 0,3 до 0,4 µm, грешка на извеждане под 5 µm) осигуряват стабилност на подаването в рамките на плюс или минус 1 процент; Зъборезните червяци (Ra 1.6 µm, грешка на изрязване 15 до 25 µm) водят до плюс или минус 3 до 5 процента отклонение, видимо като повърхностна вълнообразност на готовия детайл.
Защо задвижванията за подаване на фрези и стругове използват червячни зъбни колела
Задвижването за подаване на машинен инструмент преобразува въртенето на двигателя в бавно, контролирано линейно движение на работната маса (фрезоване) или напречното плъзгане (струг) по време на рязане на метал. Скоростта на подаване - обикновено от 10 до 500 мм в минута - определя качеството на повърхностната обработка, дебелината на стружката и живота на инструмента. Червячната зъбна предавка е разположена между подаващия двигател и водещия винт, осигурявайки както намаляване на скоростта, така и критичната функция за самозаключване.
За разлика от приложението с въртяща се маса (Статия A22), където червячната зъбна предавка позиционира и задържа, двойката задвижващи механизми за подаване се движи непрекъснато по време на рязане, което прави постоянството на скоростта на подаване и поемането на силата на рязане основните параметри на спецификацията.
Самозаключването абсорбира компонента на силата на рязане в посока на подаване, който се опитва да ускори детайла в режещия инструмент. Без самозаключване, конвенционалното или еднопосочно фрезоване може да доведе до самоусилващо се ускорение на подаването, което поврежда инструмента, детайла и шпиндела на машината - потенциално наранявайки оператора.
Плъзгащият контакт на червяка и червячното колело води до по-плавно въртене в сравнение с цилиндричните зъбни колела, което се изразява в по-плавна скорост на подаване с по-малко периодични вариации. Плавността на скоростта на подаване определя директно качеството на повърхността: 2% вариация в подаването води до 2% вариация в дебелината на стружката, видима като вълнообразност на обработваната повърхност.
Червячна зъбна предавка с предавателно число 40:1 преобразува двигател с 1450 об/мин в 36 об/мин при водещия винт, произвеждайки скорост на подаване от 180 мм/мин през 5 мм стъпка на водещия винт. Това едностепенно предавателно число се побира в колоната или плочката на машината, без да се разширява нейната площ. Зъбните предавки с цилиндрични зъбни колела се нуждаят от 3 до 4 степени за същото предавателно число.
Анализ на обратната връзка по силата на рязане — как силите на рязане се опитват да отблъснат подаването
По време на рязане на метал, върху детайла в точката на рязане действат три ортогонални компонента на силата. Компонентата, която е подравнена с посоката на подаване, е критична за червячната зъбна двойка, тъй като тя се опитва да задвижи механизма за подаване назад чрез водещия винт.
Таблицата по-долу проследява веригата на силите от параметрите на рязане до въртящия момент при обратно задвижване за три често срещани сценария на обработка – показвайки защо самоблокирането е от съществено значение и защо конвенционалните (несамоблокиращи се) зъбни задвижвания не са безопасни за приложения на фрезоване.
Анализът показва, че дори тежкото фрезоване с катерене при тангенциална сила от 5000 N произвежда само 10 N·m въртящ момент при червячната зъбна предавка - в рамките на самоблокиращия капацитет на всяка стандартна едноходова зъбна предавка (която се съпротивлява на въртящи моменти при обратно задвижване до пълния номинален изходен въртящ момент, обикновено от 50 до 500 N·m за размери на подаване на машинни инструменти). Червячната зъбна предавка поема цялата сила на рязане в посока на подаване без никакво напрежение. Но последствията от повредата при обратно задвижване са сериозни: детайлът се ускорява в режещия инструмент с пълната скорост на водене на водещия винт, причинявайки сблъсък, който може да счупи инструмента, да повреди шпиндела и да нарани оператора. Границата на самоблокиране не е гранична - тя е проектирана да бъде непосилна.
Точност на скоростта на подаване — как грешката в хода на червяка води до вълнообразност на повърхността
Скоростта на подаване определя дебелината на стружката и следователно качеството на повърхността: идеално постоянната скорост на подаване води до идеално равномерна стружка, която води до гладка повърхност. Променливата скорост на подаване води до променлива дебелина на стружката, която води до вълнообразна повърхност с период, съответстващ на честотата на изменението.
Грешката във воденето на червея води до периодични вариации в подаването. Ако червякът има кумулативна грешка в извеждането от 15 µm за едно завъртане, скоростта на подаване варира с 15 µm на завъртане. При съотношение 40:1 с водещ винт със стъпка 5 mm, едно завъртане на червяка премества масата с 0,125 mm. Грешка от 15 µm за 0,125 mm ход представлява 12% моментна вариация в подаването, което води до 12% вариация в дебелината на стружката, видима като периодична вълнообразност с дължина на вълната 0,125 mm върху обработената повърхност. За чиста обработка, където грапавостта на повърхността Ra трябва да бъде под 1,6 µm, тази вълнообразност е неприемлива.
