Korea Ever-Power · Rakendustehnika juhend
Uss ja ussiratas CNC pöördlaua indekseerimiseks
5-teljeline CNC-töötluskeskus lõikab turbiinilaba spindli kiirusel 12 000 p/min. Neljanda telje pöördlaud positsioneerib tera tooriku 10 kaaresekundi täpsusega – 0,003 kraadi – ja hoiab seda 800 N lõikejõu vastu, samal ajal kui jahutusvedelik voolab töötsooni 20 liitrit minutis. Pöördlaua sees olev ussülekandepaar toimib samaaegselt täppisnurkpositsioneerina, tooriku kinnitusklambrina ja jahutusvedelikukindla mehaanilise komponendina. See on kõige täpsust nõudvam ussülekande rakendus igas tööstusharus.
CNC-pöördlauad (4. ja 5. telg) kasutavad täpse nurkpositsioneerimise, pideva kontuurimise ja samaaegse mitmeteljelise töötlemise ajal iselukustuva tooriku fikseerimise jaoks ussülekandepaare. Tagasilöögi ja positsioonivea tabel kvantifitseerib, kuidas ussülekandepaari lõtk teisendub töötlemisveaks tooriku lõikepunktis: e = R × B / 3438, kus R on tooriku raadius millimeetrites ja B on lõtk kaareminutites. 200 mm raadiusega tooriku puhul tekitab 1 kaareminut lõtku 58 µm positsioonivea – see ületab tüüpilise CNC tolerantsi pluss-miinus 25 µm. Seetõttu kasutavad CNC-pöördlaua ussülekandepaarid üldiselt eellaaditud tagasilöögivastaseid mehhanisme (vedruga koormatud poolitusratas või vaheplaadiga reguleeritav dupleks), et vähendada efektiivset lõtku alla 10 kaaresekundi. Suhe 360:1 on CNC standard – üks kraad ussi pöörde kohta –, mis võimaldab otsest nurgalugemist servoenkooderist ilma täiendava elektroonilise käigukastita. Tootmiskvaliteediga CNC-pöördlaudade jaoks on ette nähtud DIN 3974 täpsusklass 3 kuni 5.
Miks CNC-pöördlauad kasutavad ussiülekandeid
CNC-pöördlaud täidab samaaegselt kolme funktsiooni: see positsioneerib tooriku täpse nurga alla, hoiab toorikut lõikamise ajal jäigalt paigal ja pöörleb pidevalt kontuurtöötlustoimingute ajal (hammaste lõikamine, nukkvõlli freesimine, terade töötlemine). Ussülekandepaar pakub kõiki kolme funktsiooni ühes mehaanilises etapis – ükski teine ülekandetüüp ei suuda sellele kombinatsioonile vastu astuda.
Suhe 360:1 teisendab ühe ussi täispöörde täpselt üheks laua pöördekraadiks. 10 000 loenduriga servomootor annab 10 000 × 360 = 3 600 000 loendust laua pöörde kohta – nurklahutus 0,36 kaaresekundit loenduse kohta. DIN-klassi 3 ussiülekandepaaridega on saavutatav mehaaniline täpsus pluss-miinus 10 kaaresekundit.
Freesimise ajal püüab lõikejõud töödeldavat detaili indekseeritud asendist eemale pöörata. Iselukustuv süsteem peab sellele jõule vastu ilma eraldi hüdraulilise klambrita – lõikejõud töödeldava detaili raadiuses tekitab tagasiliikumise pöördemomendi, mille ussiülekandepaar oma pöördumatuse tõttu neelab.
Neljanda telje samaaegsel töötlemisel pöörleb laud pidevalt, samal ajal kui spindl liigub X/Y/Z-telje suunas – kõik teljed on CNC-kontrolleri poolt sünkroniseeritud. Ussülekandepaar peab tagama sujuva ja lõtkuvaba pöörlemise muutuva kiirusega vahemikus 0,1 kuni 30 p/min ilma ülekandeveata, mis võiks põhjustada tooriku pinnaviimistlusdefekte.
