PL221261B1 - Sposób sterowania i regulacji ciśnieniem cieczy narzędzia nagniatającego hydrostatycznego i narzędzie nagniatające hydrostatyczne - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób sterowania i regulacji ciśnieniem cieczy narzędzia nagniatającego hydrostatycznego oraz narzędzie hydrostatyczne do nagniatania powierzchni na obrabiarkach skrawających, takich jak frezarki i centra obróbkowe mające zasilanie cieczą chłodząco-smarującą przez wrzeciono.

Wśród narzędzi do nagniatania oddzielną grupę stanowią narzędzia z dociskiem hydraulicznym i hydrostatycznym łożyskowaniem elementu nagniatającego (EP nr 0 353 376 A1; DE nr 19 534 631 A1; EP nr 1 275 472 A2; WO nr 2005/023 488 A1). Podstawową zaletą narzędzi z dociskiem hydraulicznym jest możliwość sterowania i regulacji wartości siły podczas procesu nagniatania. Do zasilania narzędzi hydraulicznych wykorzystywane są zewnętrzne agregaty hydrauliczne. Jednak ze względu na konieczność stosowania drogiego układu zasilania, narzędzia hydrostatyczne nie zostały upowszechnione w przemyśle na taką skalę jak narzędzia z dociskiem mechanicznym. Innym ograniczeniem jest konieczność wprowadzenia w przestrzeń roboczą obrabiarki przewodów zasilających narzędzie - co poza zmniejszeniem dostępnej przestrzeni roboczej znacznie utrudnia sterowanie trajektorią narzędzia w czasie obróbki. Zwłaszcza przy obróbce złożonych powierzchni przestrzennych na frezarkach CNC i wieloosiowych centrach obróbkowych. W nagniatakach hydrostatycznych wbudowany jest siłownik hydrauliczny (jednostronnego działania) generujący siłę nagniatania, a element nagniatający, najczęściej kulka (rzadziej krążek) łożyskowany jest hydrostatycznie, co zapewnia dużą trwałość elementu nagniatającego i łożyska. Do pracy takich narzędzi niezbędny jest specjalny układ zasilający o odpowiednim ciśnieniu i wydajności. Nagniataki takie znajdują szerokie zastosowanie głównie przy wykończeniowej obróbce powierzchni obrotowych na tokarkach. Firma ECOROLL posiada w swej ofercie hydrauliczne narzędzia nagniatające do pracy na tokarkach. W ich ofercie nie ma natomiast narzędzi do obróbki powierzchni przestrzennych złożonych, zwłaszcza na centrach obróbkowych z zasilaniem cieczą chłodząco-smarującą przez wrzeciono maszyny (www.ecoroll.de).

W znanych rozwiązaniach nagniataków hydrostatycznych zasilanych przez specjalne agregaty regułą jest stosowanie układów o dwóch obiegach różniących się ciśnieniem, przy czym p₂ > p₁. Aby możliwe było nagniatanie dużymi siłami kulkami o małej średnicy (co przy złożonych, utwardzonych powierzchniach przestrzennych obrabianych części występuje często) wymagane jest wysokie ciśnienie zasilania. Współczesne frezarki CNC i centra obróbcze coraz częściej mają obieg cieczy chłodząco smarującej przez wrzeciono, przy czym wartości ciśnienia są różne - zawierają się w szerokich granicach - z tendencją rosnącą.

Sposób sterowania i regulacji ciśnieniem cieczy narzędzia nagniatającego hydrostatycznego, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że narzędzie zasila się hydraulicznie cieczą chłodząco-smarującą doprowadzoną z wrzeciona do korpusu narzędzia przez filtr, którą kieruje się do mikrohydraulicznego układu sterowania regulacji ciśnieniem cieczy. Strumień cieczy rozdziela się na dwa strumienie o ciśnieniu p₁ i p₂. Strumień cieczy chłodząco smarującej o ciśnieniu p₁ regulowany mikrozaworami sterującymi pracą siłownika jednostronnego działania, który stanowi tłok i cylinder, kieruje się nad tłok. Strumień o ciśnieniu p₂ regulowany mikrozaworami sterującymi ciśnieniem w łożysku hydrostatycznym kieruje się na element nagniatający łożyskowany w panewce. W tym wariancie element nagniatający łożyskowany jest hydrostatycznie w panewce.

