Cum se alege o maşină-unealtă (serie nouă)(III)

Din punct de vedere tehnic şi economic este foarte avantajos să se realizeze produse, componente în serii (cât mai) mari. În acest caz preţul pe unitatea de produs scade, iar volumul mare al producţiei (numărul componentelor identice) permite analiza, cercetarea amănunţită a tuturor fazelor de realizare a produsului, faze care pot fi urmate de îmbunătăţiri permanente.

1.3 Reductoare speciale

1.3.1 Acţionarea arborilor principali

Foarte rar, în cazul mașinilor-unelte, se întâmplă ca acestea, ca și componentele acestora, să se realizeze în serii mari.

NOTA 5: Se dezvoltă tot mai mult conceptul mașinilorunelte în structură modulară, care, prin modul flexibil de agregare a componentelor, permite realizarea unor familii de mașini-unelte, utilizând un număr relativ redus de componente diferite. Astfel, poate crește mult mărimea lotului de fabricație

Ca ingineri de sistem, ca ingineri integratori, inginerii de mașini-unelte trebuie să satisfacă într-o măsură cât mai mare solicitările utilizatorilor acestora, bazându-se într-o foarte mare măsură pe produse (componente, ansambluri funcționale) prezente ,,în raft”. Aceasta înseamnă că producătorul componentelor și-a dobândit încrederea utilizatorului prin calitate, reproductibilitatea caracteristicilor etc, ceea ce l-a determinat pe utilizator să-și pro iecteze produsele apelând la „raft”.

Acest lucru mai înseamnă că industriile de sprijin (furnizoare de componente și servicii) realizează produse și servicii cu înalte calități tehnice, fiabile, la prețuri mult mai avantajoase decât dacă ar fi produse de realizatorul mașinii-unelte. În destul de multe firme de mașini-unelte una dintre cele mai extinse activități este cea de montaj, de asamblare pe elementele de structură (produse „în casă”) a componentelor, a ansamblurilor cumpărate.

Am afirmat în repetate rânduri că mașinilorunelte li se impun tot mai multe cerințe, performanțe tot mai ridicate, cu posibilități de utilizare cât mai largi, dar în condiții de funcționare lină (fără vibrații) și cu degajare minimă de căldură :28]. Nivelul de utilizare a mașinilor-unelte (durate de funcționare fără defecțiuni, parametrii de putere și de cuplu/moment, gamele/domeniile de turații și avansuri etc) trebuie să fie cât mai înalt [29]. Dilema constructorilor de mașini-unelte: turație ridicată și cuplu redus sau invers, i-a forțat pe aceștia să îmbunătățească domeniile de utilizare a mașinilor unelte, prin folosirea unor rapoarte mari de transmitere.

Durata ciclului de trecere de la o turație la alta (fie utilizând blocuri baladoare, fie cuplaje electromagnetice) a fost diminuată prin utilizarea unor motoare sincrone, cu dinamică ridicată (timpi de accelerare/decelerare de la zero la turația maximă, sau invers), caracterizate și prin nivele scăzute de vibrații și temperaturi degajate mai mici. Au fost realizate reductoare de turație care pot funcționa atât cu motoare de c.a. cât și cu cele de c.c., care pot antrena arbori principali de mașini-unelte pentru așchierea cu viteze mari (HSC). Transmisia este coaxială cu arborele principal, prin intermediul unui cuplaj flexibil de conectare la arborele principal (figura 4) [29].

Reductoarele de turație prezentate sunt disponibile pentru puteri de până la 60 kW , cu un moment de 1900 Nm și cu turații de până la 12500 rot/min, având, în funcție de tip, puteri, momente și turații la ieșire diferite și sunt prevăzute cu arbore tubular.

Reductorul planetar, compact este „activat” doar la nevoie, iar la raportul de transmitere de 1:1 el este decuplat, ceea ce diminuează foarte mult masele în mișcare de rotație. Față de acționările convenționale cu roți dințate planetare sau cilindrice aceste reductoare prezintă o serie de avantaje: timpi de accelerare/decelerare mici, randamente mai bune, creșterea temperaturii cu max. 370C față de mediu, nivel de vibrații redus (max. 1mm/s) [28].

Aceste reductoare prezintă avantaje și față de reductoarele cu curele dințate. Utilizarea ultimelor la viteze mari este, din punct de vedere tehnic și economic, dificilă. Chiar și nivelul de zgomot din funcționare îl depășește pe cel admis (exemplul din numărul trecut, la cap. 1.2).

