Korea Ever-Power · Sprievodca aplikačným inžinierstvom
Závitovka a závitovkové koleso pre pohony posuvu frézok a sústruhov
Fréza zaberá do oceľového obrobku tangenciálnou reznou silou 2 000 N. Zložka tejto sily v smere posuvu – 400 až 800 N v závislosti od geometrie frézy – tlačí dozadu cez vodiacu skrutku, cez závitovkový prevodový pár a snaží sa zrýchliť stôl do frézy. Ak pohon posuvu toto zrýchlenie dovolí, nástroj sa zarýva hlbšie, sila sa zvyšuje a stôl sa ďalej zrýchľuje – dochádza k samosvornému nárazu, ktorý ohýba nástroje a poškodzuje stroje. Samosvorný závitovkový prevodový pár je mechanickou bariérou, ktorá zabraňuje tejto nestabilite smeru posuvu.
Pohony posuvu frézok a sústruhov používajú páry závitovkových ozubených kolies na dve súčasné funkcie: riadené zníženie rýchlosti posuvu (prevod otáčok motora na pomalý, stabilný pohyb stola alebo vozíka počas rezania) a samosvornú bezpečnosť (zabránenie rezným silám v spätnom pohybe podávacieho mechanizmu a vťahovaní obrobku do nástroja). Analýza spätnej väzby reznej sily sleduje, ako sa tangenciálne, radiálne a axiálne zložky reznej sily premieňajú na spätný krútiaci moment na páre závitovkových ozubených kolies – a demonštruje, že iba geometria závitovky so samosvorným ozubeným kolesom (jednorazový chod, uhol stúpania pod uhlom trenia) spoľahlivo absorbuje tento krútiaci moment za všetkých podmienok rezania. Presnosť rýchlosti posuvu závisí od chyby stúpania závitovky: chyba stúpania 10 µm na otáčku závitovky spôsobuje periodickú zmenu rýchlosti posuvu, ktorá sa prejavuje ako zvlnenie povrchu pri frekvencii otáčania závitovky. Brúsené závitovky (Ra 0,3 až 0,4 µm, chyba stúpania pod 5 µm) zabezpečujú stabilitu posuvu v rozmedzí plus alebo mínus 1 percenta; Odvalované závitovky (Ra 1,6 µm, chyba stúpania 15 až 25 µm) spôsobujú odchýlku plus alebo mínus 3 až 5 percent, ktorá je viditeľná ako vlnitosť povrchu hotového dielu.
Prečo pohony posuvu frézky a sústruhu používajú páry závitovkových prevodov
Pohon posuvu obrábacieho stroja premieňa rotáciu motora na pomalý, riadený lineárny pohyb pracovného stola (frézovanie) alebo priečneho posuvu (sústruh) počas obrábania kovu. Rýchlosť posuvu – zvyčajne 10 až 500 mm za minútu – určuje kvalitu povrchovej úpravy, hrúbku triesky a životnosť nástroja. Závitovkový prevodový pár je umiestnený medzi posuvným motorom a vodiacou skrutkou a zabezpečuje zníženie rýchlosti aj kritickú bezpečnostnú funkciu samosvoru.
Na rozdiel od aplikácie s otočným stolom (článok A22), kde polohovanie a držanie zabezpečuje dvojica závitovkových prevodov, dvojica pohonov posuvu sa počas rezania pohybuje nepretržite, čím sa primárnymi parametrami špecifikácie stáva konzistentnosť rýchlosti posuvu a absorpcia reznej sily.
Samosvorné frézovanie absorbuje zložku reznej sily v smere posuvu, ktorá sa snaží zrýchliť obrobok do frézy. Bez samosvorného frézovania môže konvenčné alebo súsledné frézovanie spôsobiť samozrýchľujúce sa zrýchlenie posuvu, ktoré poškodzuje nástroj, obrobok a vreteno stroja – a môže tak spôsobiť zranenie obsluhy.
