CZ37711U1 - Zařízení k upínání frézovaného obrobku s integrovanou operací soustružení - Google Patents

Description

Zařízení k upínání frézovaného obrobku s integrovanou operací soustružení

Oblast techniky

Technické řešení se týká konstrukce zařízení k upínání frézovaného obrobku s integrovanou operací soustružení. Řešení je určeno pro využití v oblasti kombinovaného obrábění kovů.

Dosavadní stav techniky

V moderních obráběcích procesech se často objevují požadavky na systémy, které umožní nejen polohovat upnutý obrobek pro frézování ve více směrech, jako to umožňují současné přídavné osy na frézovací centra, ale také soustružit tento obrobek. Tyto požadavky jsou motivovány aspekty, které mohou vést k významné úspoře výrobních nákladů:

• Zkrácení časů na přeupínání (nové upnutí) obrobku • Snížení nepřesností při přeupínání obrobku • Možnost rychlého obrábění z více stran obrobku na tříosém frézovacím centru • Možnost současného obrábění rotačních i rovinných ploch na jednom stroji bez nutnosti přeupínání obrobku

Výše uvedené aspekty je možné v podstatě splnit využitím multifunkčních obráběcích center, která jsou na trhu k dispozici. Tyto stroje jsou ve většině případů používány pro sériovou a velkosériovou výrobu, kdy je pro jejich návratnost předpokládán vícesměnný provoz. Použití takových strojů ve výrobním procesu mikro a malých firem je vzhledem k jejich cenové náročnosti pro tyto výrobní firmy většinou nereálné. Zároveň by to zde vedlo k nutnosti restrukturalizace výroby a postupnému přechodu na sériovou výrobu na takovém stroji. To je zcela proti výrobnímu zaměření malých a středních firem, které jsou přednostně orientovány na malosériové a kusové zakázky s operativní přizpůsobivostí aktuálním požadavkům.

Částečné řešení vyšších nároků na možnosti obrábění představuje rozšíření stávajícího tříosého obráběcího centra o přídavnou indexovací osu. Takové osy nabízí řada výrobců. Stroje HAAS z řady VF například umožňují rozšířit počet vedlejších os přímo z portfolia výrobce HAAS. Při lepší cenové dostupnosti je však zásadním nedostatkem tohoto řešení nemožnost současného provádění rovinných i rotačních operací na jednom stroji bez přeupínání obrobku.

Zmíněné rozšiřující indexovací osy pro tříosá frézovací centra jsou totiž výhradně nabízeny jako polohovací. Je sice umožněno obrábění z několika stran, a to díky přetáčení obrobků pomocí těchto os, jejich technické řešení však nedovoluje dosáhnout vyšších otáček vhodných pro soustružení, tedy obrábění vyvolané rotací obrobku za posuvu soustružnického obráběcího nástroje, vedoucí k vytvoření rotačních ploch. Vzhledem k uspořádání tříosých frézovacích center nebyl takový požadavek brán na zřetel, protože standardně u nich není možné využít řízených os k pohybu soustružnického nástroje.

Řešení prezentované firmou CERATIZIT Group naznačuje možnost využít standardních řízených os frézovacího stroje jako posuvových os pro pohyb soustružnického nástroje, firma se ale omezuje pouze na prezentaci nástrojů pro takové použití, především ve vazbě na multifimkční obráběcí centra, ovšem neřeší již způsob provedení rotační osy.