Lõtku ja positsioonivea tabel – lõikepunktis kaareminutitest mikroniteni
Ussülekandepaari lõtku ja töötlemisvea vaheline seos on puhtalt geomeetriline: laua keskpunkti nurklõtk tekitab töödeldava detaili raadiuses lineaarse positsioonivea, mis suureneb proportsionaalselt pöörlemiskeskmest kaugusega. Valem on e = R × B / 3,438, kus e on positsiooniviga millimeetrites, R on töödeldava detaili raadius (kaugus laua keskpunktist lõikepunktini) millimeetrites ja B on lõtk kaareminutites.
Tabel põhjendab eellaaditud lõtkuvastaste ussülekandepaaride kasutamist ühes reas: R = 200 mm ja standardse 1 kaareminutilise lõtku korral on positsiooniviga 58 µm – rohkem kui kaks korda suurem kui tüüpiline pluss-miinus 25 µm CNC töötlemise tolerants. Isegi 0,5 kaareminuti (30 kaaresekundit) annab 200 mm raadiuses 29 µm – see on ikkagi üle piiri. Ainult eellaaditud konfiguratsioon 10 kaaresekundi (0,15 kaareminuti) juures jääb mugavalt tolerantsi 9 µm piiresse. Üldised tööstuslikud ussülekandepaarid 5 kaareminutilise lõtkuga on CNC indekseerimiseks täiesti kasutuskõlbmatud – viga mis tahes praktilise tooriku raadiuse korral ületab tolerantsi suurusjärgu võrra.
Lõtkuvastased eelpingestamise meetodid – kuidas CNC-pöördlauad saavutavad alla 10 kaaresekundilise lõtku
Standardsed ussiülekandepaarid ei suuda ainuüksi tootmistolerantsi tõttu saavutada CNC indekseerimiseks vajalikku alla 10 kaaresekundilist lõtku – tavapärase ühes tükis ratta puhul on väikseim saavutatav lõtk DIN-klassi 3 kohaselt umbes 15–30 kaaresekundit. 5–10 kaaresekundi saavutamiseks tuleb ussiülekandepaari mehaaniliselt eelpingutada, nii et hambaküljed säilitaksid mõlemal küljel samaaegselt kontakti, välistades lõtku tekitava vaba lõtku.
Ratas on jagatud kaheks pooleks, millest kumbki puudutab ussi vastaskülgedelt. Poolte vaheline vedru surub need lahku, säilitades kontakti samaaegselt mõlemal küljel. Efektiivne lõtk: 3 kuni 8 kaaresekundit. Eelis: isereguleeruv – vedru kompenseerib soojuspaisumist ja väiksemat kulumist. Puudus: piiratud pöördemomendi taluvus (vedru tuleb ületada enne, kui hambad edastavad täiskoormuse). Sobib kõige paremini: kergetele indekseerimislaudadele (4. telg vertikaalsetel töötluskeskustel, jagamispead).
Samale võllile freesitakse kaks ussi keermeosa kerge aksiaalse nihkega. Usslaagri korpuste vahelised vaheplaadid määravad eelkoormuse, kontrollides ussi aksiaalset asendit ratta suhtes. Efektiivne lõtk: 5 kuni 15 kaaresekundit. Eelis: täielik pöördemomendi taluvus (eelkoormus on mehaaniline, mitte vedruga piiratud). Puudus: vajab ratta kulumisel vahetamist (iga 2 kuni 4 aasta järel). Sobib kõige paremini: raskeveokite 5-teljelistele laudadele, hammasrataste freespinkidele ja horisontaalsete puurpinkide pöördlaudadele.
