Korea Ever-Power · Průvodce aplikačním inženýrstvím
Šnek a šnekové kolo pro pohony posuvu frézek a soustruhů
Fréza zabírá s ocelovým obrobkem tangenciální řeznou silou 2 000 N. Složka této síly působící ve směru posuvu – 400 až 800 N v závislosti na geometrii frézy – tlačí dozadu skrz vodicí šroub, skrz šnekový převod a snaží se zrychlit stůl do frézy. Pokud pohon posuvu toto zrychlení dovolí, nástroj se zarývá hlouběji, síla se zvětšuje a stůl se dále zrychluje – dochází k samosvornému nárazu, který ohýbá nástroje a poškozuje stroje. Samosvorný šnekový převod je mechanickou bariérou, která této nestabilitě směru posuvu zabraňuje.
Pohony posuvu frézek a soustruhů používají šnekové převody pro dvě současné funkce: řízené snížení posuvu (převod otáček motoru na pomalý, stálý pohyb stolu nebo vozíku během řezání) a samosvornou bezpečnost (zabraňující zpětnému pohybu posuvného mechanismu řeznými silami a vtahování obrobku do nástroje). Analýza zpětné vazby řezné síly sleduje, jak se tangenciální, radiální a axiální složky řezné síly přeměňují na zpětný točivý moment na šnekovém převodu – a ukazuje, že pouze samosvorná geometrie šneku (jednorázový chod, úhel stoupání pod úhlem tření) spolehlivě absorbuje tento točivý moment za všech řezných podmínek. Přesnost posuvu závisí na chybě stoupání šneku: chyba stoupání 10 µm na otáčku šneku způsobuje periodickou změnu rychlosti posuvu, která se projevuje jako vlnitost povrchu při frekvenci otáčení šneku. Broušené šneky (Ra 0,3 až 0,4 µm, chyba stoupání pod 5 µm) zajišťují stabilitu posuvu v rozmezí plus mínus 1 procenta; Odvalovací šneky (Ra 1,6 µm, chyba stoupání 15 až 25 µm) způsobují odchylku plus mínus 3 až 5 procent, která je viditelná jako povrchová vlnitost hotového dílu.
Proč pohony posuvu frézek a soustruhů používají šnekové převody
Pohon posuvu obráběcího stroje převádí rotaci motoru na pomalý, řízený lineární pohyb pracovního stolu (frézování) nebo příčného suportu (soustruh) během obrábění kovu. Rychlost posuvu – obvykle 10 až 500 mm za minutu – určuje kvalitu obrobené plochy, tloušťku třísky a životnost nástroje. Šnekový převod je umístěn mezi posuvovým motorem a vodicím šroubem a zajišťuje jak snížení otáček, tak i klíčovou samosvornou bezpečnostní funkci.
Na rozdíl od aplikace s otočným stolem (článek A22), kde polohování a držení zajišťuje dvojice šnekových převodů, se dvojice pohonů posuvu během řezání pohybuje nepřetržitě – primárními specifikačními parametry jsou tedy konzistence rychlosti posuvu a absorpce řezné síly.
Samosvornost absorbuje složku řezné síly ve směru posuvu, která se snaží urychlit obrobek do frézy. Bez samosvornosti může konvenční nebo sousledné frézování způsobit samozesilující se zrychlení posuvu, které poškozuje nástroj, obrobek a vřeteno stroje – a může tak zranit obsluhu.
Kluzný kontakt šneku a šnekového kola zajišťuje inherentně plynulejší otáčení než u čelních ozubených kol – což se promítá do plynulejší rychlosti posuvu s menší periodickou změnou. Plynulost rychlosti posuvu přímo určuje kvalitu obrobené plochy: 2% změna posuvu způsobí 2% změnu tloušťky třísky, která se projeví jako vlnitost na obrobeném povrchu.
Šnekový převod s převodem 40:1 převádí otáčky motoru s 1 450 ot./min. na 36 ot./min. u vodicího šroubu – čímž dosahuje rychlosti posuvu 180 mm/min prostřednictvím vodicího šroubu s roztečí 5 mm. Tento jednostupňový převod se vejde do sloupku nebo zástěny stroje, aniž by zvětšoval jeho rozměry. Čelní ozubená kola potřebují pro stejný převod 3 až 4 stupně.
