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

În episodul anterior specificam faptul că în întreaga lume, în toate domeniile industriale (şi nu numai), se dă o luptă continuă pentru eficienţă, care include şi economia de energie, de timp etc. Strădaniile sunt „în dublă partidă”: şi furnizorii de echipamente de producţie (în cazul de faţă - maşini-unelte) şi utilizatorii acestora încearcă să ofere/utilizeze sisteme tot mai eficiente, inclusiv din punct de vedere energetic.

5. Fixarea sculei aşchietoare

La orice mașină-unealtă fixarea sculei, indifferent dacă această operație se face manual sau automat (cu accesorii și comenzi speciale), trebuie să satisfacă mai multe condiții:

• fixarea să fie repetabilă (în aceeași poziție);
• să se asigure erori funcționale (bătaie radială) minime;
• forța de strângere să creeze un moment rezistent (de torsiune), care să permită așchierea la puterea oferită de sistemul de acționare a mașiniiunelte;
• întregul ansamblu – sculă și sistem de fixare – să asigure amortizarea vibrațiilor.

Satisfacerea acestor condiții este necesară pentru:

• asigurarea posibilității prelucrării eficiente (degroșare, finisare) în condițiile oferite de mașinaunealtă;
• a se asigura precizia dimensională, de formă și de poziție și rugozitatea suprafeței prelucrate, conform cerințelor (condițiile tehnice din documentația de execuție);
• asigurarea securității operatorului și a mașinii.

În timp, au apărut mai multe tipuri de cozi ale sculelor pentru fixarea lor în alezajele conice destinate acestui scop. Odată cu diversificarea funcțiilor, a tipurilor de operații pe care le poate executa o mașină-unealtă actuală (centru de prelucrare), adică pe strunguri se pot executa și operații de frezare, găurire, filetare etc, iar pe freze se pot executa și operații specifice de strunjire, rectificare, a apărut posibilitatea „unificării” cozilor sculelor. Capetele revolver, conurile arborilor principali, magaziile de scule, mâinile mecanice acceptă un anumit tip de coadă de sculă, iar tipul operației de efectuat depinde de alte componente (hardware, software).

NOTA 15: Multe mașini-unelte, dar și producătorii de scule au/oferă bucșe de adaptare, pentru a putea mixa tipul de coadă de sculă cu tipul suprafeței de fixare în mașina-unealtă.

Printre cele mai vechi tipuri de conuri erau conurile MORSE, care au unghiul de înclinare mai mic decât unghiul de frecare, ceea ce asigura autoblocarea sculei în alezajul conic. Se asigură o fixare corespunzătoare, dar introducerea și scoaterea sculei în/din arborele principal se face manual.

Scoaterea sculei necesita o construcție specială a arborelui principal, utilizarea unor accesorii speciale care poate conduce la deteriorarea unor suprafețe ale arborelui principal. La ora actuală se folosesc alte tipuri de conuri:

• PSK (PSO) sau Capto, dezvoltat de firma Sandvik Coromant;
• HSK- fixarea se face pe con și pe flanșă, ceea ce asigură o centrare foarte precisă, o poziție axială fixă și o repetabilitate foarte bună a poziției (elementele constructive sunt definite prin standardul german DIN 69893 – mai multe părți);
• conuri ISO;
• BT - scule simetrice, care oferă stabilitate și echilibru la turații mari;
• CAT – prezintă diferențe față de BT privind posibilitatea de prindere de către mâna mecanică, așezarea în magazia de scule.

La sculele HSK se utilizează două fețe de contact – una frontală (pe flanșă) și una radială, pe coada sculei – indiferent dacă acestea sunt scule de frezare (rotitoare) sau de strunjire (fixe) [37], sau indiferent de tipul sculei (figura 58 [55]). Prin această construcție s-a îmbunătățit rigiditatea, ceea ce a condus la creșterea durabilității sculei și a preciziei de prelucrare [54], la creșterea puterii utilizate în așchiere [62]. Atunci când se solicită de către beneficiar contactul sculei pe două fețe (flanșă și coadă), acest lucru trebuie specificat, pentru că nu pot fi utilizate scule cu alte tipuri de contacte [27, 62].