Prin faptul că aceste reductoare asigură transmiterea unei game largi de turații, puteri și momente și datorită utilizării unui arbore tubular, ele oferă o serie de avantaje suplimentare:

•  în loc de a utiliza două mașini-unelte – una pentru regimuri grele de așchiere (degroșare), cu cuplu mare și turații mici și una pentru operații de finisare, cu turații mari și cuplu mic – întregul domeniu necesar se realizează pe o singură mașină- unealtă;
• se utilizează un motor electric mai mic (datorită scăderii valorii momentului de inerție redus la arborele motor-GD2), având mase inerțiale în mișcare de rotație mai mici și mai puține, rezultând și timpi de accelerare/decelerare mai mici;
• comasarea a două mașini-unelte într-una singură diminuează costurile de achiziție, spațiul necesar, reducând timpii și erorile de fixare a piesei (prelucrare completă într-o singură prindere –single set-up);
• se diminuează cantitatea de căldură degajată de transmisii, reducând și puterea de răcire necesară și diminuând deformațiile termice;
• permit accesul barelor de prelucrat (semifabricat) sau transportul lichidului de răcire prin arborele tubular [28;29]. În plus, față de aceste avantaje, mai avem:
• reductoarele pot fi montate atât în poziție orizontală, cât și verticală;
• ele nu au nevoie de operații de întreținere [28].

1.3.2 Acţionarea cu eliminarea jocului de întoarcere

Una din problemele majore ale mașinilorunelte, indiferent de sistemele de acționare sau de comandă, o reprezintă jocul de întoarcere – fie că este vorba de axe de deplasare liniară, fie de rotație. Până relativ recent, acest aspect a fost rezolvat prin utilizarea unor cutii de viteze sau de avans complexe (cu mulți arbori și multe roți dințate, pretensionate mecanic sau hidraulic, cu complicații constructive etc), inclusiv cu sisteme complexe de cuplare/decuplare.

Utilizarea a două motoare și a două reductoare identice este mai ieftină și mai ușor de controlat. Principiul de funcționare este prezentat în figura 5 [31], care este, pe scurt următorul:

• la operații de strunjire pe strunguri carusel (indiferent de sensul de rotire) ambele motoare acționează sincron, pinioanele fiind în contact cu coroana dințată pe același flanc;
• la frezare, sistemul funcționează cu „pre încărcare” electronică. Aceasta se realizează astfel: unul dintre motoare „trage”, iar celălalt „frânează” cu o valoare de cca. 5% din valoarea momentului nominal. La inversarea sensului de rotire, motoarele (acționate în sistem „master-slave”) își inversează rolurile. Pinioanele sunt în contact cu coroana acționată pe flancuri opuse.

La strunguri grele, care necesită motoare de până la 160-250 kW, acest sistem utilizează două motoare de câte 80 kW, mult mai uzuale și, împreună, costă mai puțin decât motorul mare. Se înlocuiesc cele două cutii de viteze – una pentru strunjire și una pentru frezare (axă C). Noile cutii de viteze (reductoare), sunt mult mai compacte, au mecanisme de schimbare a turației mai fiabile și sisteme de lubrifiere noi. Sistemul este gata de a fi montat pe mașină. Se oferă sisteme cu motoare de puteri de până la 100 kW și care realizează la masa rotativă (platou) momente de până la 270000 Nm [30].

Pentru evitarea diminuării performanțelor dina mice globale este necesar ca fiecare element, ansamblu de mașină-unealtă, să aibă aceeași rigiditate ca și structura [30;32]. La aceste reductoare elementul care asigură rigiditatea ridicată este soluția constructivă a pinionului de ieșire, care are același diametru (de rostogolire) cu arborele.

Sistemul de lăgăruire este supradimensionat și pretensionat. Consola pinionului este minimă. Structura carcasei a fost verificată prin modelare cu Metoda Elementului Finit (MEF-FEA), iar fixarea pe structura mașinii este rigidă, asigurând o dinamică ridicată la pornire/oprire, ca și la inversarea sensului de deplasare (deosebit de important la operațiile de frezare în 3 sau 5D). În funcționare aceste reductoare au o emisie de zgomot mult mai mică decât valorile acceptate de normele de protecție a muncii, iar pierderile de putere se diminuează cu min. 15%. Aplicații ale acționărilor axei rotative sau liniare sunt prezentate în figura 6 şi 7 [30].

1.4 Arbori motorizaţi

În NOTA 3 din numărul trecut am specificat faptul că în locul termenului englez direct-drive voi folosi termenul arbore motorizat. Realizarea acestei soluții constructive și funcționale se bazează pe rezolvarea problemelor implicate de amplasarea statorului în carcasa arborelui principal (păpușă), iar arborele principal devine arborele motorului (figura 8) [12].