Gdy podczas obróbki będzie wykorzystywany element nagniatający o małej średnicy (mniejszej niż średnica tłoka), a obrabiarka nie będzie dysponować dostateczną wartością ciśnienia zasilającego, to konieczne jest zastosowanie łożyskowanej hydrostatycznie kuli podporowej. W takim wariancie wykonania element nagniatający łożyskowany jest tocznie na kuli podporowej.

Gdy w czasie obróbki narzędzie będzie wywierało za pośrednictwem elementu nagniatającego dużą siłę nagniatania, to konieczne jest zastosowanie kulek pośrednich pomiędzy elementem nagniatającym a kulą podporową. Dzięki temu zostaną zminimalizowane siły nacisku w stykach, pomiędzy elementem nagniatającym, kulami pośrednimi i kulą podporową.

Hydrostatyczne narzędzie nagniatające do nagniatania powierzchni na obrabiarkach skrawających, według wynalazku, wyposażone w korpus narzędzia, tłok i cylinder stanowiące siłownik jednostronnego działania, stanowiący tłok i cylinder, element nagniatający, panewkę i obejmę, charakteryzuje się tym, że ma mikrohydrauliczny układ sterowania i regulacji ciśnieniem cieczy zasilany cieczą chłodząco smarującą. Mikrohydrauliczny układ zawiera siłownik jednostronnego działania, który stanowi tłok i cylinder, mikrozawory sterujący pracą siłownika, mikrozawory sterujące ciśnieniem w łożysku hydrostatycznym oraz łożysko elementu nagniatającego.

PL 221 261 B1

W tym wariancie wykonania łożysko elementu nagniatającego jest łożyskiem hydrostatycznym. Mikrohydrauliczny układ sterowania i regulacji ciśnieniem cieczy znajduje się w korpusie narzędzia. W cylindrze, obudowie, tłoku i panewce jest kanał doprowadzający ciecz chłodząco-smarującą z mikrohydraulicznego układu do elementu nagniatającego.

Narzędzie ma w obejmie, pomiędzy panewką a elementem nagniatającym kulę podporową. Zastosowanie tej kuli jest konieczne w przypadku, gdy średnica elementu nagniatającego jest mniejsza od średnicy tłoka. Łożyskowanie hydrostatyczne kuli podporowej pozwala na zachowanie tocznego charakteru pracy elementu nagniatającego. Kula podporowa również znajdzie zastosowanie, gdy niska wartość ciśnienia zasilającego (dostępnego w układzie chłodząco-smarującym obrabiarki) stwarza trudności w tocznym łożyskowaniu hydrostatycznym kulki nagniatającej. Zwłaszcza do tocznego łożyskowania elementów nagniatających o małej średnicy dkn.

Korzystnie jest, gdy narzędzie ma w obejmie, pomiędzy kulą podporową a elementem nagniatającym, kulki pośrednie. Dzięki temu zostaną zminimalizowane siły nacisku w stykach, pomiędzy elementem nagniatającym, kulami pośrednimi i kulą podporową.

Korzystnie jest, gdy mikrohydrauliczny układ wyposażony jest w przetwornik ciśnienia P/U i przetwornik siły N/U, przy czym oba przetworniki zostaną sprzężone zwrotnie.

Korzystnie jest, gdy mikrohydrauliczny układ wyposażony jest w mikrozawór upustowy sterujący pracą tłoka.

Zaletą prezentowanych rozwiązań jest to, że narzędzie mieści wewnątrz wszystkie (poza pompą) elementy układu zasilania i regulacji. Aby osiągnąć niewielkie gabaryty narzędzia układ jest wykonany w oparciu o komponenty mikrohydrauliki. Pozwala to na wyeliminowanie zewnętrznego specjalnego układu zasilającego o wymaganym ciśnieniu i wydajności. Co oznacza, że eliminuje się z narzędzi w obecnym stanie techniki dodatkowe przewody utrudniające pracę obrabiarki (np. przewód ogranicza możliwość swobodnego programowania wieloosiowej trajektorii ruchu narzędzia podczas pracy oraz uniemożliwia jego automatyczną wymianę). Warianty konstrukcyjne narzędzia-kulki pośrednio pozwalają na nagniatanie z dużą wartością siły, natomiast zastosowanie kuli podporowej pozwala na nagniatanie z wykorzystaniem elementów nagniatających o małych średnicach.