Klzný kontakt závitovky a závitovkového kolesa vytvára inherentne plynulejšiu rotáciu ako pri čelných ozubených kolesách – čo sa premieta do plynulejšieho posuvu s menšou periodickou variáciou. Hladkosť posuvu priamo určuje kvalitu povrchovej úpravy: 2-percentná zmena posuvu spôsobuje 2-percentnú zmenu hrúbky triesky, ktorá sa prejavuje ako vlnitosť na obrobenom povrchu.
Závitovkový prevodový pár s prevodom 40:1 premieňa motor s otáčkami 1 450 ot./min. na otáčky vodiacej skrutky 36 ot./min. – čím dosahuje rýchlosť posuvu 180 mm/min. cez vodiacu skrutku s rozstupom 5 mm. Tento jednostupňový prevod sa zmestí do stĺpa alebo zárubne stroja bez zväčšenia pôdorysu stroja. Čelné ozubené kolesá potrebujú na rovnaký prevod 3 až 4 stupne.
Analýza spätnej väzby reznej sily – ako sa rezné sily snažia posúvať posuv späť
Počas rezania kovu pôsobia na obrobok v bode rezu tri ortogonálne zložky sily. Zložka, ktorá je zarovnaná so smerom posuvu, je kritická pre závitovkový prevodový pár, pretože sa snaží poháňať posuvný mechanizmus spätne cez vodiacu skrutku.
V nasledujúcej tabuľke je znázornený reťazec síl od rezných parametrov až po krútiaci moment spätného pohonu pre tri bežné scenáre obrábania – ukazuje sa, prečo je samosvorné pohony nevyhnutné a prečo sú konvenčné (nesamosvorné) ozubené pohony nebezpečné pre aplikácie posuvu pri frézovaní.
Analýza ukazuje, že aj ťažké súsledné frézovanie pri tangenciálnej sile 5 000 N vytvára na závitovkovom ozubenom kolese iba 10 N·m spätného krútiaceho momentu – čo je v rámci samosvornej kapacity akéhokoľvek štandardného jednochodového ozubeného kolesa (ktoré odoláva spätným krútiacim momentom až do plného výstupného krútiaceho momentu, typicky 50 až 500 N·m pre veľkosti posuvu obrábacích strojov). Závitovkové ozubené koleso absorbuje celú reznú silu v smere posuvu bez akéhokoľvek namáhania. Dôsledky poruchy spätného pohonu sú však vážne: obrobok zrýchľuje do frézy pri plnej rýchlosti stúpania vodiacej skrutky, čo spôsobuje náraz, ktorý môže zlomiť nástroj, poškodiť vreteno a zraniť obsluhu. Rozpätie samosvornej kapacity nie je hraničné – je navrhnuté tak, aby bolo ohromujúce.
Presnosť posuvu – ako chyba vedenia závitovky spôsobuje zvlnenie povrchu
Rýchlosť posuvu určuje hrúbku triesky a tým aj kvalitu povrchu: dokonale konštantná rýchlosť posuvu vytvára dokonale rovnomernú triesku, ktorá vytvára hladký povrch. Meniaca sa rýchlosť posuvu vytvára meniacu sa hrúbku triesky, ktorá vytvára zvlnený povrch s periódou zodpovedajúcou frekvencii zmien.
Chyba vedenia v závitovke spôsobuje periodické zmeny podávania. Ak má závitovka kumulatívnu chybu stúpania 15 µm počas jednej otáčky, rýchlosť posuvu sa mení o 15 µm na otáčku. Pri pomere 40:1 s vodiacou skrutkou s rozstupom 5 mm jedna otáčka závitovky posunie stôl o 0,125 mm. Chyba 15 µm počas dráhy 0,125 mm predstavuje 12-percentnú okamžitú zmenu posuvu – čo vedie k 12-percentnej zmene hrúbky triesky, ktorá je viditeľná ako periodické zvlnenie s vlnovou dĺžkou 0,125 mm na hotovom povrchu. Pre dokončovacie obrábanie, kde drsnosť povrchu Ra musí byť menšia ako 1,6 µm, je táto zvlnenie neprijateľná.
