Исполнитель: Валуй Роман Андреевич, 541 об
Научный руководитель: Русинов Владислав Леонидович
Подсистемы обеспечения надежности и безопасности работы фрезерного станка c ЧПУ
В статье рассматривается организация водяной системы охлаждения шпинделя, подсистемы обеспечения надежности и безопасности работы фрезерного станка с ЧПУ
Ход работы:
1. Общие сведения о системе охлаждения шпинделя
1.1 Описание водяной системы охлаждения шпинделя фрезерного станка с ЧПУ
1.2 Жидкостная система охлаждения шпинделя
1.3 Эксплуатация шпинделей с жидкостным охлаждением
1.4 Конструктивные схемы теплообменников
2. Личные заметки
3. Особенности различных систем аспирации для фрезерных станков с ЧПУ.
4 Рекомендации по смазке станков с ЧПУ
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ ОХЛАЖДЕНИЯ ШПИНДЕЛЕЙ
1.1 Описание водяной системы охлаждения шпинделя фрезерного станка с ЧПУ
Конструктивно, шпиндель фрезерного станка представляет собой мощ-ный асинхронный электродвигатель переменного тока. Вал электродвигателя установлен в радиально-упорных подшипниках - для компенсации воздействия осевых нагрузок при вертикальном движении фрезы, а также компенсации нагрузок в горизонтальной плоскости при движении инструмента вдоль маршрута обработки. Торец вала шпинделя имеет конус Морзе для установки цангового патрона. Последний служит, , для закрепления фрезы, предварительно установленной в цангу соответствующего диаметра.
Все узлы шпинделя Рисунок 1.1 объединены в едином разборном корпусе со встроенной системой охлаждения. Для агрегатов небольшой мощности (до 500 Вт) в основном применятся система воздушного охлаждения. Более мощные шпиндели (от 1 кВт и выше) оснащены системой житкосного охлаждения.
Рисунок 1 - Шпиндель
1.2 Жидкостная система охлаждения шпинделя
Её конструкция представляет собой специальную «рубашку» (полости внутри корпуса шпинделя для прохождения жидкости), куда под давлением подаётся теплоноситель. Базовой охлаждающей жидкостью является вода, однако для предотвращения коррозии может использоваться тосол или иные смеси.
Наибольший нагрев при работе шпинделя испытывает обмотка асин-хронного электродвигателя и подшипники вала. Именно их «обнимает» рубашка охлаждения - избытки тепла поглощаются циркулирующей жидкостью. Для подвода/отвода жидкости корпус шпинделя оснащён специальными штуцерами (по этому признаку легко отличить шпиндели с водяным охлаждением от «воздушных»). Штуцеры соединяется гибкими шлангами с жидкостным насосом и теплообменником. Ещё одним компонентом системы является ёмкость для хранения запаса жидкости. В некоторых системах охлаждения ёмкость также может играть роль теплообменника.
Рисунок 2 - Штуцеры шпинделя
1.3 Эксплуатация шпинделей с жидкостным охлаждением
1. При подключении, частотник обязательно должен быть настроен на номинальные характеристики конкретного шпинделя (особенно частота Hz). Монтаж производить медными проводами с рекомендованным сечением, желательно чтобы шпиндель был заземлен.
2. При первом подключении, перевести частотник в режим отображения по-требляемого тока. Может так случиться, что в режиме холостого хода шпин-дель будет потреблять ток своего номинала или больше (например в результате межвиткового замыкания), что позволит выявить, что шпиндель неисправен и не спалить его. Потребление тока нормально работающего шпинделя на холостом ходу 0,1-0,3A.
3. После подключения убедиться, что вал вращается по направлению стрелки, нанесенной на корпусе шпинделя (обычно по часовой стрелке).
4. В качестве охлаждающей жидкости применять качественный тосол/антифриз (лучше разбавить дистиллированной водой) или теплоносители для систем отопления. Ввиду ядовитости жидкостей и испарения из нее воды, использовать закрытую герметичную систему. Периодически посматривать за уровнем жидкости в емкости, если необходимо произвести долив.