Analýza zpětné vazby řezné síly – jak se řezné síly snaží posunout posuv zpět
Během řezání kovu působí na obrobek v bodě řezu tři ortogonální složky síly. Složka, která je v ose posuvu, je pro šnekový převod kritická, protože se snaží pohánět posuvný mechanismus zpět prostřednictvím vodicího šroubu.
Níže uvedená tabulka sleduje řetězec sil od řezných parametrů až po zpětný točivý moment pro tři běžné scénáře obrábění – ukazuje, proč je samosvorné zařízení nezbytné a proč jsou konvenční (nesamosvorné) ozubené pohony nebezpečné pro frézovací posuvové aplikace.
Analýza ukazuje, že i při těžkém sousledném frézování s tangenciální silou 5 000 N vzniká na šnekovém soukolí pouze 10 N·m zpětného točivého momentu – což je v rámci samosvorné kapacity jakéhokoli standardního jednochodého páru (který odolává zpětným točivým momentům až do plného jmenovitého výstupního točivého momentu, obvykle 50 až 500 N·m pro velikosti posuvu obráběcích strojů). Šnekové soukolí absorbuje celou řeznou sílu ve směru posuvu bez jakéhokoli namáhání. Důsledky selhání zpětného pohonu jsou však závažné: obrobek zrychluje do frézy při plné rychlosti stoupání vodicího šroubu, což způsobí náraz, který může zlomit nástroj, poškodit vřeteno a zranit obsluhu. Rozpětí samosvorné kapacity není marginální – je navrženo tak, aby bylo ohromující.
Přesnost posuvu – jak chyba stoupání šneku způsobuje vlnitost povrchu
Rychlost posuvu určuje tloušťku třísky a tím i kvalitu povrchu: dokonale konstantní rychlost posuvu vytváří dokonale rovnoměrnou třísku, která vytváří hladký povrch. Proměnná rychlost posuvu vytváří proměnnou tloušťku třísky, která vytváří zvlněný povrch s periodou odpovídající frekvenci změn.
Chyba v šneku způsobuje periodické kolísání podávání. Pokud má šnek kumulativní chybu stoupání 15 µm na jednu otáčku, rychlost posuvu se mění o 15 µm na otáčku. Při poměru 40:1 s vodicím šroubem s roztečí 5 mm posune jedna otáčka šneku stůl o 0,125 mm. Chyba 15 µm na vzdálenost 0,125 mm představuje okamžitou změnu posuvu o 12 procent – což vede k 12% změně tloušťky třísky, která je na obráběném povrchu viditelná jako periodické zvlnění s vlnovou délkou 0,125 mm. Pro jemné obrábění, kde drsnost povrchu Ra musí být menší než 1,6 µm, je toto zvlnění nepřijatelné.
Broušené šneky s chybou stoupání pod 5 µm na otáčku snižují kolísání posuvu pod 4 procenta – v rámci přijatelného rozsahu pro všeobecné obrábění (drsnost povrchu Ra 1,6 až 3,2 µm). Pro přesné dokončování (Ra pod 0,8 µm) se specifikují lapované šneky s chybou stoupání pod 2 µm. Chyba stoupání se liší od kvality povrchu: šnek může mít hladkou kvalitu povrchu Ra 0,4 µm, ale nízkou přesnost stoupání (chyba 10+ µm) v důsledku geometrických chyb odvalovací frézky. Chyba stoupání musí být ověřena přímým měřením na specializovaném přístroji pro měření stoupání – není odvozena z hodnoty drsnosti povrchu.
