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

Orice utilizator de rulmenţi doreşte să ştie, permanent, care este „starea de sănătate” a acestora şi, dacă pot apare defecţiuni, să fie avertizat din timp, pentru evitarea unor deteriorări, accidente majore.

3. Sisteme de lubrifiere, de filtrare, de etanşare

Firmele specializate și-au format specialiști și au elaborat proceduri prin care să se asigure asistență utilizatorului de rulmenți (de la producătorul de echipamente care-i utilizează în construcție, până la utilizatorul produsului respectiv), de la „nașterea” mașinii (proiectarea ansamblurilor și alegerea celor mai bune soluții privind rulmenții, elementele de etanșare, metode și echipamente de ungere, de monitorizare etc). Toate acestea pentru a satisface necesitățile și așteptările beneficiarului, pentru a economisi timp și bani. Asistența tehnică este acordată de către producătorul de rulmenți și la montarea acestora, la verificări și la reglaje etc [20].

Producătorii de rulmenți fac intense cercetări privind comportarea acestora în diverse condiții și cheltuiesc sume importante în acest sens, inclusive în dezvoltarea de noi soluții constructive, de ungere etc. Aceste rezultate sunt – parte, utilizate în creșterea performanțelor produselor proprii (rulmenți, sisteme de lăgăruire, sisteme de ungere, lubrifianți, sisteme de etanșare etc), - parte, sunt oferite constructorilor de mașini-unelte și, prin aceștia sau direct, utilizatorilor mașinilor-unelte.

Cred că merită subliniate următoarele aspect legate de arborii motorizați:

• o perioadă destul de lungă de timp, realizarea acestora a fost „apanajul” constructorilor de rulmenți sau al unor firme producătoare de component de înaltă precizie, care au colaborat strâns cu producătorii de rulmenți, de motoare, de sisteme de ungere, de monitorizare etc;
• la ora actuală, prin diversificarea produselor, prin realizarea de componente complementare produselor proprii (mașini-unelte+arbori motorizați), arborii motorizați se produc fie de către firme de mașini-unelte, fie de către firme specializate, în strânsă colaborare cu producătorii de mașini-unelte etc.

Cu rare excepții (de exemplu „lubrifierea” unor arbori hidrodinamici cu lichid de răcire, lagărele cu sustentație aerostatică sau magnetică), lagărele funcționează cu diverși lubrifianți, care asigură existența unor pelicule fine între elementele în mișcare relativă. Principial, există două categorii de lubrifianți:

• vaseline;
• uleiuri.

Varietatea lor este extrem de mare, iar calitățilelor țin cont de mulți parametri: temperature (sau domeniul) de funcționare, sarcina care trebuie transmisă/suportată (încărcarea radială, axială), turația. Rulmenții pot fi lubrifiați fie cu vaselină, fie cu ulei. În al doilea caz turația maximă care poate fi atinsă este mai mare. În fiecare din situații, trebuie ca producătorul mașinii-unelte să caute și să dobândească informații (și de la producătorul de rulmenți) cu privire la problemele pe care trebuie să le rezolve. Astfel:

a. la lubrifierea cu vaselină

• trebuie să stabilească tipul acesteia și cantitatea necesară;
• trebuie să efectueze procedura de „rodare”, care înseamnă distribuirea vaselinei astfel încât:

• între elementele active (căi de rulare și elementele de rostogolire) să existe pelicula necesară de lubrifiant;

• să se elimine surplusul de vaselină, care va forma „un rezervor” de lubrifiant în timp.

Procedura de „rodare” este descrisă de către producătorul de rulmenți și implică o serie de verificări, printre care și cea a temperaturii și, eventual, a duratei de funcționare până la stabilizarea temperaturii. Procedura se aplică și la schimbarea vaselinei.

b. la lubrifierea cu ulei

• trebuie să se stabilească tipul, calitatea uleiului;
• trebuie să se opteze pentru tipul (echipamentul) de lubrifiere;
• trebuie să stabilească punctele de lubrifiere șI cantitățile de ulei (în timp);
• trebuie să proiecteze circuitele de alimentare cu ulei și de evacuare a acestuia la ieșirea din rulmenți („deversarea” trebuie făcută într-un circuit comun, pentru a evita diferențele de presiune);
• trebuie să stabilească procedeul de termostatare a uleiului.

