TECHNOLOGIA GŁĘBOKIEGO WIERCENIA OTWORÓW WIERTŁAMI LUFOWYMI W WAŁACH KORBOWYCH

Transkrypt

1 3/2014 Technologia i Automatyzacja Montażu TECHNOLOGIA GŁĘBOKIEGO WIERCENIA OTWORÓW WIERTŁAMI LUFOWYMI W WAŁACH KORBOWYCH Kazimierz RYCHLIK, Maciej JASTRZĘBSKI, Marian FABISZEWSKI Streszczenie W artykule opisano budowę i praktyczne zastosowanie trójwrzecionowej specjalnej obrabiarki zadaniowej LWL-35 NC do wiercenia głębokich otworów wiertłami lufowymi w wałach korbowych sprężarek samochodowych. Słowa kluczowe trzywrzecionowa specjalna obrabiarka zadaniowa, narzędzia specjalne, wiertła lufowe, wiercenie, głębokie wiercenie otworów Technologia głębokiego wiercenia otworów stosowana jest w wielu procesach produkcyjnych, jednak należy ona do technologii rzadko stosowanych w porównaniu z innymi technologiami obróbkowymi. Rozwój narzędzi obróbkowych do głębokiego wiercenia otworów umożliwia obecnie stosowanie także wierteł krętych. Niestety występujące ograniczenia dla tego typu narzędzi powodują, iż wiertła lufowe nadal przodują w głębokim wierceniu. Fakt ten wymusza budowanie obrabiarek specjalnych o bardzo złożonej budowie, co znajduje bezpośrednie odzwierciedlenie w kosztach budowy tego typu maszyn. Zadania technologiczne związane z wykonywaniem głębokich otworów są niejednokrotnie realizowane jako prototypowe, a to z kolei zmusza do modernizacji rozwiązań konstrukcyjnych lub nowego projektu nawet całej obrabiarki. Zadanie technologiczne Przykładem na jednostkowy charakter realizacji technologii głębokiego wiercenia otworów jest zrealizowana w Instytucie Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego w Warszawie obrabiarka LWL-35NC do wiercenia otworów smarowych w wałach korbowych sprężarek samochodowych (rys. 1). Obrabiarka LWL-35NC przeznaczona jest do głębokiego wiercenia osiowych otworów nieprzelotowych wiertłami lufowymi w prętach ze stali stopowej. Główne założenia technologiczne: materiał obrabiany stal stopowa ulepszana cieplnie (R m = N/mm 2, twardość ~36 HRC), średnice wierconych otworów Ø 4,1 mm (możliwość wiercenia otworów w zakresie Ø 2,5 mm Ø 5 mm), długość wierconych otworów zgodna z wymiarami konstrukcyjnymi asortymentu obróbkowego max 170 mm, dokładność wykonania średnicy wierconych otworów H9 / H11, chropowatość otworu Ra = 12,5 μm, dopuszczalna odchyłka położenia osi wywierconego otworu R 0,05 mm / 100 mm, czas trwania cyklu obróbkowego maks. 4,5 min. Koncepcja budowy obrabiarki Zgodnie z przyjętymi założeniami opracowana została koncepcja budowy obrabiarki do głębokiego wiercenia otworów w wałach korbowych (rys. 2). W koncepcji założono: obróbka przedmiotu odbywała się będzie z zastosowaniem trzech niezależnych modułów obróbkowych ustawionych równolegle, każdy moduł składał się będzie z wrzeciennika wiertarskiego, zespołu posuwowego, wiertnika i uchwytu mocującego, Rys. 1. Wał korbowy sprężarki samochodowej Fig. 1. The crankshaft of a car compressor technologia wiercenia dla każdego rodzaju przedmiotu realizowana będzie w dwóch lub trzech położeniach przedmiotu w uchwytach mocujących. 44