Mikro a malé firmy tak musí hledat řešení v portfoliu svých stávajících výrobních možností a maximalizovat jejich využití. Nejbližší cestou je použít dalších přídavných os ať již ručně polohovatelných, tak i os s vlastními pohony. Na trhu je k dispozici dostatek výrobců (WEIS, KITAGAWA, GSA), kteří se specializují právě na tento segment trhu. Ve svém nejvyšším stupni dovolují tyto přídavné osy polohovat obrobek ve čtvrté, případně páté ose, a to i s možností

- 1 CZ 37711 UI synchronizovat tato úhlová natočení obrobku s lineárními pohyby tří vedlejších pohonů frézovacího stroje. Synchronizované obrábění souvislým řízením pěti os je ale vhodné především pro specializované obrobky, na tento segment trhu ale mikro a malé firmy nečilí. Ve větším spektru výrobců je čtvrtá, respektive pátá osa využívána pouze jako indexovací (polohovací), a právě na tuto část trhu se zaměřuje nejvíce samostatných dodavatelů přídavných os k frézovacím strojům. Synchronizované funkce jsou tak ve větší míře přenechány samotným výrobcům obráběcích strojů, kteří pak takové doplňkové osy nabízejí.

Tato zmíněná řešení jsou však pouze částečná, jelikož se jedná pouze o operace frézování (vrtání a závitování). Pokud má být splněn požadavek zvládnutí soustružnické operace, je nutné vybavit výrobnu soustruhem - tedy novým strojem. To se vzhledem ke snaze mikro a malých podniků o navýšení užitné hodnoty ideálně již stávajícího zařízení a současné minimalizaci investičních nákladů nejeví jako vhodný přístup.

Propojení indexovací přídavné osy se soustružnickou osou v jeden konstrukční celek a vyřešení polohování soustružnického nástroje za pomocí standardních vedlejších os frézovacího centra je tedy úkolem technického řešení. Tento cíl je orientován převážně na mikro podniky a malé podniky v oboru obrábění kovů, tedy na identifikovanou mezeru na trhu v segmentu CNC strojů.

Podstata technického řešení

Uvedené nevýhody a nedostatky dosud známých řešení obráběcích systémů do značné míry odstraňuje zařízení k upínání frézovaného obrobku s integrovanou operací soustružení, vybavené indexovacím pohonem pro změnu úhlu polohy obrobku vůči směru frézování, podle technického řešení. Podstata technického řešení spočívá v tom, že zařízení má v nosném tělese uložen hlavní pohon určený pro operaci soustružení a tvořený hlavním motorem, propojeným přes převod s hlavním vřetenem, na kterém je uchyceno šnekové kolo, přičemž hlavní vřeteno je zvenčí opatřeno upínacím zařízením. Zařízení současně obsahuje indexovací pohon pro úhlovou změnu poloh při operacích frézování, vybavený motorem šneku uloženým v přírubě motoru šneku a propojený s otočně uloženou šnekovou hřídelí, opatřenou vnějším závitem pro záběr se šnekovým kolem. Šneková hřídel indexovacího pohonu je uložena v excentrické hřídeli, která je s nosným tělesem rotačně spojena ložisky a je omezeně vratně úhlově otočná tak, že postavení šnekové hřídele vůči šnekovému kolu je v krajních polohách přesuvné z polohy v záběru šnekového kola se šnekovou hřídelí do polohy mimo záběr. Excentrická hřídel jev oblasti záběru šnekového kola se šnekovou hřídelí opatřena tvarovým vybráním pro umožnění jejich záběru a svého úhlově otočného pohybu. Pro zajištění úhlově otočného pohybu je excentrická hřídel vybavena aktuátorem.

Aktuátor je s výhodou pneumatický nebo elektrický. Upínacím zařízením může být sklíčidlo, lícní deska nebo jiný upínací prostředek. Propojení hlavního motoru s hlavním vřetenem je přednostně provedeno řemenovým převodem.

Výhody zařízení k upínání frézovaného obrobku podle technického řešení:

Zařízení k upínání frézovaného obrobku s integrovanou operací soustružení podle technického řešení dovoluje nejen poloho vat jednou upnutý frézovaný obrobek, jak to umožňují dosud známá zařízení (tzv. přídavné osy) na frézovací centra, ale také soustružit tento obrobek. Podstatnou výhodou zařízení podle technického řešení je zkrácení délky obráběcí operace díky časové úspoře dané odstraněním nutnosti přeupínání obrobku. Navíc je eliminováno riziko nepřesností spojených s novým upnutím obrobku. Konstrukce podle technického řešení tedy přináší možnost efektivního obrábění rotačních i rovinných ploch na jednom stroji bez nutnosti přeupínání obrobku. Přitom jsou zachovány výhody současných řešení s polohovacími osami, tedy možnost rychlého obrábění z více stran, například na tříosém frézovacím centru.

