Кореја Евер-Пауер · Водич за инжењеринг апликација
Пуж и пужни точак за погоне машина за брушење и полирање
Полирач оптичких сочива производи површинску равност од 0,05 µм — отприлике хиљадити део дебљине људске длаке. На овој скали, сваки извор вибрација у машини оставља свој траг на завршној површини. Пар пужних зупчаника који покреће вретено за полирање мора допринети вибрацијама мреже мање од 0,002 мм/с — за ред величине тише од премиум погона лифта и два реда испод стандардног индустријског редуктора.
Машине за брушење и полирање производе најфиније површинске завршне обраде у производњи — Ra 0,05 до 0,8 µm — и свака вибрација из погонског система се директно утискује на завршну површину као периодична таласастост или деградација храпавости. Анализа односа вибрација и квалитета површине квантификује како се амплитуда вибрација мреже пужног зупчаника на фреквенцији мреже преводи у допринос храпавости површине: свака вибрација мреже од 0,01 mm/s додаје приближно 0,02 до 0,05 µm вредности Ra површине. За површинску брусилицу која циља Ra 0,2 µm, буџет вибрација пара пужних зупчаника је испод 0,02 mm/s — што се може постићи само са лепљеним или суперфинишираним пужним машинама при Ra 0,1 до 0,2 µm и DIN класом тачности 3 до 4. За оптичко полирање при Ra 0,05 µm, буџет пада испод 0,005 mm/s — што захтева парове пужних зупчаника класе 2 који су појединачно лепљени и тестирани на вибрације. Стабилност брзине унутар плус или минус 0,5 процената је обавезна јер је брзина уклањања материјала брусног точка пропорционална брзини стола — варијација брзине од 1 процента производи варијацију дубине резања од 1 процента која прелази укупну толеранцију облика на прецизно брушеним компонентама.
Зашто су машинама за брушење и полирање потребни погони са ултра ниским вибрацијама
Брушење и полирање се фундаментално разликују од глодања и стругања: дубина реза се мери у једноцифреним микрометрима (1 до 20 µm по пролазу), а не у милиметрима. На овој скали, разлика између намерног уклањања материјала и оштећења површине изазваног вибрацијама се замагљује — померање вибрације од 5 µm на тачки контакта уклања 5 µm материјала на врху вибрације и нулу на дну, стварајући површинску таласастост једнаку амплитуди вибрације. Обрађена површина постаје снимак сваког извора вибрације у машини.
Пужни зупчаник је један од 5 до 8 извора вибрација у типичној брусилици (остали укључују лежајеве вретена брусног точка, неравнотежу точка, хидрауличну пумпу, пумпу расхладне течности и основу машине). Сваки извор мора остати у оквиру свог додељеног буџета вибрација тако да комбиновани збир остане испод прага квалитета површине. Допринос пужног зупчаника долази из два механизма: побуде фреквенције мреже (периодично захватање зубаца док се пуж ротира) и грешке преноса (микро-варијације излазне брзине по улазном обртају због несавршености геометрије зубаца).
Клизно захватање сваког навоја пужа са зубом точка производи периодичну силу на фреквенцији мреже (обртај обртаја пужа за једнократни рад). Ова сила побуђује структуру машине. Глатке површине зубаца (нижи Ra) смањују амплитуду побуђивања — главни разлог зашто се лепљени пужеви намењују за брусилице.
Несавршености у геометрији зубаца узрокују благо убрзавање и успоравање излаза унутар сваког обртаја — микро-варијација која се назива грешка преноса. Ова варијација се директно преводи на варијацију брзине стола, што производи таласастост површине обратка током периода ротације пужа. DIN класа 3 до 4 минимизира грешку преноса.
Ако се фреквенција мреже поклапа са структурном резонанцијом машине (опсег од 10 до 200 Hz), чак и мале амплитуде побуђивања производе велике вибрације на тачки контакта брушења. Промена улазне брзине пужа за 5 до 10 процената може померити фреквенцију мреже даље од резонанције - подешавање које не захтева промену хардвера.
Анализа вибрација у односу на квалитет површине — од mm/s на мрежи до µm Ra на радном предмету
Однос између вибрација мреже пужног пара зупчаника и храпавости брушене површине зависи од амплитуде вибрација, структурног преносног пута од кућишта зупчаника до контакта за брушење и параметара процеса брушења (брзина точка, дубина реза, расхладна течност). Функција преноса варира у зависности од дизајна машине, али емпиријски подаци за низ површинских и цилиндричних брусилица показују доследно правило: свака RMS вибрација мреже од 0,01 mm/s на кућишту пужног зупчаника доприноси приближно 0,02 до 0,05 µm вредности Ra површине обратка.
