Кореја Евер-Пауер · Водич за инжењеринг апликација
Пуж и пужни точак за индексирање ЦНЦ ротационог стола
Петоосни ЦНЦ обрадни центар сече лопатицу турбине брзином вретена од 12.000 о/мин. Ротациони сто са 4. осовином позиционира бланко лопатице са тачношћу од 10 лучних секунди — 0,003 степена — и држи га под силом резања од 800 N док расхладна течност испуњава радну зону брзином од 20 литара у минути. Пар пужних зупчаника унутар ротационог стола је истовремено прецизни угаони позиционер, стезач за радни предмет и механичка компонента отпорна на расхладну течност. То је најпрецизнија примена пужних зупчаника у било којој индустрији.
ЦНЦ ротациони столови (4. и 5. оса) користе парове пужних зупчаника за прецизно угаоно позиционирање, континуирано контурирање током истовремене вишеосне обраде и самоблокирајуће држање радног предмета против сила резања. Табела грешака од зазора до положаја квантификује како се зазор пара пужних зупчаника преводи у грешку обраде на тачки сечења радног предмета: e = R × B / 3,438, где је R полупречник радног предмета у мм, а B је зазор у лучним минутима. За радни предмет полупречника 200 мм, 1 лучни минут зазора производи грешку положаја од 58 µм — што превазилази типичну ЦНЦ толеранцију од плус или минус 25 µм. Због тога ЦНЦ парови пужних зупчаника ротационих столова универзално користе претходно оптерећене механизме против зазора (опружно оптерећени подељени точак или дуплекс подешен подлошцима) како би се смањио ефективни зазор на испод 10 лучних секунди. Однос 360:1 је ЦНЦ стандард — један степен по обртају пужа — омогућавајући директно очитавање угла са серво енкодера без додатног електронског зупчаника. Класа тачности од 3 до 5 по DIN 3974 је специфицирана за CNC ротационе столове производног квалитета.
Зашто ЦНЦ ротациони столови користе пужне зупчанике
ЦНЦ ротациони сто истовремено обавља три функције: позиционира радни предмет под прецизним углом, чврсто држи радни предмет током сечења и континуирано се ротира током контурних операција (сечење зупчаника, глодање брегастим ходом, обрада сечива). Пужни зупчаник пружа све три функције у једној механичкој фази — ниједан други тип зупчаника не може да се мери са овом комбинацијом.
Однос од 360:1 претвара један пуни обртај пужа у тачно један степен ротације стола. Серво мотор са енкодером од 10.000 бројева обезбеђује 10.000 × 360 = 3.600.000 бројева по обртају стола — угаона резолуција од 0,36 лучних секунди по броју. Механичка тачност до плус или минус 10 лучних секунди је постигнута са паровима пужних зупчаника DIN класе 3.
Током глодања, сила резања покушава да ротира обрадак даље од индексираног положаја. Самоблокирање се опире овој сили без посебног хидрауличног стезача — сила резања на радијусу обрадка производи обртни момент који пар пужних зупчаника апсорбује својом неповратношћу.
Код симултане обраде на 4. оси, сто се континуирано ротира док се вретено креће у X/Y/Z осама — све осе синхронизоване са CNC контролером. Пужни зупчаник мора да обезбеди глатку ротацију без зазора при променљивим брзинама од 0,1 до 30 о/мин без грешке у преносу која би могла да изазове дефекте површинске обраде на обрадку.
Табела грешака од зазора до положаја — од лучних минута до микрона на тачки сечења
Однос између зазора пужног пара зупчаника и грешке обраде је чисто геометријски: угаони зазор у центру стола производи линеарну грешку положаја на радијусу обратка која се пропорционално повећава са растојањем од центра ротације. Формула је e = R × B / 3,438 где је e грешка положаја у mm, R је радијус обратка (растојање од центра стола до тачке резања) у mm, а B је зазор у лучним минутима.