2 Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2014 Przeniesie napędu z silnika zapewnia przekładnia toczna (śruba + nakrętka toczna). Zastosowanie tego typu zespołu umożliwia łatwą i szybką zmianę parametrów roboczych oraz precyzyjne ustawienie głębokości wierconego otworu. Dla każdego zespołu posuwowego możliwa jest indywidualna zmiana długości dróg roboczych (dobieg, ruch roboczy, wycofanie) oraz prędkości posuwu dla każdej drogi. Rys. 2. Koncepcja budowy obrabiarki do wiercenia otworów olejowych w wałach korbowych: 1 korpus główny, 2 uchwyty mocujące, 3 jednostki obróbkowe, 4 wiertniki-studzienki, 6 układ chłodzenia i odwiórowania, 7 układ napędu i sterowania pneumatycznego, 8 układ napędu i sterowania hydraulicznego, 9 układ napędu i sterowania elektrycznego Fig. 2. The concept of building machine tools for drilling oil holes in crankshafts Budowa obrabiarki LWL-35NC Korpus główny obrabiarki wykonany został jako sztywna konstrukcja spawana z obrobioną płaszczyzną górną, na której ustawione zostały jednostki obróbkowe wraz z uchwytami mocującymi. Korpus główny stanowi konstrukcję bazową obrabiarki. Na korpusie głównym umieszczone zostały trzy jednostki obróbkowe (rys. 3). Rys. 3. Jednostki obróbkowe [1] Fig. 3. Machining units [1] Każda jednostka zbudowana została z elektromechanicznego zespołu posuwowego JBM 180x400, na stole którego umieszczony został wrzeciennik wiertarski JUT SK40. Ruchy zespołu posuwowego realizowane są na wózkach i prowadnicach tocznych. Do napędu zespołu posuwowego zastosowano silnik serwo firmy STOEBER. Tabela 1. Wielkości charakterystyczne elektromechanicznego zespołu posuwowego Table 1. Characteristic values of the electromechanical transfer assembly L.p. Nazwa Wartość 1 Napęd posuwu 3-fazowy silnik serwo firmy STOEBER 2 Układ pomiaru położenia Absolutny (resolwer) 3 Prędkość posuwu ustawczego (szybkiego) f m = 3 m/min 4 Skok śruby napędowej s = 5 mm (prawy) 5 Średnica śruby napędowej d = 25 mm 6 Rodzaj prowadnic toczne 7 Dokładność pozycjonowania 0,02 mm Moment nominalny na śrubie przy posuwie roboczym Siła osiowa na śrubie pociągowej Szerokość stolika zespołu posuwowego Długość stolika zespołu posuwowego M n = 4,56 Nm F 5,15 kn 180 mm 270 mm 12 Wysokość zespołu posuwowego 125 mm 13 Skok całkowity stolika 400 mm Wrzecienniki wykonane zostały w wersji wiertarskiej z silnikami asynchronicznymi o mocy 1,5 kw każdy. Napęd z silnika na wrzeciona przekazywany jest za pomocą przekładni pasowej poli V. Na końcach wrzecion zamontowane zostały złącza obrotowe umożliwiające doprowadzenie oleju (cieczy chłodząco-smarującej) do strefy obróbki. Prędkość obrotowa wrzecion jest płynnie regulowana za pomocą falownika w zakresie obr/min. Obrabiarka LWL-35NC wyposażona jest w trzy wiertniki połączone ze sobą rurą odpływową [2]. Zespoły te umieszczone są pomiędzy uchwytem mocującym a jednostką obróbkową. Wiertnik-studzienka oprócz funkcji prowadzenia narzędzia umożliwia również odprowadzenie chłodziwa z wiórami ze strefy obróbki. W korpusie 45