Wynalazek jest bliżej przedstawiony na rysunku i przykładach wykonania, gdzie fig. 1 przedstawia narzędzie zamocowane we wrzecionie obrabiarki w przekroju wzdłużnym z urwanym widokiem, fig. 2 przedstawia fragment narzędzia z kulą podporową w przekroju wzdłużnym, fig. 3 przedstawia fragment narzędzia z kulą podporową i kulkami pośrednimi w przekroju wzdłużnym, fig. 4 przedstawia schemat mikrohydraulicznego układu sterowania i regulacji jednoobwodowego, fig. 5 przedstawia schemat mikrohydraulicznego układu sterowania i regulacji z bezprzewodowymi przetwornikami ciśnienia P/U i siły N/U, fig. 6 przedstawia schemat mikrohydraulicznego układu sterowania i regulacji, w którym zastosowano rozdzielacz zaworowy, fig. 7 przedstawia schemat mikrohydraulicznego układu sterowania i regulacji dwuobwodowego (z zaworem upustowym).

Rozwiązania mikrohydraulicznego układu sterowania i regulacji prezentowane na fig. 4, fig. 5, fig. 6 stosowane mogą być w narzędziach przeznaczonych na obrabiarki CNC z zasilaniem przez wrzeciono, zwłaszcza gdy wartość ciśnienia zasilającego jest niewielka. Rozwiązanie mikrohydraulicznego układu sterowania i regulacji wg fig. 7 predysponowane jest na obrabiarki CNC wyposażone w wysokociśnieniowe układy chłodząco-smarujące zasilające wrzeciona.

P r z y k ł a d I

Narzędzie nagniatające hydrostatyczne (pokazane na fig. 1) do nagniatania powierzchni na obrabiarkach skrawających wyposażone jest w korpus 1 narzędzia, tłok 2, śrubową sprężynę 3, cylinder 4, obudowę 5, element nagniatający 6, panewkę 7 i obejmę 8. Tłok 2 i cylinder 4 tworzą siłownik jednostronnego działania. Korpus 1 wyposażony jest w chwyt i filtr 9. Wewnątrz korpusu 1 znajduje się mikrohydrauliczny układ 10 sterowania i regulacji ciśnieniem cieczy. W mikrohydraulicznym układzie 10 tłok 2 połączony jest z mikrozaworem sterującym 11 pracą tłoka 2 oraz z mikrozaworem sterującym 12 ciśnieniem w łożysku i połączonym z nim elementem nagniatającym 6. Narzędzie połączone jest z wrzecionem 13 obrabiarki. W cylindrze 4, obudowie 5, tłoku 2 i panewce 7 wykonany jest kanał doprowadzający ciecz chłodząco-smarującą z mikrohydraulicznego układu 9 do elementu nagniatającego 6. Narzędzie zasłane jest hydraulicznie przez ciecz chłodząco-smarująca podawaną centralnie na narzędzie z wrzeciona 13 obrabiarki.

Ciecz hydrauliczną z układu chłodząco-smarującego obrabiarki doprowadza się z wrzeciona 13 do korpusu 1 narzędzia. Ciecz następnie kieruje się do mikrohydraulicznego układ 10 sterowania i regulacji. Z układu 10 sterowania i regulacji nad tłok 2 kieruje się ciecz hydrauliczną o ciśnieniu p1

PL 221 261 B1 powodując przemieszczenie tłoka 2 z jednoczesnym ugięciem sprężyny 3, do czasu osiągnięcia pozycji roboczej określonej przez wielkość h uwzględniającą napięcie wstępne sprężyny 3. Sprężyna 3 odpowiada za powrót elementu nagniatającego 6 w położenie „zerowe”, gdy ciśnienie cieczy w komorze tłokowej p1 = 0. Tłok 2 prowadzi się w obudowie 5. Ciecz chłodząco-smarująca z mikrohydraulicznego układu 10 sterowania i regulacji pod ciśnieniem p₂ doprowadza się nad (kulkę) element nagniatający 6 o średnicy dkn. Ponieważ średnica tłoka 2 jest równa średnicy elementu nagniatającego 6, pozwala to na zachowanie hydrostatycznego łożyskowania elementu nagniatającego 6 w panewce 7. Element nagniatający 6 poprzez obejmę 8 utrzymuje się we właściwej pozycji gwarantującej prawidłowe działanie łożyska hydrostatycznego. Prawidłową wartość siły nagniatania FN, wywieranej przez narzędzie na przedmiot obrabiany 14 osiąga się dzięki mikrohydraulicznemu układowi 10 sterowania i regulacji.