Korejský výrobce kolenových fréz obdržel stížnosti z praxe na periodické zvlnění povrchu na ose Y (příčný posuv) během čelního frézování. Vlnění se projevovalo jako pravidelný vzor s vlnovou délkou přibližně 0,13 mm – což odpovídá posuvu stolu na otáčku šneku (nominální hodnota 0,125 mm při použité rychlosti posuvu). Kontrola šneku odhalila kumulativní chybu stoupání 18 µm na jednu otáčku – v rámci standardní tolerance dodavatele, ale s 14% odchylkou posuvu. Osa X (podélný posuv) nevykazovala žádné zvlnění – její šnek měl chybu stoupání 4 µm (z jiné výrobní šarže s přísnější kontrolou procesu). Oba šneky měly stejné číslo dílu od stejného dodavatele – chyba stoupání nebyla ve výrobní specifikaci kontrolována, pouze rozměry závitu a povrchová úprava. Řešení: výrobce frézy přidal do objednávky specifikaci chyby stoupání – maximálně 6 µm kumulativně na otáčku, ověřeno inspekčním certifikátem. Dodavatel provedl 100% testování stoupání na optickém přístroji pro kontrolu stoupání za příplatek 1,80 USD za šnek. Stížnosti na vlnitost povrchu se během následujících 12 měsíců výroby snížily na nulu. Ponaučení: povrchová úprava Ra a přesnost stoupání jsou nezávislé parametry – samotné určení Ra nezaručuje přesnost posuvu. Do specifikace nákupu jakéhokoli šnekového pohonu posuvu přidejte maximální chybu stoupání na otáčku.
Tři skříně šnekových převodů pohonu posuvu obráběcího stroje
Případ 1 – Korejský výrobce kolenových frézek: 3osý strojový posuv, samosvorné mechanismus je kritický pro bezpečnost
Korejský výrobce vertikálních kolenových frézek specifikoval páry šnekových převodů pro pohonné jednotky os X, Y a Z. Velikost stolu: 1 300 × 300 mm. Vodicí šroub: stoupání 5 mm, závit Acme. Motor na osu: 0,37 kW, 1 450 ot/min. Pár šnekových převodů: jednochodý, modul 2, rozteč středů 40 mm, převodový poměr 40:1. Výstupní otáčky u vodicího šroubu: 36 ot/min, maximální posuv 180 mm/min. Samosvor: povinný na všech třech osách – osa Z (vertikální koleno) nese hmotnost stolu, svěráku a obrobku (celkem až 300 kg) a porucha samosvoru by způsobila, že koleno by se vlivem gravitace shodilo. Chyba stoupání: pod 6 µm na otáčku (uzemněný šnek, Ra 0,4 µm). Materiál: cementačně kalený šnek 20CrMnTi HRC 58, kolo z fosforového bronzu CuSn12Ni. Mazání: Strojní olej ISO VG 68, sdílený s kolenním suportem. Cena za pár: 42 USD. Cena za 3osou sadu: 126 USD za frézku. Roční produkce: 1 200 frézek (3 600 párů šnekových převodů). Cena 42 USD za pár je nejdůležitějším bezpečnostním prvkem frézky – samosvorná porucha osy Z by mohla způsobit volný pád stolu o hmotnosti 300 kg do rukou obsluhy.
Případ 2 – Japonský CNC soustruh: křížový posuv, servopohon, kritická kvalita povrchu
Japonský výrobce CNC soustruhů specifikoval dvojici šnekových kol pro posuv v příčných suportech (osa X) pro soustružnické centrum, které obrábí součásti automobilových hřídelí. Posuv v příčných suportech určoval toleranci konečného průměru (plus nebo mínus 10 µm) a drsnost povrchu (Ra 0,8 µm požadovaná pro povrchy ložiskových čepů). Vodicí šroub: kuličkový šroub s roztečí 6 mm (vysoká účinnost pro CNC servořízení). Šneková kola: jednochodá, modul 1,5, osová vzdálenost 30 mm, převodový poměr 30:1, broušené Ra 0,3 µm, chyba stoupání pod 3 µm na otáčku. Třída přesnosti DIN 5. Motor: 1 kW AC servo s enkodérem s 131 072 čísly. Výstupní točivý moment na šnekovém kole: 35 N·m (dostatečné pro tření v příčných suportech a zpětnou vazbu řezné síly). Odchylka rychlosti posuvu od šneku: pod 1 procento při všech rychlostech posuvu – což vede k vlnitosti povrchu pod 0,1 µm od špičky k úpatí (neviditelná při specifikaci Ra 0,8 µm). Cena za pár: 125 USD. Procházet šnekové převodovky pro obráběcí stroje možnosti určené pro pohony posuvu CNC soustruhů a frézek.
