Bepillantás a szikraforgácsoló gépek burkolata alá

Számos cikk született a szikraforgácsolásról, mint anyagleválasztó folyamatról. Rengeteget olvashattak a különböző gyártók által kínált gépek technológiai teljesítményéről, talán annál kevesebbet, hogy egy szikraforgácsoló gép hogyan is néz ki a burkolata mögött. Jelen cikkemben néhány gondolatot szeretnék megosztani Önökkel a szikraforgácsoló gépek kialakításával kapcsolatban, bemutatni néhány alapvető konstrukciós elvet, a teljesség igénye nélkül.

A hagyományos, szabályos élű szerszámmal végzett mechanikai forgácsolást végző szerszámgépek (esztergák, marógépek) bizonyos tekintetben „hasonlóak”, mint a szikraforgácsoló gépek (EDM-Electric Discharge Machinig). Bizonyos tekintetben. De ha jobban a „burkolat” mögé nézünk, végig gondoljuk a forgácsolási folyamat „mikéntjét”, rájöhetünk, hogy közel sem ilyen tiszta a kép.

1. ábra: Szikraforgácsológép gépváza

A legszembetűnőbb és legfontosabb különbség egy szikraforgácsoló gép és (például) egy marógép között, az a szerkezet terhelése. Míg a marógépet (vagy akár esztergát) főleg dinamikus jellegű mechanikai terhelések érik, addig a szikraforgácsoló gépek legnagyobb terhelése a hőterhelés.

Alapvetően egy EDM gép nagyságrendekkel kisebb előtolásokkal dolgozik, mint egy hagyományos forgácsológép, így a gépváz mozgó szerkezeti egységeinek a tehetetlenségből eredő terhelései szinte minimálisak. A forgácsolási folyamat során semmilyen mechanikus erő nem lép fel, így a munkadarab-szerszám kapcsolat között nincs záródó erőfolyam. Ezzel ellentétben a termikus terhelés jelentősen nagyobb, mint egy maró- vagy esztergagépé.

A két legfontosabb hőtermelő egység a szikraforgácsoló gépen belül a generátor (mely a forgácsoláshoz szükséges áramot biztosítja) és a hajtásrendszer szervo motorjai. A generátor hőtermelő hatása érthető, nem szükségesbővebben taglalni, nem úgy a szervo motorok esetében.

Minden elektromos gépnek – jelen esetünkben villanymotornak – van egy optimális üzemi pontja (egy fordulatszám-nyomaték értékpár), mely üzemi pontban dolgozva a gép a legjobb hatásfokkal üzemel. Előbbiek alapján – mivel az előtolások alacsonyabbak – a motorok nem feltétlenül mindig a szervo motor optimális üzemi pontjában dolgoznak. A motor teljesítményfelvétele közel azonos, addig a leadott teljesítmény csökken, a kettő különbségét pedig a gép „elfűti”.

2. ábra: Előtoló hajtásrendszer a burkolat mögött: látható a szervo motorokat minnél távolabb igyekeztek helyezni egymástól

2. ábra: Előtoló hajtásrendszer a burkolat mögött: látható, hogy a szervo motorokat minél távolabb igyekeztek helyezni egymástól

Több konstrukciós megoldás létezik az optimális munkapont közelítésére. Az egyik, hogy a szervo motor hajtótengelyére hajtóművet illesztenek a megfelelő áttétellel. A gyakoribb megoldás a fogasszíjjal megvalósított áttétel. Az egyik ok az ár, mivel egy szíjhajtás lényegesen olcsóbb, mint egy kompakt motoros hajtómű, a másik ok a szervo motorok termikus elszigetelése a mechanikus hajtástól. Míg hajtóműves illesztés esetén, kvázi a hajtómű hőközvetítő és -termelő elemként viselkedik a hajtásláncban, addig a szíjjal átvezetett hőmennyiség szinte elhanyagolható.

3. ábra: Fogasszíjhajás, a szervo motort leszerelve látható

3. ábra: Fogasszíjhajás, a szervo motort leszerelve látható

Míg fogasszíjas előtoló-hajtásrendszer a mechanikus forgácsoló gépeknél ritkán fordul elő (esztergák alsó-revolver feje), addig a szikraforgácsoló gépeknél gyakori kialakítás. A szíj nyúlása miatti beállási hibát az EDM gépeknél alkalmazott üveg mérőlécek visszacsatolása kiküszöböli (megjegyzés: az üveg mérőléceket nem azért „szeretjük” elsősorban mert „pontosak”, hanem mert függetlenek a teljes hajtáslánctól).