-2CZ 37711 UI

Pro realizaci technického řešení je nutné použít dvoumotorovou konstrukci a mechanicky odpojitelný převod. Na to je navázána i softwarová báze, která umožní volbu režimu a dovolí alternativní využití frézovacího centra také pro soustružnické operace na upnutém obrobku.

Propojení indexovací (tzv. přídavné) osy se soustružnickou osou v jeden konstrukční celek a vyřešení polohování soustružnického nástroje za pomocí standardních vedlejších os frézovacího centra podle technického řešení umožní snížení nutného počtu přeupínání obráběného dílce nejen pomocí strategie obrábění z více stran, ale současně rozšířením technologických možností tříosého frézovacího stroje o doplňkovou funkci soustružení. Zařízení podle technického řešení je orientováno přednostně na mikropodniky a malé podniky zaměřené na kusovou a malosériovou výrobu dílců v oboru obrábění kovů, cílí tedy na identifikovanou mezeru na trhu v segmentu CNC strojů. Právě pro tyto typy podniků představuje zařízení podle technického řešení významnou úsporu výrobních nákladů. Zařízení dovolí těmto podnikům dále využít potenciál jejich stávajících CNC frézovacích tříosých strojů, který vedle víceosého obrábění zvládnou i většinu soustružnických operací bez nutnosti investice do CNC řízeného soustruhu.

Realizace technického řešení znamená posun obráběných produktů do kategorie s vyšší přesností a nižší časovou náročností, tedy vyšší technologickou úrovní. Umožňuje zakázková řešení strojů na míru, včetně speciálních testovacích a měřících zařízení.

Objasnění výkresů

K přiblížení podstaty technického řešení slouží přiložené výkresy, kde značí:

- obr. 1 - bokorys sestavy zařízení s vyznačením řezu A-A,

- obr. 2 - řez A-A dle obr. 1,

- obr. 3 - nárys sestavy zařízení s vyznačením řezu B-B,

- obr. 4 - řez B-B dle obr. 3.

Příklad uskutečnění technického řešení

Zařízení k upínání frézovaného obrobku s integrovanou operací soustružení, vybavené indexovacím pohonem pro změnu úhlu polohy obrobku vůči směru frézování, podle obr. 4, má indexovací pohon vybavený motorem 1 šneku uloženým v přírubě 2 motoru šneku a propojeným s otočně uloženou šnekovou hřídelí 3, opatřenou vnějším závitem pro záběr se šnekovým kolem 4, a současně obsahuje hlavní pohon tvořený hlavním motorem 5, propojeným (viz obr. 2) přes převod 6 s hlavním vřetenem 7. Na hlavním vřetenu 7 je uvnitř zařízení uchyceno šnekové kolo 4 a zvenčí upínací zařízení 8, zde tvořené sklíčidlem. Šneková hřídel 3 indexovacího pohonu je uložena v excentrické hřídeli 9, která je prostřednictvím ložisek rotačně uložena v nosném tělese 10. Excentrická hřídel 9 je omezeně vratně úhlově otočná tak, že postavení uvnitř uložené šnekové hřídele 3 vůči šnekovému kolu 4 je v krajních polohách přesuvné z polohy v záběru šnekového kola 4 se šnekovou hřídeli 3 do polohy mimo záběr. Excentrická hřídel 9 je v oblasti záběru šnekového kola 4 se šnekovou hřídelí 3 opatřena tvarovým vybráním pro umožnění jejich záběru a svého úhlově otočného pohybu. Zajištění úhlově otočného pohybu excentrické hřídele 9 je zde provedeno pneumatickým aktuátorem (neznázoměno).

