Szimultán 5 tengely helyett 3+2 – előnyök és hátrányok

Egyre nagyobb teret hódít manapság a szimultán öttengelyes CNC megmunkálás. Ennek oka – véleményem szerint – a „teljesen automatizált” gyártástechnológiához való egyre nagyobb mértékű közeledés.

A teljesen automatizált termelés alapját mindig a gyártást végző gépek jelentik, minél inkább a tömegtermelés felé mozdulunk el, annál specifikusabbnak kell lennie a gépeknek. Minél többet akarunk gyártani, a termelőeszközünknek annál egyedibbnek, cél-orientáltabbnak kell lennie. Vagyis bonyolultabbnak. Az öt tengelyes megmunkálás térhódításának egyik oka a folyamatosan növekvő igény az egyedi gyártás iránt. Tapasztalataim szerint Magyarország egyre inkább Európa „Kínája” lesz, így a tömegtermelés volumenének a növekedése húzza magával a tömegtermelő eszközök gyártását. Vagyis az egyedit. Vagyis a bonyolultabbat. Személy szerint – ha tudni akarom „mi a helyzet hazánkban” – nem egy kereskedőt, vagy egy gyakorló mérnököt kérdezek meg, hanem egy fröccsöntő szerszám gyártót, vagy egy célgép építőt. Ők készítik a „bonyolultat” és az „elsőt”. És egyre bonyolultabbat és egyedibbet kell készíteniük a technológia és a piac előrehaladása miatt. Ami – gépi forgácsolás tekintetében – teret ad a szimultán öt tengelyes megmunkálásnak. De jelenleg hazánkban vajon van-e rá mindenkinek elég pénze?

A szimultán öt tengelyes megmunkálás egyik „költséghatékonyabb” megoldását, a 3 tengelyes CNC megmunkáló központokra felszerelhető negyedik vagy negyedik/ötödik tengelyeket, mint alternatívát, szeretném ismertetni jelen cikkemben.

Szimultán negyedik/ötödik tengelyek konstrukciós felépítése

Számos konstrukciós kialakítása fellelhető a piacon a gépasztalra felszerelhető CNC tengelyeknek. Az egyszerűség kedvéért a billenő-forgó asztalos A+C tengelyes konstrukciót ismertetjük. Az itt felsorolt alapvető kialakítások az összes többi konstrukcióra visszavezethetők.

szimultan_5-tengely_cikk1

Csigahajtás elvi felépítése

szimultan_5-tengely_cikk3

Bronz csigakerék és acél csigatengely

A negyedik/ötödik tengelyek alapját, vázát egy öntvény képzi, melyben a hajtáselemek helyezkednek el. A hajtásrendszer elemei sorra a vezérlőtől a tárgyasztalig: hajtáskártya, szervomotor, az esetek 90 %-ában csigakerék-csigatengely hajtás, és közöttük a megfelelő kuplungok, fékek. A billenő-forgó negyedik/ötödik tengelyek esetében mindkét tengely mechanikus hajtása csigakerék hajtás. A motorok legtöbbje állandó mágneses szinkron-szervo motor. A kisebb tengelyek esetén pneumatikus, 320, vagy annál nagyobb asztalátmérőjű tengelyeknél hidraulikus fékeket alkalmaznak.

szimultan_5-tengely_cikk2

Forgóasztal főbb szerkezeti egységei

A negyedik/ötödik tengelyek kulcsfontosságú szerkezeti egysége a csigahajtás. Általában 1:60-as áttételtől 1:200 lassító áttételt valósítanak meg. 2000–3000 ford./perces szervomotorokkal így 10-30 ford./perces tengelyenkénti fordulat érhető el a forgó-billenő asztalokkal. A billenő-forgó tengelyek mozgástartománya általában: forgó asztalnál (C-tengely) teljes 360°, billenő tengelynél (A- vagy B-tengely) -30 – 40-tól +90°-ig. A csigahajtás legnagyobb előnye a nagy lassító áttétel megvalósítása, így magas nyomaték-érték elérése. A csigakerekek anyaga általában bronzból, vagy ötvözött-keménybronzból készül, a csigatengely ötvözött-edzett acélból. A csigakerék (elméletileg levezethető, és tapasztalatból adódóan is bizonyítható) kopik mindig gyorsabban, így a jobb kenés-állapotú anyagból kell készíteni: bronzból, vagy ötvözeteiből.