Табела открива хијерархију прецизности: резани пуж са Ra 1,6 µm доприноси 0,16 до 0,75 µm храпавости површине само од вибрација — што га чини бескорисним за било коју примену брушења (прекорачио би цео буџет храпавости површине чак и пре него што брусни точак дође у контакт са радним предметом). Брушени пужеви са Ra 0,4 µm су адекватни за индустријско бесцентрично и грубо површинско брушење. Полирани пужеви са Ra 0,2 µm служе за прецизно површинско и цилиндрично брушење. Суперфинишни пужеви са Ra 0,1 µm су резервисани за оптичко полирање и полупроводничке процесе где је циљна храпавост површине испод 0,1 µm.
Корејски произвођач прецизних површинских брусилица примио је жалбе од купца, произвођача лежајева: брушени прстенови лежајева показивали су периодичну таласастост на фреквенцији која није одговарала обртајима брусног точка, обртајима радне главе или фреквенцији хидрауличне пумпе. Таласна дужина таласастости била је 0,42 мм — што је одговарало померању стола по обртају пужа при наведеној брзини померања (однос пара пужних зупчаника 30:1, корак вођења вијка 5 мм, један обртај пужа = кретање стола 0,167 мм × 2,5 пролаза брушења по обртају пужа при специфичној комбинацији брзина = површински узорак 0,42 мм). Пар пужних зупчаника је замењен током недавног ремонта брушеним пужем са Ra 0,35 µm — што испуњава спецификацију куповине „Ra испод 0,4 µm“. Међутим, мерење вибрација показало је 0,04 мм/с на фреквенцији мреже — на горњој граници прихватљивог опсега за циљану површинску обраду Ra 0,2 µm на прстеновима лежајева. Оригинални фабрички инсталирани пуж је био обрађен на Ra 0,18 µm са вибрацијама од 0,012 мм/с. Решење: заменски пуж је изглачан на Ra 0,15 µm (додатни трошак 35 USD), вибрације су смањене на 0,008 mm/s, а периодична таласастост је нестала. Поука: спецификације пужа брусилице треба да наведу ограничење вибрација на фреквенцији мреже (mm/s RMS) поред завршне обраде површине Ra — јер два пужа на истом Ra могу произвести различите нивое вибрација због разлика у тачности профила зубаца које Ra не обухвата.
Стабилност брзине — константно уклањање материјала током целог пролаза брушења
Поред вибрација, пар зупчаника мора да испоручује константну излазну брзину — јер је брзина уклањања материјала при брушењу директно пропорционална брзини померања стола. Ако се померање мења за 2 процента током унакрсног пролаза, дубина резања варира за 2 процента, што ствара грешку облика која може премашити укупну толеранцију на прецизно брушеним компонентама. Стабилност брзине унутар плус или минус 0,5 процената захтева геометрију зубаца DIN класе 4 или бољу са грешком преноса испод 5 лучних секунди од врха до врха — исти степен тачности као спецификација CNC ротационог стола (члан А22), али из другог функционалног разлога: тачност положаја наспрам конзистентности померања.
Кућишта пужног зупчаника три машине за брушење и полирање
Случај 1 — Корејска прецизна брусилица за површину: циљ Ra 0,2 µm, примена на лежајни део
Корејски произвођач брусилица за површинску обраду одредио је парове пужних зупчаника за погон уздужног померања стола прецизне брусилице за површинску обраду која се користи за завршну обраду лежајева. Циљана храпавост површине: Ra 0,2 µm. Величина стола: 600 × 300 mm. Брзина померања: 1 до 15 m/min (хидраулично клипно кретање са индексом унакрсног померања покретаним пужним зупчаником). Пар пужних зупчаника за индекс унакрсног померања: једноходни, модул 1,5, растојање између оси 30 mm, однос 30:1, преклопљени Ra 0,15 µm, DIN класа тачности 4. Вибрације на фреквенцији мреже: 0,008 mm/s RMS (верификовано акцелерометром током фабричког теста пријемства). Допринос Ra од вибрација зупчаника: приближно 0,02 µm — троши 10 процената буџета од 0,2 µm. Материјал: цементизовани пуж 18CrNiMo7-6, HRC 60, центрифугално ливени точак од фосфорне бронзе. Подмазивање: уље за вретено ISO VG 32 (заједничко са клизним вођицама стола). Цена по пару: 185 УСД. Брусилица је константно производила лежајеве на Ra 0,15 µm — удобно унутар циља од 0,2 µm.
