CZ33811U1 - Zařízení pro předepínání ložisek přídavných vysokootáčkových vřeten obráběcích strojů - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká ložisek přídavných rychloběžných pneumatických vřeten pracujících v rozsahu řádově 20 000 až 150 000 otáček za minutu. Tato vřetena jsou určena pro třískové obrábění kovových i nekovových materiálů ve spojení s konvenčním nebo číslicově řízeným obráběcím strojem, jako je například řešení popsané v užitném vzoru CZ 25738.

Dosavadní stav techniky

Současná řešení předepínání ložisek pro přídavná vysokootáčková pneumatická vřetena jsou realizována předepnutím s konstantní sílou nebo pevným předpětím.

Pevná předpětí ložisek čili vyvozování předepínací síly pomocí vymezovacích podložek se u vysokootáčkových přídavných vřeten vyskytují jen zřídka. Jedná se o princip vyvození předepínací síly, kde je tato síla teplotně závislá a mění se s teplotní dilatací soustavy. Nevýhodou tohoto způsobu předepnutí ložisek také je, že není umožněna změna velikosti předepínací síly za provozu zařízení.

Předepnutí konstantní sílou je řešeno vyvozením axiální síly na pár ložisek mechanicky, a to pružinou nebo sadou pružin působících na příslušný kroužek ložiska. Takový systém umožňuje předepnutí vysokorychlostních vřeten s malou citlivostí na aktuální pracovní rozsah a teplotní deformace systému. Tento způsob předepnutí navíc neumožňuje změnu předepínací síly za provozu zařízení. Dalším nedostatkem takového způsobu předepnutí ložisek je, že předepínací sílaje konstantní a není tudíž závislá na otáčkách rotoru. Při rotaci a zejména to platí pro vysoké otáčky, se mění axiální síla působící na kroužky ložisek z důvodu odstředivých sil v závislosti na rychlosti rotace. V důsledku vysokého rozpětí pracovních otáček přídavného vřetena se s otáčkami výrazně mění vnitřní kontaktní úhly ložisek a následně axiální i radiální tuhost rotorového systému. Tuhost systému při zvyšujících se otáčkách a konstantní předepínací síle, zejména pokud je rotace v řádech desetitisíců otáček za minutu, klesá.

Problém s nízkou tuhostí při vysokých otáčkách lze řešit zvýšeným předpětím systému několikanásobkem nominální síly. Toto řešení však přináší nevýhodu v nadměrné zátěži ložisek v oblastech rychlostí, kdy zvýšení tuhosti není zapotřebí. Zbytečně se tedy zvýší odporový moment ložisek při nižší rychlosti. To způsobuje zvýšenou spotřebu pracovního média a větší tepelné zatížení, které negativně působí na výslednou přesnost práce. Tyto vlivy mohou vést ke kratší životnosti celého zařízení. Další nevýhodou je obtížné vyvození přesné hodnoty předepínací síly v případě použití pružin. Tato nepřesnost plyne jednak z použitých pružin a z tření mezi pohyblivým elementem, který se opírá o kroužek ložiska.

Stávající řešení na regulovatelné předpětí za provozu nelze aplikovat na obráběcí stroje. Existují například pro turbodmychadla spalovacích motorů v US 2007/0036477 AI, kdy je předpětí vyvozené pomocí tlaku kapaliny, která je tvořena otevřeným tlakovým obvodem a proudí tedy skrze tlakovou komoru předepínacího elementu. Tlak není přímo řízen, respektive závisí přímo na otáčkách spalovacího motoru. Takovýto systém není použitelný pro přídavná vřetena obráběcích strojů.

V oblasti proudových motorů je řešením například US 9829037 B2 a EP 3040568, kdy se tlakem hydraulické kapaliny působí přímo na vnější kroužky speciálních ložisek tomu tvarově uzpůsobených, jedná se o ložiska s kroužky uloženými v poddajných lamelách. Tlaková komora je zde tvořena vnějšími kroužky ložisek a statorem.

- 1 CZ 33811 U1

Velká těžká pomaluběžná ložiska uložená posuvně jsou v některých aplikacích předepínána pomocí tlaku hydraulické kapaliny jako např. v US 6082907. Uožiska jsou však uložena v posuvných pouzdrech, která nemají v axiálním směru definovanou polohu. Tento systém není použitelný pro přídavná vřetena obráběcích strojů.

Dále např. v US 4676667 je tento princip použit v oblasti turbodmychadla spalovacího motoru. Předpětí je řešeno pomocí membrány, která je tlakována hydraulickou kapalinou v otevřeném obvodu a předpětí není možno řídit za provozu zařízení. Takové provedení není použitelné pro přídavná vřetena obráběcích strojů.