Mire figyeljünk választás előtt?

1. Fontos számítások elvégzése kiválasztás előtt

Az egyik legfontosabb dolog, hogy a felszerelhető tengelynek minél kompaktabbnak kell lennie. Felszerelés esetén az asztal szabad felületének egy jó részét elfoglalja (1000-es gép esetén kb. 250-350 mm-t), illetve a legkritikusabb pont mindig a Z-tengely mozgástartománya, ami megmarad, ha álló helyzetben dolgozunk a forgóasztallal. Általában választás esetén a legfontosabb kérdés, hogy az asztal különböző billenési pontjaiban mennyi szabad mozgásterületünk marad. A másik legfontosabb dolog az asztal fékteljesítménye. A kompaktság miatt gyakran a kisebb méretű szinkron-szervo motorok motorikus féküzemben nem képesek megtartani a nagy súly és a marásból-fúrásból származó erők ellenében a munkadarabot, ezért szoktak fékeket beépíteni. A gyártók szinte mindegyike megadja, hogy különböző pozíciókban mekkora erők-nyomatékok ellen képes ellen tartani a fék-szervomotor kombináció. Ez nemcsak a súlyerőkre, hanem a súlyerők + a forgácsolásból származó erőkre is vonatkozik. A két komponens gyakran esik egy nagyságrendbe (gondoljunk bele: ha nem rögzítjük a munkadarabot megfelelően, akkor marás közben kirepülhet? A munkadarab súlya asztalon tartja a darabot marás közben? Láttunk már repülő munkadarabot?) Méretválasztás esetén fontos utána számolni!

szimultan_5-tengely_cikk4

Forgó-billenő asztal javítás alatt

A súlyerők alatt értjük: egyrészt a tömegből származó erőt, illetve a munkadarab tehetetlenségi nyomatékát. Más nyomaték szükséges egy 30-as rúd megforgatásához hossztengelye körül, illetve más nyomaték szükséges egy 400 mm-es átmérőjű tárcsa megforgatásához. A gyártók katalógusainak többsége tartalmazza a szükséges ellenőrzésekhez a képleteket. Tanácsos végigszámolgatni őket, vagy a kereskedő, műszaki tanácsadó segítségét kérni. Személy szerint méretezés/választás során én egy 70-80%-os kihasználtsági szintet javasolnék (például ha a gyártó a maximális axiális terhelést 1000 N-ra korlátozza, én számításaim során 800 N értéknek venném). Ha a szerszám kopik, általában nagyobb erők ébredhetnek. Érdemes egy 20-30%-nyi tartalékot rajtahagyni.

szimultan_5-tengely_cikk5

: Látható a fogankénti egyenlőtlen kopás. A csigatengely addig feszíthető följebb az elkopott csigakerék fogaira, míg a kopás kb. a fog 1/4-ét el nem éri (gépkönyvekben pontosabban specifikálva)

szimultan_5-tengely_cikk6

Fogankénti egyenlőtlek kopás, illetve egytengelyűségi hibával felszerelt csigakerék. Ha a kopás deformációt is okoz a fogakban, nem lehet a csigatengelyt feszíteni.