• FIGURA 58

În anii 1970, echipe de ingineri români (inclusive din Institutul de Cercetări și Proiectări Mașini-Unelte și Agregate - ICPMUA) au lucrat la firma CITROEN, pentru asimilarea, în România, a unor linii de fabricație a unor automobile tip OLTCIT.

Încă de atunci, fixarea sculelor se făcea pe două fețe (flanșă și coadă) și a trebuit să se facă investigații (cercetări) tehnologice pentru a se stabili condițiile (constructive și tehnologice) de realizare a acestui tip de strângere/centrare a sculelor la mașini-unelte agregat (speciale).

Au fost realizate scule care oferă o caracteristică foarte interesantă și utilă pentru beneficiari.

La capătul tiretei există un cip, care conține multe informații actualizate referitoare la sculă: lungimea și diametrul reale ale acesteia; markere privind durata de viață estimată; timpul cât a fost utilizată; forța axială și puterea capabile; denumirea, numărul și codul de identificare a sculei etc [9].

La capitolul de fixare a sculelor trebuie menționate și turelele (capete revolver) cu arbore motorizat, care oferă o serie de avantaje:

• dilatarea termică este de cca 8 ori mai mică;
• creșterea temperaturii este de 10 ori mai mică;
• nivelul de vibrații este de 3 ori mai mic;
• repetabilitatea fixării sculei este de 6μm/200 mm (lungimea sculei în consolă);
• rigiditatea este îmbunătățită;
• se pot fixa scule cu diverse tipuri de cozi (cu adaptările de rigoare), inclusiv cu posibilitatea prelucrării unor găuri înclinate [25;26];
• la strunguri, prevederea suportului sculei cu rulmenți a permis efectuarea de operații de frezare, găurire etc (figura 59 [26]).

În unele aplicații se folosesc 2 sau 3 turele, cu posibilitatea antrenării sau nu a sculelor [42], cu posibilitatea prelucrării simultane cu 2 scule a aceleiași piese, sau cu prelucrarea cu doi arbori principali coaxiali.

În [66] se prezintă multe soluții de fixare hidromecanică a diferitelor componente ale mașinii-unelte (scule, palete, accesorii etc), cu fixare/deblocare doar comandată (cu automenținere în poziție).

• FIGURA 59

Fixarea hidraulică a sculelor [64], datorită principiilor constructive, asigură:

• manipularea, schimbarea ușoară a sculelor;
• o forță de strângere mare, care asigură, la un diametru al cozii de 20 mm, un moment capabil de până la 1670 Nm;
• se pot fixa toate tipurile de scule pentru degroșare sau finisare (PSK, HSK, ISO, BT, CAT) și, datorită conceptului modular al sistemului,
• se poate combina orice tip de coadă de sculă, cu orice diametru al sculei, în gama 12-32 mm și lungimi de până la 400 mm, cu aceleași calități (rigiditate, amortizare, bătaie radială);
• el poate fi realizat în conformitate cu cerințele beneficiarului;
• se poate regla poziția axială a sculei și există o variantă cu posibilitatea reglării radiale;
• este prevăzută o cameră de presiune, care fixează sigur orice tip de sculă;
• sistemul de presiune este compus din

• șurubul de presiune și din pistonul cu sistem de etanșare;

• sistemul de reglare a valorii presiunii (mii de valori);

• sistemul de strângere, care necesită un moment mic (6 – 10 Nm);

• la interior este prevăzut un canal spiral, prin care se elimină, înainte de fixarea sculei, uleiul, vaselina reziduale de pe scula ce urmează să fie schimbată. Se asigură, oricând, o valoare mare a forței de stranger (figura 60 [64]).

• FIGURA 60

„A cumpăra ceva ieftin nu înseamnă, obligatoriu, economie de bani....Obțineți precizia pentru care ați plătit, ceea ce înseamnă că, datorită sistemelor de fixare inteligente se obține o durabilitate mai mare a ștanțelor, iar arborele mașinii-unelte este protejat”, Rolf Röhm, Director Executiv [65]. Pensetele obișnuite pot prezenta două dezavantaje majore:

• bătaia radială a sculei
• forța de strângere insuficientă.

Opțiunea pentru strângerea hidraulică sau pentru tehnologii de fixare prin strângere (termică) înseamnă costuri mai mari, amortizare insuficientă, care influențează negativ durabilitatea muchiilor tăietoare ale ștanțelor și suprafața piesei prelucrate.