V US 3574424 se jedná o obecný případ předepínání vysokootáčkových valivých uložení, kdy se ložiska předepínají tlakem hydraulické kapaliny přes dvě nezávislé komory s posuvnými pouzdry uložení ložisek. Uožiska jsou uložena v posuvných pouzdrech, která nemají v axiálním směru definovanou polohu. Pro tento způsob provedení není tento systém použitelný pro přídavná vřetena obráběcích strojů. Tlakovým médiem je v tomto řešeni opět kapalina.

Podobné řešení je i EP 2557323 A2, kdy je popsán systém předepínání soudečkových ložisek pro uložení pomaluběžných hřídelí lodních šroubů. Vnější kroužky obou ložisek jsou rozpínány proti sobě a jsou uloženy posuvně bez zajištění definované axiální polohy.

Všechna zmíněná existující řešení předepínání ložisek nejsou díky svým vlastnostem, způsobu provedení a funkcím použitelná pro přídavná vysokootáčková vřetena obráběcích strojů. Jedná se zejména o požadavek na přesně definovanou polohu předního ložiska hřídele, která nesmí být ovlivněna při působení předepínací síly či její změně, což ani jedno z výše uvedených řešení nezajišťuje, vždy se jedná o uložení obou ložisek posuvně s konečnou nedefinovanou polohou.

Možnost řízení předepínacího tlaku musí být nastavitelná libovolně, pro zadání zcela konkrétní charakteristiky síla-otáčky dle použité velikosti a typu ložiska. Předepínací tlak tedy nesmí být závislý na otáčkách agregátu zdroje tlaku.

Použití oleje a otevřeného obvodu je nepřípustné z hlediska přílišné složitosti takového zařízení (nutnost řešit odpad oleje, odsávání atd.), přídavné vysokootáčkové vřeteno je mobilní kompaktní zařízení, které je často připojováno a odpojováno k obráběcímu strojí, přílišná složitost konstrukce a nutnost dalších periferií vede ke ztrátě užitné hodnoty. Použití oleje jako tlakového media je nevhodné, protože toto médium podléhá v průběhu chodu zdroje tlaku oleje ohřevu, který je pro použití pro přídavná vysokootáčková vřetena obráběcích strojů nepřípustný z důvodu zamezení teplotních deformací, které negativně ovlivňují přesnost práce s tímto zařízením.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky odstraňuje zařízení pro předepínání ložisek přídavných vysokootáčkových vřeten obráběcích strojů podle technického řešení. V zařízení pro předepínání ložisek je hřídel uložen uvnitř vřeteníku na svých koncích v ložiscích. Mezi vnějšími kroužky ložisek je umístěn podél hřídele délkově nastavitelný tubus s distančním trubkovým pístem, ke kterému je připojeno pneumatické zařízení, které je propojeno s řídicí jednotkou, ke které je připojen snímač otáček hřídele, přičemž přední ložisko je ve vřeteníku pevně fixováno. Délkově nastavitelný tubus spolu s distančním trubkovým pístem tvoří jednu tlakovou komoru. Tlak působící na plochu distančního trubkového pístu vyvodí sílu působící v axiálním směru vzhledem k rotoru, která se rovná aktuální předepínací síle ložisek.

Ložiska jsou výhodně provedena s kosoúhlým stykem, kde vnitřní kroužky ložisek jsou zajištěny proti axiálnímu pohybu. Ložiska mohou být ocelová nebo hybridní, to je ocelový kroužek a keramické kuličky.

-2CZ 33811 U1

Velikost pneumatického tlaku v uzavřeném systému může být řízena přes řídicí jednotku s regulátorem pro automatickou regulaci podle aktuálních otáček hřídele. Tlak v tomto uzavřeném obvodu, je řízen pomocí servoventilu, který je napojen na řídicí jednotku, která zároveň sleduje a řídí otáčky vřetena. V závislosti na aktuálních otáčkách je podle kalibrační charakteristiky automaticky zvolena změna tlaku. Zařízení tedy pracuje automaticky v závislosti na informaci z čidla otáček.

Výhodou tohoto řešení je možnost regulace tlaku působícího na distanční trubkový píst, což umožňuje měnit předepínací sílu podle potřeby. Zlepšení předepínání ložisek za účelem zvýšení tuhosti rotoru při velmi vysokých otáčkách umožňuje vřetení pracovat v neobvykle širokém rozpětí otáček a na libovolné hladině otáček.