2. Megfelelő szintű karbantartás előkészítése

Mielőtt bárki meglepődne: a csigakerék el fog kopni. Ez szinte biztos. Alapvetően konstrukciós kialakítása miatt úgy van beépítve, hogy a csigakerék kopjon el először. Ennek két oka van. A csigakerék cseréje (például a billenő tengely esetén) sokkal egyszerűbb, mint a szervo-motorral kuplungolt, gyakran szíjáttétellel kiegészített csigatengelyé. Másrészt a csigakerék olcsóbb alkatrész, mint a csigatengely. A forgó asztaloknál a csigakerék kopása (közel) állandó a teljes kerülete mentén, illetve a terhelések általában kisebbek, amik az asztal elcsavarásából származnak. Az asztal eldöntéséből származóak már sokkal veszélyesebbek. Általában a legjobban terhelt elem a billenő tengely csigakereke. Továbbá a billenő tengely csigakerekének kihasználtsága a billenő tengely mozgástartománya miatt csak körülbelül 120°. Összegezve: nagyobb terhelést, így nagyobb kopást szenved el a billenő tengely csigakereke, mint a forgóé, és ez a kopás harmad akkora felületen koncentrálódik.

Természetesen ez semmilyen mértékig nem eltántorító ok, csak a figyelmet szeretném felhívni az alábbi pár óvintézkedésre, mellyel jelentősen megnövelhető a forgó-billenő asztalok élettartama: egyrészt a megfelelő kenés, hiszen a bronz alkatrészek többsége is igényel kenőolajat, másrészt a kopás megkezdése hallható jelet ad magáról: egyrészt „morgósabb” a hajtásunk hangja, másrészt a billenő tengely lefelé engedése akadozni kezd (felemelésnél az asztal és a munkadarab súlya feszíti a fogaskerekeket, kiküszöbölve a kotyogást.) A kopás mielőbbi észrevétele során az első teendő: a csigatengely feljebb feszítése a csigakerékre. Ha nem segít, akkor a csigakerék 90°-kal, vagy 120°-kal való odébb forgatása a hajtott tengelyen. Vásárlás előtt érdemes kikérni a kereskedőtől, hogy a csigatengely utófeszítése konstrukciósan megoldott-e, vagy a csigakerék kialakítása biztosítja-e az elforgatott felszerelést, esetleg az utó-stiftezését (illesztő szeggel való rögzítését új pozícióba). A gépkönyvek többsége tartalmazza ezeket az információkat.

3. Szerszámgépünk megfelelő elektronikai kiépítettségének felmérése

Vásárlás előtt érdeklődjünk mind a negyedik/ötödik tengely forgalmazójánál, mind a szerszámgépünk gyártójánál! Miért? A 3-tengelyes szerszámgépek vezérlőinek többsége szimultán csak 4 tengelyt tud egyszerre kezelni, a többi tengelyt csak indexáltan (vagyis csak akkor tud forogni, ha a többi tengely áll). A negyedik/ötödik tengely megvásárlása és beépítése előtt a szerszámgépünk vezérlőjét mind szoftveresen, mind hardveresen ellenőriznünk kell. Bizonyos megmunkáló központok vezérlésére tervezett vezérlők gyárilag alkalmasak 5 tengely kezelésére szoftveresen. Amikor egy szerszámgép-gyártó beépíti a vezérlőt a szerszámgépbe, mely mondjuk csak 3 tengelyes eredetileg, szoftveresen mind a kezelő felületen, mind a háttérben futó programoknál elrejti a fölösleges tengelyek vezérléséhez szükséges elemeket. Egy gyártó által szolgáltatott kód, vagy vezérlő frissítés az ilyen jellegű vezérlőknél alkalmassá teszik egy később felszerelt tengely vezérlésére. Hardveres szinten az alábbiaknak kell utána járnunk: tengelyenként szükségeltetik egy hajtáskártya. A hajtáskártya lényegében egy szervo-erősítő, ami a vezérlő által leadott útjelet, elmozdulás-jelet, sebesség értéket, stb. alakítja át a szervomotor mozgatásához szükséges elektromos jellé. Egyrészt ellenőriznünk kell, hogy a vezérlőnk maximálisan hány hajtáskártyák képes kezelni, illetve ezek közül hány tengelyt képes egyszerre vezérelni (szimultán) és hány tengelyt képes vezérelni indexáltan. Például van olyan megmunkáló központokhoz tervezett vezérlő, melyet általában 3 tengelyes gépekbe építenek be, de alkalmas egyszerre 5 tengely vezérlésére, ezek közül azonban csak 4 tud szimultán mozogni. A másik tényező, amit hardveres oldalról ellenőriznünk kell, az a vezérlőnk memóriája (RAM). Az öt tengelyes, kiváltképp a szimultán öt tengelyes vezérlés esetén a számítási kapacitás igénye jelentősen nagyobb, mint 3 lineáris tengely vezérlésekor. Előfordulhat az a hiba, hogy az utólagos forgó-billenő tengely felszerelését követően a gépünk csak „kb. 10-15 percig” tud szimultán dolgozni. A magasabb számítási igény telíti a gép memóriáját. A vezérlők nagyobb részénél a memória utólagosan is bővíthető.

