Принцип роботи шпиндельного інструменту – розхитування та затискання в обробних центрах з ЧПК
Анотація: У цій статті детально розглядається основна структура та принцип роботи механізму розпушування та затискання шпиндельного інструменту в обробних центрах з ЧПК, включаючи склад різних компонентів, робочий процес та ключові параметри. Її метою є глибокий аналіз внутрішнього механізму цієї важливої функції, надання теоретичних посібників для відповідного технічного персоналу, допомога їм у кращому розумінні та обслуговуванні шпиндельної системи обробних центрів з ЧПК, а також забезпечення високої ефективності та точності процесу обробки.
I. Вступ
Функція послаблення та затискання інструменту шпинделя в обробних центрах є важливою основою для автоматизованої обробки на обробних центрах з ЧПК. Хоча існують певні відмінності в структурі та принципі роботи різних моделей, базова структура схожа. Поглиблене дослідження принципу роботи має велике значення для покращення продуктивності обробних центрів, забезпечення якості обробки та оптимізації технічного обслуговування обладнання.
II. Базова структура
Механізм розпушування та затискання шпиндельного інструменту в обробних центрах з ЧПК складається переважно з наступних компонентів:
- Натяжна шпилька: Встановлена на хвостовій частині конічного хвостовика інструменту, вона є ключовим з'єднувальним компонентом тягового стрижня для затягування інструменту. Вона взаємодіє зі сталевими кульками на головці тягового стрижня для забезпечення позиціонування та затискання інструменту.
- Тяга: Завдяки взаємодії зі стрижнем за допомогою сталевих кульок, вона передає сили розтягування та осі для здійснення затискних та розпушувальних дій інструменту. Її рух контролюється поршнем та пружинами.
- Шків: Зазвичай він служить проміжним компонентом для передачі потужності в механізмі розхитування та затискання інструменту шпинделя, він може бути задіяний у передавальних ланках, що приводять у рух пов'язані компоненти. Наприклад, він може бути з'єднаний з гідравлічною системою або іншими приводними пристроями для приведення в рух таких компонентів, як поршень.
- Пружина Бельвіль: складається з кількох пар пружинних пластин і є ключовим компонентом для створення сили натягу інструменту. Її потужна сила пружності може забезпечити стабільну фіксацію інструменту в конічному отворі шпинделя під час процесу обробки, гарантуючи точність обробки.
- Контргайка: Використовується для фіксації таких компонентів, як пружина Бельвіля, щоб запобігти їх розхитування під час робочого процесу та забезпечити стабільність і надійність усього механізму розхитування та затискання інструменту.
- Регулювальна прокладка: Шліфуванням регулювальної прокладки можна точно контролювати стан контакту між тягою та тяговим штифтом в кінці ходу поршня, забезпечуючи плавне послаблення та затягування інструменту. Вона відіграє вирішальну роль у точному регулюванні всього механізму послаблення та затискання інструменту.
- Гвинтова пружина: вона відіграє певну роль у процесі розкручування інструменту та сприяє руху поршня. Наприклад, коли поршень рухається вниз, щоб натиснути на тягу для розкручування інструменту, гвинтова пружина створює певну силу пружності, що забезпечує плавність та надійність дії.
- Поршень: це виконавчий елемент механізму розпушування та затискання інструменту. Під дією гідравлічного тиску він рухається вгору та вниз, а потім приводить у дію тягу для здійснення затискання та розпушування інструменту. Точне керування його ходом та зусиллям має вирішальне значення для всього процесу розпушування та затискання інструменту.
- Кінцеві вимикачі 9 та 10: Вони використовуються відповідно для надсилання сигналів для затискання та послаблення інструменту. Ці сигнали подаються назад до системи ЧПУ, щоб система могла точно контролювати процес обробки, забезпечувати скоординований хід кожного процесу та уникати аварій під час обробки, спричинених неправильною оцінкою стану затискання інструменту.
- Шків: Подібно до шківа, згаданого у пункті 3 вище, він разом бере участь у системі передачі, щоб забезпечити стабільну передачу потужності та дозволити всім компонентам механізму розпушування та затискання інструменту працювати спільно відповідно до заданої програми.
- Торцева кришка: Вона виконує роль захисту та герметизації внутрішньої структури шпинделя, запобігаючи потраплянню домішок, таких як пил та стружка, всередину шпинделя та впливу на нормальну роботу механізму розпушування та затискання інструменту. Водночас вона також забезпечує відносно стабільне робоче середовище для внутрішніх компонентів.
- Регулювальний гвинт: Його можна використовувати для точного регулювання положення або зазорів деяких компонентів, щоб ще більше оптимізувати роботу механізму розпушування та затискання інструменту та забезпечити підтримку високоточної робочої форми під час тривалого використання.
III. Принцип роботи
(I) Процес затискання інструменту
Коли обробний центр знаходиться в нормальному стані обробки, тиск гідравлічного масла на верхньому кінці поршня 8 відсутній. У цей час гвинтова пружина 7 знаходиться в природному розтягнутому стані, і її сила пружності змушує поршень 8 рухатися вгору в певне положення. Тим часом, пружина Бельвіля 4 також відіграє певну роль. Завдяки своїм пружним характеристикам, пружина Бельвіля 4 штовхає тягу 2 вгору, так що 4 сталеві кульки на головці тяги 2 входять у кільцеву канавку на хвостовику шпильки 1 хвостовика інструмента. Завдяки вбудовуванню сталевих кульок, сила натягу пружини Бельвіля 4 передається на тягу 1 через тягу 2 та сталеві кульки, тим самим щільно утримуючи хвостовик інструмента та забезпечуючи точне позиціонування та надійне затискання інструмента в конічному отворі шпинделя. Цей метод затискання використовує потужну пружну потенційну енергію пружини Бельвіля та може забезпечити достатню силу натягу, щоб інструмент не розхитувався під дією високошвидкісного обертання та сил різання, гарантуючи точність та стабільність обробки.