Шлифованите червяци с грешка на изместване под 5 µm на оборот намаляват вариацията на подаването до под 4% - в рамките на приемливия диапазон за обща обработка (грапавост на повърхността Ra 1,6 до 3,2 µm). За прецизна обработка (Ra под 0,8 µm) се предписват припокривани червяци с грешка на изместване под 2 µm. Грешката на изместване не е същата като повърхностната обработка: червякът може да има гладка повърхностна обработка Ra 0,4 µm, но ниска точност на изместване (грешка 10+ µm) поради геометрични грешки на фрезовата машина. Грешката на изместване трябва да се провери чрез директно измерване на специален инструмент за изпитване на изместване - не се извежда от стойността на грапавостта на повърхността.
Корейски производител на колянни фрези получи оплаквания от полеви условия относно периодична повърхностна вълнообразност по оста Y (напречно подаване) по време на челно фрезоване. Вълнообразността се проявява като правилен модел с дължина на вълната приблизително 0,13 mm - съответстваща на придвижването на масата на оборот на червяка (номинално 0,125 mm при използваната скорост на подаване). Инспекцията на червяка разкри кумулативна грешка на извеждането от 18 µm за едно оборот - в рамките на стандартния толеранс на доставчика, но произвеждайки 14% вариация на подаването. Оста X (надлъжно подаване) не показа вълнообразност - червякът му имаше грешка на извеждането от 4 µm (от различна производствена партида с по-строг контрол на процеса). И двата червяка бяха с един и същ номер на частта от един и същ доставчик - грешката на извеждането не беше контролирана в производствената спецификация, а само размерите на резбата и обработката на повърхността. Решение: производителят на фрезата добави спецификация за грешка на извеждането към поръчката за покупка - максимум 6 µm кумулативно на оборот, потвърдено със сертификат за инспекция. Доставчикът внедри 100% тестване на извеждането с оптичен инструмент за проверка на извеждането срещу допълнителна цена от 1,80 USD на червяк. Оплакванията за повърхностна вълнообразност са намалени до нула през следващите 12 месеца производство. Поука: повърхностната обработка Ra и точността на стъпката са независими параметри — самото посочване на Ra не гарантира точност на подаването. Добавете максимална грешка на стъпката на оборот към спецификацията за покупка за всеки червяк с подаващо задвижване.
Три корпуса на червячна зъбна предавка за подаване на машинни инструменти
Случай 1 — Корейски производител на колянни фрези: 3-осно захранване с механизъм, самозаключващо се, критично за безопасността
Корейски производител на вертикални фрези с коленни зъбни колела е специфицирал червячни зъбни колела за захранващите агрегати по осите X, Y и Z. Размер на масата: 1300 × 300 мм. Водещ винт: стъпка 5 мм, резба Acme. Мотор на ос: 0,37 kW, 1450 об/мин. Червячна зъбна колела: едноходова, модул 2, междуосово разстояние 40 мм, съотношение 40:1. Изходна скорост на водещия винт: 36 об/мин, осигуряваща максимална скорост на подаване 180 мм/мин. Самозаключване: задължително и за трите оси — оста Z (вертикалното коляно) носи масата, менгемето и теглото на детайла (общо до 300 кг), а повреда на самозаключването би позволила на коляното да падне под влиянието на гравитацията. Грешка на извеждането: под 6 µm на оборот (заземен червяк, Ra 0,4 µm). Материал: закален червяк 20CrMnTi HRC 58, колело от фосфорен бронз CuSn12Ni. Смазване: Машинно масло ISO VG 68, споделено с коляновия плъзгач. Цена за чифт: 42 щатски долара. Цена за 3-осен комплект: 126 щатски долара на фреза. Годишно производство: 1200 фрези (3600 комплекта червячни зъбни колела). Цената от 42 щатски долара на чифт е най-критичният компонент за безопасност на фрезата — самоблокираща се повреда по оста Z би позволила на маса с тегло 300 кг да падне свободно върху ръцете на оператора.