Случај 2 — Јапанска машина за полирање оптичких сочива: Ra 0,05 µm, суперфинисани пуж, тестирано на вибрације
Јапански произвођач оптичке опреме специфицирао је пар пужних зупчаника за погон вретена аутоматизоване машине за полирање сочива која производи оптику за камере и микроскопе. Равност циљне површине: 0,05 µm (једна четвртина таласне дужине видљиве светлости). Пар пужних зупчаника покретао је вретено за полирање брзином од 15 до 60 о/мин кроз однос 40:1. Буџет вибрација за погон: испод 0,003 mm/s RMS на фреквенцији мреже. Пар пужних зупчаника: једноходни, модул 1, растојање између центара 25 mm, однос 40:1, суперфинишна обрада Ra 0,08 µm, DIN класа тачности 2. Сваки пар је појединачно тестиран на вибрације на посебној испитној платформи у циљном опсегу брзина — парови који прелазе 0,003 mm/s су одбачени (приближно 15% стопе одбацивања, што одражава екстремну толеранцију). Материјал: нитрирани пуж 31CrMoV9, површина HRC 62, центрифугално ливена калајна бронза са додатком антимона (супериорне карактеристике разраде за минималне почетне вибрације при хабању). Цена по пару: 680 УСД (укључујући индивидуални сертификат о вибрационом испитивању). Прегледајте пужни зупчаник са ниским вибрацијама опције за прецизно брушење и оптичко полирање.
Случај 3 — Вијетнамска брусилица без центра: Ra 0,8 µm, млевени пуж, обим производње
Вијетнамски произвођач машинских алатки одредио је парове пужних зупчаника за погон регулационих точкова брусилице без центра која производи челичне клинове и вратила. Циљана храпавост површине: Ra 0,8 µm (индустријски квалитет). Брзина регулационог точка: 10 до 40 о/мин. Мотор: 0,75 kW VFD контролисан. Пренос: 25:1. Излазни обртни момент: 45 N·m. Опуштена циљна храпавост Ra 0,8 µm омогућила је брушени пуж на Ra 0,4 µm — допринос вибрацијама од приближно 0,1 µm потрошио је само 12 процената буџета од 0,8 µm. Завршна обрада није била потребна и додала би 40 процената трошковима пара без мерљиве користи од квалитета на овом нивоу толеранције. Пар пужних зупчаника: једноходни, модул 2, међуосно растојање 40 mm, DIN класа тачности 6. Материјал: пуж од каљеног угљеничног челика, точак од фосфорне бронзе. Заштита расхладне течности: EPDM заптивач IP55 са заштитом од прскања (расхладна течност за бесцентрично брушење се усмерава на зону брушења, а не на погон). Цена по пару: 52 УСД. Годишња производња: 200 брусилица без центра (200 пари годишње). Спецификација показује да квалитет пара пужних зупчаника брусилице мора да одговара циљу процеса — суперфинишна обрада пужа за брусилицу без центра са Ra 0,8 µm губи 70 процената додатних трошкова завршне обраде.
Често постављана питања
П: Како да измерим допринос вибрацијама пара пужних зупчаника на постојећој брусилици?
Монтирајте акцелерометар на кућиште пужног зупчаника и измерите спектар вибрација током рада померања стола (брусни точак не сече — изолујући вибрације погона од вибрација процеса). Идентификујте врх на фреквенцији мреже пужа (једнократни покретање: врх на броју обртаја пужа у Hz). Упоредите ову амплитуду врха (у mm/s RMS) са табелом вибрација у односу на квалитет површине да бисте проценили допринос Ra. Ако врх премашује буџет за циљану завршну обраду површине, или замените пуж финијом завршном обрадом или подесите брзину улаза пужа за 5 до 10 процената да бисте померили фреквенцију мреже даље од било какве структурне резонанције.
П: Да ли материјал пара пужних зупчаника утиче на вибрације?
Да — материјал точка има значајан утицај. Бронзани точкови пригушују вибрације мреже кроз унутрашње пригушење материјала (бронза има већи капацитет пригушења од челика). ПОМ и МЦ најлонски точкови пружају још веће пригушење — 3 до 5 пута више од бронзе — али су ограничени на веома мала оптерећења (испод 20 N·m). За прецизне брусилице са умереним обртним моментом (20 до 80 N·m), бронза је стандард. За ултра прецизно оптичко полирање са веома малим обртним моментом (испод 10 N·m), ПОМ точкови могу да обезбеде додатно смањење буке од 2 до 4 dB(A) и мерљиво ниже вибрације — али по цену краћег века трајања точка и ниже тачности позиционирања због димензионалне нестабилности пластике.
