3.12 upínání obrobků

3.12
UPÍNÁNÍ OBROBKŮ
Soustava stroj – nástroj – obrobek je typická trojice používaná k popisu toho,
jak je vše ve výrobní technice provázané. Protože teorie pole dosud není
„řádně odladěna“, stále potřebujeme prostředky, které budou obrobek vůči
nástroji a stroji fyzicky držet v požadované poloze, tedy upínače, přípravky
a další více či méně sofistikované či důmyslné prvky, které slouží k upínání
obrobků.
V samostatné kapitole jsme se věnovali
automatické výměně obrobků – tedy technickým prostředkům a principům, jak co
nejrychleji a nejpřesněji obrobek dostat do
a z pracovního prostoru obráběcího stroje. V této kapitole se budeme zabývat technickými prostředky, které obrobek drží na
místě, jež mu stanovil technolog, konstruktér při návrhu přípravku a ve chvíli před
započetím obrábění obsluha stroje či manipulační zařízení.
Z mnoha důvodů není možné upnutí obrobků ze soustavy stroj – nástroj – obrobek vyloučit. Je zřejmé, že je nedílnou součástí výroby, a za tím, jak obrobek vhodně
upnout, je mnohdy ukryto velké know-how
(obr. 3.12.1). Samozřejmé je kvalitní upnutí obrobku, aby bylo možné jej obrobit na
„horším“ stroji. Praxe potvrzuje, že podce-
Malý
Velký
nění upnutí obrobku vede k jeho nesprávnému obrobení i na sebelepším stroji. Upínání obrobků je mnohdy v ústraní designérsky
vyvedených a naleštěných strojů, které oslňují velkým instalovaným výkonem či otáčkami vřeten. Nikterak nápadného přípravku si všimne pouze vyznavač soustavy stroj
– nástroj – obrobek – upínač.
Pro domácí vrtání díry do sloupku na plot
není potřeba mnoha znalostí, jak obrobek
uchytit. V kusové výrobě jsou upřednostňovány osvědčené postupy a univerzální upínací prostředky. V malosériové a hromadné
výrobě jsou používána více či méně složitá
upínací zařízení. Na univerzálních strojích
v produkční výrobě se používají upínací přípravky, které mohou být mechanické nebo v kombinaci s hydraulicky ovládanými
funkcemi, pro jednu součást nebo třeba pro
Univerzální
Jednoúčelový
Stavebnicový
Vyráběný na míru
Tyčový, deskový,
skříňový
Kusová, sériová
hromadná výroba
Rotační
Nerotační
Upnutí ruční,
hydraulické atd.
Tlustostěnný
Tenkostěnný
Výrobní (třísková)
technologie
Materiál
obrobku
Možnost poškození
upínací ploch
Obrobek,
upnutí obrobků
Přesnost
ustavení
Kontrolní funkce
(upnutí atd.) upínače
Přesnost
a jakost obrobení
Odvod třísek,
čištění
Jakost
a stav polotovaru
Použité
chlazení
Polotovar
(ne)zohledňuje
upínání
Orientace vůči
gravitaci Země
Obr. 3.12.1: Faktory ovlivňující upínání obrobků
332 | MM Průmyslové spektrum | Speciál | 2014
Orientace svislá,
vodorovná, jiná
osm obráběných součástí na jedno upnutí,
a například musí umožňovat napojení na
automatickou výměnu obrobků. V případě
jednoúčelových strojů bývá upínač obrobku
integrální součástí stroje.