3 3/2014 Technologia i Automatyzacja Montażu wiertnika następuje rozładowanie wysokiego ciśnienia oleju chłodzącego z wiórami, które spłukiwane są rynną odpływową (przez dodatkowy strumień oleju wysokiego ciśnienia doprowadzony przewodem elastycznym do pokrywy wiertnika) do koszy na wióry umieszczonych na zbiorniku głównym. Na korpusie głównym ustawione zostały również trzy niezależne uchwyty mocujące (rys. 4). Rys. 5. Zasilacz hydrauliczny Fig. 5. Hydraulic power supply Rys. 4. Uchwyt mocujący [3] Fig. 4. Mounting bracket Uchwyty te zostały zbudowane z korpusu bazowego (zespół przestawny) oraz płyt przyrządowych. Korpus bazowy zespół przestawny został zamontowany na stałe do korpusu głównego obrabiarki. Płyty przyrządowe są wymienne w zależności od typu obrabianego wału korbowego. Na płytach przyrządowych znajdują się stałe pryzmy oraz elementy bazowania kątowego i osiowego wału korbowego. W uchwytach mocujących wały korbowe bazowane są na czopach głównych, czopie korby oraz czole czopa. Mocowanie wału odbywa się przy użyciu obrotowych siłowników hydraulicznych. Siłowniki te posiadają regulowane położenie, zależnie od typu obrabianego wału. Wszystkie powierzchnie bazowe i mocujące, stykające się z wałami podczas jego mocowania, zostały wykonane w sposób uniemożliwiający uszkodzenie wałów (odgniecenia, zarysowania). Każdy uchwyt mocujący wyposażony został w dodatkowy zespół spłukiwania baz ustawczych. Zespół napędu i sterowania hydraulicznego wyposażony został w wolno stojący zasilacz hydrauliczny (rys. 5), który połączony jest z obrabiarką za pomocą ciśnieniowych elastycznych przewodów hydraulicznych. Zasilacz hydrauliczny zbudowany został z następujących elementów: zbiornika oleju o pojemności ok. 200 litrów, zespołu pompowego wydatek Q = 10 l/min, ciśnienie p = 6,3 MPa, moc P = 1,5 kw, zaworów rozdzielających, zaworów redukcyjnych, akumulatora hydraulicznego pojemność 1 litr, chłodnicy powietrznej oleju, osprzętu hydraulicznego złączki, przewody itp. Zasilacz hydrauliczny zapewnia właściwe bazowanie i mocowanie wałów korbowych w uchwytach mocujących. Mocowanie odbywa się za pomocą łap dociskowych napędzanych siłownikami hydraulicznymi. Układ hydrauliczny umożliwia niezależną pracę każdego z trzech gniazd obróbkowych. Cylindry sterowane są za pomocą rozdzielaczy suwakowych typu 4WE6.., zaworów zwrotno-dławiących oraz zaworów zwrotnych. Ciśnienie mocowania w układzie jest regulowane, co umożliwia dobranie właściwej siły mocowania przedmiotu obrabianego. Szybkość ruchu mocowania tłoczysk cylindrów hydraulicznych również jest regulowana (zawór zwrotno-dławiący). W układzie hydraulicznym zastosowano akumulator gazowy wraz z blokiem zabezpieczenia i odcinania akumulatora, który w przypadku braku napięcia elektrycznego nie pozwala na samoczynne odmocowanie obrabianego wału korbowego. Ciśnienie mocowania kontrolowane jest za pomocą przekaźników ciśnieniowych HED8.., które nie pozwalają na załączenie cyklu pracy obrabiarki lub wyłączają obrabiarkę przy niedostatecznym ciśnieniu. W zespole napędu i sterowania hydraulicznego zastosowano ponadto filtr wlewowy, filtr zlewowy, rozdzielacze manometru, manometr i chłodnicę powietrzną oleju, która jest umieszczona w gałęzi zlewowej układu. Zbiornik oleju wyposażony jest we wskaźnik poziomu oleju i korek spustowy. Zespół chłodzenia w zabiegu wiercenia głębokich otworów ma na celu przedłużenie żywotności narzędzia, rozproszenie ciepła i odprowadzenie wiórów. Ma zapewnić też wystarczający dopływ do narzędzia czystego czynnika chłodzącego pod właściwym ciśnieniem i o odpowiedniej temperaturze. Inną istotną rzeczą przy wierceniu głębokich otworów jest filtracja czynnika chłodzącego. Odpowiednia dokładność filtracji ma wpływ na wymaganą gładkość otworu wierconego, poprawia żywotność narzędzia i chroni pompę wysokociśnienio- 46