Случай 2 — Японски струг с ЦПУ: напречно подаване, серво задвижване, критично значение за повърхностната обработка
Японски производител на CNC стругове е определил червячна зъбна предавка за подаване с напречно плъзгане (ос X) на производствен стругов център, обработващ компоненти на автомобилни валове. Подаването с напречно плъзгане е определило допустимото отклонение на крайния диаметър (плюс или минус 10 µm) и грапавостта на повърхността (Ra 0.8 µm, необходима за повърхностите на лагерните шийки). Водещ винт: сферично-винтова предавка с стъпка 6 mm (висока ефективност за CNC серво управление). Червячна зъбна предавка: едноходова, модул 1.5, междуцентрово разстояние 30 mm, съотношение 30:1, шлифована Ra 0.3 µm, грешка на извеждане под 3 µm на оборот. Клас на точност по DIN 5. Двигател: 1 kW AC серво с енкодер 131 072 броя. Изходен въртящ момент на червячното колело: 35 N·m (адекватно за триене при напречно плъзгане плюс обратна връзка за силата на рязане). Вариация на скоростта на подаване от червяка: под 1 процент при всички скорости на подаване — което води до вълнообразност на повърхността под 0.1 µm от връх до вдлъбнатина (невидима при спецификация Ra 0.8 µm). Цена за чифт: 125 USD. Разгледайте червячна предавка за машинен инструмент опции, предназначени за задвижвания за подаване на CNC стругове и фрези.
Случай 3 — Виетнамска радиална пробивна машина: пинола с механично подаване, рентабилна, приемлива фрезована обработка
Виетнамски производител на машинни инструменти е посочил червячна зъбна двойка за захранващото устройство на радиално задвижване на пробивна машина. Приложението на пробивната машина е било по-малко взискателно от фрезоването: пробиването създава аксиална сила на натиск (натискаща свредлото в детайла), а не странична сила на подаване - така че рискът от обратно задвижване е бил нисък (силата на натиск действа по оста на пинолата, която механично се поддържа от втулката на пинолата, независимо от червячната зъбна двойка). Самозаключването все още е било посочено за задържане на позицията на пинолата (предотвратяване на гравитационното спускане на свределната глава, когато подаващият двигател спре). Червячна зъбна двойка: едноходова, модул 2, разстояние между центровете 35 мм, съотношение 20:1. Червяк с фрезован профил, Ra 1,2 µm, грешка на извеждане приблизително 15 µm - приемливо за пробиване, където вълнообразността на повърхността не е от значение (качеството на отвора се определя от геометрията на свредлото, а не от вариацията на подаването). Материал: закален червяк от въглеродна стомана, лято пясъчно колело от фосфорен бронз. Цена за чифт: 18 щатски долара. Случаят показва, че не всички приложения за подаване на машинни инструменти изискват шлифовани червяци — пробиването, разстъргването и нарязването на резба са процеси, толерантни към скоростта на подаване, при които червяците с фрезоване на 3 до 5 пъти по-ниска цена осигуряват еквивалентни функционални резултати.
Често задавани въпроси
В: Защо еднопосочното фрезоване без самозаключване е по-опасно от конвенционалното фрезоване?
При фрезоване с изкачване (надолу), зъбите на режещия инструмент се захващат първо с максималната дебелина на стружката и излизат при нулева дебелина. Първоначалното захващане създава силен компонент на сила, който издърпва детайла в посока на подаване - към режещия инструмент. Ако задвижването на подаването позволява обратно задвижване, тази сила на издърпване ускорява масата, което увеличава дълбочината на захващане, а оттам и силата на издърпване - положителна обратна връзка, която завършва с силен сблъсък в рамките на милисекунди. При конвенционалното фрезоване (нагоре), зъбите се захващат при нулева дебелина и излизат при максимална дебелина - силата избутва детайла далеч от режещия инструмент, което е самокоригиращо се, а не самоусилващо се. Самозаключващите се червячни зъбни колела правят фрезоването с изкачване безопасно на ръчни фрези - без тях фрезоването с изкачване е забранено на машини с незаключващи се задвижвания на подаването.
В: Могат ли CNC машините да използват сачмени винтове вместо червячни зъбни колела за подаване?
Съвременните CNC машини използват универсално сачмени винтови съединения за оси за подаване, тъй като те осигуряват по-висока ефективност (90+ процента спрямо 40 до 50 процента за червячни зъбни колела), по-ниско триене и нулев луфт с предварително напрегнати гайки. Сачмените винтови съединения не са самозаключващи се — CNC серво моторът и контролерът осигуряват функцията за задържане на позицията електронно. Червячната зъбна двойка в CNC приложенията за подаване обикновено се използва като степен за намаляване на скоростта между серво мотора и сачмената винтова система, когато диапазонът на скоростта на двигателя надвиши критичната скорост на сачмената винтова система — не като основен механизъм за подаване. Ръчните машини (коленни фрези, стругове с двигател) запазват задвижванията за подаване с червячни зъбни колела, защото им липсват серво мотори и контролери, които биха осигурили електронно задържане на позицията — самозаключващата се червячна зъбна двойка е предпазният механизъм, който замества електронното серво управление.
