MODULARYZACJA KONSTRUKCJI W TECHNOLOGII GŁĘBOKIEGO WIERCENIA OTWORÓW WIERTŁAMI LUFOWYMI

Transkrypt

1 MODULARYZACJA KONSTRUKCJI W TECHNOLOGII GŁĘBOKIEGO WIERCENIA OTWORÓW WIERTŁAMI LUFOWYMI Kazimierz RYCHLIK, Maciej JASTRZĘBSKI, Mirosław BRAMOWICZ Jednostki obróbkowe stosowane do głębokiego wiercenia otworów wiertłami lufowymi posiadają charakterystyczną budowę. Mimo że konfiguracja jednostki może się zmieniać zależnie od zadania technologicznego, to główne zespoły występujące w jednostce mają zbliżoną budowę, pełniąc podobne zadania. W tradycyjnej konstrukcji jednostki do głębokiego wiercenia otworów (rys. 1) można wyróżnić: zespół wrzecionowy (wrzeciennik), zespół posuwowy, wiertnik (studzienka), zestaw narzędziowy (wiertło, oprawka narzędziowa), podtrzymka, zestaw uszczelniająco-prowadzący. Zespół wrzecionowy (rys. 1 poz. 1) w jednostce do głębokiego wiercenia otworów służy do nadania ruchu obrotowego narzędzia. Konstrukcja zespołu wrzecionowego przewiduje zwykle możliwość doprowadzenia czynnika chłodząco-smarującego przez oś wrzeciona za pomocą specjalnego złącza obrotowego. W niektórych przypadkach dla doprowadzenia czynnika chłodząco- -smarującego wykorzystuje się także przystawki montowane na czole wrzeciona, co znajduje zastosowanie w rozwiązaniach wrzecion z automatyczną wymianą narzędzi. Rozwiązanie to niestety obniża sztywność układu wrzeciennik-narzędzie. Przykładem wrzeciennika spełniającego wymagania dla wiercenia głębokich otworów są wrzecienniki wiertarskie JUT SK40 i JUT SK50 opracowane i wykonywane przez Zakład Obrabiarek i Technologii Montażu IMBiGS. Zespół posuwowy (rys. 1 poz. 2) służy do nadania narzędziu ruchu posuwistego. Zależnie od zastosowanej kinematyki obrabiarki w niektórych przypadkach zespół posuwowy może także służyć do przemieszczania obrabianego przedmiotu. Głównym zadaniem zespołu posuwowego jest przemieszczanie wrzeciennika wraz z narzędziem z określonymi parametrami ruchu. Praca zespołu posuwowego (rys. 2) odbywa się ze zmiennymi parametrami w odpowiednich fazach pracy jednostki zmiennych w punktach granicznych: faza I droga technologiczna ustawienia i wymiany narzędzia, faza II wolne wejście narzędzia w przedmiot (początek obróbki), faza III praca właściwa narzędzia (dla otworów przelotowych w pkt 4 następuje zmiana parametrów pracy i powolne wyjście narzędzia z obrabianego przedmiotu), faza IV szybkie wycofanie narzędzia na pozycję wyjściową. Punkty graniczne: 1 pozycja jednostki do wymiany narzędzia, 2 pozycja gotowości jednostki do pracy, 3 i 4 pozycja zmiany parametrów pracy, 5 pozycja krańcowa. Rys. 1. Jednostka obróbkowa do głębokiego wiercenia otworów wiertłami lufowymi: 1 zespół wrzecionowy (wrzeciennik), 2 zespół posuwowy, 3 wiertnik (studzienka), 4 zestaw narzędziowy (wiertło, oprawka narzędziowa), 5 podtrzymka, 6 zestaw uszczelniająco-prowadzący [4] Rys. 2. Fazy i punkty graniczne cyklu obróbkowego dla technologii głębokiego wiercenia otworów wiertłami lufowymi [3] W związku z tym zespół posuwowy musi charakteryzować się możliwością zmiany parametrów pracy oraz stabilnością zadanej wartości posuwu. Wiertnik (rys. 1 poz. 3) jest zespołem jednostki do głębokiego wiercenia otworów wykonywanym w postaci specjalnej skrzynki i spełniającym następujące zadania [8]: prowadzenie ostrza wiertła w początkowej fazie obróbki, skuteczne odprowadzenie czynnika chłodząco-smarującego oraz wiórów na zewnątrz obrabiarki. W korpusie wiertnika następuje rozładowanie wysokie- 51