Brúsené závitovky s chybou stúpania pod 5 µm na otáčku znižujú odchýlku posuvu pod 4 percentá – v rámci prijateľného rozsahu pre všeobecné obrábanie (drsnosť povrchu Ra 1,6 až 3,2 µm). Pre presné dokončovanie (Ra pod 0,8 µm) sa špecifikujú lapované závitovky s chybou stúpania pod 2 µm. Chyba stúpania nie je to isté ako povrchová úprava: závitovka môže mať hladkú povrchovú úpravu Ra 0,4 µm, ale nízku presnosť stúpania (chyba viac ako 10 µm) v dôsledku geometrických chýb odvaľovacej frézy. Chyba stúpania sa musí overiť priamym meraním na špecializovanom prístroji na testovanie stúpania – neodvodzuje sa z hodnoty drsnosti povrchu.
Kórejský výrobca kolenných fréz dostal sťažnosti z praxe na periodické zvlnenie povrchu na osi Y (priečny posuv) počas čelného frézovania. Vlnenie sa javilo ako pravidelný vzor s vlnovou dĺžkou približne 0,13 mm – čo zodpovedá posunu stola na otáčku závitovky (nominálne 0,125 mm pri použitej rýchlosti posuvu). Kontrola závitovky odhalila kumulatívnu chybu stúpania 18 µm počas jednej otáčky – v rámci štandardnej tolerancie dodávateľa, ale spôsobila 14-percentnú odchýlku posuvu. Os X (pozdĺžny posuv) nevykazovala žiadne zvlnenie – jej závitovka mala chybu stúpania 4 µm (z inej výrobnej šarže s prísnejšou kontrolou procesu). Obe závitovky mali rovnaké číslo dielu od toho istého dodávateľa – chyba stúpania nebola kontrolovaná vo výrobnej špecifikácii, iba rozmery závitu a povrchová úprava. Riešenie: výrobca frézy pridal do objednávky špecifikáciu chyby stúpania – maximálne 6 µm kumulatívne na otáčku, overené certifikátom o kontrole. Dodávateľ implementoval 100-percentné testovanie stúpania na optickom prístroji na kontrolu stúpania za príplatok 1,80 USD za závitovku. Sťažnosti na zvlnenie povrchu sa počas nasledujúcich 12 mesiacov výroby znížili na nulu. Ponaučenie: povrchová úprava Ra a presnosť stúpania sú nezávislé parametre – samotné určenie Ra nezaručuje presnosť posuvu. Pridajte do špecifikácie nákupu maximálnu chybu stúpania na otáčku pre akýkoľvek závitovkový pohon posuvu.
Tri skrine závitovkových prevodov pohonu posuvu obrábacieho stroja
Prípad 1 – Kórejský výrobca kolenných frézok: 3-osový strojový posuv, samosvorné zabezpečenie je kritické
Kórejský výrobca vertikálnych kolenových frézok špecifikoval páry závitovkových prevodov pre pohonné jednotky osí X, Y a Z. Rozmery stola: 1 300 × 300 mm. Vodiaca skrutka: rozstup 5 mm, závit Acme. Motor na os: 0,37 kW, 1 450 ot./min. Pár závitovkových prevodov: jednochodý, modul 2, vzdialenosť stredov 40 mm, prevodový pomer 40:1. Výstupné otáčky na vodiacej skrutke: 36 ot./min, maximálna rýchlosť posuvu 180 mm/min. Samosvor: povinný na všetkých troch osiach – os Z (vertikálne koleno) nesie hmotnosť stola, zveráka a obrobku (celkovo až 300 kg) a porucha samosvoru by spôsobila, že koleno by sa vplyvom gravitácie prepadlo. Chyba stúpania: pod 6 µm na otáčku (uzemnený závitovník, Ra 0,4 µm). Materiál: cementovaný závitovník 20CrMnTi HRC 58, koleso z fosforového bronzu CuSn12Ni. Mazanie: Strojový olej ISO VG 68, zdieľaný s kolenným posuvom. Cena za pár: 42 USD. Cena za 3-osovú súpravu: 126 USD za frézku. Ročná produkcia: 1 200 frézok (3 600 párov závitovkových prevodov). Cena 42 USD za pár je najdôležitejším bezpečnostným komponentom frézky – porucha samosvorného mechanizmu na osi Z by umožnila voľný pád 300 kg stola do rúk obsluhy.