Soluțiile patentate ale sistemului CENTRO/P [65] (peste 300 de tipuri) sunt valabile pentru toate sistemele de fixare în arborele principal, aplicabile operațiilor de găurire, lamare, alezare, frezare (inclusiv de performanță – HPC/HSC), filetare.

Pensetele

• asigură o bătaie radială de 2-3 μm (la o consolă 3xD, max. 50 mm);
• se fixează în conul arborelui principal;
• realizează forța de strângere prin utilizarea unui filet trapezoidal (rectificat și cu ghidare dublă);
• permit utilizarea lichidului de răcire cu presiuni de până la 120 bar (≈12 MPa);
• prin amortizare se asigură o rugozitate foarte bună a suprafeței prelucrate;
• datorită conceptului asigură un grad de echilibrare G2,5 (conf. ISO 1940) , la o turație de 30000 rot/min etc.

Pentru prelucrarea unor materiale dificile – oțeluri inoxidabile, titan, care sunt tot mai utilizate – se impune un moment de fixare tot mai mare.

Sistemul Maxi/GRIP [65] asigură un moment dublu de fixare față de sistemul CENTRO/P, permițând și operații de degroșare, menținând precizia de 3 μm.

Fixarea sculei se face termic, prin curenți de inducție, folosind un echipament special.

Comparând între ele cele trei sisteme prezentate, strângerea hidraulică oferă o soluție mai precisă (sau la fel de precisă ca și pensetele), o durabilitate mai mare a sculei, nefiind necesar un echipament special, o mare flexibilitate etc.

Utilizând un sistem de fixare nou a sculelor s-a mărit forța de fixare, până la 24000 N. |n același timp, posibilitatea controlului vibrațiilor, în timpul rotirii arborelui principal, asigură o precizie ridicată a prelucrării [27].

Una din „obsesiile” utilizatorilor de mașiniunelte, în special a celor care realizează produse în serie (mijlocie, mare) este schimbarea sculei și, mai precis, ca schimbarea (automată) a sculei să se facă fără prezența așchiilor în zonele de fixare a sculelor.

Printre alte măsuri s-au folosit:

• suflarea cu aer instrumental (purificat de particule solide, de apă, ulei) a alezajului conic al arborelui principal în timpul procesului de scoatere a sculei (același debit suflat printr-o secțiune mică ridică presiunea și elimină impuritățile);
• suflarea și perierea conului sculei înainte de introducerea acestuia în alezajul arborelui principal.

Măsurile enumerate nu asigură o fiabilitate de 100%.

S-au încercat alte moduri de abordare a problemei prezenței așchiilor în zonele de fixare a sculelor.

S-a măsurat dezechilibrul (prin măsurarea variației accelerației) sau prin măsurarea excentricității, utilizând senzori de deplasare. Măsurile au prelungit durata procesului de schimbare a sculei (ciclul așchie-la-așchie).

În [6] se prezintă o soluție de verificare a prezenței așchiilor la interfețele sculă-arbore principal (figura 61 [6]). Senzorii amplasați în capul arborelui principal sesizează și evaluează deformația asimetrică a zonelor de fixare a sculelor (frontal și/sau radială), produsă de prezența așchiilor. Informația este transmisă, prin curenți de înaltă frecvență echipamentului de comandă, care semnalizează un schimb defectuos al sculei.

Senzorii din capul arborelui principal sunt alimentați de o bobină rotativă și de una staționară.

Măsurările se efectuează cu arborele principal staționar, imediat după fixarea sculei. Simultan cu verificările privind prezența așchiilor, elementele mobile ale mașinii-unelte se deplasează pe axele comandate în pozițiile de prelucrare corespunzătoare. Sistemul sesizează așchii care produc o variație a coaxialității sculei de 0,01mm/150mm consolă (portsculă de tip HSK – A63).

Monitorizarea prezenței așchiei la interfețele sculă-arbore principal se face indiferent de durata ciclului de schimbare a sculei și nu necesită nicio pregătire în spațiul de lucru al mașinii.

Aceasta este o măsură suplimentară foarte eficace pentru creșterea securității procesului pe centrul de prelucrare în timpul schimbării automate a sculei din magazia de scule.