Korea CNC-tööpinkide tootja ostis horisontaalsetele töötluskeskustele paigaldatud 15 kallutatava pöördlaua (4./5. telje kombinatsioon) jaoks asendusussiülekandepaare. Algsed paarid olid eelpingestatud poolitatud ratastega, millel oli 6 kaaresekundiline efektiivne lõtk ja mis vastasid DIN-klassi 4 nõuetele. Teise tarnija asenduspaarid olid spetsifikatsioonis „DIN-klass 4, lõtkuvastane“ – kuid need olid pigem vaheplaatidega reguleeritava dupleks-tüüpi kui vedruga poolitatud. Pärast paigaldamist oli lõtk 12 kaaresekundit – see on DIN-klassi 4 tolerantsi piires, kuid kaks korda suurem kui algne 6 kaaresekundit. Tüüpilise tooriku raadiuse 150 mm juures suurenes positsiooniviga 4 µm-lt 9 µm-ni – see on endiselt üldise töötlemise jaoks mõeldud pluss-miinus 25 µm CNC tolerantsi piires, kuid ebapiisav konkreetse lennunduskliendi jaoks, kes vajab turbiinilaba juurte soontes pluss-miinus 10 µm laiust. Tööpingiehitaja pidi kõik 15 lauda uuesti kiile panema, et saavutada 8 kaaresekundit – 2 tundi oskustööjõudu laua kohta hinnaga 85 USD tunnis, kokku 2550 USD planeerimata tööjõudu. Õppetund: „lõtkuvastane kaitse” ei ole üksik spetsifikatsioon – eellaadimise meetod (lõhisketas vs dupleks-uss), efektiivne lõtkuväärtus (kaaresekundites, mitte ainult „lõtkuvastane kaitse”) ja DIN-i täpsusklass tuleb kõik selgesõnaliselt määratleda. Kaks DIN-klassi 4 lõtkuvastaste paari erinevatelt tarnijatelt võivad anda erinevaid lõtkuväärtusi, kuna „klass 4” määratleb hamba geomeetria tolerantsi, mitte eellaadimise efektiivsust.
Kolme CNC pöördlaua ussiülekande paari spetsifikatsioonijuhtumid
Juhtum 1 — Korea 4. teljega pöördlaud: Ø250 mm, poolitatud ratas, autoosad
Korea CNC-tööpinkide tootja määras kindlaks 250 mm läbimõõduga 4. teljega pöördlaua jaoks ussülekandepaarid, mis on mõeldud autodetailide töötlemiseks (alumiinium ja teras, töödeldava detaili raadius kuni 125 mm). Nõutav positsioonitäpsus: pluss-miinus 15 kaaresekundit. Korduvus: pluss-miinus 5 kaaresekundit. Ussülekandepaar: ühekäiguline, moodul 1,5, ratta läbimõõt 180 mm, suhe 360:1, DIN täpsusklass 4. Eelkoormus: vedruga poolitatud ratas. Efektiivne lõtk: 6 kaaresekundit. Positsioneerimisviga R = 125 mm juures: 125 × 0,1 / 3438 = 3,6 µm – töötlemata tolerants pluss-miinus 25 µm. Uss: karastatud ja lihvitud 20CrMnTi teras, Ra 0,2 µm, HRC 58 kuni 62. Ratas: tsentrifugaalvalatud fosforpronks CuSn12Ni. Määrimine: ISO VG 68 spindliõli (kasutatakse koos laualaagritega), mida tsirkuleerib masina tsentraalne määrimissüsteem. Mootor: 1,5 kW vahelduvvoolu servomootor 131 072-kohalise absoluutse enkoodriga. Ussülekandepaari komplekti maksumus: 680 USD. Aastane toodang: 400 lauda (16 000 ussülekandepaari komplekti aastas kogu tooteperekonna peale).
