jednowrzecionowa obrabiarka zadaniowa do głębokiego wiercenia

3/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu
JEDNOWRZECIONOWA OBRABIARKA ZADANIOWA
DO GŁĘBOKIEGO WIERCENIA OTWORÓW
WIERTŁAMI LUFOWYMI
Kazimierz RYCHLIK, Maciej JASTRZĘBSKI
Opracowana w Instytucie Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego podstawowa konfiguracja
obrabiarki do głębokiego wiercenia otworów umożliwia
elastyczną rekonfigurację głównych zespołów obróbkowych i zakłada zastosowanie głównych zespołów charakterystycznych dla technologii głębokiego wiercenia.
Złożoność konstrukcji powoduje, iż są to kosztowne rozwiązania wymagające dużych nakładów finansowych na
realizację tego typu przedsięwzięcia i znajdują nabywców
w sektorze maszynowym dobrze usytuowanym finansowo. Dla małych i średnich przedsiębiorstw inwestycja
tego typu jest zbyt kosztowna. Propozycją rozwiązania
powyższego problemu jest budowa jednowrzecionowych
obrabiarek zadaniowych do głębokiego wiercenia otworów z zastosowaniem powtarzalnych zespołów i układów wspomagających technologię głębokiego wiercenia,
a przez to minimalizację kosztów związanych z budową
tego typu obiektów.
Technologia głębokiego wiercenia jest kierunkiem
działalności IMBiGS realizowanym od 2000 roku. Dorobek naukowy, jaki został zgromadzony, umożliwił realizację wielu przedsięwzięć, których efektem było wdrożenie
projektów w przemyśle i przy współpracy z przemysłem.
Konfiguracja obrabiarki (rys. 1 i 2) została wykonana
zgodnie z założeniami zamawiającego.
Rys. 1. Konfiguracja obrabiarki zadaniowej LWL-32NC do głębokiego wiercenia osiowych otworów nieprzelotowych wiertłami
lufowymi
Założenia budowy obrabiarki
Jednym z przykładów praktycznego zastosowania jest
jednowrzecionowa obrabiarka zadaniowa do głębokiego
wiercenia otworów wiertłami lufowymi w prętach wykonanych ze stali kwasoodpornej 1.4541, 1.4571, 15HM oraz
żelaza ARMCO.
Obrabiarka zadaniowa LWL-32NC przeznaczona jest
do głębokiego wiercenia osiowych otworów nieprzelotowych wiertłami lufowymi w prętach ze stali kwasoodpornej. Do głównych wymagań konstrukcyjnych i technologicznych postawionych tego typu obrabiarce należą:
•• przedmiot przed obróbką – pręt stalowy o przekroju
kołowym lub sześciokątnym o średnicy od Ø 12 mm
do Ø 50 mm,
•• średnice wierconych otworów – Ø 3 mm ÷ Ø 14 mm,
•• długości wierconych otworów – w zależności od
średnicy otworu – maks. 700 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.
24
Rys. 2. Konfiguracja obrabiarki zadaniowej LWL-32NC do głębokiego wiercenia osiowych otworów nieprzelotowych wiertłami
lufowymi: 1 – korpus główny, 2 – jednostka obróbkowa, 3 – stół
obróbkowy, 4 – zespół chłodzenia i odwiórowania, 5 – układ sterowania elektrycznego
Budowa obrabiarki
Korpus główny wykonany został jako sztywna konstrukcja spawana z obrobioną płaszczyzną górną, na
której ustawione zostały jednostka obróbkowa wraz ze
stołem obróbkowym i uchwytami mocującymi. Korpus
główny stanowi konstrukcję bazową obrabiarki.
•• Jednostka obróbkowa
W obrabiarce LWL-32NC zastosowano jednostkę obróbkową (rys. 3) zbudowaną z mechanicznego zespołu
posuwowego JBM 250x900 [3], na którym umieszczono
wrzeciennik wiertarski JUT SK40 [2]. Ruchy zespołu po-
Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2012
suwowego realizowane są na wózkach i prowadnicach
tocznych. Do przeniesienia napędu zastosowano śrubę
z nakrętką toczną napędzaną serwosilnikiem typu ED302U
o momencie znamionowym Mo/Mn = 1,09/0,98 Nm,
lo/lN = 1,63/1,52 A, 3000 obr/min z przekładnią planetarną
1:10 typu P321SPR 0100 firmy Stoeber. Moment wyjściowy serwonapędu wynosi 9,51 Nm przy 300 obr/min.