A szervo motorok hőtermelő egységként való viselkedése kritikusabb kérdés huzalos EDM gépeknél. Startlyuk fúró, illetve tömbös gépeknél 3-4 szervo az általános, huzalos gépeknél nem ritka az 5-6 szervo. A mai gyártástechnológia, köztük a szerszámgyártás elengedhetetlen eleme a különböző letörések, kúposságok kimunkálása. Ezt huzalos gépeknél a huzalt támasztó két vezetőkúp (vagy görgős egység) független mozgatásával lehet elérni. Így az X- és az Y-tengelyek hajtásához 2-2 hajtásrendszer kell, hogy az alsó és a felső vezetőegységek szögbe tudjanak állni, továbbá a huzal működő hosszának változása miatt a huzaltámasztó, és -vezető egységeket közelíteni és távolítani kell. Így legalább 5, de gyakran 6 hajtásrendszer szükséges, ami 6 szervo motort jelent. (Egy kéttengelyes CNC eszterga vígan eldolgozgat a két szervo motorjával). Gyakori elnevezés, például X tengely esetén az X-alfa (felső vagy első) és az X-béta (alsó vagy hátsó) szervo elnevezés a motorok megkülönböztetése végett.

4. ábra: alsó huzal vezető egység

4. ábra: alsó huzal vezető egység

A motorok hőtermelő hatását vizsgálva észrevehetjük, hogy a szikraforgácsoló gépek több folyadék jellegű közeggel dolgoznak (olaj, dielektrikum, kenőanyag), keringtetésükhöz több szivattyú szükséges, ami több hajtómotort jelent.

Ha tovább lépünk a hajtásláncban, a következő szerkezeti elem a golyósorsó-anya hajtás. Kialakítását tekintve hasonló, csapágyazása sem sokban különbözik egy eszterga orsóihoz képest. Ami különbség van egy eszterga/marógép és egy EDM gép golyósorsói között az a menetemelkedés és az orsó anyaga. A menetemelkedéssel az előbb említett áttételen való munkapont-beállítást lehet javítani. A mechanikus forgácsolást végző gépeknél alapkövetelmény a golyósorsó szívóssága és energiaelnyelő képessége. Az EDM gépeknél inkább a keménység és a hővezetési tényező alacsony értéke fontos. Míg „konverz” CNC esztergáknál és megmunkáló központoknál az ausztenites acélból készített golyósorsók a megfelelőek, addig EDM gépeknél a martenzites acélból készített golyósorsók a nagyjából 30%-al alacsonyabb hőtágulási együtthatójukkal és a hozzávetőleg 4-szeres keménységükkel a bevált orsóanyagok.

5. ábra: Golyósorsó anyagok főbb típusai: linear expansivity=hőtágulási tényező, Young's modolus= rugalmassági modolusz, Hardness B= Brinell keménység

5. ábra: Golyósorsó anyagok főbb típusai: linear expansivity=hőtágulási tényező, Young’s modolus= rugalmassági modolusz, Hardness B= Brinell keménység

Korábbi cikkeimben említettem és nem győzöm hangsúlyozni a vezetékrendszer kiépítésének fontosságát egy szerszámgép kialakításánál. Azt a tényt, hogy a ma ismert pontossági és minőségi osztályt képviselik az EDM gépek, jelentősen befolyásolta a gördülőelemes vezetékezések alkalmazása a szerszámgépgyártásban. Az EDM gépek jelentősége a 70-es, 80-as évek környékén ugrásszerűen megnőtt. Előtte is voltak szikraforgácsoló gépek, de más jellegűek. A hatalmas potenciálváltás oka (részben) a gördülő elemes vezetékek, az LM- vezetékek megjelenése. Oka a slip-stick (akadozó csúszás) eltűnése a vezetékezési rendszerből. Alacsonyabb sebesség tartományokban az akadozó haladó mozgás erőteljesebben érvényesül (gondoljunk csak egy hagyományos esztergapad szánjára!), így a szikraforgácsoló gépek előtolás tartományában a jelenség fokozottabb odafigyelést követelt meg a tervezőktől.

