Princíp činnosti vretenového nástroja – uvoľňovanie a upínanie v CNC obrábacích centrách
Abstrakt: Tento článok podrobne rozoberá základnú štruktúru a princíp fungovania mechanizmu uvoľňovania a upínania vretenového nástroja v CNC obrábacích centrách vrátane zloženia rôznych komponentov, pracovného procesu a kľúčových parametrov. Jeho cieľom je hlbšie analyzovať vnútorný mechanizmus tejto kľúčovej funkcie, poskytnúť teoretické referencie pre príslušný technický personál, pomôcť im lepšie pochopiť a udržiavať vretenový systém CNC obrábacích centier a zabezpečiť vysokú účinnosť a presnosť obrábacieho procesu.
I. Úvod
Funkcia uvoľňovania a upnutia nástrojov vretena v obrábacích centrách je dôležitým základom pre CNC obrábacie centrá na dosiahnutie automatizovaného obrábania. Hoci existujú určité rozdiely v štruktúre a princípe fungovania medzi rôznymi modelmi, základný rámec je podobný. Hĺbkový výskum princípu fungovania má veľký význam pre zlepšenie výkonu obrábacích centier, zabezpečenie kvality obrábania a optimalizáciu údržby zariadení.
II. Základná štruktúra
Mechanizmus uvoľňovania a upnutia nástroja vretena v CNC obrábacích centrách pozostáva hlavne z nasledujúcich komponentov:
- Ťahový čap: Je nainštalovaný na konci kužeľovej stopky nástroja a je kľúčovým spojovacím prvkom pre ťažnú tyč, ktorý uťahuje nástroj. Spolupracuje s oceľovými guľôčkami na hlave ťažnej tyče na dosiahnutie polohy a upnutia nástroja.
- Ťahová tyč: Prostredníctvom interakcie s ťažným čapom pomocou oceľových guličiek prenáša ťahové a axiálne sily na realizáciu upínacích a uvoľňovacích činností nástroja. Jej pohyb je riadený piestom a pružinami.
- Kladka: Zvyčajne slúži ako medziľahlý komponent na prenos sily v mechanizme uvoľňovania a upínania nástrojov vretena a môže byť zapojená do prevodových článkov, ktoré poháňajú pohyb súvisiacich komponentov. Môže byť napríklad pripojená k hydraulickému systému alebo iným pohonným zariadeniam na pohon pohybu komponentov, ako je piest.
- Pružina Belleville: Skladá sa z viacerých párov pružných listov a je kľúčovým komponentom pre generovanie napínacej sily nástroja. Jej silná elastická sila dokáže zabezpečiť, aby bol nástroj počas obrábania stabilne upevnený v kužeľovom otvore vretena, čím sa zaručuje presnosť obrábania.
- Poistná matica: Používa sa na upevnenie komponentov, ako je napríklad pružina Belleville, aby sa zabránilo ich uvoľneniu počas pracovného procesu a aby sa zabezpečila stabilita a spoľahlivosť celého mechanizmu uvoľňovania a upínania nástrojov.
- Nastavovacia podložka: Brúsením nastavovacej podložky je možné presne regulovať kontaktný stav medzi ťažnou tyčou a ťažným čapom na konci zdvihu piesta, čím sa zabezpečí plynulé uvoľňovanie a uťahovanie nástroja. Zohráva kľúčovú úlohu v presnom nastavení celého mechanizmu uvoľňovania a upínania nástroja.
- Pružina: Zohráva úlohu v procese uvoľňovania nástroja a pomáha pri pohybe piestu. Napríklad, keď sa piest pohybuje smerom nadol, aby zatlačil na ťažnú tyč a uvoľnil nástroj, pružina poskytuje určitú elastickú silu, ktorá zabezpečuje plynulosť a spoľahlivosť pohybu.
- Piest: Je to výkonný prvok v mechanizme uvoľňovania a upínania nástrojov. Poháňaný hydraulickým tlakom sa pohybuje hore a dole a potom poháňa ťažnú tyč, čím sa vykonáva upínanie a uvoľňovanie nástroja. Presné ovládanie jeho zdvihu a tlaku je kľúčové pre celý proces uvoľňovania a upínania nástroja.
- Koncové spínače 9 a 10: Slúžia na vysielanie signálov na upnutie a uvoľnenie nástroja. Tieto signály sa privádzajú späť do CNC systému, aby systém mohol presne riadiť proces obrábania, zabezpečiť koordinovaný priebeh každého procesu a zabrániť nehodám pri obrábaní spôsobeným nesprávnym odhadom stavu upnutia nástroja.