2 2/2011 Technologia i Automatyzacja Montażu go ciśnienia czynnika chłodząco-smarującego oraz skumulowanie wiórów odprowadzanych ze strefy obróbki, które dalej spłukiwane są do rynny odpływowej. Zwykle do spłukiwania wiórów wykorzystywany jest dodatkowy strumień czynnika chłodząco-smarującego umożliwiający ciągłą pracę niezależnie od fazy pracy jednostki lub zestawu jednostek. Wiertnik zawsze umieszczany jest pomiędzy uchwytem mocującym obrabiany przedmiot a wrzeciennikiem. W korpusie wrzeciennika mocowane są zawsze dwa specjalne zestawy spełniające określone zadania technologiczne: specjalny zestaw z tulejką prowadząco-uszczelniającą wiertło lufowe od strony przedmiotu obrabianego, zestaw z pierścieniem prowadząco-uszczelniającym wiertło od strony wrzeciona jednostki wiertarskiej. Zestaw z tulejką prowadząco-uszczelniającą wiertło lufowe od strony przedmiotu obrabianego jest zestawem złożonym konstrukcyjnie, gdyż w jego skład wchodzi precyzyjna tulejka prowadząca wiertło. Zależnie od zastosowanej kinematyki obrabiarki obsada tulejki może być stała lub ruchoma. Ruchoma obsada tulejki (rys. 3) posiada bardziej złożoną konstrukcję. Rys. 3. Ruchoma obsada tulejki wiertarskiej: 1 tulejka wiertarska, 2 pokrywa zamykająca, 3 tuleja centrująco-dociskająca, 4 sprężyna dociskowa, 5 tuleja łożyskowa, 6 pierścień dystansowy, 7 łożysko, 8 nakrętka, 9 korpus obsady Dodatkowym wyposażeniem jednostki do głębokiego wiercenia otworów jest podtrzymka wiertła (rys. 1 poz. 5). Zespół ten stosowany jest tylko wtedy, kiedy wiertło wymaga dodatkowego podparcia dla uzyskania określonej sztywności wiertła. W niektórych przypadkach specjalna konstrukcja oprawki narzędziowej umożliwia zastąpienie funkcji podtrzymki. Przypadek ten jednak jest ograniczony gabarytami wiertnika. Tradycyjna konstrukcja podtrzymki umożliwia jej przemieszczanie się wraz z ruchem wrzeciennika. Specjalny mechanizm umożliwia nastawienie skoku podtrzymki i jej automatyczny powrót po wywierceniu otworu. Ruch podtrzymki zwykle realizowany jest na tych samych prowadnicach, po których porusza się wrzeciennik. Zależnie od konstrukcji oraz długości i średnicy zastosowanego wiertła może być zastosowanych nawet kilka podtrzymek [1]. Modularyzacja konstrukcji w technologii głębokiego wiercenia otworów W Zakładzie Obrabiarek i Technologii Montażu Instytutu Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego od wielu lat realizowana jest grupa projektów badawczo-rozwojowych ukierunkowanych na zastosowania praktyczne w przemyśle. W ramach współpracy z przemysłem i w odpowiedzi na wyraźne zapotrzebowanie na grupę obrabiarek zadaniowych przeznaczonych do głębokiego wiercenia otworów zostały opracowane i wdrożone specjalne konstrukcje obrabiarek zadaniowych. Obrabiarki do głębokiego wiercenia otworów mogą być budowane w różnych konfiguracjach zależnie od przedstawionych założeń konstrukcyjnych i wymagań technologicznych. Podstawowa konfiguracja obrabiarki zakłada zastosowanie głównych zespołów charakterystycznych dla technologii głębokiego wiercenia, do których należą: jednostka obróbkowa, układ chłodzenia i odwiórowania. Obrabiarki do głębokiego wiercenia otworów zwykle mają bardzo złożoną budowę, a ich wykonanie jest kosztowne. Ich uniwersalność powoduje, że są wyposażone w jedną jednostkę obróbkową. Umożliwia to łatwe zaprogramowanie cyklu pracy obrabiarki, jednak wydajność obróbki jest wyłącznie zależna od liczby wrzecion oraz zastosowanych parametrów technologicznych. Parametry technologiczne dla wierteł lufowych określane są w zależności od średnic wierconych otworów oraz materiału przedmiotu obrabianego. Prędkości skrawania