Případ 3 – Vietnamská radiální vrtačka: pinola s mechanickým posuvem, cenově výhodná, přijatelné odvalování
Vietnamský výrobce obráběcích strojů specifikoval šnekový převod pro jednotku silového posuvu na pohonu pinoly radiální vrtačky. Aplikace vrtačky byla méně náročná než frézování: vrtání vytváří axiální axiální sílu (tlačící vrták do obrobku) spíše než boční sílu posuvu – takže riziko zpětného pohybu bylo nízké (axiální síla působí podél osy pinoly, která je mechanicky podepřena pouzdrem pinoly bez ohledu na šnekový převod). Pro udržení polohy pinoly byla stále specifikována samosvornost (zabraňující gravitačnímu sestupu vrtací hlavy při zastavení posuvného motoru). Šnekový převod: jednochodý, modul 2, osová vzdálenost 35 mm, převodový poměr 20:1. Odvalovací šnekový převod, Ra 1,2 µm, chyba stoupání přibližně 15 µm – přijatelné pro vrtání, kde není problémem vlnitost povrchu (kvalita otvoru je určena geometrií vrtáku, nikoli změnou posuvu). Materiál: kalený šnek z uhlíkové oceli, kolo z fosforového bronzu lité do písku. Cena za pár: 18 USD. Případová studie ukazuje, že ne všechny aplikace posuvu pro obráběcí stroje vyžadují broušené šneky – vrtání, vyvrtávání a řezání závitů jsou procesy tolerantní k rychlosti posuvu, kde odvalovací šneky s 3 až 5krát nižšími náklady poskytují ekvivalentní funkční výsledky.
Často kladené otázky
Otázka: Proč je sousledné frézování bez samosvorného mechanismu nebezpečnější než konvenční frézování?
Při sousledném (dolusledném) frézování se zuby frézy nejprve zachytí o maximální tloušťku třísky a vystoupí z ní při nulové tloušťce. Počáteční záběr vytváří silnou složku síly, která táhne obrobek ve směru posuvu – směrem k fréze. Pokud pohon posuvu umožňuje zpětný pohyb, tato vtahovací síla zrychlí stůl, což zvětší hloubku záběru, což zvětší vtahovací sílu – pozitivní zpětnovazební smyčka, která končí prudkým nárazem během milisekund. Při konvenčním (vzestupném) frézování se zuby zachytí o nulové tloušťce a vystoupí z ní při maximální tloušťce – síla tlačí obrobek od frézy, což je spíše samokorekční než samozesilující. Samosvorné šnekové převody zajišťují bezpečné sousledné frézování na ručních frézkách – bez nich je sousledné frézování na strojích s neblokovacími pohony posuvu zakázáno.
Otázka: Mohou CNC stroje používat pro posuv kuličkové šrouby místo šnekových převodů?
Moderní CNC stroje univerzálně používají pro osy posuvu kuličkové šrouby, protože kuličkové šrouby poskytují vyšší účinnost (více než 90 procent oproti 40 až 50 procentům u šnekových převodů), nižší tření a nulovou vůli s předpjatými maticemi. Kuličkové šrouby nejsou samosvorné – funkci udržování polohy elektronicky zajišťují CNC servomotor a regulátor. Šnekový převod se v CNC aplikacích posuvu obvykle používá jako stupeň snížení otáček mezi servomotorem a kuličkovým šroubem, když rozsah otáček motoru překročí kritické otáčky kuličkového šroubu – nikoli jako primární mechanismus posuvu. Ruční stroje (kolenní frézky, soustruhy s motorem) si zachovávají pohony posuvu šnekovým převodem, protože jim chybí servomotory a regulátory, které by zajišťovaly elektronické udržování polohy – samosvorný šnekový převod je bezpečnostní mechanismus, který nahrazuje elektronické servořízení.
Otázka: Jak ověřím přesnost stoupání šnekového pohonu posuvu?
Přesnost stoupání se měří na specializovaném přístroji pro měření závitů (například kontrolor stoupání Mahr nebo Klingelnberg), který sleduje spirálovou dráhu závitu šneku a porovnává ji s teoretickou spirálou. Výstupem je graf odchylek stoupání zobrazující kumulativní chybu v µm na otáčku. Maximální kumulativní chyba za jednu otáčku je specifikačním parametrem pro šneky s posuvným pohonem. Toto měření nelze provést standardními metrologickými nástroji (mikrometry, souřadnicové měřicí stroje nesledují spirálovou dráhu). Pokud váš dodavatel šneků nemá přístroj pro kontrolu stoupání, požádejte o zaslání šneků do metrologické laboratoře třetí strany k ověření stoupání – náklady na zkoušku (5 až 15 USD za šnek) jsou zanedbatelné ve srovnání s výrobní hodnotou obráběcích strojů, které závisí na přesnosti posuvu.