• FIGURA 61

6. Răcirea sculei

În procesul de așchiere, la contactul piesă – sculă, apar temperaturi care depășesc valori de 600 – 700oC. Acestea conduc la degradarea destul de rapidă a muchiilor așchietoare, la deformarea termică a piesei, ca urmare a introducerii de tensiuni termice.

Pentru diminuarea acestor efecte se utilizează mai multe tipuri de răcire – lubrifiere a sculei, cât mai aproape de punctul de contact al acesteia cu piesa.

- Răcirea abundentă (flood cooling) a zonei de așchiere [9;37]. Metoda are ca efecte

• îndepărtarea unei mari părți a așchiilor;

• crearea de vapori de apă, amestecată cu uleiurile și cu celelalte substanțe conținute de lichidul de răcire (ceață), a căror răspândire în atmosfera halei nu este admisă.

- Răcirea cu presiune ridicată, lichidul de răcire având presiuni de 0,8-7 MPa [9]:

• prin arborele principal (suprafața frontală a acestuia);

• prin suprafața frontală a culisei (la mașini-unelte echipate cu acest ansamblu).

- Răcirea prin scula așchietoare

• care, prin forma duzei dispersează lichidul de răcire (figura 62.a [61]);

• care se face prin două canale laterale (figura 62.b [61], [38]).

- Răcirea cu ceață de ulei, care reduce consumul de ulei:

• livrată la vârful sculei (figura 63 [62]);

• livrată prin capul revolver (figura 64 [25]), [26].

Trebuie specificat faptul că ceața de ulei produce aerosoli în spațiul industrial.

Conținutul maxim admisibil al acestora în aer este reglementat prin standarde de protecția muncii.

- Răcirea cu aer rece. Aceasta înlocuiește cu succes răcirea cu ceață, permițând creșterea semnificativă a vitezei de așchiere, cu până la 36%, iar durabilitatea cu până la 50% ș68ț. La prelucrarea cu viteze mari, temperature la contactul piesă – sculă depășește 700oC. Orice fluid introdus în zonă se evaporă instantaneu și formează o sferă de vapori, care împiedică introducerea în zonă a lichidului de răcire proaspăt. Soluția găsită a fost utilizarea aerului rece. Acesta se obține din aerul comprimat industrial filtrat, utilizând un tub vortex pentru a produce aer la o temperatură sub 0oC.

Procedeul constă în rotirea cu viteză mare a unui flux de aer, viteza putând atinge valori de până la 1x106 rot/min, fără a exista componente în mișcare, deci fără uzură.

Tubul vortex (figura 65 [67]) convertește aerul comprimat într-un flux de aer rece (cu o temperatură cu 28 – 70o mai joasă decât a aerului la intrare [67; 68; 69]), până la o temperatură de -34oC [67] și unul de aer cald. Lângă pereți se creează aer cald, iar la centru aer rece, care avansează în sens invers aerului cald și, astfel, se răcește suplimentar. Cu ajutorul unei supape se reglează temperatura aerului rece.

Se pot livra „pistoale cu aer rece” la diverse debite sau capacități de răcire [67].

Sistemul funcționează la un nivel de zgomot mic (70dB(A)) [68].

Aerul răcit se utilizează la frezare, la găurire, la strunjire, la debitare (cu ferăstrăul, indiferent de tip) și la alte operații de prelucrare a metalelor (în special a oțelurilor inoxidabile), a maselor plastice, a cauciucului, a materialelor compozite (inclusiv ceramice), a lemnului etc. Se poate utiliza și la operații de rectificare, la răcirea componentelor matrițelor de injecție a maselor plastice, în operații de montaj etc.

Procesul înlocuiește răcirea cu ceață. Printre alte efecte sunt:

• eliminarea încălzirii piesei prelucrate, creșterea preciziei și îmbunătățirea rugozității suprafeței prelucrate;
• elimină problemele de protecție a operatorului, a mediului ce apar la folosirea răcirii cu ceață de ulei sau a răcirii abundente;
• răcind piesa se reduce timpul de normalizare;
• nu mai sunt necesare costisitoare procedee de spălare a pieselor;
• sistemul oferă o manevrabilitate și o instalare ușoare [67;68].

Trebuie să menționez și faptul că la mijlocul secolului trecut cel mai bun lubrifiant și mediu de răcire a tarozilor era seul de oaie.

Corneliu Gornic este Preşedinte PROFEX, Centru de Dezvoltare Tehnologică