5. В начале работы убеждаться, что жидкость циркулирует в системе и попадает в емкость под напорчиком.
6. На новом шпинделе ОБЯЗАТЕЛЬНО произвести ОБКАТКУ подшипников. Не спешите, посвятите этому минимум полдня, постоянно контролируя темпе-ратуру нижних и верхних подшипников.
7. При каждом включении станка производить прогрев подшипни-ков шпинделя (с повышением оборотов) минут десять. А также прогревать шпиндель при простое два и более часа (особенно в холодное время).
8. При ежедневной работе изредка дотрагиваться до шпинделя проверяя его температуру. При правильной эксплуатации температура не должна подни-маться выше 40-50 градусов, хотя бытует утверждение "пока терпит рука" - нормально. Если "рука" не терпит или появились нехарактерные звуки и вибрация - пора делать шпинделю ТО.
9. Как правило резьба на валу китайских шпинделя имеет невысокую степень закалки, т.е. достаточно "нежная". Постоянно следите за чистотой резь-бы шпинделяи гайки. Не применяйте чрезмерное усилие для закручивания ин-струмента, дабы не сорвать резьбу.
10. Обдуманно применяйте инструмент для работы. Некоторые торцевые фрезы имеют "мертвую" зону в центре, для них необходимо применять зигзагообразное или боковое врезание (иначе при мощной ось Z возможно выдавливание ротора в крышку шпинделя). Рассчитывайте вылет фрезы таким образом, чтобы гайка шпинделя свободно проходила над самым высоким местом (зажим, материал...). Тупой (севший) инструмент увеличивает нагрузку на шпиндель, а также может служить "мостиком" для передачи высокой температуры к нижним подшипникам. При неправильной эксплуатации, инструмент диаметром 1-5мм сломается сам, а диаметром 6мм и более уже нанесет ущерб шпинделю.
11. Не старайтесь выжимать из шпинделя все 100%, изначально он должен быть подобран под работу с запасом мощности. Подшипники шпинделя имеют все-таки ограниченный ресурс эксплуатации, поэтому лучше выбирать режимы резания с расчетом, чтобы обороты шпинделя были как можно меньше.
12. При простое оборудования более месяца желательно слить охлаждающую жидкость и выдуть остатки из шпинделя (нельзя использовать сжатый воздух высокого давления).
Описание шпинделя
Технические характеристики:
бренд: G-PENNY MACHINE
привод: мотор
рабочая скорость: 0-24000 об/мин
применение: фрезерование
напряжение: 220 В
ток: 7 А
power:1.5 кВт
охлаждение: жидкостное (водяное)
частота: 400 Гц
1.4 Конструктивные схемы теплообменников
Нормальным температурным режимом работы фрезерного станка с ЧПУ является нагрев шпинделя не выше 50 °С (на ощупь шпиндель должен быть горячим, но не обжигающим). В случае чрезмерного нагрева шпинделя (особенно при продолжительном фрезеровании на форсированных режимах), интенсивность теплообмена системы охлаждения приходится увеличивать.
Как отмечалось выше, простейшим теплообменником может являться ёмкость для хранения жидкости. Металлические стенки ёмкости достаточно хорошо рассеивают тепло нагретой воды. А в случае необходимости, эффек-тивность такого пассивного радиатора можно повысить, обеспечив надёжный контакт металлической ёмкости с металлической же рамой фрезерного станка. Массивная рама обеспечит отличное рассеивание тепла нагретой жидкости, сливающейся из шпинделя в ёмкость.
2 Личные заметки.
Я Валуй Роман Андреевич состою в бригаде по работе над установкой ЧПУ.
Моя задача это разработка системы охлаждения шпинделя.
Состав системы охлаждения:
1. Аквариумный насос HY-3500
2. Резервуар для воды
3. Уплотнительная резинка для крышки бака
4. Трубка подачи жидкости
Электрическая схемап указана ниже. Рисунок -
Рисунок 3 - Электрическая схема подключения
Ход работы.
Первым делом были изучены материалы из интернета как другие люди приспосабливали систему охлождения.
После изучения был подобран бак.
Размер бака:
a) высота-31см.
b) длина-25см.
c) ширина-25см.