Табела приказује аргументе за претходно напрегнуте пужне парове зупчаника са заштитом од зазора у једном реду: при R = 200 мм са стандардним зазором од 1 лучног минута, грешка позиције је 58 µм — више него двоструко већа од типичне толеранције ЦНЦ обраде од плус или минус 25 µм. Чак и 0,5 лучних минута (30 лучних секунди) производи 29 µм на радијусу од 200 мм — и даље изнад границе. Само претходно напрегнута конфигурација на 10 лучних секунди (0,15 лучних минута) удобно остаје унутар толеранције од 9 µм. Општи индустријски пужни парови зупчаника на 5 лучних минута су потпуно неупотребљиви за ЦНЦ индексирање — грешка на било ком практичном радијусу обратка прелази толеранцију за ред величине.
Методе претходног оптерећења против зазора — како CNC ротациони столови постижу зазор испод 10 лучних секунди
Стандардни парови пужних зупчаника не могу постићи зазор испод 10 лучних секунди потребан за CNC индексирање само захваљујући толеранцији производње — најмањи достижни зазор код конвенционалног једноделног точка је приближно 15 до 30 лучних секунди при DIN класи 3. Да би се постигло 5 до 10 лучних секунди, пар пужних зупчаника мора бити механички претходно оптерећен тако да бочне стране зубаца одржавају контакт са обе стране истовремено, елиминишући зону слободног хода која представља зазор.
Точак је подељен на две половине, свака са супротних страна захвата пуж. Опруга између половина их раздваја, одржавајући контакт на обе стране истовремено. Ефективни зазор: 3 до 8 лучних секунди. Предност: самоподешавање — опруга компензује термичко ширење и мање хабање. Мана: ограничен капацитет обртног момента (опруга мора бити савладана пре него што зуби пренесу пуно оптерећење). Најбоље за: индексне столове за лаке услове рада (4. оса на вертикалним обрадничким центрима, подеоне главе).
Два навоја пужа се обрађују на истој осовини са благим аксијалним помаком. Подлошке између кућишта лежајева пужа подешавају преднапрезање контролишући аксијални положај пужа у односу на точак. Ефективни зазор: 5 до 15 лучних секунди. Предност: пуни капацитет обртног момента (преднапрезање је механичко, није ограничено опругом). Мана: потребно је поновно подметање како се точак троши (сваке 2 до 4 године). Најбоље за: тешке 5-осне столове, машине за глодање зупчаника и ротационе столове за хоризонталне бушилице.
Корејски произвођач CNC машина алатки купио је резервне парове пужних зупчаника за 15 нагибних ротационих столова (комбинација 4./5. осе) инсталираних на хоризонталним обрадничким центрима. Оригинални парови су били претходно оптерећеног типа са подељеним точком и ефективним зазором од 6 лучних секунди, DIN класе 4. Резервни парови од другог добављача били су специфицирани као „DIN класе 4, без зазора“ — али су били дуплекс типа са подешавањем подлошкама, а не подељени са опругом. Након инсталације, зазор је износио 12 лучних секунди — унутар толеранције DIN класе 4, али двоструко више од оригиналних 6 лучних секунди. На типичном радијусу обратка од 150 mm, грешка позиционирања се повећала са 4 µm на 9 µm — и даље унутар плус или минус 25 µm CNC толеранције за општу машинску обраду, али недовољно за одређеног купца из ваздухопловне индустрије који захтева плус или минус 10 µm на жлебовима корена лопатица турбине. Произвођач машинских алатки је морао поново да подложи свих 15 столова како би постигао 8 лучних секунди — 2 сата квалификованог рада по столу по цени од 85 америчких долара по сату, што укупно износи 2.550 америчких долара непланираног рада. Поука: „заштита од зазора“ није једна спецификација — метод претходног оптерећења (пуж са подељеним точком наспрам двоструког пужа), ефективна вредност зазора (у лучним секундама, не само „заштита од зазора“) и DIN класа тачности морају бити експлицитно наведени. Два DIN пара заштите од зазора класе 4 од различитих добављача могу дати различите вредности зазора јер „класа 4“ дефинише толеранцију геометрије зубаца, а не ефикасност претходног оптерећења.