Otázka: Jaká je typická životnost dvojice šnekových ozubených kol pro posuv obráběcího stroje?
Šnekové ozubené kolo pro ruční posuv obráběcích strojů běží přerušovaně – obvykle 500 až 1 500 hodin ročně při skutečném posuvu (stroj provádí řezné cykly, nikoli kontinuální posuv). Při tomto zatížení vydrží bronzové kolo 8 až 15 let. Kalený ocelový šnek vydrží po celou dobu životnosti stroje (20 až 30 let). Omezujícím faktorem životnosti je obvykle nárůst vůle, která snižuje kvalitu povrchové úpravy – výměnu kola je třeba naplánovat, když vůle přesáhne 3 až 5 úhlových minut (měřitelná jako vůle ve směru posuvu u stolu). Šnekové ozubené kolo pro CNC posuv ve výrobním prostředí běží 2 000 až 4 000 hodin ročně a může vyžadovat výměnu kola každých 5 až 8 let.
Otázka: Používá se někdy v pohonech posuvu obráběcích strojů dvouchodý šnek?
Ne – a to je absolutní pravidlo pro aplikace posuvu obráběcích strojů. Dvouchodý šnek ztrácí samosvornost, což znamená, že řezná síla může posuv tlačit zpět. Nejde o kompromis ve výkonu – jde o bezpečnostní riziko. Výhoda účinnosti dvouchodého systému (vyšší účinnost posuvového motoru, nižší generování tepla) nekompenzuje ztrátu bezpečnostní funkce. Každý pár šnekových ozubených kol posuvu obráběcího stroje musí být jednochodý, s jedním obalem a s úhlem stoupání pod úhlem tření. V žádné normě pro bezpečnost obráběcích strojů na celém světě neexistují žádné výjimky.
Pohony posuvu frézek a soustruhů používají šnekové převody jako současné reduktory rychlosti a bezpečnostní zařízení – samosvorná vlastnost zabraňuje zpětnému pohybu posuvného mechanismu řeznými silami a způsobování havárií při zatahování nástroje, které poškozují stroje a ohrožují obsluhu. Analýza zpětné vazby řezné síly sleduje, jak se tangenciální řezná síla přeměňuje na zpětný točivý moment u šnekového převodu, což ukazuje, že rezerva samosvornosti je navržena spíše jako ohromující než marginální. Přesnost posuvu závisí na chybě stoupání šneku – specifikačním parametru nezávislém na jakosti povrchu Ra, který musí být ověřen specializovaným měřením stoupání. Broušené šneky s chybou stoupání pod 5 µm vytvářejí jakost povrchu vhodnou pro přesné obrábění; odvalované šneky s chybou stoupání 15+ µm jsou vhodné pouze pro vrtání a hrubování, kde kolísání posuvu neovlivňuje kvalitu dílu.
Pro výrobce obráběcích strojů poskytuje naše technické oddělení páry šnekových ozubených kol pro posuvné pohony s ověřenými certifikáty přesnosti stoupání. Standardní katalog přesné šnekové převodovky Zahrňte konfigurace pohonů posuvu s odvalovacími a broušenými obráběnými frézami od osové vzdálenosti 30 do 80 mm s dokumentací o chybách stoupání. Odešlete specifikace posuvu obráběcího stroje s typem osy, stoupáním vodicího šroubu, maximální řeznou silou a požadavkem na jakost povrchu.
Specifikace párů šnekových převodů pro pohony posuvu obráběcích strojů?
Zašlete typ stroje, osu, stoupání vodicího šroubu, maximální řeznou sílu, cílovou kvalitu povrchu a zda se jedná o ruční (samosvorné) nebo CNC (servořízení). Vypočítáme krouticí moment pro zpětný pohon a doporučíme správnou specifikaci šneku s ověřením přesnosti stoupání.
Střihač: Cxm