Zastosowanie tego typu zespołu umożliwia łatwą i szybką zmianę parametrów roboczych.
Zespół ten zamontowany jest do czoła zespołu posuwowego. Wiertnik-studzienka oprócz funkcji prowadzenia
narzędzia umożliwia również odprowadzenie chłodziwa
z wiórami ze strefy obróbki. W korpusie wiertnika następuje redukcja 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.
•• Stół obróbkowy
Na korpusie głównym ustawiony został stacjonarny
stół obróbkowy (rys. 5) z uchwytem mocującym przedmiot obrabiany. Uchwyt mocujący składa się z dwóch
trójszczękowych, samocentrujących uchwytów umożliwiających mocowanie prętów stalowych o przekroju kołowym lub sześciokątnym podczas wiercenia – w uchwycie
mocującym operator mocuje ręcznie przedmiot obrabiany (podczas jednego zamocowania przedmiotu obrabia-
Rys. 3. Jednostka obróbkowa [1]
Zespół posuwowy ma możliwość zmiany długości
drogi (dobieg, ruch roboczy, wycofanie) oraz prędkości
posuwu dla tej drogi. Możliwe jest również programowe
wprowadzenie korekcji długości wiertła lufowego po jego
ostrzeniu. Wrzeciennik wykonano w wersji wiertarskiej.
Do napędu wrzeciona zastosowano silnik asynchroniczny o mocy 4 kW, prędkości obrotowej 2915 obr/min,
z obcym chłodzeniem firmy Tamel. Napęd z silnika na
wrzeciono przekazywany jest za pomocą przekładni pasowo-zębatej. Prędkość obrotowa wrzeciona regulowana
jest w zakresie 2500 do 6500 obr/min przy zastosowaniu
przemiennika częstotliwości.
•• Wiertnik-studzienka
Obrabiarka LWL-32NC wyposażona jest w specjalny
wiertnik (rys. 4) umożliwiający redukcję ciśnienia roboczego oleju chłodzącego oraz odprowadzanie wiórów do
koszy na wióry.
nego w uchwycie mocującym możliwe jest wywiercenie
jednego otworu z jednej strony pręta).
Rys. 5. Stacjonarny stół obróbkowy z uchwytem mocującym
przedmiot obrabiany
•• Zespół chłodzenia i odwiórowania
Zespół chłodzenia i odwiórowania (rys. 6) w zabiegu
wiercenia głębokich otworów ma zadanie przedłużenia
żywotności narzędzia, rozproszenia ciepła i odprowadzenia wiórów. Zespół również ma zapewnić wystarczający
dopływ do narzędzia czystego czynnika chłodzącego pod
właściwym ciśnieniem i o odpowiedniej temperaturze.
Innym istotnym zagadnieniem przy wierceniu głębokich
otworów jest filtracja czynnika chłodzącego. Odpowiednia dokładność filtracji ma wpływ na wymaganą gładkość otworu wierconego, poprawia żywotność narzędzia
i chroni pompę wysokociśnieniową podającą czynnik
Rys. 4. Wiertnik-studzienka
chłodzący przed zużyciem.
25
3/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu
ręcznie przez operatora. Zamknięcie drzwi przesuwnych
kontrolowane jest przez dwa klucze zabezpieczające
z ryglem elektromagnetycznym.
Rys. 6. Zespół chłodzenia i odwiórowania
Czynnikiem chłodzącym spełniającym te wymagania
jest olej obróbkowy SteelWay WT-62 o lepkości 11˚ cSt
w temp. 40˚C firmy Statoil. Czynnik chłodzący ze zbiornika czystego oleju podawany jest przewodem giętkim
przez zespół pompowy wysokociśnieniowy z pompą
o wydatku Q = 16,8 l/min i ciśnieniu p = 16 MPa przez
złącze obrotowe i wrzeciono do strefy obróbki pod ciśnieniem 10 MPa (dla wiertła ø 3,5). Po wzroście ciśnienia
w tym układzie, otwiera się zawór przelewowy i część
oleju jest dostarczana do wiertnika-studzienki celem
spłukiwania wiertła oraz wiórów z obrabiarki. W zbiorniku
czystego oleju zamontowany został elektroniczny czujnik
poziomu oleju (min. – maks.) sterujący pracą pompy niskiego ciśnienia oraz nastawny termostat temperatury.