По размерам можно сказать что бак вместимостью 20 литров.
Бак полностью герметичен, сварочные швы со всех сторон и толщиной с палец. Как говорится сделан на века.
Рисунок 4 - Длина и ширина бака
Рисунок 5 - Высота бака
Так же имеется металлическая крышка бака, в ней есть тир вывода:
1. под провод питающий насос
2. под выходную трубку
3. под входную трубку
Рисунок 6 - Крышка бака
Под крышку для герметичности устанавливается уплотнительная резинка с тремя прорезями для выходных отверстий.
Рисунок 7 - Уплотнительная резинка
Крышка крепится на баке зажимом с двух сторон и затягивается бараш-ками.
Рисунок 8 - Крепление крышки
Внутри бака установлен аквариумный насос, имеющий лапки присоски для фиксации на дне резервуара.
Рисунок 9 - Насос
Рисунок 10 - Лапки присоски
3 ОСОБЕННОСТИ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ АСПИРАЦИИ ДЛЯ ФРЕ-ЗЕРНЫХ СТАНКОВ С ЧПУ.
Принцип обработки резанием заключается в воздействии острого клина фрезы на материал заготовки. Возникающие при этом силы преодолевают межмолекулярное притяжение и таким образом разрушают материал в зоне резания - с образованием обработанной поверхности и отводом «лишнего» материала в виде стружки.
Однако нетрудно догадаться, что возникающие силы резания образуют реактивный момент, стремящийся провернуть, сдвинуть (или даже «вырвать») заготовку. Следовательно, без её надёжного закрепления на рабочем сто-ле фрезерного станка обработка будет невозможна.
Проще всего зафиксировать заготовку механически - все столы фрезер-ных станков имеют встроенные горизонтальные пазы, куда вставляются стан-дартные болты крепления. Однако механический прижим «противопоказан» ряду заготовок.
Во-первых, из-за риска повреждения поверхности (и даже «расползания» трещин из-под опорной тарелки) при сильном затягивании струбцины.
А во-вторых, некоторые заготовки не поддаются надёжной фиксации по всей поверхности (например, широкоформатные листы тонкого алюминия) - пона-добилось бы очень большое число струбцин для закрепления листа буквально в каждой точке (а иначе, при касании фрезой вдали от точек прижима заготовка будет «играть»).
Для устранения вышеперечисленных недостатков механического крепления заготовок был разработан т.н. вакуумный прижим.
Вакуумные столы
В простейшем случае вакуумный стол представляет собой плоскую сплошную поверхность с резиновыми уплотнителями-шторками по бокам. За-готовка укладывается на эту поверхность и «обхватывается» уплотнителем по периметру. Специальный насос откачивает воздух из пространства под заготовкой (т.е. между ней и поверхностью вакуумного стола), благодаря чему заготовка под действием атмосферного давления плотно прижимается и равномерно фиксируется.
Достоинством вакуумного стола является простота размещения заготовки, её надёжное крепление (и быстрое раскрепление), отсутствие механического контакта «крепежа» с плоскостью (и риска её царапин/повреждений). К недостаткам же можно отнести несовместимость с некоторыми системами (в частности - системой охлаждения инструмента, системой улавливания стружки), а также сравнительно высокую стоимость.
Рисунок 11 - Вакуумный стол
Конструктивные особенности бакелитового стола
Вакуумный стол имеет плоскую основу, рассечённую небольшими па-зами-углублениями на множество небольших сегментов. Поверхность стола покрыта бакелитом - эластичным материалом, чрезвычайно стойким к царапинам, давлению, тепловому и химическому воздействию. По всей плоскости стола равномерно распределены воздухоотводящие отверстия. В пазы стола укладывается уплотнительный резиновый шнур, образуя замкнутый контур.
При этом отдельные ячейки «отсекаются» от окружающего пространства и, будучи накрыты сверху плоскостью заготовки, образуют замкнутые камеры. Вакуумный насос подключается одновременно ко всем отверстиям и при включении откачивает воздух из образовавшихся замкнутых камер, делая их своеобразными «присосками», фиксирующими заготовку.
