Synchroniczne wykonywanie gwintów

Wykonywanie gwintów na maszynach z wrzecionem synchronicznym z wykorzystaniem typowych oprawek z tulejkami ER (na sztywno) nie jest optymalnym rozwiązaniem dla żywotności narzędzi.

Przy wykonywaniu gwintów za pomocą gwintownika lub gniotownika na maszynach numerycznych CNC, musi być dopasowana prędkość ruchu obrotowego wrzeciona maszyny do prędkości posuwu wrzeciona (zsynchronizowana). Podczas przeliczania prędkości posuwu oraz prędkości obrotowej wrzeciona, powstają błędy do których nie należy dopuszczać.

Dwa główne elementy wpływające na obróbkę na sztywno:

  1. Wpływ maszyny
    Sposób przenoszenia  napędu prędkości oborotowej i posuwu (np. napęd liniowy), mechaniczny stan obrabiarki
  2. Wpływ narzędzia obróbczego
    a) tolerancja skoku gwintu według DIN EN 22857
    b) temperaturowy wpływ na zmianę skoku gwintu i długości na narzędziu obrabiającym, kiedy tpracy ≠ tpomiaru

 
1. Wpływ centrum obróbczego CNC

Nacinanie i wygniatanie gwintów najlepiej jest wykonywać na maszynie z wrzecionem synchronicznym, ponieważ w przypadku takiej obróbki, musimy ściśle powiązać ruch obrotowy i posuw wrzeciona. Dlatego odróżniamy obróbkę gwintów od pozostałych obróbek, tj. wiercenia, frezowania, rozwiercania, przy których wymagane jest dokładne sterowanie jedynie ruchu liniowego i pozycjonowania. W związku z tym, producenci maszyn kładą szczególną uwagę jedynie na kontrolę ruchu liniowego. W praktyce dzisiaj stosuje się do sterowania obrotowego 256 impulsów na jeden obrót wrzeciona. Daje to nam 1,4° kątowego na impuls.
→ Przez to powstają siły poosiowe.

Przykład:
Wielkość narzędzia gwintującego: M10
Skok narzędzia gwintującego: 1,5 mm
Możliwy niekontrolowany obrót wrzeciona o 1,4°
→ możliwy poosiowy błąd pozycjonowania o 5,8 µm pomiędzy pozycją zadaną a istniejącą.

Diagram błąd pozycjonowania obrotowego wrzeciona maszyny/poosiowy błąd skoku (niezależnie od skoku gwintu)
Skutek błędów ruchu obrotowego wrzeciona maszyny

Wynika z tego, że sterowanie nowoczesnych maszyn CNC nie jest wystarczające, w zakresie synchronizacji posuwu obrotów i wrzeciona. Jako przykład pokazujemy obróbkę maszyny CNC z 256 impulsami  na obrót wrzeciona i widzimy, że siła poosiowa, która odziałowuje na boczne powierzchnie narzędzia, wzrasta wraz ze wzrostem prędkości skrawania. Na poniższym diagramie widzimy, że siła poosiowa przy wygniataniu gwintu M10, przy 500 min-1 (tj. 15,7 m/min) wynosi 1900 N i rośnie do 2500N przy 2000 min-1 (62,8 m/min). Powstająca siła poosiowa powodowana jest przez błędy synchronizacji i zależna od prędkości obrotowej wrzeciona.

Prędkość obrotowa 500 min-1 gniotownik M10 w C45
 

Prędkość obrotowa 2000 min-1 gniotownik M10 w C45

2. Wpływ narzędzia
a) Tolerancja skoku gwintu

Wymiary i tolerancje szlifowanych narzędzi do gwintowania są zawarte w europejskiej normie  DIN EN 22857.

Z norm dowiadujemy się, że najmniejsza odchyłka tolerancji narzędzia do gwintowania to ± 8 µ i jest definiowana na odpowiedniej ilości zwojów gwintu.

Przykład:
Wielkość gwintu: M10
skok gwintu: 1,5 mm
Odległość odczytu: 7 zwoi
→ dopuszczalna odchyłka tolerancji ± 8 µm

Siła/droga-Diagram
Potrzebna siła do zmiany długości narzędzia gwintującego o średnicy 10 mm

 b) Wpływ temperaturowy na skok gwintu i wydłużenie względne narzędzia przy tpracy ≠ tmierzone
Każda odchyłka temperatury narzędzia od 20°C prowadzi do zmiany jego długości. Na przykład przy narzędziu M10 o długości 100mm zmiana temperatury z  20 °C na 40 °C powoduje zmianę wydłużenia o 32 µm.
Zmiany długościowe sprawdzamy na 7 zwojach, jest to opisane normą DIN EN 22857 co obrazuje przykład:

Wielkość gwintu: M10
skok gwintu: 1,5 mm
długość narzędzia gwintującego: 100 mm
odległość odczytu: 7 zwoi = 10,5 mm
→ poosiowa zmiana narzędzia i skoku o 3,4 µm

Wpływ temperatury na narzędzie M10
długość narzędzia 100 mm, zmiana temperatury o 20 °C, wydłużenie 32 µm

Przy sprawdzaniu na długości 7 zwoi (według DIN EN 22857) okazuje się, że przy skoku gwintu 1,5mm poosiowa zmiana długości wynosi 3,4 µm.
Zmiana temperatury narzędzia do gwintowania następuje poprzez obciążenie powierzchni natarcia. Poniższy diagram pokazuje temperaturę powierzchni natarcia gwintownika M10 przy różnych prędkościach skrawania. Zastosowany materiał do próby to stal C45, chłodzenie - emulsja 5%.