Zařízení podle technického řešení pracuje tak, že popsaný indexovací pohon pomocí motoru 1 šneku provádí přesné změny úhlové polohy hlavního vřetene 7 z původní úhlové polohy do dalších požadovaných úhlových poloh tak, aby obrobek mohl být frézován z více stran při trvajícím původním upnutí, bez přeupínání.

-3 CZ 37711 UI

Příruba 2 motoru šneku propojuje motor 1 šneku s excentrickou hřídelí 9 tak, že zajišťuje stálý kontakt motoru 1 šneku se šnekovým kolem 4 jak při odepínání, tak při připínání indexovacího pohonu.

Přepnutí se realizuje zvenčí pootočením excentrické hřídele 9 pomocí pneumatického aktuátoru (nezobrazen). Excentrická hřídel 9 slouží pouze na přepnutí do záběru šnekového kola 4 se šnekovou hřídelí 3 a zpět, má tedy dvě polohy -indexovací pohon zapoj en/odpojen, v úhlovém rozsahu cca 45°, přičemž je v ní vytvořeno tvarové vybrání umožňující toto úhlové pootočení. Navíc v poloze „indexovací pohon zapojen“ je pomocí excentrické hřídele 9 fixováno hlavní vřeteno 7 a tím zajištěno přesné obrábění - frézováním. V poloze indexovací pohon odpojen je pomocí excentrické hřídele rozpojen šnekový převod a tím je zajištěno obrábění - soustružením.

Indexování - polohování - zajišťuje motor 1 šneku a šneková hřídel 3 odpovídajícím pootočením do požadované polohy ve fázi, kdy je odpojen hlavní motor 5 sloužící k soustružení a je umožněno frézování. Zde je teoreticky nekonečný počet možností. Samotné frézování pak již zajišťuje CNC obráběcí stroj, do kterého se celý popsaný systém vkládá. Vytvořený systém řeší u frézování jen polohování, přidanou funkci soustružení přitom řeší i včetně pohonu.

Příklad konstrukce podle technického řešení je jako prototyp vytvořen ve velikostní řadě pro nasazení ve stroji typu HAAS VF1. Lze jej však rozšířit do několika rozměrových řad napříč velikostmi malých až středních frézovacích tříosých vertikálních center. Prototyp je proveden v podobě plně automatické přídavné osy zahrnující elektronické přepínání režimů, optické odměřování i souvislé polohování. Má následující užitné vlastnosti:

• programově polohovatelné natáčení osy, • ovládaní osy pomocí samostatného řídicího panelu, • reakce na M-fúnkce nadřazeného řídicího systému CNC stroje, • automatické přepínání mezi režimem indexování a soustružení.

V rámci řešení je realizováno řídicí rozhraní pro samostatné ovládání osy. Řešení je doplňkem k používaným obráběcím frézovacím tříosým strojům, je tak zajištěno univerzální propojení s řídicím systémem obráběcího stroje. Z tohoto požadavku vyplývá především vysoká autonomie řízení systému s přídavnou osou a s vlastním řídicím rozhraním. Řešení splňuje bezpečnostní požadavky - s bezpečným odpojením obráběcího stroje je bezpečně odpojena i tzv. přídavná osa. Dále jsou řešeny doplňkové funkce, jako je zastavení přídavné osy, výzva k přepnutí programu mezi klasickým tříosým frézováním a programem pro přídavnou osu a podobně (M-fúnkce). Umožněna je volba úhlu natočení, přepínání mezí funkcí indexování a soustružení, ale i sledování chodu v automatickém režimu. Řešení zahrnuje rovněž postup pro rychlé a přesné usazení čtvrté osy na frézovacím stole CNC stroje a následně jeho přesné zaměření pomocí obrobkové sondy stroje.