Siłę nagniatania F_N, wywieraną przez narzędzie wyznaczyć można z zależności:

F_N = _Pl-^--k_s-h (1) gdzie:

p1 - ciśnienie nad tłokiem 2, dt - średnica tłoka 2, ks - sztywność sprężyny 3, h - przemieszczenie końcówki elementu nagniatającego 6 do pozycji roboczej.

Warunkiem hydrostatycznego łożyskowania elementu nagniatającego 6 jest równość siły nagniatania F_N i siły hydrostatycznej łożyska F_H.

Fn = Fh (2) gdzie:

F_n = P2·^ (3) p₂ - ciśnienie w łożysku hydrostatycznym (nad elementem nagniatającym 6),

Dkn - średnica elementu nagniatającego 6.

Na narzędzie podaje się niskie ciśnienie i wtedy stosuje się mikrohydrauliczny układ 10 jednobiegowy (jak pokazano na fig. 4). Wtedy ciśnienia nad tłokiem 2 i ciśnienie w łożysku hydrostatycznym spełniają poniższą zależność:

Pi = P2 = P3 (4)

Podczas pracy siła nagniatania F_N wytworzona w siłowniku zostanie zrównoważona przez siłę hydrostatyczną F_H wytworzoną w łożysku. Zatem będą istniały warunki sprzyjające tocznemu charakterowi pracy elementu nagniatającego na powierzchni obrabianej części.

Ρι·^>Ρ·^ -ks-h (5)

Ciecz chłodząco-smarująca po przejściu przez filtr 9 ochronny kieruje się do układu 10 sterowania i regulacji, w którym p₁ = p₂ = p₃. Następnie, ciecz kieruje się do mikrozaworu 11 sterującego pracą siłownika (tłok 2 + cylinder 4) nastawionego na wartość p₁ ciśnienia cieczy. Ciecz o ciśnieniu p₁ kieruje się do siłownika oraz ciecz o ciśnieniu p₂ do łożyska hydrostatycznego. Zadaniem (mikrozaworu upustowego) mikrozaworu 12 sterującego ciśnieniem łożyska jest zabezpieczenie narzędzia w sytuacji zmniejszenia objętości komory i gwałtownego wzrostu ciśnienia pi. Mikrozawór 11 zabezpiecza mikrohydrauliczny układ 10 przed przeciążeniem, które pojawić się może przy wzroście ciśnienia ponad dopuszczalna wartość, np. przez cofnięcie tłoka 2. Mikrozawór 12 zabezpiecza również przed wystrzeleniem elementu nagniatającego 6 w przypadku nagłego i niekontrolowanego wzrostu ciśnienia p₂ w łożysku hydrostatycznym. Mikrozawór zwrotny i dławiący 15, zamontowany przed elementem

PL 221 261 B1 nagniatającym 6, ma za zadanie usztywnienie i utrzymanie łożyska hydrostatycznego w sytuacji krótkotrwałego spadku ciśnienia p₂, czyli stabilizuje ciśnienie w łożysku.

P r z y k ł a d II

Narzędzie wykonane jak w przykładzie I, przy czym w czasie obróbki będzie wykorzystywany element nagniatający 6 o małej średnicy (mniejszej od średnicy tłoka 2) to konieczne jest zastosowanie kuli podporowej 16, która umieszczona jest w obejmie 8, pomiędzy panewką 7 a elementem nagniatającym 6 (jak pokazano na fig. 2).

Kulkę nagniatającą 6 o średnicy dkn, łożyskuje się na kuli podporowej 16 o średnicy dkp. Zadaniem kuli podporowej 16 jest zrównoważenie w łożysku hydrostatycznym F_H siły nagniatania F_N generowanej przez tłok 2 narzędzia o średnicy d1. W tym celu średnica kuli podporowej 16 dkp musi być równa lub większa od średnicy tłoka 2 dt dkp $ dt (6) a średnica kulki nagniatającej 6:

dkn » dkp (7)

W mikrohydraulicznym układzie 10 bezprzewodowe przetworniki: ciśnienia P/U 17 i siły N/U 18 są sprzężone zwrotnie (jak pokazano na fig. 5). Pozwala to na prowadzenia on-line regulacji parametrów nagniatania w mikrohydraulicznym układzie sterowania i regulacji.

