FRÉZOVACÍ ZAŘÍZENÍ IFVW122 SVOČ – FST 2016 Bc. Marcel

FRÉZOVACÍ ZAŘÍZENÍ IFVW122
SVOČ – FST 2016
Bc. Marcel Švagr
Kamýk nad Vltavou
Kamýk nad Vltavou 230, 262 63
Česká republika
ABSTRAKT
Tato práce se zabývá konstrukčním návrhem frézovacího zařízení IFVW122 pro frézovací věž FS7 určenou k montáži
na soustruh SR3 a větších. Zadávající firmou je ŠKODA MACHINE TOOL a. s. Řešení obsahuje návrh variant všech
pohonů včetně jejich převodových prvků a uložení vřetene. Výběr z těchto variant a následné detailní zpracování
vybrané verze. V práci byly provedeny výpočty potřebné k návrhu motorů (pro hlavní řezný pohyb, pro otáčení
„kývání“), převodových prvků (hřídele, ložiska, ozubená soukolí) a vřetene. Zpracování prostorového uspořádání a
návrh skříně byly vytvořeny pomocí 3D softwaru Unigraphics 10, ve kterém byla následně provedena pevností, tuhostí
a modální analýza skříně.
KLÍČOVÁ SLOVA
Frézovací věž, frézovací zařízení, frézovací hlava, uložení vřetene, vřeteno
ÚVOD
Cílem této práce je konstrukční návrh frézovacího zařízení IFVW122 pro frézovací věž FS7, návrhové výpočty,
vytvoření 3D modelu a vybrané 2D dokumentace. Jedná se tedy o konstrukční návrh frézovacího zařízení pro frézovací
věž FS7 určenou k montáži na soustruh SR3 a větších (FS7 a SR3 jsou konkrétní označení pro frézovací věž a soustruh
zadávající firmy ŠKODA MACHINE TOOL a.s.).
V práci je zprvu představena zadavatelská firma. Dále je uvedena problematika frézovacích zařízení, jejich
zařazení do systému výrobních strojů, a popis jejich funkčních částí. V hlavní části práce je podrobně rozpracovaný
konstrukční návrh frézovací hlavy. Návrh je rozdělen do několika kapitol, první se zabývá výběrem vhodné varianty
kinematického uspořádání celku.
Stěžejním návrhovým uzlem je řešení vřetene, tedy jeho uložení a kinematika přenesu krouticího momentu
z motoru na vřeteno. Tento uzel obsahuje návrh hlavního motoru, přídavné dvoustupňové převodovky, prvků
přenášejících krouticí moment (hřídele, kuželová ozubení, pera a ložiska) a samotné vřeteno.
V další části je řešen pohon a kinematika natáčení (kývání) vřetenové skříně (pohyblivé skříně). Tedy návrh
ozubených kol, jejich uložení a způsob přenesení řezných sil z nástroje do pevné skříně. Po návrhu všech přenosových
částí následuje kapitola zabývající se kontrolou všech těchto částí.
Dále je zpracován způsob přívodů pracovních medií (procesní kapalina a tlaková kapalina). Na závěr je
provedena pevností, tuhostní a modální analýza pevné skříně v kontrakci s pohyblivou skříní.
Zadávající organizace
Firma ŠKODA byla založena roku 1859 a již koncem 19. století zaujala významné postavení mezi evropskými
strojírenskými závody. Po první světové válce zvyšování podílu vývozu a potřeby nových, často unikátních obráběcích
strojů vedlo ke vzniku nového výrobního oboru – konstrukce a výroba obráběcích strojů. Během 2. světové války byl
tento obor potlačen do ústraní.[1]
Výrobní program obohacený moderními prvky byl obnoven po roce 1945. Stroje vyrobené po druhé světové
válce se řadily mezi světovou špičku, vyznačovali se vysokými řeznými parametry a unifikací dílů, jako například řada
horizontek: W160, W200, W250.[1]
V 90. letech 20. století byla firma privatizována, vznikl podnik ŠKODA MACHINE TOOL-DÖRRIES
SCHARMANN GROUP, s.r.o. a byl zahájen vývoj řady nových soustruhů. V roce 2005 byl téměř celý podíl podniku
prodán společnosti TELONIA TRADING LIMITED ze skupiny SIG a o rok později se z firmy stala akciový
společnost. Poslední událostí v ŠMT a.s. byl vstup do skupiny ALTA, která je jednou z největších skupin strojírenství a
engineeringu ve střední a východní Evropě.[1] [2]
Nynější výrobní program společnosti se zabývá těžkými horizontálními frézovacími a vyvrtávacími stroji
HCW doplněné lehčí řadou FCW. Ale také příslušenstvím k těmto strojů, jako jsou otočné stoly TDV a řada růžných
frézovacích, vyvrtávacích a brousících hlav atd. V oboru těžkých soustruhů se věnuje nové řadě s označením SR.
Všechny výrobky jsou koncipovány jako modulární stavebnicové řady s možností reagovat na požadavky zákazníků.[3]
Frézovací zařízení
Zvyšují flexibilitu a technologické možnosti stroje. Používají se jako přídavná zařízení k růžným strojům, v případě
použití na soustruhu se připevňují na čelní desku frézovací věže, která se umisťuje na support viz Obr. 1. Využitím
frézovacích zařízení na soustruhu dochází ke snižování výrobních časů, především mezioperačních, a zvýšení přesnosti
výroby, podloženou možností vyhotovit požadovaný tvar obrobku na jedno upnutí. Například tvorba drážek
rovnoběžných s osou rotace obrobku, růžných zápichů, zarovnání, popřípadě opracování vnitřních ploch u velkých
součástí.
Obr. 1 - Umístění frézovacího zařízení na soustruhu
ZADÁNÍ
Parametry zadané společností ŠKODA MACHINE TOOL a.s., podle kterých byl proveden návrh frézovacího zařízení.