Indiferent de procedeul de ungere, arboreal principal trebuie verificat în funcționare și, dacă este necesar, trebuie făcute corecturile componentelor sau refăcute anumite reglaje.

Curățenia componentelor și în spațiul de montare/verificare sunt esențiale pentru performanțele și durabilitatea sistemului de lăgăruire.

Producătorii de rulmenți au dezvoltat procedee, echipamente de ungere în propria firmă sau au achiziționat firme specializate (SKF și VOGEL, de exemplu).

Aminteam mai sus că performanțele privind viteza de rotire capabilă a unui arbore principal depinde nu numai de tipul rulmenților, de aranjarea acestora etc, ci și de alegerea sistemului corespunzător de lubrifiere.

Ungerea prin barbotare, în cazul actualelor cerințe privind regimurile de funcționare (strunjire, frezare, rectificare etc), la care produsul nxdm > 2x106 mm.rot/min, nu mai este posibilă din mai multe cauze:

• imposibilitatea intrării uleiului în rulmenți, din cauza curenților de aer generați de circulația și rotirea elementelor de rostogolire;
• frecarea este mare, iar pierderile se transformă în căldură, care crește peste limitele admise.

La ungerea cu ulei sub presiune, cu temperatură controlată, crește consumul de putere și se complică sistemele de etanșare. Alimentarea rulmenților cu cantități minime de ulei (dar suficiente), prin procedeul de lubrifiere ulei+aer poate fi realizată foarte bine, cantitățile de ulei putând fi foarte bine măsurate. Lubrifierea cu ceață de ulei (la modă în anii 1970) nu permite alimentarea cu lubrifiant a tuturor rulmenților, iar ceața care scapă din lăgăruire nu mai este acceptată de standardele de protecție a operatorului și a mediului.

Lubrifierea prin procedeul ulei+aer implică o serie de condiționări [48]. Acest principiu constă în „secționarea” unei picături de ulei în „fâșii”, de către un curent de aer, într-un tub subțire și, apoi, uleiul este transportat în picături foarte fine, continuu la duzele de ieșire. Aerul transportor lasă rulmentul aproape fără ulei. Aplicația, în domeniul mașinilor-unelte, asigură o uzură mică, o durabilitate ridicată, în special la antrenarea sculelor. Debitul de aer asigură și răcirea rulmenților, iar purjarea aerului, care contribuie la creșterea presiunii în rulment, previne contaminarea acestuia cu material străine [54].

Exemple de utilizare a sistemului de ungere ulei+aer sunt prezentate în [37;54;55].

Aceeași firmă a lansat, relativ recent, un nou sistem de lubrifiere cu microdozare [22], care include o unitate de dozare inteligentă, compactă a lubrifiantului și un rezervor de ulei presurizat. Sistemul este eficient pentru arbori de înaltă turație, cu produsul nxdm > 2x106 mm.rot/min, inclusive pentru mașini-unelte. Sistemul are 4 ieșiri individuale, iar cantitatea minimă de ulei este reglată dinamic (în funcționare), atunci când turațiile arborelui pretind o modificare a cerințelor privind lubrifiantul. Sistemul răspunde prompt la variația viscozității (determinată, de obicei, de variațiile de temperatură sau/și presiune și menține cantitățile minime și precis dozate de lubrifiant. Volumul de lubrifiant este dozat în debite de la 0,5 la 5 mm3/min, pentru fiecare punct de lubrifiere, cu o toleranță de 5%. Trebuie subliniat faptul că o picătură de ulei are un volum de aproximativ 30 mm3! Sistemul divide această cantitate într-un debit foarte fin, continuu, care este furnizat rulmentului pe o perioadă de la 6 la 60 min, în funcție de mai mulți parametri. Față de sistemul de lubrifiere ulei+aer prezentat mai sus, acesta nu mai are nevoie de aer comprimat pentru transportul lubrifiantului. Sistemul are nevoie de aer comprimat doar pentru presurizarea rezervorului de ulei, dar nu consumă continuu aer comprimat. Utilizarea acestui sistem poate economisi mii de euro anual. Prețul sistemului raportat la durata sa de viață oferă economii substanțiale privind consumurile de ulei și de aer comprimat.

