Szerszámgépek vezetékezése II. – Maximális terhelhetőség, Kinematika, Merevség és Pontosság

szerszámgépek erőjátéka a következő: a forgácsolás során keletkező erőket a szerszámon illetve a készüléken keresztül a szerszámgép mozgó szerkezeti egységei, illetve a hajtásrendszer veszi fel. Végül a mozgó vázelemek az erőket a gépváznak adják át, mely a talajba juttatja, vezeti le azokat. A mozgó szerkezei egységek, illetve az álló szerkezeti egységek közötti relatív elmozdulást lineáris csapágyak, vezetékek veszik fel. A vezetékezés kialakítása egy kulcsfontosságú kérdés konstrukciós szempontból, mivel ez jelentősen meghatározza a gép pontosságát, gyorsaságát és merevségét. Alábbi cikkemben két fő vezetékezési rendszert ismertetnék: a csúszóvezetékezés és az LM-típusú vezetékezést.

Összehasonlítás

Maximális terhelhetőség

A csúszóvezetékes kialakítás esetén, mint említettem, teljes felületen érintkeznek a szerkezeti elemek, így a terhelés (akár a gép tömegéből adódó statikus, vagy a gyorsulásokból származó dinamikus) jelentősen nagyobb felületen oszlik meg. Gördülő elemes vezetékezés esetén a terhelhetőség jelentősen korlátozott. Ennek a legfőbb oka, hogy a gördülő elemek lényegesen kisebb felületen adják át a terheléseket a vezetéknek. Így azonos terhelés esetén a gördülő elemes konstrukció nagyobb felületi nyomást fejt ki a vezetékekre, így növelve a vezetékekben ébredő feszültséget. Példa: ha át akarunk kelni egy befagyott tavon, praktikusabb hason csúszva megtenni azt, hiszen a tömegünk (a felületet érő terhelés) nagyobb felületen oszlik szét, kisebb a felületi nyomás, mint ha két lábon tennénk meg azt. Nem csak a nyomásközlés mértéke, de módja is kritikus. A pontszerű érintkezés miatt úgynevezett Herz-feszültség keletkezik a vezetékekben, mely apró mikrorepedések keletkezéshez vezethet. A mikrorepedések időbeni terjedése során a vezeték futófelülete kifárad. E hatás csökkentésének érdekében három főbb konstrukciós megoldást alakítottak ki az idők folyamán:

  1. A gördülőelemek sorainak számát 4-re emelték, így bármely irányból éri a csapágyat, sarut a terhelés, 2 gördülőelem sorra oszlott meg a terhelés. A vezeték keresztmetszetének optimalizálásával elérhetővé vált, hogy egy gördülő elem akár 2 ponton is érintkezzen a vezetékkel. Hétköznapi néven ezeket 6, illetve 8 pont felfekvésű vezetékezésnek is hívják (lásd 7. ábra).
    7. ábra: 4 soros LM csapágy

    7. ábra: 4 soros LM csapágy

  2. Több évtizedes géptervezési tapasztalat során a „csap előbb kopjon el, mint az agy” szemlélet került bevezetése az LM-típusú vezetékezés területén. A pontszerű terhelés ellen az egyik leghatásosabb védekezés a futófelület felületkezelése, keményítése. A vezetékeket általában indukciós edzésnek vetik alá, majd futófelületeit köszörülik. Így a futófelületen 48 – 52 HRC keménységet lehet elérni. A konstrukciós tapasztalatok alapján a gördülő elemnek mindig 2 HRC-vel keményebbek kell lennie, így a gördülő elemek felületének keménységét általában 52- 54 HRC-re állítják be.
  3. A golyós gördülő elemek lecserélése hengergörgős elemekre. Mivel hengergörgők esetén a terhelés nem pont mentén, hanem vonal mentén oszlik meg, így a hengergörgős LM vezetékek fajlagos terhelhetősége jelentősebb, mint a golyós gördülő elemesé (de így sem közelíti meg a csúszóvetetékes megoldás fajlagos terhelhetőségét!)(lásd 8. ábra).
8. ábra: Hengergörgős LM csapágy

8. ábra: Hengergörgős LM csapágy

Kinematika: elérhető sebesség és gyorsulás

Tegyünk különbséget sebesség és gyorsulás között. Sebesség a gép esetén az adott idő alatt megtett utat jelenti (esetünkben az előtolás vagy gyorsjárat). Gyorsulás alatt pedig azt értjük, hogy az adott sebességet mennyi idő alatt éri el a rendszer (pl.: álló hajtás mennyi idő alatt éri el a gyorsjárati sebességét). Ezt a két kinematikai mennyiséget külön kell kezelni. Egy gyors szerszámgép nem biztos, hogy képes magas előtolással dolgozni. A LM-vezetékezéssel jelentősen nagyobb előtolásokat lehet elérni a csúszóvezetékezéshez képest, oka a csúszás és gördülés közötti különbség. Másrészt kisebb az érintkező felületek nagysága, így csökken a mozgást gátló felületek nagysága, csökken az ellenállása a mozgásnak. Míg csúszóvezetékezésnél a teljes felületen érintkeznek a szerkezeti egységek, addig LM-vezetékeknél csak pont, vagy vonal mentén (gördülőelemtől függően). Gondoljunk vissza az előbbi jégen történő átkelésre: habár ha hason fekve haladunk át kisebb a felületi nyomás, mégsem lesz soha olyan gyors, mintha átsétálnánk rajta.