Nepřesnosti, které vznikají v důsledku parazitního tření v suvném uložení distančního trubkového pístu lze jednoduše odstranit kalibrací systému. Kalibrace spočívá v naměření závislosti reálné síly na napájecím tlaku. Podle charakteristiky, která se kalibrací obdrží lze následně řídit tlak pro předepínání ložisek v závislosti na otáčkách. To v konečném důsledku vede k větší přesnosti práce celého systému vřetene a jeho delší životnosti.

Předepnutí ložisek takto popsaným systémem zajišťuje konstantní předepínací sílu danou napájecím tlakem pístu, kterou lze libovolně měnit za provozu. Celý systém zajišťuje přesné teplotně stabilní, to znamená necitlivé předepnutí ložisek pro práci v širokém spektru pracovních otáček 20 000 až 150 000 ot./min, při celkové jednoduchosti konstrukce.

Objasnění výkresů

Technické řešení bude podrobněji popsán na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiložených výkresů. Jako příklad zařízení pro předepínání ložisek vysokootáčkových vřeten lze uvést uspořádání patrné z obr. 1, kde je uveden příklad provedení pneumatického předepínání ložisek na pneumatickém vřetenu a na obr. 2. je detail pohledu na distanční trubkový píst.

Příklady uskutečnění technického řešení

Hřídel 1 pneumatického vřetena je uložen v radiálních ložiscích 7, 8 s kosoúhlým stykem uvnitř vřeteníku 2. Vnitřní kroužek předního ložiska 7 je zachycen osazením na hřídeli 1 a vnější kroužek předního ložiska 7 zachycuje ve vřeteníku 2 přední víko 9 a z druhé strany se o přední ložisko 7 opírá délkově nastavitelný tubus 4. Vnitřní kroužek zadního ložiska 8 je zachycen na hřídeli 1 turbínou 3 s pojišťovací maticí 10. O vnější kroužek zadního ložiska 8 se opírá distanční trubkový píst 5 a působí silou, která je vyvolána pneumatickým tlakem z přívodu 6. Tento tlak působí na plochu mezikruží distančního trubkového pístu 5 a vyvíjí předepínací sílu působící na vnější kroužek zadního ložiska 8.

Velikost pneumatického tlaku působící na distanční trubkový píst 5 je nastavována servoventilem pneumatického zařízení 13. který je spojen s řídicí jednotkou 11. K řídicí jednotce 11 je rovněž připojen snímač 12 otáček hřídele 1 vřetena. Řídicí jednotka 11 stanovuje hodnotu pneumatického tlaku v závislosti na aktuálních otáčkách vřetena. Závislost velikosti pneumatického tlaku na otáčkách vřetena byla zjištěna předchozí kalibrací systému. Informaci o změně tlaku předává řídicí jednotka 11 servoventilu pneumatického zařízení 13 formou řídícího signálu a servoventil poté provede fyzickou změnu pracovního tlaku působícího na distanční trubkový píst 5.

-3 CZ 33811 U1

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro předepínání ložisek přídavných vysokootáčkových vřeten obráběcích strojů podle technického řešení lze využít u všech vřeten, které mají rotory usazeny v malých kuličkových ložiskách s kosoúhlým stykem nebo kuželíkových ložiskách nebo v jiných typech ložisek, které svou konstrukcí vyžadují předepínání. Uvedené předepínání zajišťuje výrazně lepší dynamické vlastnosti vysokootáčkových vřeten s vyšší životností ložisek. Toto řešení vede ke zvýšení spolehlivosti a k příznivější ekonomice provozu daného zařízení.

Claims (3)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro předepínání ložisek přídavných vysokootáčkových vřeten obráběcích strojů, u kterých je hřídel (1) uložen uvnitř vřeteníku (2) na svých koncích v ložiscích (7, 8), vyznačující se tím, že podél hřídele (1) je vytvořena komora vymezená délkově nastavitelným tubusem (4) s distančním trubkovým pístem (5) umístěným mezi vnějšími kroužky ložisek (7, 8), ke které je připojeno přívodem (6) pneumatické zařízení (13), které je propojeno s řídicí jednotkou (11), ke které je připojen snímač (12) otáček hřídele (1), přičemž přední ložisko (7) je ve vřeteníku (2) pevně fixováno.
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že ložiska (7, 8) jsou s kosoúhlým stykem, kde vnitřní kroužky ložisek (7, 8) jsou zajištěny proti axiálnímu pohybu.
3. 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že pneumatické zařízení (13), řídící pneumatický tlak v komoře, je propojené se snímačem (12) otáček hřídele (1) přes řídicí jednotku (11) pro automatickou regulaci pneumatického tlaku podle aktuálních otáček hřídele (1).