Prezența impurităților – particule solide metalice sau ceramice, apă, lichid de răcire etc în rulmenți produce multe probleme:

• particulele solide conduc la o uzură prematură prin antrenarea lor între elementele de rostogolire și căile de rulare și pot conduce la apariția unor erori de funcționare (bătaie radială, vibrații);

NOTA 14: Particulele metalice pot rezulta și din ruperea unor microasperități. Ruperea microasperităț ilor se produce la temperaturi ridicate, care pot căli particulele, la o duritate mai mare decât a cel puțin uneia din componente. Migrarea acestor particule între suprafețele în mișcare relativă produce efectul de gripare, care se intensifică etc.

• apa, lichidul de răcire etc pot provoca corodarea căilor de rulare și deteriorarea geometriei acestora, sau chiar a elementelor de rostogolire (temperatura din rulment este factor favorizant).

Acesta este motivul pentru care sistemele de ungere trebuie prevăzute cu

1. sisteme de filtrare;

2. sisteme de etanșare.

1. Sisteme de filtrare a uleiului

Sistemele convenționale de filtrare a întregului debit de ulei îndepărtează, de obicei, doar particulele cu dimensiuni mai mari de 3 μm. Strategia prezentată în [56] se bazează pe filtrarea lentă dar continuă a unor debite derivate din sistemul de ungere. Filtrele speciale din celuloză pot îndepărta impurități care sunt mai mici de 1 μm. Se oferă filter care nu sunt conectate în sistem, care, folosind un modul de măsurare a particulelor, clasifică nivelul de contaminare în 8 canale de măsurare, pentru dimensiuni de particule de la 4 la 68 μm, având posibilitatea afișării numărului de particule în funcție de dimensiuni.

Sistemul poate fi integrat în circuitul hidraulic pentru monitorizarea continuă. Este posibilă reacția rapidă la creșterea gradului de contaminare, oferind protecția sistemului contra opririlor costisitoare și reducând timpii de staționare a mașinii [57].

Sistemul poate fi utilizat cu majoritatea fluidelor hidraulice, putând fi echipat sau nu cu sistem de afișare. El poate fi conectat mașinilor aflate deja în exploatare. Măsurarea nivelului de contaminare se poate face la orice debit sau presiune. Este posibil sănse regleze praguri diferite de alarmă. La atingerea sau la depășirea pragului de contaminare reglat (acceptat) se emit semnale de alarmă. Sistemul poate fi echipat și cu senzori de temperatură sau care indică prezența apei în ulei.

În halele de prelucrare a metalelor în care funcționează mașini-unelte există multe particule în suspensie: fum, apă (vapori), praf etc. Standardele actuale privind protecția operatorilor și a mediului stabilesc limite admisibile ale conținutului de contaminanți în aer.

De mare importanță este și filtrarea lichidelor de răcire, utilizate, în special, la mașinile de rectificat.

În [58] sunt prezentate sisteme de filtrare:

• a aerului de microceață, de fum și de praf de la prelucrarea uscată, de mirosuri neplăcute, utilizând filtre din fibre vegetale;
• a lichidelor de răcire utilizate în procesele industriale;
• realizate din cartușe de filtrare cu autocurățare, automate, destinate filtrării ultrafine a fluidelor cu viscozitate mică;
• cu tamburi magnetici;
• a uleiului și a emulsiilor de răcire pe bază de apă, de particulele metalice și nemetalice din instalații cu debite variate.

 2. Sisteme de etanșare

Printre tendințele mondiale se constată intenția multor firme de a oferi „tehnologii complete”, adică echipamente cu funcții multiple. Acestea oferă firmei integratoare toate funcțiile necesare funcționării, monitorizării parametrilor reglați sau a „stării de sănătate”.