A súrlódás, illetve az akadozó csúszás eltűnésével az LM típusú vezetékezéssel nagyobb gyorsjárati értékeket lehetett elérni (1 G-nél magasabb). Oka, hogy az akadozó csúszás eltűnésével, és a súrlódás csökkentésével reszponzívabb (rövidebb válaszidejű) vezérlést és motorikus hajtást lehet alkalmazni. A vezérlés rövidebb idő alatt tudja lekövetni a mechanikus rendszer mozgásállapotát, csökkennek a holtidők, így a motorikus rendszer által nyújtott gyorsulási értékeket jobban ki lehet aknázni. Kinematikai szempontból az LM-vezetékezés nagyságrendekkel jobb, mint a csúszóvezetékezés.

Merevség és pontosság

E két fogalom teljesen eltérő jelentésű, mégis szerszámgépek esetén szorosan összefüggnek. Merevség alatt azt értjük, hogy adott terhelés hatására mekkora mértékben mozdul el a szerkezeti egység rugalmasan, vagy deformálódik képlékenyen (maradandóan). Jelen esetünkben, mivel a csúszóvezeték fajlagos terhelhetősége sokkal magasabb, azonos terhelés esetén kisebb a deformáció, így a merevsége sokkal nagyobb, mint az LM-típusú vezetékezésé.

Egy vezetékezési rendszer pontosságát jelentősen befolyásolja a csapágyazás és a vezetékek merevsége, de nem csak ez a fő befolyásoló szempont! Függ az adott mozgás jellegétől is. A korábban említett akadozó csúszás, slip-stick jelenség miatt a gyorsulási karakterisztikája a csúszóvezetékes konstrukciónak mindig alul marad a gördülő elemes, LM-megoldáshoz képes. Például körmozgás esetén az asztalnak, vagy a főorsónak egyszerre két tengely-szinkronizált mozgásából kell kialakítania a szükséges kerületi sebességet. Ehhez a két hajtásrendszernek folyamatosan változtatnia kell a tengelyenkénti sebességét, melynek eredője lesz a körmozgás. Minden két tengely által létrehozott körmozgás esetén van két pont, ahol az egyik tengely előtoló sebessége nulla. E pont után csúszóvezetékes gép esetén problémát jelenthet az akadozó csúszás miatt a rendszer felgyorsítása. Ez például nagy átmérőjű furatok marásánál jelenthet problémát. Míg egy LM-típusú vezetékezésnél nem jelenthet gondot egy H7-es tűrés megmunkálása (ez anyag, szerszám és egyéb szerszámgép szerkezettani elemtől is függ), addig csúszóvezetékeknél a slip-stick miatt körkörösségi hibák és a felületérdesség ugrásszerű változásai is felléphetnek.

9. ábra: Szerelt vezetékes gépváz, lineáris csapágyakkal

9. ábra: Szerelt vezetékes gépváz, lineáris csapágyakkal

Másik példa alakos felületek esztergálása, ahol a két tengely folyamatosan változtatja tengelyenkénti előtolását, hogy az eredő előtolás állandó maradjon. Ezzel ellentétben állandó előtoláson végzett műveletek esetén (például: palást- és homlokmarás, palást esztergálás), ahol nem szükséges a hajtásrendszernek gyorsítania-lassítania, a csúszóvezetékes megoldás egyértelműen jobb pontosságot biztosít. A fent említett slip-stick okozta pontossági – minőségi hibák mértéke alkalmazás függőek. Az általános gépgyártásban ezek a hibák bőven megengedhetőek, viszont olyan alkalmazásoknál, ahol a felületérdesség kulcsfontosságú, az LM-vezetékezés sok esetben jobbnak bizonyulhat (pl.: elektródamarásnál, orvostechnikai implantátumok gyártásánál). A pontosságot befolyásolja továbbá a vezetékezés, és főleg a csapágyazás termikus viselkedése. A csúszóvezetéknél a nagyobb súrlódó felület miatt jelentősen több hő keletkezik, mint az LM-típusú vezetékeknél, mely a hőtágulás okozta pontatlanságokat növeli. Gondoljunk arra, ha a tenyerünket dörzsöljük, több hő keletkezik, mintha csak az újbegyünket. A levegő, illetve olaj áramoltatásos vezetékezés segíti elvezetni a súrlódásból keletkező hő egy részét, viszont ennek kialakítása lényegesen drágább. Levegő hidrosztatikus kenésének alkalmazásakor levegő keringtető hornyokat kell kialakítani a csúszóvezetékben, mely szintén növeli az egyedi megmunkálások számát, így költségét is.

Szerző Juhász Miklós

Képek forrása:

[7] http://www.thk.com/?q=eng
[8] http://www.nskamericas.com/cps/rde/xchg/na_en/hs.xsl/ra-rb-series.html
[9] http://www.toyodausa.com/machines/vertical-machining-centers/aq-series-linear-guideways/aq850/