Prípad 2 – Japonský CNC sústruh: priečny posuv, servopohon, kritická je kvalita povrchu
Japonský výrobca CNC sústruhov špecifikoval dvojicu závitovkových prevodov pre priečny posuv (osa X) sústružníckeho centra, ktoré obrába komponenty automobilových hriadeľov. Priečny posuv určoval toleranciu konečného priemeru (plus alebo mínus 10 µm) a drsnosť povrchu (Ra 0,8 µm požadovaná pre povrchy čapov ložiska). Vodiaca skrutka: guľôčková skrutka s rozstupom 6 mm (vysoká účinnosť pre CNC servo riadenie). Dvojica závitovkových prevodov: jednochodá, modul 1,5, vzdialenosť stredov 30 mm, pomer 30:1, brúsená Ra 0,3 µm, chyba stúpania pod 3 µm na otáčku. Trieda presnosti DIN 5. Motor: 1 kW AC servo s enkodérom 131 072 číslic. Výstupný krútiaci moment na závitovkovom kolese: 35 N·m (dostatočné pre priečne posuvné trenie plus spätnú väzbu reznej sily). Zmena rýchlosti posuvu od závitovky: pod 1 percento pri všetkých rýchlostiach posuvu – čo spôsobuje vlnitosť povrchu pod 0,1 µm od špičky po údolie (neviditeľná pri špecifikácii Ra 0,8 µm). Cena za pár: 125 USD. Prehliadať závitovkový prevod pre obrábacie stroje možnosti určené pre pohony posuvu CNC sústruhov a frézok.
Prípad 3 – Vietnamská radiálna vŕtačka: pinola s mechanickým posuvom, cenovo výhodná, prijateľné odvaľovacie obrábanie
Vietnamský výrobca obrábacích strojov špecifikoval závitovkový prevodový pár pre jednotku silového posuvu na pohone pinoly radiálnej vŕtačky. Aplikácia vŕtačky bola menej náročná ako frézovanie: vŕtanie vytvára axiálnu tlačnú silu (tláčajúcu vrták do obrobku) namiesto bočnej tlačnej sily – takže riziko spätného pohybu bolo nízke (tlačná sila pôsobí pozdĺž osi pinoly, ktorá je mechanicky podopretá puzdrom pinoly bez ohľadu na závitovkový prevodový pár). Samosvorný mechanizmus bol stále špecifikovaný pre udržanie polohy pinoly (zabránenie gravitačnému klesaniu vŕtacej hlavy pri zastavení posuvného motora). Závitovkový prevodový pár: jednochodý, modul 2, vzdialenosť osí 35 mm, pomer 20:1. Odvalovací závitovkový prevod, Ra 1,2 µm, chyba stúpania približne 15 µm – prijateľné pre vŕtanie, kde nie je problémom vlnitosť povrchu (kvalita otvoru je určená geometriou vrtáka, nie variáciou posuvu). Materiál: závitovkový prevod z kalenej uhlíkovej ocele, koleso z pieskovaného fosforového bronzu. Cena za pár: 18 USD. Prípadová štúdia ukazuje, že nie všetky aplikácie podávania pre obrábacie stroje vyžadujú brúsené závitovky – vŕtanie, vyvrtávanie a rezanie závitov sú procesy tolerantné k rýchlosti posuvu, kde odvalované závitovky s 3 až 5-krát nižšími nákladmi poskytujú ekvivalentné funkčné výsledky.