P r z y k ł a d III

Narzędzie wykonane jak w przykładzie I, przy czym nagniatanie prowadzi się z dużą wartością siły, dla zmniejszenia jednostkowych nacisków w końcówce nagniatającej narzędzia wprowadza się pomiędzy elementem nagniatającym 6 a kulą podporową 14 kulki pośrednie 19 (jak pokazano na fig. 3).

P r z y k ł a d IV

Narzędzie wykonane jak w przykładzie I, przy czym mikrozawór 11 ma postać rozdzielacza zaworowego (jak pokazano na fig. 6). Normalnie ,wyłączony mikrozawór 11 uniemożliwia dopływ cieczy z wrzeciona maszyny do siłownika i łożyska hydrostatycznego narzędzia. Dopiero załączenie mikrozaworu 11 powoduje przepływ i powolne narastania ciśnienia p cieczy w siłowniku oraz w łożysku hydrostatycznym.

P r z y k ł a d V

Narzędzie wykonane jak w przykładzie I, przy czym mikrohydrauliczny układ 10 wyposażony jest dodatkowo w mikrozawór 20 upustowy. Mikrohydrauliczny układ 10 jest układem dwuobwodowym, w którym ciśnienie p₁ # p₂. Mikrozawór upustowy 20 zabezpiecza układ przed przeciążeniem, które pojawić się może przy wzroście ciśnienia ponad dopuszczalna wartość, np. przez cofnięcie tłoka 2 w cylindrze 4.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób sterowania i regulacji ciśnieniem cieczy narzędzia nagniatającego hydrostatycznego, znamienny tym, że narzędzie zasila się hydraulicznie cieczą chłodząco smarującą doprowadzoną z wrzeciona (13) do korpusu narzędzia (1) przez filtr (9), którą kieruje się do mikrohydraulicznego układu sterowania i regulacji (10), tak, że rozdzielony strumień cieczy chłodząco smarującej o ciśnieniu p₁ regulowany mikrozaworami sterującym (11) pracą siłownika jednostronnego działania, który stanowi tłok (2) i cylinder (4), kieruje się nad tłok (2), a strumień o ciśnieniu p₂ regulowany mikrozaworami sterującym (12) ciśnieniem w łożysku hydrostatycznym kieruje się na element nagniatający (6) łożyskowany w panewce (7).
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się kulę podporową (16).
3. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stosuje się kulki pośrednie (19).
4. 4. Narzędzie nagniatające hydrostatyczne wyposażone w korpus narzędzia, tłok i cylinder stanowiące siłownik jednostronnego działania, element nagniatający, panewkę i obejmę, znamienne tym, że ma mikrohydrauliczny układ (10) sterowania i regulacji zasilany cieczą chłodząco smarującą zawiara tłok (2), mikrozawory sterujące (11) pracą siłownika jednostronnego działania, który stanowi tłok (2) i cylinder (4), mikrozawory sterujące (12) ciśnieniem w hydrostatycznym łożysku oraz łożysko

   PL 221 261 B1 elementu nagniatającego (6), przy czym mikrohydrauliczny układ (10) sterowania i regulacji znajduje się w korpusie (1) narzędzia, a w cylindrze (4), obudowie (5), tłoku (2) i panewce (7) jest kanał doprowadzający ciecz chłodząco-smarującą z mikrohydraulicznego układu (10) do elementu nagniatającego (6).
5. 5. Narzędzie według zastrz. 4, znamienne tym, że ma w obejmie (4), pomiędzy panewką (7) a elementem nagniatającym (6), kulę podporową (16).
6. 6. Narzędzie według zastrz. 5, znamienne tym, że ma w obejmie (4), pomiędzy kulą podporową (16) a elementem nagniatającym (6), kulki pośrednie (19).
7. 7. Narzędzie według zastrz. 4, znamienne tym, że mikrohydrauliczny układ (10) wyposażony jest w przetwornik ciśnienia P/U (17) i przetwornik siły N/U (18), przy czym oba przetworniki (17, 18) są sprzężone zwrotnie.
8. 8. Narzędzie według zastrz. 4, znamienne tym, że mikrohydrauliczny układ (10) wyposażony jest w mikrozawór upustowy (20) sterujący pracą siłownika.