- Kladka: Podobne ako kladka uvedená v bode 3 vyššie, aj táto kladka sa podieľa na prenosovom systéme, aby zabezpečila stabilný prenos výkonu a umožnila všetkým komponentom mechanizmu uvoľňovania a upínania nástrojov spolupracovať podľa vopred určeného programu.
- Koncový kryt: Zohráva úlohu ochrany a utesnenia vnútornej štruktúry vretena, čím zabraňuje vniknutiu nečistôt, ako sú prach a triesky, do vnútra vretena a ovplyvňuje normálnu činnosť mechanizmu uvoľňovania a upínania nástrojov. Zároveň poskytuje relatívne stabilné pracovné prostredie pre vnútorné komponenty.
- Nastavovacia skrutka: Môže sa použiť na jemné nastavenie polôh alebo vôlí niektorých komponentov, aby sa ďalej optimalizoval výkon mechanizmu uvoľňovania a upínania nástrojov a zabezpečilo sa, že počas dlhodobého používania si udrží vysoko presný pracovný stav.
III. Princíp fungovania
(I) Proces upnutia nástroja
Keď je obrábacie centrum v normálnom stave obrábania, na hornom konci piesta 8 nie je tlak hydraulického oleja. V tomto čase je špirálová pružina 7 v prirodzenom natiahnutom stave a jej pružná sila spôsobuje, že sa piest 8 pohybuje nahor do určitej polohy. Súčasne zohráva úlohu aj pružina Belleville 4. Vďaka svojim vlastným pružným vlastnostiam tlačí pružina Belleville 4 ťažnú tyč 2 nahor, takže 4 oceľové guľôčky na hlave ťažnej tyče 2 vstupujú do prstencovej drážky na konci ťažného čapu 1 stopky nástroja. Po zapustení oceľových guľôčok sa napínacia sila pružiny Belleville 4 prenáša na ťažný čap 1 cez ťažnú tyč 2 a oceľové guľôčky, čím sa pevne drží stopka nástroja a dosahuje sa presné polohovanie a pevné upnutie nástroja v kužeľovom otvore vretena. Táto metóda upnutia využíva silnú elastickú potenciálnu energiu pružiny Belleville a dokáže poskytnúť dostatočnú napínaciu silu, aby sa nástroj neuvoľnil pôsobením vysokorýchlostných otáčok a rezných síl, čím sa zaručuje presnosť a stabilita obrábania.
(II) Proces uvoľňovania nástrojov
Keď je potrebné vymeniť nástroj, aktivuje sa hydraulický systém a hydraulický olej vstupuje do spodného konca piesta 8, čím vytvára tlak smerom nahor. Pôsobením hydraulického tlaku piest 8 prekonáva elastickú silu vinutej pružiny 7 a začína sa pohybovať smerom nadol. Pohyb piesta 8 smerom nadol tlačí ťažnú tyč 2, aby sa synchrónne pohybovala smerom nadol. Keď sa ťažná tyč 2 pohybuje smerom nadol, oceľové guľôčky sa uvoľnia z prstencovej drážky na konci ťažného čapu 1 stopky nástroja a vstupujú do prstencovej drážky v hornej časti zadného kužeľovitého otvoru vretena. V tomto okamihu už oceľové guľôčky nemajú obmedzujúci účinok na ťažný čap 1 a nástroj sa uvoľní. Keď manipulátor vytiahne stopku nástroja z vretena, stlačený vzduch vyfúkne cez stredové otvory piesta a ťažnej tyče, aby sa vyčistili nečistoty, ako sú triesky a prach, v kužeľovitom otvore vretena a pripravil sa na ďalšiu inštaláciu nástroja.
(III) Úloha koncových spínačov
Koncové spínače 9 a 10 zohrávajú kľúčovú úlohu v spätnej väzbe signálu počas celého procesu uvoľňovania a upnutia nástroja. Keď je nástroj upnutý na mieste, zmena polohy príslušných komponentov spustí koncový spínač 9 a koncový spínač 9 okamžite odošle signál upnutia nástroja do CNC systému. Po prijatí tohto signálu CNC systém potvrdí, že nástroj je v stabilnom stave upnutia, a potom môže spustiť následné obrábacie operácie, ako je otáčanie vretena a posuv nástroja. Podobne, keď je proces uvoľňovania nástroja dokončený, aktivuje sa koncový spínač 10 a odošle signál uvoľnenia nástroja do CNC systému. V tomto okamihu môže CNC systém riadiť manipulátor na vykonanie výmeny nástroja, čím sa zabezpečí automatizácia a presnosť celého procesu výmeny nástroja.