Szimultán 5 tengelyes megmunkálásra alkalmas gép, vagy csak 3+2 tengelyre?

A szimultán 5 tengelyes megmunkáló központ és a 3 tengelyes, felszerelhető plusz 2 tengelyes gép  közötti legfontosabb különbség az ár. Egy felszerelhető tengely beszerzési és beépítési ára lényegesen alacsonyabb. A másik legfontosabb tulajdonsága a „felszerelhetősége”. Ha nincs szükség a szimultán forgó-billenő tengelyekre, leszerelhető, majd később vissza építhető. Hátrányuk a pontosságuk és alkalmazhatóságuk a valós megmunkálási körülmények között. Egy szimultán öt tengelyes gép, amit „születésétől” fogva öt tengelyes megmunkálásra alkalmas, általában mindig pontosabb, mint egy utólag kialakított 3+2 tengelyes gép, illetve jóval több megmunkálási megoldás alkalmazható rajta üzemszerűen. Hátrányuk továbbá a fajlagos helyszűke. Egy ugyanakkora alapterületű 5 tengelyes gép és egy 3 tengelyes, felszerelt asztalos esetén, a gép maximálisan megmunkálható munkadarab méretének tekintetében mindig az 5 tengelyes gép fog vezetni. Az öt tengelyes gépek java részén a forgó-billenő, vagyis rotációs tengelyek torque-motorokkal vannak hajtva, ahol nincs közvetett áttétel, csak a kuplung. (Torque-motor, vagy nyomaték motor: speciális szinkron motor, kifejezetten nagy nyomaték leadására, kis fordulat mellet, gyakran még tárcsa motoroknak is hívják őket). A csigakerék-csigatengely hajtás karbantartás igényesebb és több figyelmet igényel, mint egy nyomaték motor, viszont jóval olcsóbb. Negyedik/ötödik tengelyeket az univerzalitásuk és költséghatékonyságuk miatt alkalmazzák, nem pontosságuk, vagy egyszerűbb kialakításuk miatt.

Források:
www.tormach.com/product_rotaryproducts.html
en.tjr.com.tw/service/index.php?parent_id=24
sherline.com/product/3700-4-rotary-table/
kitagawa.com/services-repairs/
www.ebay.com/itm/COMPLETE-REPAIR-SERVICE-HAAS-ROTARY-TABLE-HRT-310-4TH-AXIS-HRT310-arpi-/400951626029
www.alloyavenue.com/vb/showthread.php?6612-Rotary-Table-Rebuild-Hobbing-Worm-Gears
www.practicalmachinist.com/vb/general/realistic-price-good-10-horizonal-vertical-rotary-table-315637/
www.lehmann-rotary-tables.com/en/home/?oid=1546&lang=en