Construcția „simplificată” a „cutiei de viteze”, adică a sistemului de variație a turației arborelui principal asigură o serie de avantaje față de utilizarea roților dințate, a curelelor dințate:

• așa cum am specificat mai sus, „cutia de viteze” este simplificată la maximum (în acest stadiu de dezvoltare a tehnicii);
• în lipsa unor mase în mișcare de rotație (roți dințate, arbori, numeroși rulmenți, cuplaje, bucșe distanțiere, roți de curea dințată, curea dințată etc) crește randamentul sistemului, prin eliminarea frecărilor (de diferite tipuri), prin micșorarea maselor inerțiale în mișcare de rotație (se folosește o pondere mai mare din puterea capabilă a motorului pentru așchiere);
•  sistemul prezintă un nivel foarte scăzut de vibrații, o funcționare liniștită, chiar la turații ridi­cate, datorită eliminării unui mare număr de surse de vibrații (roți dințate, curele dințate) [12;13];
• se asigură o precizie de rotire ridicată a arbo­relui principal pe întreaga gamă de turații: de la cele joase până la turația maximă. Acest lucru este posibil și datorită
• aplicării principiilor proiectării simetrice (eliminarea maselor excentrice în mișcare de rotație, generatoare de forțe centrifuge) [16];
• prevederii unor abateri (dimensionale, de formă și poziție) de ordinul a câțiva micrometri și realizarea componentelor sub limitele admise ale abaterilor;
• echilibrării componentelor în mișcare de rota-ție (în principal, a arborelui principal), pentru elimi­narea maselor excentrice reziduale [16];
• aplicării unor tehnologii speciale de montaj (compensarea unor excentricități rezultate din pro­cesul de prelucrare a unor componente);
• prevederii unor zone speciale, în locuri ușor accesibile ale arborelui principal (flanșa frontală), pentru echilibrarea finală în funcționare [16];

• nivelul de vibrații ale arborelui principal se încadrează în clasa de vibrații 0,4G (conform stan­dardului ISO 1940), care este de 5 ori mai scăzut decât la sistemul de antrenare a arborelui principal cu curea [16];
• cicluri minime (ca durată) de accelerare/decelerare; de exemplu:
• accelerarea de la 0 la 10000 rot/min se realizează în 1,79 s;

• decelerarea de la 10000 rot/min la 0 se realizează în 3,31 s (figura 9.a,b) [9];
• construcția simplă permite o întreținere ușoară;
• suprapunerea unor faze precum: pornirea/oprirea arborelui motorizat, deplasarea pe axele de coordonate, schimbarea paletei etc conduce la micșorarea duratei ciclurilor de prelucrare (figura 10) [9];

 Un exemplu de realizare practică a unui arbore motorizat este prezentat în figura 11 [16]. Din secțiunea respectivă se observă:

• motorul, compus din stator (în partea fixă) și rotor(fixat pe arborele propriu-zis)
• sistemul de lăgăruire (cu lagărul din spate liber axial);
• sistemul de prindere a sculei;
• sistemul de ungere;
• flanșa arborelui principal, utilizată și pentru echilibrarea dinamică.

Întreaga construcție este realizată sub formă de cartuș, care se poate monta/demonta rapid (figura12) [16].

Operațiile de întreținere/reparare, posibil necesare, se pot realiza fără imobilizarea întregii mașiniunelte. Aceeași construcție poate include diverse variante funcționale, tipuri de conuri, domenii de turații.

O soluție interesantă este prezentată în figura 13 [31]. Arborele principal este realizat, principial, în „construcție clasică”, obișnuită, cu deosebirea că este prevăzut, la partea posterioară, cu arcuri elicoidale.  Prezența acestora în construcția arborelui principal asigură o mai bună echilibrare dinamică a acestuia în funcționare. Arborele principal este acționat, printr-un cuplaj, de un motor electric de c.a. coaxial.

Marele avantaj al acestei soluții este faptul că dilatarea termică a arborelui principal este diminuată prin faptul că energia termică generată de motor este izolată de arbore. Sistemul poate fi livrat la turații maxime de la 10000 la 16000 rot/min.

În [4] se prezintă o mașină-unealtă (centru de strunjire), care utilizează doi arbori principali de tipul arbore motorizat. Centrul de strunjire are cei doi arbori principali coaxiali, opuși, care oferă următoarele caracteristici:

• arbore tubular care permite prelucrarea pieselor din bare Ø42 sau Ø52;
• arborii sunt antrenați cu o putere de 12 kW și la o turație maximă de 6000 rot/min, pentru varianta mică și cu 19 kW la o turație maximă de 5000 rot/min pentru varianta mare;
• „preluarea” piesei din arborele „master” (conducător) de către arborele „slave” (condus) în mișcare de rotație, înainte de debitarea completă;
• posibilitatea prelucrării unor piese lungi între vârfuri (între cei doi arbori principali), prelucrarea putându-se face cu mai multe scule simultan (fixate și antrenate în două turele independente);
• lipsa roților dințate, a transmisiilor prin curele asigură un nivel redus de vibrații;
• răcirea sistemelor cu lichid (termostatat) asigură o construcție compactă.

Arborii motorizați se pot utiliza atât cu axa orizontală (centrul de strunjire de mai sus) [10], cât și cu axă verticală [7], la centre de frezare cu axă verticală figura 14.a (termostabilizare cu ulei) sau figura 14.b (termostabilizare cu aer).

În [6] se prezintă tipurile de activități implicate în dezvoltarea continuă a arborilor motorizați, pentru a atinge performanțe funcționale ridicate (puteri, momente, turații), robustețe și o fiabilitate deosebită.