Odpowiednia wartość ciśnienia potrzebna do wykonania danej średnicy otworu nastawialna jest na zaworze
przelewowym mającym odczyt na manometrze wysokociśnieniowym. Przekaźnik ciśnienia kontroluje wartość
ciśnienia w układzie i przy spadku ciśnienia 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). Każdy z filtrów dokładnych
wyposażony został w zawór kulowy i wężyk spustowy
oleju z obudowy filtra. Rura spustowa zamontowana
w wiertniku umożliwia odprowadzenie oleju wraz z wiórami z wiertnika do pojemnika na wióry z sitem, gdzie odseparowują się większe wióry. Po zapełnieniu, pojemnik
zostaje przesunięty na bok w celu odsączenia chłodziwa olejowego. Olej kierowany jest następnie przez filtry
zgrubne szufladowe do zbiornika głównego.
•• Zespół osłon przeciwrozbryzgowych
Obrabiarkę LWL-32NC do głębokiego wiercenia otworów wiertłami lufowymi wyposażono w zespół osłon przeciwrozbryzgowych (rys. 7), które chronią pracownika
przed olejem chłodzącym, jak również przed przedostawaniem się oleju na zewnątrz obrabiarki. Zespół osłon
składa się z kabiny zbudowanej w postaci spawanego
szkieletu z profili stalowych obudowanych blachami osłonowymi. Kabina wyposażona została w drzwi przesuwne.
Otwieranie i zamykanie osłony kabiny wykonywane jest
26
Rys. 7. Zespół osłon przeciwrozbryzgowych
•• Instalacja elektryczna
Instalacja elektryczna obrabiarki (rys. 8) wykonana jest na napięcie sieci 3x400 V/230 V 50 Hz (sieć
5-przewodowa z zaciskami przyłączeniowymi L1, L2, L3,
N, PE). Wartość napięcia znamionowego izolacji wynosi
660 V. Właściwości elektryczne obwodów sterowania są
następujące:
•• napięcie sterowania oraz obwody wejściowe i wyjściowe sterownika – 24 V DC,
•• sterowanie obrabiarki realizowane jest za pomocą
przycisków znajdujących się na pulpicie operatorskim oraz pulpitach sterowniczych umieszczonych
na korpusie obrabiarki.
Rys. 8. Instalacja elektryczna obrabiarki
Programowanie parametrów obróbki (prędkości posuwu V1, V2, V3, głębokości wiercenia oraz prędkości obrotowej wrzeciona) odbywa się za pomocą panelu operatorskiego CONTROLBOX oraz panelu falownika iGS5.
Sterowanie i kontrolę pracy obrabiarki realizują progra-
Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2012
my zapisane w pamięci odpowiednich sterowników PLC
i MDS5015A/L. Sterownik PLC jest sterownikiem nadrzędnym w stosunku do pozostałych – steruje i kontroluje
pracę urządzeń pomocniczych oraz napędu jednostki.
Wzajemne powiązania oraz synchronizacja pracy wymaga pełnej sprawności wszystkich sterowników. Program
pracy obrabiarki realizuje sztywno zapisane sekwencje
z określonymi parametrami ruchu i kontroli.
W układzie sterowania obrabiarki zastosowano system blokad elektrycznych i kontroli pracy zespołów:
•• kontrola przeciążenia termicznego napędów (strefa 1),
•• kontrola przeciążenia termicznego napędów (strefa 2),
•• kontrola temperatury oleju chłodzącego,
•• kontrola poziomu oleju w zbiorniku czystego oleju,
•• kontrola ciśnienia oleju chłodzącego,
•• kontrola zamknięcia osłony.
Warunkiem startu cyklu pracy obrabiarki jest zamknięcie osłony. Brak zamknięcia osłony uniemożliwia pracę
w cyklu. Przyciskami „STOP AWARYJNY” umieszczonymi na pulpicie sterowniczym oraz przy stanowisku operatora można w dowolnym momencie przerwać pracę
obrabiarki oraz wyłączyć natychmiast wszystkie napędy
elektryczne. Po awaryjnym zatrzymaniu obrabiarki należy bezwzględnie usunąć przyczynę, dla której użyto
przycisku „STOP AWARYJNY”. Po upewnieniu się, że
kontynuacja pracy obrabiarki jest bezpieczna, należy
odblokować przycisk „STOP AWARYJNY” i zrestartować
obrabiarkę (wyłączyć i włączyć zasilanie), a następnie
kontynuować pracę obrabiarki w trybie „PRACY RĘCZNEJ”. Po zaniku napięcia sieci i jego późniejszym powrocie należy zrestartować obrabiarkę (wyłączyć i włączyć
zasilanie), załączyć zasilanie napędów i kontynuować
pracę w trybie „PRACY RĘCZNEJ” (wycofanie jednostki
na pozycję wyjściową). Obrabiarka LWL-32NC została
wyposażona w pulpit sterowniczy główny umieszczony
na szafie sterowania elektrycznego oraz pulpit startowy
umieszczony z przodu na korpusie obrabiarki.