Často kladené otázky
Otázka: Prečo je súsledné frézovanie bez samosvorného mechanizmu nebezpečnejšie ako konvenčné frézovanie?
Pri stúpajúcom (dole) frézovaní zuby frézy zaberú najskôr do maximálnej hrúbky triesky a vystupujú z nej pri nulovej hrúbke. Počiatočný záber vytvára silnú zložku sily, ktorá ťahá obrobok v smere posuvu – smerom k fréze. Ak pohon posuvu umožňuje spätný pohyb, táto vťahovacia sila zrýchľuje stôl, čo zväčšuje hĺbku záberu, čo vedie k zvýšeniu vťahovacej sily – pozitívna spätná väzba, ktorá končí prudkým nárazom v priebehu milisekúnd. Pri konvenčnom (hore) frézovaní zuby zaberajú do nulovej hrúbky a vystupujú z nej pri maximálnej hrúbke – sila tlačí obrobok od frézy, čo má skôr samokorekčný, než samospevňujúci účinok. Samosvorné závitovkové prevody zabezpečujú bezpečné súsledné frézovanie na ručných frézach – bez nich je súsledné frézovanie na strojoch s neblokovacími pohonmi posuvu zakázané.
Otázka: Môžu CNC stroje používať na posuv guľôčkové skrutky namiesto závitovkových prevodov?
Moderné CNC stroje univerzálne používajú guľôčkové skrutky pre posuvné osi, pretože guľôčkové skrutky poskytujú vyššiu účinnosť (90+ percent oproti 40 až 50 percentám pre závitovkové prevody), nižšie trenie a nulovú vôľu s predpätými maticami. Guľôčkové skrutky nie sú samosvorné – CNC servomotor a ovládač zabezpečujú funkciu udržiavania polohy elektronicky. Závitovkový prevod v CNC aplikáciách podávania sa zvyčajne používa ako stupeň zníženia rýchlosti medzi servomotorom a guľôčkovou skrutkou, keď rozsah rýchlosti motora prekročí kritickú rýchlosť guľôčkovej skrutky – nie ako primárny mechanizmus podávania. Ručné stroje (kolenné frézky, sústruhy s motorom) si zachovávajú pohony posuvu so závitovkovými prevodmi, pretože im chýbajú servomotory a ovládače, ktoré by zabezpečovali elektronické udržiavanie polohy – samosvorný závitovkový prevod je bezpečnostný mechanizmus, ktorý nahrádza elektronické servo riadenie.
Otázka: Ako overím presnosť vedenia závitovky s pohonom posuvu?
Presnosť stúpania sa meria na špecializovanom prístroji na meranie závitov (ako je napríklad kontrola stúpania Mahr alebo Klingelnberg), ktorý sleduje špirálovú dráhu závitu závitovky a porovnáva ju s teoretickou špirálou. Výstupom je graf odchýlky stúpania zobrazujúci kumulatívnu chybu v µm na otáčku. Maximálna kumulatívna chyba za jednu otáčku je špecifikačný parameter pre závitovky s pohonom posuvu. Toto meranie nie je možné vykonať štandardnými metrologickými nástrojmi (mikrometre, súradnicové měřiace stroje nesledujú špirálovú dráhu). Ak váš dodávateľ závitoviek nemá prístroj na kontrolu stúpania, požiadajte o zaslanie závitoviek do metrologického laboratória tretej strany na overenie stúpania – náklady na test (5 až 15 USD za závitovku) sú zanedbateľné v porovnaní s výrobnou hodnotou obrábacích strojov, ktoré závisia od presnosti posuvu.
Otázka: Aká je typická životnosť páru závitovkových ozubených kolies pre podávanie obrábacích strojov?