Obr. 3.12.2: Podíl četnosti a pracnosti
součástí obráběných třískovými technologiemi
Na obrázku 3.12.2 je zachycen procentuální poměr množství obráběných rotačních a nerotačních součástí a poměr
pracnosti výroby rotačních a nerotačních
součástí [Borský 1992b]. Toto rozdělení je
základem členění obráběcích center a má
faktický vliv na upínání obrobků. V následujícím textu se budeme věnovat upínání těchto dvou základních skupin obrobků
pomocí univerzálních prostředků i upínacím přípravkům vyráběným na míru dané
součásti. Základní požadavky na upnutí
obrobku, a už pomocí univerzálních upínacích prostředků, nebo pomocí speciálních upínacích přípravků:
• upnutí obrobku respektuje prováděné
technologické operace;
• upínací prvky nesmí vadit nástrojům;
• upínacích prvků musí být co nejméně;
• aplikovat mezioperační uvolnění
či přepnutí obrobku, jestliže obrábění
uvolňuje vnitřní pnutí v obrobku;
• upínání a uvolňování obrobku musí být
možné v co nejkratším čase;
• upínací plochy a prvky, dorazy jsou
pro větší mechanickou odolnost kalené;
• lze využívat samosvornost
(navržení řešení musí být bezpečné);
• upnutí musí být tuhé a přesné;
• upínací a dosedací prvky musí
co nejméně zachytávat třísky;
• řezné síly by měly být zachytávány
pevnými opěrnými plochami;
• upínací prvky musí být jednoduše
obsluhovatelné bez potřeby speciálního
nářadí;
• rotující přípravky spolu s obrobkem
musí být dynamicky vyvážené;
Upínání obrobků
• upínání pomocí hydraulických atd.
obvodů musí obsahovat kontrolní
a bezpečnostní prvky;
• samotné upnutí, upínací prvky
a přípravky musí být bezpečné
(bezpečnost práce).
Použitá technologie upínání obrobku na
stroji vychází z požadavků na jeho opracování, tj. jak přesně, s jakou jakostí povrchu,
jak rychle atd. Návrh a realizace upínání
obrobků pomocí univerzálních ustavovacích a upínacích prvků je následující:
• návrh ustavení obrobku vůči stroji
(výška nad upínacím stolem, potřebné
podložení, rozmístění ustavovacích
prvků na stroji atd.);
• výpočet základních parametrů upínání
(potřebné síly, utahovací momenty atd.);
• návrh řešení spojení obrobku se strojem
(volba upínek, utahovacích šroubů,
jejich rozmístění atd.);
• technický popis, technická dokumentace,
pracovní předpis (závisí na zvyklostech
firmy, interních procesech, složitosti
navrženého řešení, zda se musí nějaké
části dokoupit a podobně).
Konstrukce a realizace na míru vyráběného upínače (přípravku) je velmi podobná (obr. 3.12.1). Konstrukční řešení takového upínače musí zohlednit jak spojení
obrobku s upínačem, tak spojení upínače
se strojem. Realizace na míru vyráběného
upínače je o to komplikovanější, o co víc je
tvarově složitá součástka a o co větší podíl
automatizace a mechanizace je do upínače zapracován.
Obráběcí síly vznikající při obrábění,
zrychlující síly a gravitační sílu musí upínač spolehlivě zachytit. Výpočty pro stanovení upínacích a reakčních sil je možné
Obr. 3.12.3: Výpočet přípravku pomocí metody
konečných prvků [Toshulin]
Obr. 3.12.4: Kleštinové upínání za vnější
povrch obrobku KZZT-A [Röhm]
Obr. 3.12.5: Kleštinové upínání za otvor
v obrobku ABSIS [Röhm]
Obr. 3.12.6:
Ob
3 12 6 Upínání
U í á í obrobků
b bků prostřednictvím
ř d i í speciálních
iál í h talířových
líř ý h pružin
ži [Ringspann]
[Ri
]
v obou případech realizovat analyticky za
využití všech výhod, které analytické metody nabízejí (rychlost, názornost a další).
I do konstrukce upínacích přípravků pronikla metoda konečných prvků, jež pomáhá při kontrole tvarově složitých přípravků
(obr. 3.12.3).
Upínání rotačních obrobků
Základními zařízeními, která slouží k upnutí
rotačních obrobků a obrobků, na kterých
se realizují soustružnické operace, jsou:
• lícní desky;
• kleštinové upínače pro vnitřní a vnější
upínání (obr. 3.12.4 až 3.12.6);
• upínací desky se svěráky na povrchu nebo svěráky zapuštěnými;
• čelisová sklíčidla:
– se spirálovým mechanizmem
(obr. 3.12.7);
– s klínovým mechanizmem;
– s pákovým mechanizmem
a vyvažováním (obr. 3.12.8);
• jiná a speciální (obr. 3.12.10 a 3.12.11).
