CZ309163B6

CZ309163B6 - Hybridní vrtací vřeteno

Info

Publication number: CZ309163B6
Application number: CZ2020637A
Authority: CZ
Inventors: Roman Heide; Ph.D. MBA Heide Roman Ing.; Vlastimil Hlavatý; Vlastimil Ing. Hlavatý; Jiří Kubíček; Jiří Ing. Kubíček; Josef Vyškovský; Josef Ing. Vyškovský
Original assignee: ŠMT a.s.
Priority date: 2020-11-28
Filing date: 2020-11-28
Publication date: 2022-03-30
Also published as: CZ2020637A3

Abstract

Hybridní vrtací vřeteno uzpůsobené pro přenos krouticího momentu z vřeteníku obráběcího stroje sestávající z pláště (P) a vložek (V) z izotropního materiálu, kde do jedné z vložek (V) je upevnitelný nástroj (N). Mezi pláštěm (P) a vložkami (V) je vloženo jádro (J) z kompozitního materiálu, které se dotýká pláště (P) celým svým vnějším povrchem.

Description

Hybridní vrtací vřeteno

Oblast techniky

Vynálezem je hybridní vrtací vřeteno pro přenos kroutícího momentu z vřeteníku obráběcího stroje sestávající z pláště a vložek z izotropního materiálu, kde do jedné z vložek je upevnitelný nástroj.

Dosavadní stav techniky

Konstrukce většiny hlavních typů obráběcích strojů prodělaly v posledních letech četné změny. Neměnné však zůstávají požadavky kladené na stroje uživateli, kdy je požadována je přesnost a produktivita výroby společně se schopností dosáhnout patřičné kvality výrobku. Cílem je navrhnout výrobní stroj tak, aby dokázal realizovat požadavky různých typů výrobních technologií s potřebnou rychlostí, tuhostí a přesností vzájemného pohybu nástroje a obrobku. Mezi trendy v konstrukci výrobních strojů patří zejména dimenzování nosné struktury a použité materiály nebo situováni více nástrojů v řezu.

Vysoká přesnost je stále žádanou a vysoce hodnocenou vlastností strojů včetně řešení pro potlačení teplotních deformací. Tradičně se navrhují geometricky a tepelně symetrické konstrukce, přičemž snahy konstruktérů se upínají k izolaci či alespoň k eliminaci zdrojů tepla, a to od nosné struktury, s to ohledem na především pro pohony. Dalšími trendy je aktivní chlazení pohonů a převodovek vřeten, velmi často rovněž kuličkových šroubů a jejich přírub.

Užitné vlastnosti výrobních strojů jsou významně ovlivněny také řešením nosných struktur, a to jak z pohledu tvaru, tak z pohledu použitých materiálů. Z hlediska nosných soustav a jejich komponent jsou hlavními trendy snižování hmotnosti pohyblivých struktur, zvyšování statické a dynamické tuhosti stroje, zlepšování tvarové a rozměrové přesnosti nosné struktury stroje, při současném snižování výrobní ceny a čas výroby.

Ocel a litina jako tradiční konstrukční materiály mají dobré mechanické vlastnosti a navíc jsou k dispozici již dlouhodobě ověřené výrobní a montážní postupy. U těchto materiálů je snaha dosáhnout vyšší efektivity využití materiálu, což zpravidla vede k pokročilým výpočtovým optimalizacím. Betonové komponenty nabízejí dobré materiálové tlumení a vysokou tuhost. Vhodné je jejich použití zejména pro dílce nepohyblivé. Velký potenciál je v hybridních strukturách na bázi beton-kov v podobě odlitků a svařenců.

Oproti tomu vláknové kompozity představují otevřenou a perspektivní oblast materiálů. Nabízejí celou řadu výborných mechanických vlastností, avšak oplývají nevýhodami v podobě anizotropního chování kompozitní struktury, řešení připojovacích rozhraní, přesnosti komponent, přičemž použitím kompozitních materiálů dochází k zvyšování výrobních nákladů stroje.

Rozšíření aplikací kompozitních materiálů v konstrukci výrobních strojů je patrné zejména v oblasti delších a štíhlých částí těchto strojů, kupříkladu u hřídelů vřeten, náhonových hřídelí, částí nástrojů či upínačů nástrojů. Tyto trendy jsou známy kupříkladu ze spisů CN 2019208211, EP 1088618A3 či CN 210335548 avšak realizují se pouze v konstrukci dílčích komponent jako kupříkladu elementy ložisek vřetena apod. Ze spisu US 5018915 je pak známo řešení vřetene sestávajícího z kovového adaptéru s částí dříku pro upevnění nástroje, jednak dutý válcový člen vytvořený z vlákny vyztuženého kompozitního materiálu a připojený ke druhému konci adaptéru, který je ovinut tvrdou ochrannou vrstvou.