4 Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2014 wą podającą czynnik chłodzący przed zużyciem. Czynnikiem chłodzącym spełniającym te wymagania jest olej obróbkowy VARIOCUT C 334 o lepkości 9,5 cst w temp. 40 C firmy Castrol. Zespół chłodzenia i odwiórowania zbudowany został z następujących głównych elementów: zbiornik główny (brudnego oleju) pojemność ok l, zbiornik czystego oleju pojemność ok. 450 l, pompa niskiego ciśnienia nr 1 pompa wirowa CDXHS 120/20 o wydatku Q = 100 l/min, ciśnieniu pracy p = 0,3 MPa oraz mocy N = 1,5 kw, powietrzna chłodnica oleju nr 1 LAC D o wydatku Q = 100 l/min, ciśnieniu pracy p = 1 MPa oraz mocy N = 0,37 kw, pompa niskiego ciśnienia nr 2 pompa wirowa CDXHS 90/10 o wydatku Q = 60 l/min, ciśnieniu pracy p = 0,25 MPa oraz mocy N = 0,75 kw, powietrzna chłodnica oleju nr 2 LAC D-50 o wydatku Q = 100 l/min, ciśnieniu pracy p = 1 MPa oraz mocy N = 0,75 kw, filtr magnetyczny bębnowy FMA1 250, zespół dokładnej filtracji filtr magnetyczny, filtr siatkowy 25 µm, filtr papierowy 10 µm, zespół pompowy wysokociśnieniowy 3 szt. PZ3E- 12,5/ SLg 112M-4 o wydatku Q = 16,8 l/min, ciśnieniu pracy p = 12 MPa oraz mocy N = 4 kw, kosze na wióry. Czynnik chłodzący ze zbiornika czystego oleju podawany jest przewodami giętkimi przez trzy zespoły pompowe wysokociśnieniowe o wydatku Q = 16,8 l/min i ciśnieniu p = 12 MPa poprzez złącze obrotowe i wrzeciono do strefy obróbki. Po wzroście ciśnienia w tym układzie otwiera się zawór przelewowy i część oleju jest dostarczona do wiertnika-studzienki do spłukiwania wiertła oraz wiórów z obrabiarki. Odpowiednia wielkość ciśnienia potrzebna do wykonania danej średnicy otworu nastawialna jest na zaworze przelewowym mającym odczyt na manometrze wysokociśnieniowym. Przekaźnik ciśnienia kontroluje wielkość ciśnienia w układzie i w razie jego spadku zatrzymuje pracę obrabiarki. Zatkanie się filtra hydraulicznego średnio dokładnego i dokładnego sygnalizowane jest przez elektroniczny przetwornik przepływu oleju (informacja o zatkaniu filtrów sygnalizowana jest na pulpicie operatorskim jako stan awaryjny). Odpowiednie rynny i rurociągi umożliwiają odprowadzenie oleju wraz z wiórami z wiertników-studzienek i innych miejsc obrabiarki do pojemnika na wióry z sitem, gdzie odseparowują się większe wióry. Po zapełnieniu się pojemnik zostaje przesunięty na bok w celu odsączenia chłodziwa olejowego. Olej skierowany jest następnie przez pojemnik do filtra magnetycznego. W filtrze magnetycznym drobniejsze wióry są oddzielone od oleju, który wraca z powrotem do obiegu. Oddzielone wióry są wyrzucane przez bęben magnetyczny filtra do pojemnika, który znajduje się obok zbiornika. W zespole chłodzenia i odwiórowania zastosowane są dwa zespoły niskiego ciśnienia, które mają na celu przefiltrowanie i schłodzenie oleju. Olej wstępnie oczyszczony w filtrze magnetycznym z bębnem obrotowym jest pobierany przez pompę niskiego ciśnienia nr 1 i przez Rys. 6. Ideowy schemat układu napędu i sterowania elektrycznego Fig. 6. The drive system and electrical control diagram 47