(IV) Kľúčové parametre a body návrhu
- Napínacia sila: CNC obrábacie centrum používa celkovo 34 párov (68 kusov) pružín Belleville, ktoré dokážu generovať silnú napínaciu silu. Za normálnych okolností je napínacia sila na utiahnutie nástroja 10 kN a môže dosiahnuť maximálne 13 kN. Takáto konštrukcia napínacej sily je dostatočná na to, aby zvládla rôzne rezné sily a odstredivé sily pôsobiace na nástroj počas procesu obrábania, čím zabezpečuje stabilné upevnenie nástroja v kužeľovom otvore vretena, zabraňuje posunutiu alebo pádu nástroja počas procesu obrábania a tým zaručuje presnosť obrábania a kvalitu povrchu.
- Zdvih piestu: Pri výmene nástroja je zdvih piestu 8 12 mm. Počas tohto 12 mm zdvihu je pohyb piestu rozdelený do dvoch etáp. Najprv, po tom, čo sa piest posunie približne o 4 mm, začne tlačiť na ťažnú tyč 2, aby sa pohybovala, až kým oceľové guľôčky nevstúpia do prstencovej drážky s priemerom Φ37 mm v hornej časti kužeľovitého otvoru vretena. V tomto okamihu sa nástroj začne uvoľňovať. Následne ťažná tyč pokračuje v klesaní, až kým sa povrch „a“ ťažnej tyče nedotkne hornej časti ťažného čapu, čím sa nástroj úplne vytlačí z kužeľovitého otvoru vretena, aby manipulátor mohol nástroj plynulo vybrať. Presným ovládaním zdvihu piestu je možné presne vykonať uvoľňovanie a upínanie nástroja, čím sa predíde problémom, ako je nedostatočný alebo nadmerný zdvih, ktorý môže viesť k uvoľneniu upnutia alebo nemožnosti uvoľniť nástroj.
- Kontaktné napätie a požiadavky na materiál: Keďže 4 oceľové guľôčky, kužeľovitý povrch ťažného čapu, povrch otvoru vretena a otvory, v ktorých sa nachádzajú oceľové guľôčky, nesú počas pracovného procesu značné kontaktné napätie, kladú sa vysoké požiadavky na materiály a tvrdosť povrchu týchto častí. Aby sa zabezpečila konzistentnosť sily pôsobiacej na oceľové guľôčky, otvory, v ktorých sa nachádzajú 4 oceľové guľôčky, by mali byť prísne zabezpečené v rovnakej rovine. Tieto kľúčové časti sa zvyčajne vyrábajú z vysokopevnostných, vysoko tvrdých a opotrebovateľných materiálov a prechádzajú presným obrábaním a tepelným spracovaním, aby sa zlepšila ich povrchová tvrdosť a odolnosť proti opotrebeniu, čím sa zabezpečí, že kontaktné plochy rôznych komponentov si udržia dobrý prevádzkový stav počas dlhodobého a častého používania, čím sa zníži opotrebovanie a deformácia a predĺži sa životnosť mechanizmu uvoľňovania a upínania nástrojov.
IV. Záver
Základná štruktúra a princíp fungovania mechanizmu uvoľňovania a upínania nástrojov s vretenom v CNC obrábacích centrách tvoria komplexný a sofistikovaný systém. Jednotlivé komponenty spolupracujú a úzko koordinujú svoje činnosti. Vďaka presnému mechanickému návrhu a dômyselným mechanickým štruktúram sa dosahuje rýchle a presné upínanie a uvoľňovanie nástrojov, čo poskytuje silnú záruku efektívneho a automatizovaného obrábania na CNC obrábacích centrách. Hlboké pochopenie princípu fungovania a kľúčových technických bodov má veľký význam pre návrh, výrobu, používanie a údržbu CNC obrábacích centier. V budúcom vývoji, s neustálym pokrokom technológie CNC obrábania, sa bude mechanizmus uvoľňovania a upínania nástrojov s vretenom neustále optimalizovať a vylepšovať, smerom k vyššej presnosti, rýchlejšej rýchlosti a spoľahlivejšiemu výkonu, aby sa splnili rastúce požiadavky špičkového výrobného priemyslu.