Juhtum 2 — Jaapani 5-teljeline kallutuslaud: Ø400 mm, dupleks-ussliides, lennundustolerants
Jaapani 5-teljelise töötluskeskuse tootja määras kindlaks ussülekandepaarid nii A-telje (kallutamine) kui ka C-telje (pöörlemine) jaoks 400 mm kallutatavale pöördlauale, mis on mõeldud kosmosetööstuse titaani ja Inconeli komponentide töötlemiseks. Positsioneerimistäpsus: pluss-miinus 8 kaaresekundit. Kosmosetööstuse rakendus nõudis kuni 2500 N lõikejõudu tooriku raadiuses 180 mm, mis tekitas laual tagasikäigu pöördemomendi 450 N·m. Vedruga jagatud rattaga disain ei suutnud selle pöördemomendiga toime tulla (vedru eelkoormus piiratud umbes 150 N·m-ni). Spetsifikatsioon: kiilrõngaga reguleeritav dupleksuss. Moodul 2, ratta läbimõõt 280 mm, suhe 360:1, DIN klass 3. Efektiivne lõtk pärast kiilrõngaga töötlemist: 5 kaaresekundit. Positsioneerimisviga R = 180 mm juures: 180 × 0,083 / 3438 = 4,4 µm – kosmosetööstuse tolerantsi pluss-miinus 10 µm piires 56-protsendilise marginaaliga. Uss: karastatud 18CrNiMo7-6, lihvitud Ra 0,15 µm, HRC 60 kuni 63. Ratas: tsentrifugaalvalu tinapronks nikli lisandiga (pikem väsimuskindlus rasketeks lennunduslõikusteks). Jahutusvedeliku kaitse: labürinttihend ja õhupuhastus ussivõlli sissepääsu juures jahutusvedeliku sissepääsu vältimiseks. Hind ussiülekandepaari komplekti kohta (A- või C-telg): 2400 USD. Sirvi täppis-ussikäigu reduktor CNC pöördlaua ja tööpinkide rakenduste valikud.
Juhtum 3 — Vietnami käsitsi jagamispea: 40:1, eellaadimata, haridus- ja töökodadele
Vietnami tööpinkide turustaja määras kutseõppeasutustele ja väikestele töökodadele müüdavate käsitsi jagamispeade jaoks ussiülekandepaarid. Jagamispea kinnitatakse freespingi lauale ja see jaotab toorikut fikseeritud nurga all hammaste, kuusnurksete tasapindade ja võrdselt paigutatud aukude jaoks. Suhe: 40:1 (9 kraadi ussipöörde kohta – standardne jagamissuhe, mis annab tavalised jaotused: 40 pööret täispöörde jaoks, 20 pööret 180 kraadi jaoks, 10 pööret 90 kraadi jaoks). Eelnevalt koormamata (standardne ühes tükis ratas 2–3 kaareminuti lõtkuga). Positsioneerimisviga R = 50 mm juures: 50 × 2,5 / 3438 = 36 µm. See oli vastuvõetav töökoja käsitsi töötlemise tüüpilise pluss-miinus 0,1 mm (100 µm) tolerantsi jaoks – operaatori käsiratta lähenemissuund (alati samast suunast lähenemine) kõrvaldab tõhusalt positsioneerimise lõtku. Uss: süsinikteras, freesitud Ra 0,8 µm, karastatud HRC 55. Ratas: liivavalatud fosforpronks. Paari hind: 32 USD. Juhtum näitab, et mitte kõik tööpinkide indekseerimismehhanismid ei vaja lõtkuvastast kaitset – käsitsi juhtimine koos järjepideva lähenemissuunaga välistab lõtkuefekti, mis ilmneb ainult CNC kahesuunalisel positsioneerimisel.
Korduma kippuvad küsimused
K: Miks on CNC-pöördlaudade standardne suhe 360:1?