Unul din aceste cazuri este prezentat în [20-23], producătorul de rulmenți (unul din cei prestigioși din lume), oferă, pe lângă rulmenți și asistență la proiectarea sistemelor de lăgăruire, sisteme de ungere de înaltă performanță, service pentru siste­mele de lăgăruire și soluții de etanșare a sistemelor de lăgăruire [23].

În primul rând, s-au realizat materiale compozite, care sunt compatibile (sau, mai precis, inerte) cu lichidele de răcire și cu fluidele lubrifiante, inclu­siv siliconice și în regim dinamic, pentru etanșarea sistemelor în mișcare liniară sau de rotație.

Profilurile de simeringuri (manșete de etanșare și/sau de raclare) înlocuiesc faimoasele inele O (O-ring). Aceste profile previn deformarea lor la montare, permițând trecerea peste praguri (diametre diferite), fără deteriorarea elementului de etanșare (cum se întâmplă cu inelele O). Materialele oferite și elementele de etanșare rezistă foarte bine la uzură și la o compresiune de valori mici. Din punct de vedere termic, acestea rezistă până la 70^oC. Elementele de etanșare pot fi realizate atât în construcție standard (produs de serie, de catalog), cât și în construcții speciale, conform cerințelor uti­lizatorului. Există multe firme care oferă sisteme de etanșare realizate din diverse materiale, destinate unor anumite aplicații.

Furnizorul de echipamente, ansambluri, care utilizează elemente de etanșare poate cere asistența producătorului pentru alegerea materialului, a soluției constructive, care corespunde cel mai bine scopului.

4. Sisteme de condiţionare (stabilizare) termică

Mașinile-unelte funcționează în hale industriale, hale care pot fi cu temperatură stabilizată sau nu. Halele industriale pot fi:

• clădiri „oarbe”, fără geamuri, cu lumină arti­ficială și cu circulație controlată (sau nu) a aerului;
• clădiri cu geamuri laterale sau plasate pe acoperiș, cu lumină artificială (utilizată când este nevoie) și, de asemenea, cu circulație controlată sau nu a aerului.

Figura 43

Figura 49

Variația temperaturii aerului (stratificată pe verticală), datorată circulației curenților de aer și unor surse exterioare (soare) sau interioare (sis­teme de încălzire sau de răcire a aerului), are o influență negativă asupra preciziei mașinii-unelte și a constanței acesteia. Pe de altă parte, în struc­tura mașinii-unelte sunt prezente multiple surse de căldură (datorate pierderilor prin frecare etc), precum: lagărele de orice tip, procesul de așchiere – prin așchiile produse, instalația hidraulică, sistemul de termostatare a uleiului ș.a. Prezența surselor de căldură are ca principal efect dilatarea componente­lor mașinii-unelte. Din mai multe motive (anizotro­pia materialelor, diverse mase, condiții diferite de evacuare a căldurii, coeficienți diferiți de transfer a căldurii, diferite restricții etc), dilatările inegale (ca valori, ca direcție) conduc la deformații și distorsi­uni [32].

În figura 49 [26], în partea superioară, sunt reprezentate punctele de măsurare a deformațiilor în două planuri (orizontal-X și vertical-Z), iar în diagramă este prezentată variația în timp a acestor deformații pe axa X, lângă arborele principal și la capătul dornului de verificare):

• cu culori „reci” (albastru și verde) sunt deformațiile unui model mai vechi al mașinii (figura 50.a [26], figura de jos), cu una din sursele majore de căldură amplasată sub păpușa fixă;
• cu culori „calde” (roșu și galben) sunt defor­mațiile modelului mai recent al aceleiași mașini (figura 50.b [26], figura de sus), cu sursele majore de căldură amplasate în spatele mașinii.

Întreruperile din diagramă reprezintă o perioadă de oprire a rotirii arborelui principal, dar cu instalația de răcire în funcțiune. Deformațiile modelului recent sunt de cca 4 ori mai mici decât cele ale modelului mai vechi al aceleiași mașini.