П: Да ли брушење расхладне течности може оштетити пужни зупчаник?
Расхладна течност за брушење (обично течност за резање растворљива у води концентрације од 3 до 8 процената) је умерено корозивна и садржи абразивне струготине (честице млевеног метала). Ако расхладна течност уђе у кућиште пужног зупчаника кроз оштећене заптивке, настају два проблема: садржај воде емулгује уље вретена (смањујући подмазивање), а честице струготине делују као средство за лепљење на површинама зубаца зупчаника (убрзавајући хабање и повећавајући зазор). Резултат је мерљив у року од неколико месеци — вибрације се повећавају, а квалитет површине се погоршава. ЕПДМ заптивке (отпорне на расхладну течност растворљиву у води) и позитивно прочишћавање ваздухом на улазу у вратило су стандардна заштита. Анализа уља сваких 6 месеци (садржај воде испод 0,05 процената, број честица испод ISO 18/16/13) прати ефикасност заптивке.
П: Зашто је потребно навести вибрације (мм/с) поред површинске обраде (Ra) за пуж?
Површинска обрада Ra мери просечну храпавост површине навоја пужа — показује колико је површина глатка на микрогеометријском нивоу. Вибрације (mm/s на фреквенцији мреже) мере динамичко побуђивање које пар пужних зупчаника производи током ротације — показују колико пар тресе машину. Два пужа са идентичним вредностима Ra могу произвести различите нивое вибрација јер вибрације такође зависе од тачности профила зубаца, тачности хода и концентричности — параметара које Ra не обухвата. За примене брушења, спецификација вибрација је директно релевантнија за квалитет завршне површине него сам Ra пужа. Наведите оба: Ra за контролу производње, вибрације за функционалну верификацију.
П: Који је типичан век трајања пужног зупчаника брусилице?
Машине за брушење раде 2.000 до 4.000 сати годишње са повременим режимом подавања (пужни пар зупчаника ради током унакрсних индексних ходова подавања, а не континуирано). При овом режиму рада и малим обртним моментима типичним за брушење (10 до 80 N·m), бронзани точак траје 8 до 15 година. Фактор који ограничава век трајања је деградација вибрацијама, а не зазор — како се точак троши, контактни образац се мења и побуђивање мреже се повећава. Када вибрације на фреквенцији мреже порасту и удвоструче првобитну вредност, квалитет површине почиње да се деградира. Планирајте замену точка када се вибрације удвоструче — обично на 60 до 70 процената механичког века трајања ограниченог зазором.
Машине за брушење и полирање раде на најфинијем крају спектра прецизности производње — а пужни зупчаник који покреће погонски механизам стола или вретено једна је од ретких компоненти чији се вибрациони потпис може директно мерити на завршеној површини радног предмета. Анализа односа вибрација и квалитета површине (свака вибрација мреже од 0,01 мм/с додаје 0,02 до 0,05 µм површинском Ra) квантификује зашто су резани пужеви неупотребљиви за брушење, брушени пужеви служе за индустријско брушење, лепљени пужеви служе за прецизно брушење, а суперфинисани пужеви служе за оптичко полирање. Граница вибрација на фреквенцији мреже (mm/s RMS) треба да буде наведена заједно са завршном обрадом површине пужа (Ra µm) — јер сам Ra не предвиђа перформансе вибрација. За произвођаче машина за брушење, спецификација пужног зупчаника одређује најфинију завршну обраду површине коју машина може да постигне — то је компонента која дефинише могућности, а не само погонски елемент.
За произвођаче машина за брушење и полирање, наш инжењерски сто обезбеђује парове пужних зупчаника са појединачним сертификатима о вибрационим испитивањима за прецизне примене. Стандардни каталог прецизни пужни зупчаници Укључите брушене, преклопљене и суперфинишне конфигурације са тачношћу по DIN класи од 2 до 6. Пошаљите спецификација погона за брушење са циљном храпавошћу површине, опсегом брзине стола и буџетом вибрација.
Одређивање парова пужних зупчаника за машине за брушење или полирање?
Пошаљите циљну храпавост површине (Ra), брзину стола или вретена, буџет вибрација (ако је познат) и врсту брушења (површинско, цилиндрично, без центра, оптичко). Препоручићемо степен завршне обраде пужа, DIN класу и обезбедити појединачне сертификате о вибрационим испитивањима за прецизне примене.
Уредник: Cxm