360:1 juures pöörab ussi üks täispööre lauda täpselt ühe kraadi võrra – see muudab servoenkoodri nurganäidu lihtsaks: enkoodri loendurid kraadi kohta võrduvad enkoodri eraldusvõimega pöörde kohta. CNC-kontrolleri elektroonilise ülekandearvuks on 1:1, mis välistab ümardusvead positsioonisilmuses. Mõned spetsialiseeritud rakendused kasutavad 90:1 (kiire pideva kontuurimise jaoks) või 720:1 (ülipeene nurkresolutsioon), kuid 360:1 on üldotstarbeliste indekseerimislaudade standard, kuna see pakub parimat tasakaalu nurkresolutsiooni, väljundkiiruse ja mehaanilise efektiivsuse vahel.
K: Kuidas mõjutab töötlemiskuumus ussiülekandepaari täpsust?
Töötlemine tekitab soojust, mis voolab toorikust ja spindlist laua korpusesse, tõstes laua temperatuuri pikemate lõiketsüklite ajal 5–20 kraadi Celsiuse järgi. See termiline paisumine suurendab ketta läbimõõtu ja nihutab keskpunktide kaugust – suurendades lõtku umbes 2–5 kaaresekundit iga 10 kraadi Celsiuse järgi tõusu kohta. Eelkoormatud paaride puhul võib termiline paisumine eelkoormust pingutada (vähendades efektiivsust ja suurendades mootori koormust) või lõdvendada (suurendades lõtku), olenevalt sellest, kas ratas või korpus paisub rohkem. Vedruga koormatud poolitatud kettad kompenseerivad termilist kasvu ise; vaheplaatidega reguleeritavad duplekspaarid mitte – need vajavad termilist stabiliseerimist (soojendustsükkel enne täppistöötlust) või aktiivset termilist kompenseerimist CNC-kontrolleris. Lennunduses töötlemisel, mille nõuded on pluss või miinus 8 kaaresekundit, on enne esimese tooriku lõikamist standardpraktika 30-minutiline soojendustsükkel.
K: Kuidas takistatakse lõikejahutusvedeliku sattumist ussiülekande korpusesse?
CNC-töötluses kasutatakse kõrgsurve jahutusvedelikku (10–70 baari), mis ujutab töötsooni üle ja pritsib pöördlauale. Ussülekandeid kaitsevad kolm tihendusstrateegiat: labürinttihend laua korpuse ja korpuse vahelisel liidesel (kontaktivaba, kulumiskindel); positiivne õhupuhastus (0,1–0,3 baari suruõhk, mis puhub pidevalt läbi labürindi välja, takistades jahutusvedeliku sissetungi); ja äravoolukanalid, mis suunavad labürindist läbiva jahutusvedeliku käigukastist eemale enne, kui see jõuab õlitihendini. Tipptasemel CNC-lauad kasutavad kõiki kolme. Kui jahutusvedelik satub õlisüsteemi, emulgeerib see spindliõli ja põhjustab ussi ja ratta kokkupuutepindade kiirenenud kulumist – seda saab mõõta lõtku suurenemisena 5–10 kaaresekundit 6 kuu jooksul. Regulaarne õlianalüüs (veesisaldus alla 0,05 protsendi) jälgib tihendi tõhusust.
K: Milline on CNC pöördlaua ussiülekandepaari tüüpiline kasutusiga?
Tootmiskeskkondades kasutatavad CNC-pöördlauad töötavad tavaliselt 2000–4000 tundi aastas vahelduva indekseerimisrežiimiga. Pronksist ketta eluiga on üldise töötlemise (teras ja alumiinium) puhul 5–10 aastat ja raskete tööde puhul lennunduses (titaan, Inconel – suuremad lõikejõud tekitavad ussiülekande hammastele suurema kontaktpinge) 3–6 aastat. Terasest uss kestab 10–20 aastat. Eluiga piiravaks teguriks on lõtku kasv üle vastuvõetava töötlemistolerantsi – seda jälgitakse iga-aastase täpsuse kontrollimisega laserinterferomeetri või täppispolügooni abil. Planeerige ketta vahetamine, kui lõtk ületab kaks korda esialgse eellaaditud väärtuse (nt vahetage välja, kui algne 6 kaaresekundiline väärtus kasvab 12 kaaresekundini).