В: Как да проверя точността на водене на червяк с подавателно задвижване?
Точността на стъпката се измерва със специален инструмент за измерване на резба (като например Mahr или Klingelnberg lead checker), който проследява спираловидния път на резбата на червяка и го сравнява с теоретичната спирала. Резултатът е диаграма на отклонението на стъпката, показваща кумулативната грешка в µm на оборот. Максималната кумулативна грешка за един оборот е спецификационният параметър за червяци с подаващо задвижване. Това измерване не може да се извърши със стандартни метрологични инструменти (микрометри, CMM не проследяват спираловидния път). Ако вашият доставчик на червяци няма инструмент за проверка на стъпката, поискайте червяците да бъдат изпратени в метрологична лаборатория на трета страна за проверка на стъпката - цената на теста (от 5 до 15 USD на червяк) е незначителна спрямо производствената стойност на машинните инструменти, които зависят от точността на подаване.
В: Какъв е типичният експлоатационен живот на червячна зъбна предавка за подаване на машинен инструмент?
Червячните зъбни колела за ръчно подаване на машинни инструменти работят периодично — обикновено от 500 до 1500 часа годишно при действително подаване (машината изпълнява цикли на рязане, а не непрекъснато подаване). При този режим на работа бронзовото колело издържа от 8 до 15 години. Закаленият стоманен червяк е с живот на машината (от 20 до 30 години). Ограничаващият живота фактор обикновено е нарастването на хлабината, която влошава качеството на повърхностната обработка — планирайте подмяна на колелото, когато хлабината надвиши от 3 до 5 дъгови минути (измерима като луфт в посоката на подаване на масата). Червячните зъбни колела за подаване на CNC машини в производствени среди работят от 2000 до 4000 часа годишно и може да се нуждаят от подмяна на колелото на всеки 5 до 8 години.
В: Използва ли се някога двуходов червяк в задвижванията за подаване на машинни инструменти?
Не — и това е абсолютно правило за приложенията за подаване на машинни инструменти. Двуходовият червяк губи самозаключването си, което означава, че силата на рязане може да върне подаването назад. Това не е компромис с производителността — това е риск за безопасността. Предимството на ефективността на двуходовия режим (по-висока ефективност на двигателя на подаването, по-ниско генериране на топлина) не компенсира загубата на функцията за безопасност. Всяка двойка червячни зъбни колела за подаване на машинни инструменти трябва да бъде едноходова, еднообхватна, с ъгъл на водещ под ъгъла на триене. Няма изключения в нито един стандарт за безопасност на машинните инструменти по целия свят.
Задвижванията за подаване на фрезови машини и стругове използват червячни зъбни колела като едновременни редуктори на скоростта и предпазни устройства — свойството за самозаключване предотвратява силите на рязане да задвижват механизма за подаване обратно и да причиняват сривове при издърпване на инструмента, които повреждат машините и застрашават операторите. Анализът на обратната връзка за силата на рязане проследява как тангенциалната сила на рязане се превръща в въртящ момент на обратното задвижване при червячната зъбна колела, демонстрирайки, че границата на самозаключване е проектирана да бъде по-скоро огромна, отколкото пределна. Точността на скоростта на подаване зависи от грешката на извеждане на червяка — параметър на спецификацията, независим от повърхностната обработка Ra, който трябва да бъде проверен чрез специално измерване на извеждането. Шлифованите червяци с грешка на извеждане под 5 µm осигуряват повърхностна обработка, подходяща за прецизна обработка; червяците с фрезоване с размер 15+ µm са подходящи само за пробиване и груба обработка, където вариацията на подаването не влияе върху качеството на детайлите.
За производителите на машинни инструменти, нашето инженерно бюро предоставя червячни зъбни колела с подавателни задвижвания и проверени сертификати за точност на хода. Стандартен каталог прецизни червячни зъбни колела Включва конфигурации с фрезовани и шлифовани задвижвания за подаване от централно разстояние от 30 до 80 мм с документация за грешки в извеждането. Изпратете спецификация на подаване на машинен инструмент с тип оста, стъпка на водещия винт, максимална сила на рязане и изисквания за обработка на повърхността.
Специфициране на червячни зъбни колела за задвижвания за подаване на машинни инструменти?
Изпратете типа на машината, оста, стъпката на водещия винт, максималната сила на рязане, желаната повърхностна обработка и дали приложението е ръчно (самозаключващото се е от решаващо значение) или CNC (сервоуправляемо). Ще изчислим въртящия момент при обратно задвижване и ще препоръчаме правилната спецификация на червяка с проверка на точността на водещия винт.
Редактор: Cxm