Závitovkové ozubené kolesá manuálneho podávania obrábacích strojov bežia prerušovane – zvyčajne 500 až 1 500 hodín ročne pri skutočnej prevádzke podávania (stroj vykonáva rezné cykly, nie kontinuálny posuv). Pri tejto prevádzke vydrží bronzové koleso 8 až 15 rokov. Kalená oceľová závitovka vydrží po celú životnosť stroja (20 až 30 rokov). Obmedzujúcim faktorom životnosti je zvyčajne rast vôle, ktorá znižuje kvalitu povrchovej úpravy – výmenu kolesa naplánujte, keď vôľa presiahne 3 až 5 oblúkových minút (merateľná ako vôľa smeru posuvu pri stole). Závitovkové ozubené kolesá CNC podávania vo výrobnom prostredí bežia 2 000 až 4 000 hodín ročne a môžu vyžadovať výmenu kolesa každých 5 až 8 rokov.
Otázka: Používa sa niekedy v pohonoch posuvu obrábacích strojov dvojchodový závitovkový systém?
Nie – a toto je absolútne pravidlo pre aplikácie podávania obrábacích strojov. Dvojchodový závitovkový prevod stráca samosvornosť, čo znamená, že rezná sila môže posuv poháňať späť. Nejde o kompromis vo výkone – ide o bezpečnostné riziko. Výhoda účinnosti dvojchodového prevodového prevodu (vyššia účinnosť motora posuvu, nižšia tvorba tepla) nekompenzuje stratu bezpečnostnej funkcie. Každý pár závitovkových prevodov pre obrábacie stroje musí byť jednochodový, s jedným obvodom a s uhlom nábehu menším ako uhol trenia. V žiadnej bezpečnostnej norme pre obrábacie stroje na celom svete neexistujú žiadne výnimky.
Pohony posuvu frézok a sústruhov používajú páry závitovkových ozubených kolies ako súčasné redukčné zariadenia a bezpečnostné zariadenia – samosvorná vlastnosť zabraňuje rezným silám, aby spätne poháňali podávací mechanizmus a spôsobovali havárie pri vťahovaní nástroja, ktoré poškodzujú stroje a ohrozujú obsluhu. Analýza spätnej väzby reznej sily sleduje, ako sa tangenciálna rezná sila premieňa na krútiaci moment spätného pohonu na páre závitovkových ozubených kolies, čo dokazuje, že rezerva samosvornosti je navrhnutá tak, aby bola skôr ohromujúca ako marginálna. Presnosť posuvu závisí od chyby stúpania závitovky – parametra špecifikácie nezávislého od povrchovej úpravy Ra, ktorý sa musí overiť špeciálnym meraním stúpania. Brúsené závitovky s chybou stúpania pod 5 µm vytvárajú povrchovú úpravu vhodnú na presné obrábanie; odvalované závitovky s chybou stúpania 15+ µm sú vhodné iba na vŕtanie a hrubovanie, kde zmena posuvu neovplyvňuje kvalitu dielu.
Pre výrobcov obrábacích strojov poskytuje naše inžinierske oddelenie páry závitovkových ozubených kolies s posuvným pohonom s overenými certifikátmi presnosti vedenia. Štandardný katalóg presné závitovkové prevody vrátane konfigurácií pohonu posuvu s odvalovacím a brúseným hrotom od stredovej vzdialenosti 30 do 80 mm s dokumentáciou o chybe stúpania. Odošlite špecifikácia posuvu obrábacieho stroja s typom osi, rozstupom vodiacej skrutky, maximálnou reznou silou a požiadavkou na povrchovú úpravu.
Špecifikácia párov závitovkových prevodov pre pohony posuvu obrábacích strojov?
Pošlite typ stroja, os, rozstup vodiacej skrutky, maximálnu reznú silu, cieľovú kvalitu povrchu a či je aplikácia manuálna (kritická pre samosvorné zariadenie) alebo CNC (riadená servomotorom). Vypočítame krútiaci moment spätného pohonu a odporučíme správnu špecifikáciu závitovky s overením presnosti vedenia.
Redaktor: Cxm