Lícní desky a desky se svěráky jsou konstrukčně a výrobně nejjednodušší upínací prostředky vhodné pro kusovou výrobu. Funkce kleštinového upínání je zřejmá
z přiložených obrázků. Alternativou je upínání obrobků pomocí speciálních talířových pružin. Jejich relativně malým axiálním zmáčknutím je vyvozena značná
radiální síla.
Nejčastějším univerzálním prostředkem
upínání rotačních obrobků jsou sklíčidla. Primárně jsou určena pro horizontální a vertikální soustružnické stroje. Spousta firem
vyrábějících soustružnická centra je schopna si navrhovat a vyrábět sklíčidla sama.
Firmy specializované na soustružnická sklíčidla, kleštiny atd. nabízí sklíčidla ve standardním provedení a vedle nich velmi propracovaná technická řešení pro specifické
obory (výroba ložisek, železničních kol, ...).
Ve výrobním programu mají sklíčidla průměr od desítek centimetrů až po několik
metrů. Samostředicí sklíčidla se spirálovým
mechanizmem jsou normalizována podle
2014 | Speciál | MM Průmyslové spektrum | 333
3.12
UPÍNÁNÍ OBROBKŮ
Obr. 3.12.7: Samostředicí sklíčidlo se spirálovým mechanizmem
[TOS Svitavy]
Obr. 3.12.8: Sklíčidlo s pákovým mechanizmem a vyvažováním
odstředivých sil [Forkardt]
Obr. 3.12.9:
Ob
3 12 9 Zá
Závislost
il
upínací
í
í síly
íl na otáčkách
áčká h sklíčidla
klíčidl s vyvažováním
ž á í [SMW Autoblok]
A bl k]
Obr. 3.12.10: Čelisové sklíčidlo segmentové
[Röhm]
Obr. 3.12.11: Stlačeným vzduchem ovládané
čelisové sklíčidlo [Röhm]
Obr. 3
3.12.12:
Ob
12 12 SSamostředicí
ř d í sklíčidlo
klíč dl typu 2+2
2 2 pro nerotační
č í obrobky
b bk [HWR Spanntechnik]
S
h k]
334 | MM Průmyslové spektrum | Speciál | 2014
normy DIN 6350 a DIN 6351. Na obrázku
3.12.7 je disk se spirálou obarven zeleně.
Samostředicí sklíčidla typu 2+2 s klínovým mechanizmem a vloženým ozubeným převodem používá firma Toshulin jako standardní výbavu stroje, který má být
vybaven strojním upínáním obrobků. Vyvažování upínací síly je nezbytné u sklíčidel, která se otáčí vysokými otáčkami. Vliv
na upínací sílu popisuje graf na obrázku
3.12.9. Na jedné straně pákového mechanizmu (2) je čelist (1), na opačné straně páky je protizávaží (3). Sklíčidla se samostatně
stavitelnými čelistmi jsou vybavena svěráky,
přičemž každý ze svěráků je vlastním šroubem (nebo šroubem s násobičem upínací síly) připojen k tělesu sklíčidla. Rozhraní mezi
sklíčidlem a vřetenem nejčastěji tvoří strmý
kužel. Spojení vřeten se sklíčidlem normalizuje řada norem, např. DIN 55022, DIN
55027, ISO 702 a další.
Příklad inovativního konstrukčního provedení tříčelisového sklíčidla je na obrázku 3.12.10. Segmenty s drážkováním
(cihlová barva) jsou spojeny unášečem
(modrá barva). Dalším příkladem speciálního sklíčidla je výrobek firmy Röhm –
sklíčidlo ovládané stlačeným vzduchem
a určené do plynárenského a petrochemického průmyslu (obr. 3.12.11). K pístu
a kuželové pístnici (žlutě a zeleně zvýrazněné) je přiváděn tlakový vzduch. Při pohybu pístnice klínová drážka na čelistech
způsobuje jejich radiální pohyb.
Čtyřčelisové samostředicí sklíčidlo z obrázku 3.12.12 má obdobné vlastnosti jako tříčelisové sklíčidlo pro upínání rotač-