Спецификације за три пара пужних зупчаника ротационог стола са ЦНЦ-ом
Случај 1 — Корејски ротациони сто са 4. осом: Ø250 mm, подељени точак, аутомобилски делови
Корејски произвођач CNC алатних машина специфицирао је парове пужних зупчаника за ротациони сто 4. осе пречника 250 мм, дизајниран за машинску обраду аутомобилских компоненти (алуминијум и челик, радијус обратка до 125 мм). Потребна тачност позиционирања: плус или минус 15 лучних секунди. Поновљивост: плус или минус 5 лучних секунди. Пар пужних зупчаника: једноходни, модул 1,5, пречник точка 180 мм, однос 360:1, DIN класа тачности 4. Преднапрезање: опружни подељени точак. Ефективни зазор: 6 лучних секунди. Грешка позиционирања на R = 125 мм: 125 × 0,1 / 3.438 = 3,6 µм — у оквиру толеранције обраде од плус или минус 25 µм. Пуж: каљени и брушени челик 20CrMnTi, Ra 0,2 µм, HRC 58 до 62. Точак: центрифугално ливена фосфорна бронза CuSn12Ni. Подмазивање: Уље за вретено ISO VG 68 (заједно са лежајевима стола), циркулише централним системом за подмазивање машине. Мотор: AC серво од 1,5 kW са апсолутним енкодером од 131.072 бројања. Цена по склопу пара пужних зупчаника: 680 УСД. Годишња производња: 400 столова (16.000 комплета парова пужних зупчаника годишње у целој породици производа).
Случај 2 — Јапански 5-осни нагибни сто: Ø400 mm, дуплекс пуж, ваздухопловна толеранција
Јапански произвођач обрадничких центара са 5 оса специфицирао је парове пужних зупчаника за А-осу (нагиб) и Ц-осу (ротација) нагибног ротационог стола од 400 мм, дизајнираног за обраду титанијумских и инконел компоненти у ваздухопловној индустрији. Тачност позиционирања: плус или минус 8 лучних секунди. Примена у ваздухопловној индустрији захтевала је силе резања до 2.500 N на радијусу обратка од 180 мм — што је произвело обртни момент од 450 N·m на столу. Дизајн са подељеним точком и опругом није могао да поднесе овај обртни момент (преднапрезање опруге ограничено на приближно 150 N·m). Спецификација: дупли пуж са подешавањем подлошкама. Модул 2, пречник точка 280 мм, однос 360:1, DIN класа 3. Ефективни зазор након подметања подлошка: 5 лучних секунди. Грешка позиционирања на R = 180 мм: 180 × 0,083 / 3.438 = 4,4 µм — унутар плус или минус 10 µм толеранције за ваздухопловну индустрију са маргином од 56 процената. Пуж: цементирани 18CrNiMo7-6, брушени Ra 0,15 µm, HRC 60 до 63. Точак: центрифугално ливена калајна бронза са додатком никла (повећан век трајања на замор за тешко сечење у ваздухопловној индустрији). Заштита расхладне течности: лавиринтско заптивање плус продувка ваздухом на улазу у вратило пужа ради спречавања продора расхладне течности. Цена по склопу пара пужних зупчаника (A или C оса): 2.400 USD. Прегледај прецизни пужни редуктор опције за ЦНЦ ротационе столове и примене на машинама алаткама.