6. ábra: Szikraforgácsoló gép tűgörgős vezetéke, öveg mérőléccel

6. ábra: Szikraforgácsoló gép tűgörgős vezetéke, öveg mérőléccel

Nemcsak hogy egyeduralkodóvá vált, de számos új gördülő elemes vezetékezésnek is teret engedett az EDM technológia. Ilyenek például a tűgörgős vezetékezések, melyek a mechanikus elven működő forgácsoló gépeknél szinte elképzelhetetlenek lennének, a szikraforgácsoló gépeknél viszont (főleg a huzalos gépeknél) gyakori vezetékezési megoldás. A tűgörgős lineáris csapágy egyik legnagyobb technikai korlátja a csapágy sebessége. A szerkezeti kialakítása elviselné a nagy előtolásokat, a kenés lenne a kritikus szempont. A gördülő elem kis átmérője miatt a kialakítás kompaktabb, de a gördülési térben lévő hely kevés lenne a megfelelő kenéshez. Továbbá, mivel a tűgörgő átmérője kisebb, mint a hengergörgőé, így adott előtolás mellett a tűgörgő többször fordulna át, így több kenőanyagot is verne ki a vezeték szélére. Az EDM gépek alacsony előtolási tartományában ez a sebesség ideális.

7. ábra: Szikraforgácsológép gépváza

7. ábra: Szikraforgácsológép gépváza

A mozgó szerkezeti egységeket áttekintve, következzen a statikus szerkezeti egység, a gépváz. Számos katalógusban, brosúrában olvashatták a „szimmetrikus gépváz” kifejezést. Miért fontos? Képzeljünk el egy konzolos gerendát vízszintesen, melyet két, függőleges álló oszlopra helyezünk. Az egyik oszlop átmérője legyen fele akkora, mint a másiké. Alulról adott hőmennyiséget közlünk az oszlopokon keresztül. Mi történik? A két oszlop vastagságkülönbsége miatt eltérően fognak tágulni a hő hatására (ha anyaguk azonos, értelemszerűen). Így a rá helyezkedő gerenda már nem lesz vízszintes, enyhe szöghiba lesz benne. Egy olyan technológiánál, mely manapság már 1-3 μm-es tartományban dolgozik, ez a hiba megengedhetetlen. A szikraforgácsoló szerszámgépeknél sokkal jelentősebb tényező a gépváz szimmetrikus kialakítása, mint mechanikus elven működő társaiknál. Nemcsak a gépváz, de a gépvázra épített szervo és egyéb motorok a kerület mentén történő egyenletes eloszlatása is alapkövetelmény egy EDM gépnél.

A szikraforgácsoló gépek térhódítása más technikai újításnak is utat engedett. Remek példák erre a különböző műgránit, gránit és polimer-beton gépvázak alkalmazása (anyaguk ridegsége itt nem hátrány, hanem előny) illetve ezek hibrid kombinációi: beton gépvázba illesztett gránit elemek a vezetékek illesztése miatt, illetve a különböző egyéb műszaki kerámiaelemek alkalmazása illesztő elemként.

8. ábra: Szikraforgácsoló gépeknél alkalmazott kerámia gépelemek: tárgyasztal, illesztő elemek, csapágyak

8. ábra: Szikraforgácsoló gépeknél alkalmazott kerámia gépelemek: tárgyasztal, illesztő elemek, csapágyak

Mint látható, egy szikraforgácsoló gép a burkolat mögött kialakítását és jellegét tekintve is több szempontból is eltér a hagyományos, mechanikus forgácsolást végző gépektől. Bár itt is a szervo-golyósanya hajtás a legelterjedtebb hajtási mód, és láttunk már CNC megmunkáló központokat polimer-beton gépvázzal, de az alkalmazásuk „miértje” és „mikéntje” szembetűnően eltérő.

Szerző:Juhász Miklós

Forrás:
http://www.sodick.com/technology/ceramics
http://www.sodick.org/about-sodick/sodicks-technology/articles/machine-components.html
http://www.mitsubishielectric.com/fa/products/mecha/edm/die_sinking/index.html
http://pdf.directindustry.com/pdf/mitsubishi-edm-26539.html
http://www.nsk.com/products/precisionmachine/ballscrew/
http://www.nskeurope.com/cps/rde/xchg/eu_en/hs.xsl/innovative-nut-cooling-ball-screws.html