Варьируя геометрию резинового уплотнителя, можно создавать сложный замкнутый контур - повторяющий очертания детали. Малая площадь ячеек стола позволяет подстраиваться под особенности заготовки - к примеру, исключить зону будущего отверстия, или не приближаться к обрабатываемой боковой поверхности, и т.д.
Преимущества использования
Бакелитовый вакуумный стол позволяет:
• Надёжно фиксировать заготовки, не прижимая их механически;
• Размещать и обрабатывать тонкие материалы, или листовые заготовки боль-шого формата;
• не использовать дополнительные защитные материалы поверх стола (бакелит достаточно стоек сам по себе) и не вносить тем самым погрешность в настройки вертикального перемещения фрезы;
• оберегать фрезу от поломки при случайном контакте с поверхностью вакуумного стола (например, при сквозной обработке заготовок);
• работать с заготовками различной геометрии - при правильном разме-щении уплотнительного шнура вакуум не «улетучивается» (даже при выполнении достаточно большого количества сквозных отверстий в заготовке);
• применять один вакуумный насос;
• в случае необходимости использовать дополнительный механический прижим винтами (для этого вакуумные отверстия имеют резьбу).
Значение аспирации
В зоне работы инструмента запыленность достигает критических величин (около 100 мг/куб.м). Взвеси, находящиеся в воздухе, представляют опасность для здоровья человека, способствуя развитию:
• дерматитов;
• патологических изменений слизистых оболочек;
• заболеваний легких, бронхов, глаз.
С запыленностью справляются системы аспирации, конструкция которых зависит от инженерных особенностей помещения.
Разновидности систем аспирации
СНиП 2.04.05-86 диктует нормы, касающиеся чистоты воздуха в произ-водственном помещении. Системы аспирации могут воплощаться в форме:
• промышленной вентиляции (воздух очищается в одном или не-скольких производственных помещениях);
• местной очистки (пыль отводится локально с помощью насадки, гофротрубы и специального пылесоса).
Местная очистка - хорошее решение для малого и среднего бизнеса. Та-кая система имеет следующие преимущества:
• небольшие габариты;
• простая конструкция;
• мобильность.
Ее чаще всего используют на производствах по обработке дерева и пла-стика.
Рисунок 12 - Аспирационная система
4 Рекомендации по смазке станков с ЧПУ
Рисунок 13 - Система смазки
Когда, где и чем: основные рекомендации по смазке станков с ЧПУ
Современные станке для фрезерной обработки с ЧПУ - оборудование высокотехнологичное. В состав такого станка входят важнейшие элементы: электроника ЧПУ, системы прецизионной механики, сложная электрическая компоновка. Чтобы оборудование работало максимально продуктивно, необходимо следить за целостностью, работоспособностью каждого узла. Малейший сдвиг в сторону «неисправности» ведет к ухудшению работы всего оборудования, понижается качество обработки материала.
Целый ряд внутренних и внешних элементов станка отличаются долго-вечностью, износоустойчивостью. Но есть и такие детали, которые часто теря-ют свою работоспособность, в том числе подвергаясь внешним воздействиям.
Загрязнение станка: основные источники
Принцип работы оборудования - воздействие острого инструмента на материал заготовки. В результате физического процесса преодоления молекулярного притяжения фреза отделяет от изначальной заготовки «отходы» -- стружку. Соответственно, поверхность бесформенного материала таким образом обрабатывается, приобретая новое качество.
Процесс точения или фрезерования на станке всегда сопровождается от-делением от материала стружки. Стоит также помнить, что есть рядя материа-лов, которые образуют во время обработки достаточно мелкую, ломкую стружку, иногда даже пыль. К таким материалам относится стекло, камень, дерево, графит.
Именно такие производственные «отходы» являются наибольшей неприятностью во время обработки. Кроме того, это небезопасно. Стружка и пыль образуют статический заряд, что может привести к поражению током мастера станка. Кроме того, пыль и стружка - «враги» современных шпиндельных систем. Загрязнения существенно снижают ресурс узлов подшипников.