Výkon 51kW

Maximální moment na vřetenu 2000Nm

Maximální otáčky vřetene 2000ot/min

Otáčení kolem osy B ±100°

Možnost zpevnění pozice vřetene v jakékoliv poloze (ne indexovaní)

Rychlost otáčení kolem osy B cca 5ot/min
Obr. 2 - Pohled na fréz. hlavu shora
KONSTRUKČNÍ NÁVRH
Výběr kinematického schémata
Obr. 3 - Varianta I - kinematické schéma
Obr. 4 - Varianta II - kinematické schéma
První provedení, tedy Varianta I (Obr. 4), je
charakterizována tím, že má osu vřete shodnou s osu
hlavního pohonu. K přenosu krouticího momentu od
motoru na vřeteno se využívá dvou kuželových
ozubený soukolí a jednoho čelního soukolí s přímými
zuby. Pohyb otáčení (kývání ) zajišťuje dvojice motorů
(master slave) zabírajích přes kuzelové kolo do
kuželového věnce umístěného na pohyblivé skříni
vřetene. Toto řešení je prostorově nejméně výhodné.
Druhá varianta (Obr. 5) je oproti první
změnená jak v pozici hlavního pohonu tak pohonu
otáčení. V podstatě jsou prohozeny, hlavní pohon je
napojen přes dvě kuželová soukolí k vřetenu zeshora.
Mastr-slave využívá k přenosu krouticího momentu dvě
hřídele, pro každý motor jednu, na kterých je z jedné
strany napojeno kuželové ozubené kolo a na druhé
střaně čelní ozubené kolo, které zabírá do věnce, který
je upevněn na pohyblivé skříni vřetene.
U třetího porovedení (Obr. 6) bylo
upuštěno od myšlenky mít osy pohonů rovnoběžné
s osou vřetene. Tím bylo umožněno vypustit
v pohonu otáčení (kývání) kuželové ozubené
soukolí. Mechanismu se zjednuduřil pouze na čelní
ozubené soukolí, kde věnec je spojen s pohyblivou
skříní vřetene a do něj zabírají dva pastorky,
umístěné přímo na výstupních hřídelích
servomotorů. Hlavní pohon a přenos krouticího
momentu zůstal totožně situaovaný jako
v předchozí variantě. Tato varianta byla zvolena
jako výchozí pro další zpracovávání, kvůli
výhodnému prostorovému uspořádání a úspoře
jednoho (respektive dvou) kuželového soukolí.
Obr. 5 - Varianta III - kinematické schéma
Návrh vřetene
Pro návrh vřetene je zapotřebí zvolit hlavní pohon, přídavnou převodovku a navrhnout převodové prvky přenášející
krouticí moment na vřeteno. Přídavná převodovka a hlavní pohon byly voleny podle potřebných otáček na vřetenu
2000ot/min, požadovaného momentu 2000Nm a výkonu 51kW. Byla zvolena dvoustupňová přídavná převodovka
s prvním převodem 1:1 a druhým 1:5 od firmy ZF. Připadaly v úvahu dvě provedení přídavné převodovky a to 2k450 a
2k600. Po vyjádření výrobce byl uvažován typ 2k450 i přesto, že nevyhovuje přenášenému výkonu nominální
hodnotou, což podle výrobce není problém, pokud splňuje hodnotu momentu a otáček. Tato záležitost byla řešena
hlavně z finančních důvodů, kdy nižší řada tedy 2k450 je přibližně o 50 000Kč levnější než typ 2k600.
Obr. 6 - Ilustrační zobrazení dvoustupňových převodovek ZF [3]
Hlavní pohon byl zvolem od firmy SIEMENS.
Tabulka 1 - Tabulka parametrů hlavního pohonu
Obr. 7 - Ilustrační obrázek hlavního