(II) Процес розхитування інструменту
Коли необхідно замінити інструмент, гідравлічна система активується, і гідравлічна олива надходить у нижній кінець поршня 8, створюючи поштовх вгору. Під дією гідравлічного поштовху поршень 8 долає силу пружності гвинтової пружини 7 і починає рухатися вниз. Рух поршня 8 вниз штовхає тягу 2, щоб вона синхронно рухалася вниз. Коли тяга 2 рухається вниз, сталеві кульки вириваються з кільцевої канавки на хвостовій частині шпильки 1 хвостовика інструмента та входять у кільцеву канавку у верхній частині заднього конічного отвору шпинделя. У цей час сталеві кульки більше не мають стримуючого впливу на шпильку 1, і інструмент послаблюється. Коли маніпулятор витягує хвостовик інструмента зі шпинделя, стиснене повітря видуває через центральні отвори поршня та тяги, щоб очистити від домішок, таких як стружка та пил, у конічному отворі шпинделя, готуючи інструмент до наступного встановлення інструменту.
(III) Роль кінцевих вимикачів
Кінцеві вимикачі 9 та 10 відіграють вирішальну роль у зворотному зв'язку за сигналом протягом усього процесу послаблення та затискання інструменту. Коли інструмент закріплено на місці, зміна положення відповідних компонентів активує кінцевий вимикач 9, і кінцевий вимикач 9 негайно надсилає сигнал затискання інструменту до системи ЧПК. Після отримання цього сигналу система ЧПК підтверджує, що інструмент знаходиться в стабільному стані затискання, і може розпочати наступні операції обробки, такі як обертання шпинделя та подача інструменту. Аналогічно, коли процес послаблення інструменту завершено, спрацьовує кінцевий вимикач 10, і він надсилає сигнал послаблення інструменту до системи ЧПК. У цей час система ЧПК може керувати маніпулятором для виконання операції зміни інструменту, щоб забезпечити автоматизацію та точність усього процесу зміни інструменту.
(IV) Ключові параметри та конструктивні рішення
- Сила натягу: Обробний центр з ЧПК використовує загалом 34 пари (68 штук) пружин Бельвіль, які можуть створювати потужну силу натягу. За нормальних обставин сила натягу для затягування інструменту становить 10 кН і може досягати максимуму 13 кН. Такої конструкції сили натягу достатньо, щоб впоратися з різними силами різання та відцентровими силами, що діють на інструмент під час процесу обробки, забезпечуючи стабільну фіксацію інструменту в конічному отворі шпинделя, запобігаючи зміщенню або падінню інструменту під час процесу обробки, і таким чином гарантуючи точність обробки та якість поверхні.
- Хід поршня: Під час зміни інструменту хід поршня 8 становить 12 мм. Протягом цього 12-міліметрового ходу рух поршня поділяється на два етапи. Спочатку, після того, як поршень просунеться приблизно на 4 мм, він починає штовхати тягу 2, доки сталеві кульки не увійдуть у кільцеву канавку Φ37 мм у верхній частині конічного отвору шпинделя. У цей час інструмент починає послаблюватися. Згодом тяга продовжує опускатися, доки поверхня «a» тяги не торкнеться верхньої частини шпильки, повністю виштовхуючи інструмент з конічного отвору шпинделя, щоб маніпулятор міг плавно видалити інструмент. Завдяки точному контролю ходу поршня, дії послаблення та затискання інструменту можна виконувати точно, уникаючи таких проблем, як недостатній або надмірний хід, що може призвести до поганого затискання або неможливості послабити інструмент.
- Контактне напруження та вимоги до матеріалів: Оскільки 4 сталеві кульки, конічна поверхня натяжного шпильки, поверхня отвору шпинделя та отвори, де розташовані сталеві кульки, піддаються значним контактним напруженням під час робочого процесу, до матеріалів та твердості поверхні цих деталей пред'являються високі вимоги. Щоб забезпечити стабільність зусилля на сталевих кульках, отвори, де розташовані 4 сталеві кульки, повинні суворо знаходитися в одній площині. Зазвичай ці ключові деталі виготовляються з високоміцних, твердих та зносостійких матеріалів і проходять точну механічну обробку та термічну обробку для покращення їхньої поверхневої твердості та зносостійкості, що забезпечує належний робочий стан контактних поверхонь різних компонентів під час тривалого та частого використання, зменшує знос та деформацію, а також продовжує термін служби механізму розпушування та затискання інструменту.
IV. Висновок
Основна структура та принцип роботи механізму розпушування та затискання шпиндельного інструменту в обробних центрах з ЧПК утворюють складну та витончену систему. Кожен компонент взаємодіє та тісно координується один з одним. Завдяки точній механічній конструкції та геніальним механічним структурам досягається швидке та точне затискання та розпушування інструментів, що забезпечує надійну гарантію ефективної та автоматизованої обробки на обробних центрах з ЧПК. Глибоке розуміння принципу роботи та ключових технічних моментів має велике значення для проектування, виробництва, використання та обслуговування обробних центрів з ЧПК. У майбутньому розвитку, з постійним розвитком технології обробки з ЧПК, механізм розпушування та затискання шпиндельного інструменту також буде постійно оптимізуватися та вдосконалюватися, рухаючись до вищої точності, швидшої роботи та надійнішої роботи, щоб задовольнити зростаючі потреби високотехнологічної обробної промисловості.