- 1 CZ 309163 B6

Podstata vynálezu

Podstatou vynálezu je hybridní vrtací vřeteno uzpůsobené pro přenos kroutícího momentu z vřeteníku obráběcího stroje sestávající z pláště a vložek z izotropního materiálu, kde do jedné z vložek je upevnitelný nástroj. Ocelové vložky jsou ve vřetenu umístěny v místech kontaktu se sousedními nebo pohybujícími se součástmi. Mezi pláštěm a vložkami je vloženo jádro z kompozitního materiálu, jedná se o materiál s ortotropními vlastnostmi. Jádro z kompozitního materiálu se celým vnějším povrchem dotýká pláště. To má obecně jednak za následek snížení hmotnosti vřetena z důvodu menší hustoty kompozitního materiálu. V souvislosti se snížením hmotnosti pak dochází ke zvýšení vlastních frekvencí vřetena, a to zejména mimo pracovní rozsah stroje, a tím pádem zároveň ke zvýšení odolnosti vřetena proti vibracím. Touto konstrukcí lze zajistit použití vyšších pracovních otáček nástroje.

Výhodné je, pokud je jádro z kompozitního materiálu tvořeného vláknovým materiálem. Vhodným uspořádáním vláken lze optimalizovat vlastnosti vřetene, tj. kupříkladu torzní tuhost či ohybovou tuhost, v důsledku vyššího modulu pružnosti v tahu E kompozitního materiálu nebo teplotní roztažnost vřetene.

Výhodné je, pokud je jádro z kompozitního vláknového materiálu tvořeného křížovými vrstvami, tj. vrstvami kladenými pod určitým úhlem, a to zejména v rozsahu 10 až 60°. To má za následek výrazné zvýšení torzní tuhosti vřetene, kdy sekundárním efektem je snížení tepelné roztažnosti oproti stávajícímu provedení s izotropním materiálem, a to až o 80 %.

Výhodné je, pokud je jádro z kompozitního materiálu tvořeného osově orientovanými vrstvami. To má za následek zvýšení zejména ohybové tuhosti vřetene. Sekundárním efektem je snížení tepelné roztažnosti oproti stávajícímu provedení s izotropním materiálem až o 80 %. Vrtací vřeteno se tedy vyznačuje velmi dobrou teplotní a rozměrovou stabilitou a vysokou ohybovou tuhostí.

Výhodné je, pokud je jádro z kompozitního vláknového materiálu tvořeného kombinací kompozitního materiálu s křížovými vrstvami a osově orientovanými vrstvami. To má za následek výrazné zvýšení torzní a ohybové tuhosti vřetene, kdy sekundárním efektem je snížení tepelné roztažnosti oproti stávajícímu provedení s izotropním materiálem, a to až o 80 %.

Řešení podle vynálezu se od řešení popsaného v US 5018915 liší především tím, že jádro z kompozitního materiálu se celým svým vnějším povrchem dotýká pláště. Tím pádem nedochází ke kontaktu vložek s pláštěm, do kterých je vložen nástroj. Toto řešení přináší jednak úsporu v hmotnosti samotného vřetene, jelikož je možné dosáhnout ještě lepší torzní tuhosti vřetene, a dále ke zvýšení vlastních frekvencí vřetena. Zároveň odpadají konstrukční problémy spojené s přímým dotykem vložek s pláštěm a jejich vzájemné fixaci. Jádro je rovněž uzpůsobené jednak k vložení vložky, do které je vložitelný dřík nástroje a je zároveň je uzpůsobeno ke vložení vřetene do vřeteníku.

Tab. 1 Vybrané vlastnosti izotropního materiálu

	Symbol	Jednotka	\| Ocel
	.....................„........................		Π 7850
Ňíěčhii pružnosti \|		SFa	\| 2000cm
Pobsonovo číslo	¥		i 0,3
Smykový modu! J	.....................		—1 7₆g₂3

- 2 CZ 309163 B6

Tab. 2 Vybrané vlastnosti kompozitního (ortotropního) materiálu

jméno	Symbol	Jednotka	Převaha mové orientovaný^ vláken	Hevaha kilových «eb
	.......i............	> i· s ........	1»
Modul pwnmti
		8300	MBO
		<00	4®
	w			0.0
Wx		03	03
Vxz		03	o
Smykový modul			8374
	Mha	3®	3<0
w	Mha	MB
teplomí délkové		K *	-123E-06	a»®
«v	K ^s		•.Xi

kde: x - směr v ose vřetene, y - tečný směr, z - radiální směr

Objasnění výkresů

Na obr. 1. Je zobrazen pohled na hybridní vrtací vřeteno v řezu, na obr. 2 je zobrazen detailní pohled na totéž hybridní vrtací vřeteno.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1:

Hybridní vrtací vřeteno je uzpůsobené pro přenos kroutícího momentu z vřeteníku obráběcího stroje a sestává z pláště P a vložek V. Plášť P a vložky V jsou z izotropního materiálu, v tomto konkrétním případě ze šlechtěné oceli. Tloušťka pláště P je 8 mm. Do jedné z vložek V je upevnitelný rotační nástroj. Výsuv vrtacího vřetena je v tomto příkladném provedení 800 mm. Mezi pláštěm P a vložkami V je vloženo jádro J, které jev přímém kontaktu s pláštěm P svým vnějším povrchem. Jádro J je tvořeno vláknovým kompozitem tvořeným z osově orientovaných vrstev o hustotě přibližně 1500 kg/m³. Jádro J je s pláštěm P nerozebíratelně spojeno lepeným spojem. Vlastní frekvence vřetena je 52 Hz, otáčky vřetena až 4000 ot./min. Vřeteno v tomto konkrétním provedením vykazuje velmi dobrou teplotní a rozměrovou stabilitou a vysokou ohybovou tuhost. Příčinou je vysoká hustota podélně osově kladených vláken. Při převaze osově orientovaných vláken lze docílit nulové teplotní roztažnosti v podélném směru a zlepšení statické ohybové tuhosti až o 25 % oproti standardnímu provedení s izotropním materiálem. V důsledku snížení hmotnosti dochází ke zvýšení vlastních frekvencí výsledného vřetena, atoažol5až20%

- 3 CZ 309163 B6 oproti standardnímu provedení s izotropním materiálem.

Příklad 2:

Hybridní vrtací vřeteno je uzpůsobené pro přenos kroutícího momentu z vřeteníku obráběcího stroje a sestává z pláště P a vložek V. Plášť P a vložky V jsou z izotropního materiálu, v tomto konkrétním případě z šlechtěné oceli. Tloušťka pláště P je 6 mm. Do jedné z vložek V je upevnitelný rotační nástroj. Výsuv vrtacího vřetena je v tomto příkladném provedení 1000 mm, pracovní otáčky vřetene jsou přibližně 3900 ot./min. Mezi pláštěm Pa vložkami V je vloženo jádro J. Jádro J je tvořeno vláknovým kompozitem tvořeným křížově orientovanými vrstvami o hustotě přibližně 1660 kg/m³. Jádro J je s pláštěm P nerozebíratelně spojeno tvarovým spojem. Hybridní vřeteno v tomto konkrétním provedení se vyznačuje vysokou torzní tuhostí. Volbou úhlu křížového kladení lze dosáhnout rozdílných vlastností tuhostí v jednotlivých směrech. Uhel kladení kompozitních vláken se v tomto konkrétním provedení pod úhlem 20°. Při menším úhlu křížového kladení se zlepšují vlastnosti teplotní stability na úkor torzní tuhosti, při větším úhlu je tomu naopak.

Příklad 3:

Hybridní vrtací vřeteno je uzpůsobené pro přenos kroutícího momentu z vřeteníku obráběcího stroje a sestává z pláště P a vložek V. Plášť P a vložky V jsou z izotropního materiálu, v tomto konkrétním případě opět z šlechtěné oceli. Tloušťka pláště P je 10 mm. Do jedné z vložek V je upevnitelný rotační nástroj. Výsuv vrtacího vřetena je v tomto příkladném provedení 1200 mm, pracovní otáčky vřetene jsou přibližně 4200 ot./min. Mezi pláštěm Pa vložkami V je vloženo jádro J. Jádro J je tvořeno vláknovým kompozitem tvořeným kombinací křížových vrstev o hustotě 1660 kg/m³ a osově orientovaných vrstev o hustotě 1660 kg/m³. Jádro J je s pláštěm P nerozebíratelně spojeno kombinací lepeného a tvarového spoje. Vlastní frekvence vřetena je 55 Hz, otáčky vřetena až 4300 ot./min.

Průmyslová využitelnost

Nástroj popsaný podle vynálezu nalézá své uplatnění zejména v konstrukci obráběcích strojů s vysokou přesností obrábění.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Hybridní vrtací vřeteno uzpůsobené pro přenos kroutícího momentu z vřeteníku obráběcího stroje sestávající z pláště (P) a vložek (V) z izotropního materiálu, kde do jedné z vložek (V) je upevnitelný nástroj (N), vyznačující se tím, že mezi pláštěm (P) a vložkami (V) je vloženo jádro (J) z kompozitního materiálu, které se dotýká pláště (P) celým vnějším povrchem.
2. Hybridní vrtací vřeteno podle nároku 1, vyznačující se tím, že jádro (J) je z vláknového kompozitního materiálu.
3. Hybridní vrtací vřeteno podle nároku 2, vyznačující se tím, že jádro (J) je z vláknového kompozitního materiálu tvořeného osově orientovanými vrstvami.
4. Hybridní vrtací vřeteno podle nároku 2, vyznačující se tím, že jádro (J) je z vláknového kompozitního materiálu tvořeného křížově orientovanými vrstvami.
5. Hybridní vrtací vřeteno podle nároku 2, vyznačující se tím, že jádro (J) sestává z kombinace vláknového kompozitního materiálu tvořeného křížově orientovanými vrstvami a vláknového kompozitního materiálu s osově orientovanými vrstvami.