Для портала с инструментом такие «отходы» также крайне опасны:
• при попадании стружки или пыли происходит значительное снижение качества и целостности слоя смазки. С уменьшением смазочной «способности» увеличивается сопротивление при движении портала, уменьшается качество его позиционирования;
• кроме того, происходит заметный износ станковых направляющих и общий ресурс оборудования.
Электронная система фрезерного станка с ЧПУ также не приемлет посто-ронние «отходы». Даже самые незначительные загрязнения пылью и стружкой негативно сказываются на функционировании плат и разъемов.
Таким образом, появление загрязнений во время обработки материала - неизбежный процесс работы фрезерного станка. Чтобы обеспечить оборудованию качественную, надежную работу, поддерживать оптимальную производительность, необходимо четко следовать рекомендациям по очистке станка.
Какие узлы системы нуждаются в очистке?
Каждый станок фрезерного типа обладает так называемым «запасом прочности», иными словами рассчитан на достаточно длительное функциони-рование. Однако вышеописанные процессы (образование загрязнений во время обработки) существенно снижают работоспособность, износоустойчивость, производительность техники. Фрезерный станок с ЧПУ необходимо регулярно обрабатывать смазочными материалами, очищать от пылевых и стружковых загрязнений.
Выше мы отмечали, что во время обработки материала на различных механических узлах и электронике скапливаются «отходы». Удалять их необходимо ежедневно, чтобы следовать правилам техники безопасности. Статическое электричество, скапливаемое в стружке и пыли, может не только навредить персоналу, но и стать «катализатором» для поломки электронных элементов.
Очистка станка должна производиться комплексно. Удалять загрязнения необходимо не только с станкового корпуса, но и с основных рабочих элементов - направляющих, реечных передач и ШВП. Шкаф с электрическими элементами следует регулярно продувать с помощью компресора.
Основное скопление стружки и пыли наблюдается на слое смазки направляющих рельс. В этом случае простой поверхностной очистке будет не-достаточно. Здесь необходимо полностью удалить всю смазку с содержанием пыли и обработать поверхность новым веществом. Но здесь необходимо четко соблюдать определенные рекомендации. Неправильно подобранная смазка может не только не улучшить качество фрезерования, но и существенно снизить работоспособность станка.
Смазка фрезерных узлов: рекомендуемые составы
Чаще всего рекомендуется смазывать подвижные узлы станка специаль-ным составом под названием WD-40. Однако стоит отметить, что состав этого веществ наполовину состоит из так называемого вайт-спирита, которые явля-ются растворителем, но никак не смазочным веществом.
Поэтому смесь WD-40 должна использоваться по своему назначению - для очистки узлов оборудования, но никак не для непосредственной смазки. Это вещество прекрасно справляется с различными видами загрязнений, жировыми отложениями, удаляет влагу. Но в то же время он полностью удаляет смазочный слой, что приводит впоследствии к появлению ржавчины, ухудшению функционирования станка.
Соответственно, использовать этот состав для «смазки» узлов нельзя. Для этого следует использовать специальное смазочное масло, причем перед обработкой насухо вытереть узловые поверхности. Наиболее популярные вещества - это так называемые литиевые смазки. Оптимальным вариантом будет №2. Еще один проверенный способ - обработка узлов с помощью состава Mobil Vactra#2.
Дополнительная защита фрезерного станка
Для предотвращения загрязнений станковых узлов необходимо устранить причину таких загрязнений. Разумеется, полностью избавиться от стружки не получится. Но есть отличная возможность существенно сократить ее разлет по оборудованию.
Самый популярный способ - установка систем, которые улавливают стружку. Конструкция такого элемента не представляет ничего сложного: на шпиндель монтируется специальная насадка, которая в свою очередь закрывает резательную область. Выходит нечто похожее на «кожух». Из этого кожуха стружка вытягивается дополнительным агрегатом - пылесосом. Происходит это через специальное отверстие и проведенный к этому отверстию шланг.
Простота такой конструкции ничего не означает. Она уже доказала свою эффективность на многих производствах. Еще один совет - вынос стружковых «отходов» сразу же, не дожидаясь большого скопления «мусора» в помещении.