Využití soustružnické možnosti zařízení s přídavnou osou podle technického řešení je založeno na vyřešení samostatného odpojitelného uzlu fixování soustružnického nástroje přímo ve frézovacím vřetení nebo v rámci skeletu vřeteníku na ose Z. Soustružnické operace prováděné touto osou nenahrazují produktivní soustružení pomocí soustružnických obráběcích strojů. Realizují však takové soustružnické operace, které je možné v rámci daného obrobku zvládnout, i když s nižšími výkonnostními parametry. Benefitem je snížení času na přeupínání a zvýšení přesnosti obrobku, neboť s přeupínáním se celková přesnost dosažená na dílci snižuje. Nároky na upnutí soustružnických nástrojů jsou zde poněkud nižší než u produkčních soustružnických center, ale přesto je dosaženo odpovídající tuhosti upnutí, která je určena z limitujících řezných podmínek, což znamená při dostačující jistotě upnutí soustružnického nástroje zároveň nepoškodit frézovací vřeteno, respektive jeho ložiskové uložení.

-4CZ 37711 UI

S konstrukční stránkou řešení zařízení s přídavnou osou souvisí i software pro generování NC kódu soustružnických operací a postprocesor pro transformaci drah soustružnického nástroje do souřadného systému standardního CNC vertikálního frézovacího centra.

Průmyslová využitelnost

Zařízení k upínání frézovaného obrobku s integrovanou operací soustružení je využitelné pn kombinovaném obrábění, kdy je vyžadováno kromě víceosého frézování také doplňkové obrábění 10 soustružením. Nalezne využití zejména u mikro a malých podniků, které jdou cestou navýšení užitné hodnoty svého stávajícího zařízení s minimalizací investičních nákladů a jsou orientovány přednostně na malosériové a kusové zakázky s operativní přizpůsobivostí aktuálním požadavkům.

Claims (4)

1. Zařízení k opracování frézovaného obrobku s integrovanou operací soustružení, vybavené indexovacím pohonem pro změnu úhlu polohy obrobku vůči ose frézování, vyznačující se tím, že v nosném tělese (10) má uložen hlavní pohon pro operaci soustružení tvořený hlavním motorem (5) propojeným přes převod (6) s hlavním vřetenem (7), na kterém je uchyceno šnekové kolo (4), přičemž hlavní vřeteno (7) je zvenčí opatřeno upínacím zařízením (8), a zařízení současně obsahuje indexovací pohon pro úhlovou změnu poloh při operacích frézování vybavený motorem (1) šneku uloženým v přírubě (2) motoru šneku a propojený s otočně uloženou šnekovou hřídelí (3) opatřenou vnějším závitem pro záběr se šnekovým kolem (4), přičemž šneková hřídel (3) indexovacího pohonu je uložena v excentrické hřídeli (9), která je s nosným tělesem (10) rotačně spojena ložisky a je omezeně vratně úhlově otočná tak, že postavení šnekové hřídele (3) vůči šnekovému kolu (4) je v krajních polohách přesuvné z polohy v záběru šnekového kola (4) se šnekovou hřídeli (3) do polohy mimo záběr, a současně excentrická hřídel (9) je v oblasti záběru šnekového kola (4) se šnekovou hřídelí (3) opatřena tvarovým vybráním pro umožnění jejich záběru a svého úhlově otočného pohybu, přičemž pro zajištění úhlově otočného pohybuje excentrická hřídel (9) vybavena aktuátorem.

2. Zařízení k opracování frézovaného obrobku s integrovanou operací soustružení podle nároku 1, vyznačující se tím, že aktuátor je pneumatický nebo elektrický.

3. Zařízení k opracování frézovaného obrobku s integrovanou operací soustružení podle nároku 1, vyznačující se tím, že hlavní motor (5) je propojen s hlavním vřetenem (7) řemenovým převodem (6) .

4. Zařízení k opracování frézovaného obrobku s integrovanou operací soustružení podle nároku 1, vyznačující se tím, že upínacím zařízením (8) je sklíčidlo, lícní deska nebo jiný upínací prostředek.