•• Praca ręczna obrabiarki LWL-32NC
Obrabiarka LWL-32NC pracuje w trybie pracy ręcznej
po przełączeniu przełącznika „PRACA AUTO RĘCZNA”
na panelu operatorskim w pozycję „PRACA RĘCZNA”.
W trybie „PRACY RĘCZNEJ” obrabiarki istnieje możliwość wykonywania ruchów jednostką obróbkową do
przodu i do tyłu (przyciski „DOSUW”, „WYCOFANIE”)
oraz testowania pracy pompy wysokiego ciśnienia, pompy niskiego ciśnienia, prędkości obrotowej wrzeciona
(kombinacja przycisków „TEST NAPĘDÓW”, „DOSUW”,
„WYCOFANIE” i „START”). Tryb ten jest przewidziany do
przeprowadzania prac nastawczych jednostki obróbkowej, wymiany wiertła lufowego oraz zmiany parametrów
technologicznych.
•• Praca AUTO obrabiarki LWL-32NC
Tryb „PRACA AUTO” umożliwia wykonanie cyklu pracy obrabiarki. Przed rozpoczęciem cyklu obrabiarki na-
leży 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.
Programowanie parametrów wiercenia otworu za pomocą obrabiarki LWL-32NC obejmuje:
•• wejście wiertła w materiał z posuwem „V1” i prędkością obrotową wrzeciona „n” (wartości programowane z panelu operatorskiego CONTROLBOX oraz
iGS5),
•• główny ruch roboczy z posuwem „V2” i prędkością
obrotową wrzeciona „n” (wartości programowane
z panelu operatorskiego CONTROLBOX oraz iGS5);
•• zakończenie otworu lub jego przebicie z posuwem
„V3” i prędkością obrotową wrzeciona „n” (wartości
programowane z panelu operatorskiego CONTROLBOX oraz iGS5);
•• wycofanie wiertła z prędkością „Vwyc” (wartość stała).
•• technolog (operator) przy programowaniu obrabiarki
LWL-32NC wprowadza następujące parametry technologiczne:
•• prędkości posuwów roboczych V1, V2, V3 (jednostka
parametrów [mm/s]);
•• prędkość obrotową dla wrzeciona jednostki obróbkowej „n” (zakres 1500 ÷ 5500 obr/min);
•• głębokość wiercenia – odcinki s1, s2, s3 (suma s1, s2,
s3 maks. 700 mm).
Podsumowanie
Przedstawione rozwiązanie konstrukcyjne jest przykładem aplikacji w warunkach produkcyjnych specjalnej
obrabiarki do głębokiego wiercenia otworów. Zastosowane do budowy opisanej obrabiarki główne zespoły obróbkowe stanowią sprawdzone i przebadane w konfiguracji
zadaniowej obrabiarki zespoły.
Zaprezentowane rozwiązanie jest alternatywą dla
małych i średnich przedsiębiorstw. Proponowane rozwiązania umożliwiają elastyczną rekonfigurację obrabiarki
zależnie od zadań technologicznych. Doświadczenie
zespołu konstruktorów IMBiGS umożliwia przyjęcie do
realizacji tego typu zadań i gwarantuje uzyskanie założonych parametrów produkcyjnych.
LITERATURA
1. Prawo ochronne W-118423. Jednostka modułowa do
głębokiego wiercenia. Warszawa, 2009.
2. Prawo ochronne W-119473. Jednostka wiertarska.
Warszawa, 2010.
3. Prawo ochronne Wp-15217. Jednostka modułowa
do głębokich wierceń. Warszawa, 2010.
___________________________
Mgr inż. Kazimierz Rychlik oraz mgr inż. Maciej Jastrzębski są pracownikami Instytutu Mechanizacji Budownictwa
i Górnictwa Skalnego w Warszawie.
27