pohonu 1PH8
Mechanismus přenosu krouticího momentu od hlavního pohonu na
vřeteno je znázorněn na Obr. 9. Použité přenosové prvky:
 4 x ozubené kuželové kolo
• Ozubení Klingelnberg
• Počet zubů 34
• Úhel sklonu zubů 30°
• Normálový modul 5mm
• Šířka 46mm
 4 x ložisko
• Kuželíkové
• SKF 33016/Q (d=80mm, D=125mm, B=36mm)
 2 x hřídel
Obr. 8 - Kinematika přenosu krouticího
momentu z hlavního pohonu na vřeteno
Zatěžovací stav
1.
2.
3.
4.
Návrh byl proveden v programu KISSsys. Pro výpočet bylo uvažováno
zatěžovací spektrum Tabulka 2.
Otáčky [min-1]
200/245
300
300
2000
Moment [Nm]
2000/2338
1000
-1000
100
Využití [%]
30
20
20
30
Součet
Využití [hod]
2400
1600
1600
2400
8000
Tabulka 2 - Zatěžovací spektrum
Dále byla zvolena fréza, podle průměru vycházejícího z výpočtu (1) a k ní příslušný adaptér. Pro zátěžné stavy 1-3 byla
zvolena stejná fréza o průměru D=160mm Obr. 10 a pro 4. zátěžný stav fréza o průměru D=20 Obr. 11.
𝐷=
𝑣
𝜋∙𝑛
(1)
Kde v je řezná rychlost, pro návrh byla uvažována hodnota v=100m/s a n otáčky.
Obr. 9 - Fréza CoroMill 490 Dc=160mm
Obr. 10 - Fréza CoroMill 490
Dc=20mm
Po zvolení uvedených náležitostí (motor, přídavná převodovka, frézy s adaptéry a navržení převodového mechanismu)
jsou známé všechny údaje, které jsou potřebné pro návrh vřetene a jeho uložení. U vřetene byly uvažovány tři různé
varianty. Všechny byly spočtené a kontrolované v prostředí KISSsoft. Pro výpočty bylo použito zatěžovací spektrum
uvedené v Tabulce 2.
První varianta uvažuje uložení na dvou kuželíkových ložiskách SKF 32022 X/Q (d=110mm, D=170mm,
B=38mm), ložiska vyhoví z hlediska životnosti, kde přední ložisko (blíže působišti řezných sil – vlevo Obr.12) vydrží
cca 10 000 hodin a druhé ložisko 230 000 hodin. Tento rozdíl je způsoben tím, že ložisko blíže obrobku přenáší větší
podíl řezných sil. Ložiska vyhovují i z hlediska tepelné stability, kde se dovolené otáčky pro zadané stavy pohybují
okolo 2250ot/min, což je dostačující.
Obr. 11 - Vřeteno varianta I - kuželíková ložiska
Druhá varianta Obr. 13, využívá tři stejná kuličková ložiska s kosoúhlým stykem FAG B7022-E-T-P4S
(d=110mm, D=170mm, B=28mm) a jedno válečkové ložisko SKF NU 1020 ML (d=100mm, D=150mm, B=24mm).
První ložisko (nejblíže řezným silám –vlevo) podle výpočtu v KISSsoftu nevyhoví požadovaným 8000 hodin, ale jeho
životnost bude 6278 hodin. Další ložiska vydrží s velkou rezervou. Podle výrobce ložisek se dvojice stejných
kosoúhlých ložisek v provedení jak je znázorněno na Obr. 13 počítá přes náhradní ložisko, s jinou dynamickou
únosností, to poté požadovaných 8000hodin splní.
Třetí varianta je obdobná, pouze se použije druhé ložisko z leva s jiným vrcholovým úhlem, což podle
KISSsoftu rozloží lépe zatížení mezi obě ložiska a poté splní požadovanou životnost. Bohužel není jiný způsob jak
zjistit skutečnost než toto uspořádání reálně vyzkoušet, protože v praxi se nevyužívá. Z důvodu nedostatečné přesnosti