K: Kas CNC-pöördlaudades saab otseülekandega pöördemomendimootoriga asendada ussiülekandepaari?
Otseülekandega pöördemomendimootoreid (DDT) kasutatakse kiiretel 5-teljelistel laudadel, kus on vaja pidevat kontuurkiirust üle 50 p/min. DDT välistab tagasilöögiprobleemi täielikult, kuna hammasülekannet ei ole. DDT-l puudub aga iselukustuv – laua hoidmiseks lõikamise ajal on vaja eraldi hüdraulilist klambrit, mis lisab kulusid ja keerukust. DDT-l on ka madalam pöördemomendi tihedus kui ussülekandepaaril madalal kiirusel – 400 mm DDT-laud maksab 3–5 korda rohkem kui samaväärne ussülekandelaud. Enamiku CNC-töötlemiste puhul (indekseerimine pluss mõõduka kiirusega kontuurtöötlus alla 30 p/min) on ussülekandepaar kulutõhusam kui DDT. DDT-d eelistatakse ainult keerukate vabakujuliste pindade kiireks pidevaks 5-teljeliseks töötlemiseks, kus kontuurkiirus ületab ussülekandepaari praktilist piiri.
CNC pöördlaua ussülekandepaarid töötavad selle 30-artiklise sarja rakendustest kõrgeimal täpsustasemel – alla 10 kaaresekundilise lõtku, DIN-i täpsusklass 3–5 ja tooriku lõikepunktis ühekohalistes mikronites mõõdetud positsioonivead. Lõtku ja positsioonivea tabel (e = R × B / 3438) kvantifitseerib, miks standardsed tööstuslikud ussülekandepaarid ei saa CNC indekseerimist kasutada: tüüpilise tooriku raadiuse korral ületab isegi 1 kaareminutiline lõtk CNC töötlemise tolerantse 2–3 korda. Eellaaditud lõtkuvastased mehhanismid (vedruga laaditav poolitusratas kergete tööde jaoks, vaheplaadiga reguleeritav dupleks raskete tööde jaoks) on tootmis-CNC-laudade jaoks kohustuslikud. Suhe 360:1 on standard, kuna see annab servoenkoodrilt täisarvulise kraadi nurkresolutsiooni. Pöördlaua ussülekandepaare määravate tööpinkide ehitajate jaoks on peamised parameetrid lõtk (kaaresekundites, mitte kaareminutites), DIN-i täpsusklass, eellaadimise meetod ja jahutusvedeliku tihendusstrateegia.
CNC-tööpinkide tootjatele ja pöördlaudade ümberehitajatele pakub meie inseneribüroo täppis-ussiülekandepaare DIN-klassi 3 kuni 6 eelpingestatud lõtkuvastaste konfiguratsioonidega. Standardkataloog täppis-ussiülekandekomplektid hõlmavad 360:1 ja 40:1 suhteid ketta läbimõõdule 80 kuni 280 mm, jagatud ketta ja dupleksvalikutega. Esitage CNC-laua ajami spetsifikatsioon koos laua läbimõõdu, positsioonitäpsuse (kaaresekundid), töödeldava detaili maksimaalse raadiuse, lõikejõu ja jahutusvedeliku tüübiga.
CNC-pöördlaudade ussiülekandepaaride määramine?
Saatke laua läbimõõt, nõutav täpsus (kaaresekundites), maksimaalne töödeldava detaili raadius ja lõikejõud, jahutusvedeliku tüüp ning see, kas vajate poolitatud või kahepoolset eellaadimist. Arvutame teie töödeldava detaili raadiuses positsioonivea ja soovitame DIN-klassi ja eellaadimise spetsifikatsiooni.
Toimetaja: Cxm