dla przedmiotów wykonanych ze stali wynoszą V c = m/min, zaś posuw na obrót f n = 0,003 0,1 mm [1]. W technologii głębokiego wiercenia otworów wiertłami lufowymi dla osiągnięcia dużych wydajności produkcji stosuje się zwykle modułową budowę obrabiarek. Rozwiązanie to umożliwia konfigurowanie obrabiarki z równoległych modułów obróbkowych. Każdy moduł może wykonywać jednakowy zabieg wiercenia, np. wiercić otwory osiowo na jednakową głębokość w prętach. Z zastosowaniem odpowiedniego oprzyrządowania (specjalne uchwyty mocujące) można natomiast realizować różne zabiegi wiercenia dla jednego przedmiotu, stosując przekładanie przedmiotu (ręczne lub automatyczne) między uchwytami. Modułowa budowa obrabiarek do głębokiego wiercenia stosowana jest głównie dla obrabiarek zadaniowych, wykonujących założone zabiegi technologiczne w określonych przedmiotach. Dodatkowo uchwyty muszą być przystosowane do szerokiego asortymentu przedmiotów podobnych, dla których czasy przezbrojenia uchwytu muszą być jak najkrótsze. Wymagania takie powodują konieczność stosowania specjalnych uchwytów mocujących o złożonej budowie. Moduł kompaktowy Jednostki obróbkowe, jak wcześniej wspomniano, mogą być konfigurowane w obrabiarce zależnie od zadania technologicznego. Nie we wszystkich jednak przy- 52

3 padkach można zastosować uniwersalną konstrukcję jednostki. W obrabiarkach zadaniowych stosuje się różne rozwiązania konstrukcyjne jednostek umożliwiające spełnienie wysokich wymagań stawianych przez przemysł. Propozycją rozwiązania konstrukcyjnego jednostki do głębokiego wiercenia może być moduł kompaktowy. W rozwiązaniu tym charakterystyczne jest to, iż moduł stanowi zwartą konstrukcję, dzięki czemu może być ustawiany na obrabiarce bez potrzeby ustawiania jego poszczególnych zespołów, do których należą wrzeciennik, zespół posuwowy i wiertnik. Jest to korzystne rozwiązanie, kiedy do wykorzystania są istniejące korpusy obrabiarek zarówno nowych, jak i starych. Moduł kompaktowy (rys. 4) zwykle wykorzystywany jest do obróbki przedmiotów o prostych kształtach typu wałek, płyta. Obróbka najczęściej odbywa się przy zastosowanej kinematyce z nieruchomym przedmiotem. Przykładem zastosowań modułu kompaktowego jest obrabiarka LWL-27NC do wiercenia otworów osiowych Ø 8 12 mm na głębokość 600 mm w prętach miedzianych i stalowych (rys. 5a) oraz obrabiarka LWL-30NC (rys. 5b) do wiercenia otworów osiowych Ø 6,5 8,5 mm na głębokość 800 mm w prętach kwasoodpornych, żaroodpornych i aluminiowych. Moduł zadaniowy Kolejną propozycją jednostki stosowanej w technologii głębokiego wiercenia otworów jest moduł zadaniowy, co przedstawia rys. 6. Rys. 4. Moduł kompaktowy jednostki obróbkowej do głębokiego wiercenia otworów wiertłami lufowymi: 1 zespół wrzecionowy (wrzeciennik), 2 zespół posuwowy, 3 wiertnik (studzienka), 4 zestaw narzędziowy (wiertło, oprawka narzędziowa), 5 podtrzymka, 6 zestaw uszczelniająco-prowadzący, 7 złącze obrotowe [7] a) b) Rys. 5. Zastosowanie modułów kompaktowych: a) obrabiarka LWL-27NC [6], b) obrabiarka LWL-30NC Rys. 6. Moduł zadaniowy jednostki obróbkowej do głębokiego wiercenia otworów wiertłami lufowymi: 1 zespół wrzecionowy (wrzeciennik), 2 zespół posuwowy, 3 wiertnik (studzienka), 4 zestaw narzędziowy (wiertło, oprawka narzędziowa), 5 zestaw uszczelniająco-prowadzący, 6 złącze obrotowe [10] 53