kuželíkových ložisek z první varianty a nedostatku dat, známých o využití dvojic ložisek s jinými vrcholovými úhly, je
volena varianta dvě pro další postup.
Obr. 12 - Vřeteno varianta II - dvojice ložisek s kosoúhlým stykem
Návrh otáčení (kývání)
Pro návrh bylo nutné zvolit moment otáčení, který byl stanoven na hodnotu 6000Nm
s přihlédnutím na působící řezné síly. Dále servomotory do uspořádání mastr-slave a
přídavná převodovka. Převodovka byla zvolena od společnosti WITTENSTEIN
s převodem i=100. Servomotor byl zvolen od společnosti SIEMENS se
jmenovitým momentem M=12Nm. Z toho vyplývá, že potřebný převod mezi
výstupem z převodovky a samotným otáčením vřetene je i=2,5. Vycházíme
z předpokladu, že oba motory se podílí stejně na přenášeném momentu, tedy
100x12x2,5=3000Nm pro jeden motor.
Z prostorových důvodů bylo nutno přidat do sestavy pohonu otáčení, oproti
navrženému schématu, vložené kolo (Obr. 15.) Pohyblivá skříň je uložena na dvou
ložiskách s kosoúhlým stykem.
Obr. 13 - Převodovka SP+ 210 s
připojeným motorem 1FT7
Obr. 14 - Pohled na uspořádání převodů otáčení - spodní pohled bez víka
CELKOVÉ USPOŘÁDÁNÍ
Obr. 15 - Pohled na celek frézovací hlavy
Obr. 16 - Pohled na frézovací hlavu situovanou na frézovací věži
Obr. 17 - Boční pohled na frézovací zařízení usazená na čelní desce frézovací věže i s připojeným hlavním motorem
Obr. 18 - Řez frézovacím zařízením
ZÁVĚR
V této zprávě nejsou uvedeny výsledky pevnostní, deformační a modální analýzy, které ovšem byly vyhotoveny a
budou prezentovány. Je to z důvodu nedostatku prostoru pro jejich uvedení, a také protože výsledky jsou závislé na
barevném spektru, které by nebylo možné reprezentativně zobrazit ve stupních šedi.
Další část, která zde není uvedena, je unášecí pouzdro v čelní desce frézovací hlavy, které slouží jako
propojovací prvek mezi hlavním motorem a hřídelí kinematiky přenášející krouticí moment na vřeteno. Je navrženo tak,
aby mohla být připojená i jiná zařízení, pokud budou mít stejné drážkování na připojovací hřídeli, popřípadě i jiný
hlavní motor, ale pouze v případě, že nepřekročí moment, na který je pouzdro navrženo. Dále byl vyřešen přívod
pracovních kapalin středem vřetene na nástroj.
V práci byl úspěšně navržen, namodelován a následně výpočetně prověřen nový typ frézovacího zařízení
určeného jako přídavné příslušenství pro frézovací věž umisťovanou na soustruh. Detailně byl rozpracován návrh
vřetene, které je nejdůležitější částí frézovací hlavy. Tento návrh byl zhruba nastíněn i v této zprávě.
ZDROJE
[1] WWW stránky ŠMT [online]: http://www.skodamt.com/spolecnost/historie/
[2] WWW stránky ALTA [online]: http://www.alta.cz/
[3] Katalog ZF dostupný online na: http://www.docin.com/p-208719386.html
[4] Katalog SIEMENS dostupný online na:
http://stest1.etnetera.cz/ad/current/content/data_files/katalogy/pm21/cat_pm_21_2013_en.pdf