5 3/2014 Technologia i Automatyzacja Montażu filtry hydrauliczne magnetyczny (rurowy, średniodokładny i dokładny) oraz powietrzną chłodnicę oleju nr 1 przepompowywany jest cyklicznie do zbiornika czystego oleju ustawionego na specjalnym stelażu nad zbiornikiem głównym. Układ niskiego ciśnienia nr 2 pracuje przez cały czas, odbierając ciepło i oczyszczając czynnik chłodzący w zbiorniku głównym. Instalacja elektryczna obrabiarki wykonana jest na napięcie sieci 3x400 V/230 V 50 Hz (sieć 5 przewodowa z zaciskami przyłączeniowymi L 1, L 2, L 3, N, PE). Wartość napięcia znamionowego izolacji wynosi 660 V. Jako ochrona przed porażeniami prądem elektrycznym może być zastosowane uziemienie ochronne lub zerowanie w zależności od przyjętego w zakładzie systemu. Kompatybilność elektromagnetyczną EMC występujących w obrabiarce urządzeń elektrycznych zapewnia producent podzespołów oraz zastosowanie dodatkowych elementów gaszących RC dołączonych równolegle do cewek styczników. Sterowanie i kontrolę pracy obrabiarki realizują programy i parametry zapisane w pamięci odpowiednich sterowników PLC i MDS5015/L. Sterownik PLC jest sterownikiem nadrzędnym w stosunku do pozostałych steruje i kontroluje pracę urządzeń pomocniczych oraz napędów jednostek (rys. 6). Wzajemne powiązania oraz synchronizacja pracy wymaga pełnej sprawności wszystkich sterowników. Program pracy obrabiarki realizuje sztywno zapisane sekwencje z określonymi parametrami ruchu i kontroli. Obrabiarka LWL-35NC (rys. 7) została wyposażona w pulpit sterowniczy główny umieszczony na szafie sterowania elektrycznego, trzy dwuręczne pulpity startowe umieszczone z przodu na korpusie obrabiarki oraz trzy pulpity pracy ręcznej umieszczone z boku obrabiarki. Obrabiarka LWL-35NC pracuje w trybie pracy ręcznej po przełączeniu jednego z trzech przełączników PRA- CA AUTO / RĘCZNA na panelu operatorskim w pozycję PRACA RĘCZNA. W trybie PRACY RĘCZNEJ obrabiarki istnieje możliwość wykonywania ruchów jednostką wiercącą w przód oraz w tył. Tryb ten jest przewidziany do przeprowadzania prac nastawczych jednostki obróbkowej, wymiany wiertła lufowego oraz zmiany parametrów technologicznych. Tryb PRACA AUTO umożliwia wykonanie cyklu pracy obrabiarki. Przed rozpoczęciem cyklu obrabiarki należy upewnić się, że w przestrzeni roboczej obrabiarki nie znajdują się zbędne przedmioty, np. narzędzia, które podczas ruchu jednostki wiercącej obrabiarki mogą spowodować zniszczenia lub mogą stanowić zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi. Cykl wiercenia otworu za pomocą obrabiarki LWL-35NC obejmuje: wycofanie jednostki obróbkowej do POZYCJI STAR- TOWEJ z prędkością V wyc, wejście wiertła w materiał z posuwem V 1 i prędkością obrotową wrzeciona n 1 (wartości programowane z panelu operatorskiego), główny ruch roboczy z posuwem V 2 i prędkością obrotową wrzeciona n 2 (wartości programowane z panelu operatorskiego), przebicie otworu na wylot z posuwem V 3 i prędkością obrotową