4 2/2011 Technologia i Automatyzacja Montażu Główną cechą charakteryzującą konstrukcję tego modułu jest rozdzielenie wiertnika z zespołem posuwowym. Oba zespoły nie są zintegrowane, dlatego muszą być ustawiane i montowane na specjalnym korpusie odpowiednio do tego przystosowanym. Moduł ten ponadto charakteryzuje się brakiem podtrzymki występującej w module kompaktowym. Funkcję podtrzymywania i usztywniania wiertła pełni specjalna oprawka narzędziowa z wydłużoną częścią walcową. Część walcowa oprawki narzędziowej prowadzona jest w tulei brązowej spełniającej jednocześnie rolę uszczelniacza przed wydostawaniem się czynnika chłodząco-smarującego i wiórów poza obszar wiertnika. Zastosowanie tego typu rozwiązania umożliwia skrócenie długości wiertła o ok. 50%, jednak jest to uzależnione także od wymiarów wiertnika. Moduł zadaniowy można także stosować bez specjalnej oprawki narzędziowej, jednak tylko dla wierteł o długości niewymagającej stosowania podtrzymki. Przykładem zastosowań modułu zadaniowego jest obrabiarka LSB-100NC (rys. 7a) do wiercenia otworów osiowych Ø 12 mm na głębokość 170 mm w śrubach stalowych oraz obrabiarka LWL-28NC (rys. 7b) do wiercenia otworów olejowych Ø 4,1 mm na głębokość 140 mm w wałach korbowych sprężarek samochodowych. a) Rys. 8. Moduł zadaniowo-zintegrowany jednostki obróbkowej do głębokiego wiercenia otworów wiertłami lufowymi: 1 zespół wrzecionowy (wrzeciennik), 2 zespół posuwowy, 3 wiertnik (studzienka), 4 zestaw narzędziowy (wiertło, oprawka narzędziowa), 5 podtrzymka [11] W rozwiązaniu tym wiertnik, podtrzymka oraz zespół posuwowy są zintegrowane w pojedyncze zespoły, zaś wrzecienniki są niezależnymi zespołami konstrukcyjnymi. Zespół posuwowy jest zabudowany konstrukcyjnie bezpośrednio na korpusie obrabiarki. Umożliwia to wykonywanie obrabiarek do głębokiego wiercenia dla większych głębokości wierconych otworów. Przykładem zastosowań modułu zadaniowo-zintegrowanego jest obrabiarka LWL-32NC i 33NC (rys. 9) do wiercenia otworów osiowych Ø 12 mm na głębokość 400 mm w elementach stalowych układu kierowniczego samochodu. b) Rys. 9. Zastosowanie modułów zadaniowo-zintegrowanych w obrabiarce LWL-32NC i LWL-33NC Rys. 7. Zastosowanie modułów zadaniowych: a) obrabiarka LSB-100NC [5], b) obrabiarka LWL-28NC [3] Moduł zadaniowo-zintegrowany Następną propozycją jednostki stosowanej w technologii głębokiego wiercenia otworów jest moduł zadaniowo-zintegrowany, co przedstawia rys. 8. Moduł zadaniowo-zintegrowany posiada konstrukcję wykorzystującą zespoły z modułu kompaktowego oraz zadaniowego. Konstrukcja modułu zadaniowo-zintegrowanego z punktu widzenia wykonania oraz użytkowania ma wady i zalety. Do wad modułu należą: konieczność stosowania mechanicznej kompensacji długości narzędzia po ostrzeniu lub wymianie, w przypadku awarii napędu zespołu posuwowego cała obrabiarka jest zatrzymana, w przypadku awaryjnego zatrzymania obrabiarki wszystkie obrabiane przedmioty nie są zdatne do dalszej obróbki, jednakowe parametry posuwu dla wszystkich osi wrzecionowych, 54

5 mała uniwersalność konstrukcji. Do zalet modułu należą: w przypadku awarii napędu zespołu wrzecionowego pozostałe wrzecienniki mogą kontynuować pracę, uproszczony układ napędu i sterowania elektrycznego, gdyż występuje tylko jedna oś numeryczna, mniej elementów składowych w konstrukcji wiertnika, podtrzymki i zespołu posuwowego, możliwość zmiany prędkości obrotowej na poszczególnych wrzecionach. Podsumowanie Przedstawione propozycje jednostek obróbkowych do głębokiego wiercenia otworów stanowią zweryfikowane przez wdrożenia rozwiązania konstrukcyjne, które zostały zastosowane w obrabiarkach zadaniowych. Ze względu na zmieniające się wymagania technologiczne przedstawione konstrukcje mogą stanowić bazę dla kolejnych, specjalnych