La un alt tip de mașină-unealtă, la care nu se folosește ulei termostatat pentru lubrifierea rul­menților arborelui principal, deformațiile măsurate ca în [26], au o evoluție ca în figura 52.c [59], iar temperaturile măsurate pe carcasa arborelui principal au avut o evoluție ca în figura 52.b [59].

Diferențele față de [26] sunt evidente!

OBSERVAȚIE: C1 și C2 sunt puncte pe aceeași generatoare (plan) verticală, iar C3 și C4 pe o generatoare a dornului de verificare amplasată la 90 o față de prima. C5 este punctul de măsurare în direcție axială (figura 52.a).

Pentru a menține o temperatură constantă a arborelui motorizat, acesta este prevăzut cu un sistem de răcire intern, eficient, care utilizează un fluid cu circulație, cu temperatură controlată, utilizând un refrigerator extern [24]. Aceeași soluție de menținere constantă a temperaturii se utilizează și la arborii motorizați de acționare a platourilor rotative, utilizate la rectificare (figura 43 [36]), sau a arborilor motorizați ai centrelor de prelucrare (figura 51) [27].

Pentru prevenirea efectelor negative ale variațiilor de temperatură s-au adoptat variate soluții:

a. s-a acordat o atenție deosebită proiectării simetrice a păpușii fixe, izolării termice a păpușii fixe față de batiu cu plăci speciale (figura 53 [15] a se vedea de asemenea figura 44 din numărul 3/2016 al T&T).

Deplasările termice minime ale structurii asigură o precizie de prelucrare ridicată, pe o perioadă lungă de timp (variația dimensională de 5 μm la un lot de 35 de piese).

b. o tavă specială izolează batiul mașinii-unelte de căldura degajată de așchii. Se asigură menținerea unei precizii ridicate de prelucrare pe o perioadă lungă de timp [15].

c. Posibilitatea realizării unor structuri de mașini-unelte pe baza principiului box-in-box (cutie în- cutie sau cadru-în-cadru). Această structură permite și existența simetriei termice (figura 54.a; b [37]). În plus, indiferent de poziția axei arborelui portsculă în spațiul de lucru, arborele nu este niciodată în consolă.

d. controlul deformațiilor termice utilizând principiul Intelligent Thermal Shield (scut termic inteligent).

Acesta se bazează pe următoarele elemente:

• modulele mașinii-unelte sunt astfel proiectate încât să producă o cantitate minimă de căldură;
• rezultă deformații termice minime, prin compensarea automată a variațiilor de temperatură din hala în care este utilizată mașina-unealtă. Circuitele de evacuare a căldurii nu influențează mașinile-unelte din vecinătate.

Rezultatele experimentale obținute pe două tipuri de mașini sunt arătate în:

• figura 55 [61], unde sunt prezentate deformațiile pe cele trei axe de coordonate ale unui centru de prelucrare orizontal, la diferite turații ale arborelui principal, pe diferite intervale de timp;
• figura 56.a; b [40], deformațiile în lungul axei Z la un centru de prelucrare vertical:

a. la variația turației arborelui principal, pe diferite perioade de timp;

b. la variația temperaturii halei în care operează mașina-unealtă.

• figura 57.a; b [62], deformațiile axei arborelui principal al unui centru de prelucrare (a), la variația temperaturii halei (b).

Prin exemplele prezentate se justifică titlul lucrării [32]: constanța parametrilor – mult mai importantă decât valoarea lor. Un parametru cu o evoluție constantă în timp și spațiu poate fi compensat.

La o evoluție aleatoare, neregulată trebuie găsite alte metode!

O dovadă în acest sens este în [63], în care mașina-unealtă a funcționat într-o incintă termostatată. Deformația termică a axei arborelui principal al strungului a fost de 2μm, la o turație de 3200 rot/min, timp de 9 ore.

CORNELIU GORNIC este Preşedinte PROFEX, Centru de Dezvoltare Tehnologică