wrzeciona n 3 (wartości programowane z panelu operatorskiego), wycofanie wiertła z prędkością V wyc (wartość stała). Tabela 2. Zalecane parametry do wiercenia otworu o średnicy Ø 4,1 [mm] Table 2. Recommended parameters for hole drilling with a diameter of Ø 4,1 mm Prędkość posuwu roboczego [mm/s] Prędkość obrotowa wrzeciona jednostki obróbkowej [obr/min] droga S1 V 1 = 0,2 n 1 = 6000 droga S2 V 2 = 0,6 n 2 = 6000 droga S3 V 3 = 0,2 n 3 = 6000 droga S programowana z pulpitu operatora Rys. 7. Obrabiarka LWL-35NC Fig. 7. Machine LWL-35NC Praca obrabiarki LWL-35NC hydraulicznym chłodzenia narzędzia hydraulicznym mocowania wstępnego hydraulicznym mocowania pneumatycznym 11 [MPa] 1,6 [MPa] 5,5 [MPa] 0,55 [MPa] 48

6 Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2014 Rys. 8. Schemat ruchu jednostki obróbkowej obrabiarki LWL-35NC Fig. 8. Diagram of machine LWL-35NC traffic processing units Technolog (operator) przy programowaniu obrabiarki LWL-35NC po zalogowaniu się do systemu wprowadza następujące parametry technologiczne: prędkość posuwów roboczych V 1, V 2, V 3 (zakres 0,1 2 mm/s), prędkość obrotowa dla wrzeciona jednostki obróbkowej n 1, n 2, n 3 (zakres obr/min), głębokość wiercenia (maks. 170 mm), długość wiertła lufowego (maks. 355 mm). Podsumowanie Opracowana i wykonana konstrukcja specjalnej obrabiarki do głębokiego wiercenia otworów LWL-35NC gwarantuje prawidłową realizację technologii głębokiego wiercenia otworów, co zostało potwierdzone wdrożeniem w warunkach produkcyjnych. Zastosowanie sprawdzonych modułowych jednostek obróbkowych produkcji IMBiGS znacznie ułatwia budowanie tego typu obiektów i znacząco zmniejsza ryzyko wystąpienia problemów technologicznych będących po stronie obrabiarki. Zastosowana kinematyka (nieruchomy przedmiot ruchome narzędzie) umożliwia uzyskanie zakładanych parametrów geometrycznych wierconego otworu nawet przy wierceniu w metalu otworów pod kątem. Mimo wielu prac wyprzedzających zrealizowanych przy budowie tego typu obiektu zawsze pozostaje obszar prac prototypowych niezbędnych do wykonania. Wpływa to znacząco na czas oraz koszty realizacji przedsięwzięcia. LITERATURA 1. Prawo ochronne W Jednostka wiertarska. Warszawa Prawo ochronne W Przystawka wiertarska modułowa do głębokiego wiercenia otworów. Warszawa Prawo ochronne Wp Przyrząd obróbkowy z chwytem mocującym przedmiot obrabiany. Warszawa Bulzak T., Tomczak J., Pater Z.: Przegląd metod kształtowania rowków wiórowych z wierteł krętych ze stali narzędziowych. Przegląd Mechaniczny, nr 6, 2013, s Mgr inż. Kazimierz Rychlik, mgr inż. Maciej Jastrzębski oraz mgr inż. Marian Fabiszewski Instytut Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego, Warszawa, ul. Racjonalizacji 6/8, k.rychlik@imbigs.pl, m.jastrzebski@imbigs.pl, m.fabiszewski@imbigs.pl. DEEP HOLE DRILLING TECHNOLOGY WITH GUN DRILLS IN CRANKSHAFTS Abstract The article describes a construction and a practical application of the three-spindle special machine tool LWL-35NC for the deep hole drilling in crankshafts with the usage of gun drills mounted in automotive compressors. Keywords three-spindle special task machine, special tools, gun drills, drilling, deep hole drilling 49