Случај 3 — Вијетнамска ручна глава за подељење: 40:1, без претходног оптерећења, образовна и радионица за послове
Вијетнамски дистрибутер машинских алата је специфицирао парове пужних зупчаника за ручне главе за подељење које се продају школама за стручно оспособљавање и малим радионицама. Глава за подељење се монтира на сто глодалице и индексира радни предмет у фиксним угаоним корацима за сечење зубаца зупчаника, шестоугаоних равних површина и једнако размакнутих рупа. Однос: 40:1 (9 степени по обртају пужа — стандардни однос подељења који производи уобичајене поделе: 40 обртаја за пуну ротацију, 20 обртаја за 180 степени, 10 обртаја за 90 степени). Без претходног оптерећења (стандардни точак из једног дела са зазором од 2 до 3 лучна минута). Грешка позиционирања при R = 50 мм: 50 × 2,5 / 3.438 = 36 µм. Ово је било прихватљиво за типичну толеранцију од плус или минус 0,1 мм (100 µм) ручне обраде у радионици — смер приближавања ручног точка оператера (увек приближавање из истог правца) ефикасно елиминише зазор од позиционирања. Пуж: угљенични челик, обрађен Ra 0,8 µm, каљен HRC 55. Точак: ливена фосфорна бронза у песку. Цена по пару: 32 УСД. Случај показује да није свим индексирајућим машинама потребна заштита од зазора — ручни рад са конзистентним смером прилаза елиминише ефекат зазора који се јавља само код CNC двосмерног позиционирања.
Често постављана питања
П: Зашто је 360:1 стандардни однос за CNC ротационе столове?
При брзини од 360:1, један пун обрт пужа ротира сто тачно за један степен — што олакшава очитавање угла са серво енкодера: број енкодера по степену једнак је резолуцији енкодера по обртају. Електронски преносни однос CNC контролера је 1:1, елиминишући грешке заокруживања у петљи позиционирања. Неке специјализоване примене користе 90:1 (за континуирано контурирање великом брзином) или 720:1 (за ултра-фину угаону резолуцију), али је 360:1 стандард за индексне столове опште намене јер пружа најбољи баланс између угаоне резолуције, излазне брзине и механичке ефикасности.
П: Како топлота обраде утиче на тачност пара пужних зупчаника?
Машинска обрада генерише топлоту која тече од обратка и вретена до тела стола, повећавајући температуру стола за 5 до 20 степени Целзијуса током продужених циклуса сечења. Овај термички раст шири пречник точка и помера растојање између центара — повећавајући зазор за отприлике 2 до 5 лучних секунди на сваких 10 степени Целзијуса пораста. Код претходно напрегнутих парова, термичко ширење може појачати претходно напрезање (смањењем ефикасности и повећањем оптерећења мотора) или га олабавити (повећањем зазора) у зависности од тога да ли се точак или кућиште више шире. Опружни подељени точкови се сами компензују за термички раст; дуплекс парови са подешавањем подлошка нису — захтевају термичку стабилизацију (циклус загревања пре прецизне обраде) или активну термичку компензацију у CNC контролеру. За ваздухопловну машинску обраду са захтевима од плус или минус 8 лучних секунди, циклус загревања од 30 минута је стандардна пракса пре сечења првог обратка.
П: Како се спречава улазак расхладне течности за резање у кућиште пужног зупчаника?
ЦНЦ обрада користи расхладну течност под високим притиском (10 до 70 бара) која преплављује радну зону и прска по ротационом столу. Три стратегије заптивања штите пар пужних зупчаника: лавиринтско заптивање на споју тела стола и кућишта (бесконтактно, без хабања); позитивно прочишћавање ваздухом (компримовани ваздух од 0,1 до 0,3 бара континуирано дува напоље кроз лавиринт, спречавајући продор расхладне течности); и одводни канали који усмеравају било коју расхладну течност која пролази кроз лавиринт даље од кућишта зупчаника пре него што дође до уљног заптивача. Премиум ЦНЦ столови користе све три. Ако расхладна течност уђе у систем уља, она емулгује уље вретена и изазива убрзано хабање контактних површина пужа и точка — мерљиво као повећање зазора од 5 до 10 лучних секунди у року од 6 месеци. Редовна анализа уља (садржај воде испод 0,05 процената) прати ефикасност заптивања.
П: Који је типичан век трајања пужног зупчаника ротационог стола код ЦНЦ машине?