Przebieg temperatur na ostrzu narzędzia do gwintowania (M10), emulsja jako chłodziwo

Podsumowanie:
Elementami wpływającymi na składowe siły poosiowe procesu wykonywania gwintu są: możliwy błąd pozycjonowania, zmiana długości narzędzia, ewentualnie siła, która ma wpływ na zmianę długości.

Poniższy diagram pokazuje:

  • dodające się błędy poosiowe wynikające z maszyny, skoku, tolerancji i temperatury mogą niekorzystnie wpływać na błąd pozycjonowania pomiędzy zadaną a istniejącą pozycją maszyny, może to wynosić ponad 17 µm.
  • ten błąd pozycjonowania prowadzi do siły poosiowej około 2800 N co pokazuje poniższy przykład z narzędziem M10,
  • siła wpływająca na boczną powierzchnię narzędzia do gwintowania zwiększa tarcie bocznych powierzchni, przez co zwiększa się zużycie narzędzia.

Siła/droga-Diagram
Potrzebna siła do zmiany długości narzędzia gwintującego o średnicy 10 mm

  1. wpływ temperaturowy na błąd skoku
  2. wpływ maszynowy na błąd skoku
  3. wpływ norm, ewentualnie niedokładności wykonanego narzędzia na błąd skoku
  4. wpływ sił poosiowych na powierzchnię boczną narzędzia.

Powyższe teoretyczne założenia przebiegu siły mają praktyczne pokrycie przy produkcji gwintów.

Jako przykład wygniataliśmy gwint M10 trzema różnymi oprawkami do gwintowania w materiale stal C45. Siły poosiowe zostały ukazane przy dwóch prędkościach obrotowych, 500 min-1 = 15,7 m/min i 2000 min-1 = 62,8 m/min. Testowaliśmy poniższe oprawki:

a) typową oprawkę na sztywno z tulejkami ER,
b) oprawkę Softsynchro® firmy EMUGE
c) konkurencyjną oprawkę podobną do Softsynchro®.

W przypadku wszystkich testowanych oprawek zostały zastosowane tulejki ER20-GB z zabierakiem kwadratowym.

Prędkość obrotowa 500 min-1 gniotownik M10 w C45


Prędkość obrotowa 2000 min-1
gniotownik M10 w C45

Ze wszystkich przeprowadzonych prób wynikają następujące wnioski:

  • siła poosiowa wzrasta wraz ze wzrostem obrotów, 
  • występujące siły przy wygniataniu gwintu za pomocą typowej oprawki na sztywno są znacznie wyższe niż w przypadku wygniatania gwintu za pomocą oprawki typu Softsynchro®
  • w przypadku oprawki konkurencyjnej - odpowiedniku naszego Softsynchro®, siły są nieznacznie mniejsze od typowej oprawki na sztywno.

Co szczególnego jest w oprawce EMUGE typu Softsynchro®?
Ważną cechą oprawki
Softsynchro® jest opatentowana konstrukcja rozdzielająca mechanizm przeniesienia momentu i siły poosiowej.

Pozostałymi cechami oprawki EMUGE Softsynchro® są:

  • swobodna oś C oprawki do gwintowania, uzyskana dzięki przeniesieniu momentu obrotowego poprzez stalowe kulki.
  • delikatna reakcja mechanizmu minimalnej kompensacji wzdłużnej, po przekroczeniu określonej konstrukcyjnie siły, poprzez niemal bezstratne tarcie toczne kulek przenoszących moment obrotowy w ich torach.
  • minimalna kompensacja wzdłużna i przekroczenie siły poosiowej poprzez zastosowane sprężyny elastomerowej.
  • sprężyny elastomerowe, które poprzez swoje właściwości tłumiące zapobiegają niezgodnemu ze skokiem ruchu narzędzia.


Kiedy nie uwzględnimy rozdziału przeniesienia siły oraz momentu, wtedy otrzymujemy wynik taki jak w przypadku oprawki konkurencji. Już od początku obróbki gwintu powstaje błąd poosiowy. Następstwem tego jest co widzimy na diagramach powyżej, natychmiastowy wzrost siły poosiowej. Zjawisku zapobiegamy dzięki specjalnej konstrukcji oprawki Softsynchro® .

Dla maszyn, które nie posiadają synchronicznego gwintowania jest koniecznie zastosowanie większej kompensacji wzdłużnej, zamiast minimalnej występującej w oprawce Softsynchro® .

Dlatego EMUGE proponuje oprawkę z kompensacją wzdłużną typu KSN/HD/ER na tulejki zaciskowe z wewnętrznym chłodzeniem. W przypadku tym, jest połączenie zalet mocowania narzędzi do gwintowania poprzez tulejki zaciskowe z klasyczną oprawką z kompensacją wzdłużną.