rozwiązań. Wykorzystywane zespoły do budowy jednostek obróbkowych mogą być także konfigurowane, czego przykładem jest moduł zadaniowo-zintegrowany. Ze względu na złożoną budowę obrabiarek do głębokiego wiercenia otworów podczas budowy tych maszyn należy także szczegółowo rozpatrywać układ chłodzenia i odwiórowania. Układ ten bowiem stanowi bardzo istotny zespół, a odpowiednio zaprojektowany umożliwi uzyskanie zakładanych parametrów obrabiarki. LITERATURA 1. Górski E.: Narzędzia do wiercenia i roztaczania głębokich otworów. Warszawa, PWT Streubel A.: Obróbka długich otworów. Wrocław, WPW Rychlik K.: Technologia wiercenia otworów olejowych w wałach korbowych na obrabiarce LWL-28NC. Warszawa, Technologia i Automatyzacja Montażu nr 2/ Rychlik K.: Współrzędnościowa obrabiarka do głębokiego wiercenia otworów wiertłami lufowymi. Warszawa, Biuletyn Naukowo-Techniczny OBK KOPRO- TECH nr 22/ Skorupka Z.: Budowa i wdrożenie dwuwrzecionowej obrabiarki typu LSB-100NC do głębokiego wiercenia wiertłami lufowymi. Warszawa, Biuletyn Naukowo- -Techniczny OBK KOPROTECH nr 20/ Stefanek M., Rychlik K.: Obrabiarka zadaniowa typu LWL-27 do głębokiego wiercenia otworów w elektrodach miedzianych. Warszawa, Biuletyn Naukowo- -Techniczny OBK KOPROTECH nr 22/ Prawo ochronne W Jednostka modułowa do głębokiego wiercenia. Warszawa Prawo ochronne W Przystawka wiertarska modułowa do głębokiego wiercenia otworów. Warszawa Prawo ochronne Wp Przyrząd obróbkowy z chwytem mocującym przedmiot obrabiany. Warszawa Prawo ochronne W Jednostka wiertarska. Warszawa Prawo ochronne Wp Jednostka modułowa do głębokich wierceń. Warszawa Mgr inż. Kazimierz Rychlik oraz mgr inż. Maciej Jastrzębski są pracownikami Zakładu Obrabiarek i Technologii Montażu Instytutu Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego w Warszawie. Dr inż. Mirosław Bramowicz jest pracownikiem Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie. ciąg dalszy ze str. 50 Naprawa uszkodzonej płyty za pomocą nakładki kompozytowej (w której wykorzystano tkaninę szklaną) powoduje, że charakter odkształceń płyty w strefie nakładki kompozytowej jest sprężysty, aż do momentu zniszczenia połączenia klejowego pomiędzy nakładką kompozytową i pozostałymi elementami węzła (co jest równoznaczne także z całkowitym zniszczeniem węzła). W przypadku obciążania płyty nieuszkodzonej występowała strefa trwałych odkształceń plastycznych (charakterystyczna fala po utracie stateczności płyty). Istotnym ograniczeniem przedstawionej metody diagnozowania jest możliwość wykrywania uszkodzeń dopiero po obciążeniu węzła naprawczego. LITERATURA 1. Jones R., Chiu W. K., Smith R.: Airworthiness of composite repairs: failure mechanisms, Engineering Failure Analysis 1995: 2: Baker A., Rose F., Jones R.: Advances in the bonded composite repair of metallic aircraft structure. Elsevier Science Ltd, London Lewińska-Romicka A.: Badania nieniszczące. Podstawy defektoskopii. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa Baker A.: Bonded composite repair of fatigue-cracked primary aircraft structure. Composite Structures 47 (1999) Rośkowicz M.: Stateczność płyt naprawianych z wykorzystaniem materiałów kompozytowych Biuletyn WAT Nr 4/2007 Vol. LVI, Warszawa Rośkowicz M.: Badania skuteczności napraw struktur płatowców statków powietrznych realizowanych w warunkach polowych z wykorzystaniem materiałów kompozytowych i tworzyw adhezyjnych. Opracowanie z pracy badawczej Nr O N , WAT Warszawa Dr inż. Marek Rośkowiczsą i Piotr Kijewski są pracownikami Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie. 55