ЦНЦ ротациони столови у производним окружењима обично раде 2.000 до 4.000 сати годишње са повременим радом индексирања. Век трајања бронзаног точка је 5 до 10 година за општу машинску обраду (челик и алуминијум) и 3 до 6 година за тешку ваздухопловну машинску обраду (титанијум, инконел — веће силе резања производе већи контактни напон на зубима пужног зупчаника). Челични пуж траје 10 до 20 година. Фактор који ограничава век трајања је раст зазора изван прихватљиве толеранције обраде — прати се годишњом верификацијом тачности помоћу ласерског интерферометра или прецизног полигона. Планирајте замену точка када зазор премаши двоструку вредност оригиналне претходно учитане вредности (нпр. замените када оригинал од 6 лучних секунди порасте на 12 лучних секунди).
П: Да ли обртни мотор са директним погоном може да замени пужни зупчаник у ЦНЦ ротационим столовима?
Мотори обртног момента са директним погоном (ДДТ) користе се у великој брзини са 5 оса где је потребна континуирана брзина контурирања изнад 50 о/мин. ДДТ у потпуности елиминише проблем зазора јер нема зупчаног преноса. Међутим, ДДТ-у недостаје самоблокирање — потребна је посебна хидраулична стезаљка за држање стола током сечења, што додаје трошкове и сложеност. ДДТ такође има мању густину обртног момента од пужног пара зупчаника при малој брзини — ДДТ сто од 400 мм кошта 3 до 5 пута више од еквивалентног стола са пужним зупчаником. За већину производне ЦНЦ обраде (индексирање плус контурирање умереном брзином испод 30 о/мин), пужни пар зупчаника остаје исплативији од ДДТ-а. ДДТ је пожељнији само за брзу континуирану 5-осну обраду сложених површина слободног облика где брзина контурирања прелази практичну границу пужног пара зупчаника.
Парови пужних зупчаника ротационих столова са ЦНЦ машином раде на највишем нивоу прецизности од свих примена у овој серији од 30 чланака — зазор испод 10 лучних секунди, DIN класа тачности од 3 до 5 и грешке позиционирања мерене у једноцифреним микронима на тачки сечења обратка. Табела грешака зазора у односу на положај (e = R × B / 3,438) квантификује зашто стандардни индустријски парови пужних зупчаника не могу да послуже за ЦНЦ индексирање: при типичном радијусу обратка, чак 1 лучни минут зазора превазилази толеранције ЦНЦ обраде за фактор 2 до 3. Преднапрегнути механизми против зазора (опружни подељени точак за лаке услове рада, дуплекс подешен подлошцима за тешке услове рада) су обавезни за производне ЦНЦ столове. Однос 360:1 је стандард јер обезбеђује целобројну угаону резолуцију од серво енкодера. За произвођаче машина алатки који специфицирају парове пужних зупчаника ротационих столова, кључни параметри су зазор (у лучним секундама, а не лучним минутима), DIN класа тачности, метод преднапрезања и стратегија заптивања расхладне течности.
За произвођаче CNC алатних машина и произвођаче ротационих столова, наш инжењерски сто обезбеђује прецизне парове пужних зупчаника DIN класе од 3 до 6 са претходно оптерећеним конфигурацијама против зазора. Стандардни каталог прецизни пужни зупчаници Укључите односе 360:1 и 40:1 од пречника точка од 80 до 280 мм са опцијама за подељени точак и дуплекс. Пошаљите спецификацију погона ЦНЦ стола са пречником стола, тачношћу позиционирања (лучне секунде), максималним радијусом обратка, силом резања и врстом расхладне течности.
Одређивање парова пужних зупчаника за CNC ротационе столове?
Пошаљите пречник стола, потребну тачност (лучне секунде), максимални радијус обратка и силу резања, врсту расхладне течности и да ли вам је потребно преднапрезање са подељеним точком или двоструко. Израчунаћемо грешку положаја на радијусу вашег обратка и препоручити DIN класу и спецификацију преднапрезања.
Уредник: Cxm
