Koncepcja zderzaka suportu obrabiarki - „ASPE MW”

ZASTOSOWANIA „CAD/CAM” str. 1-6, Gliwice 2011

KONCEPCJA ZDERZAKA SUPORTU OBRABIARKI - „ASPE MW” MARCIN WAGNER Katedra Budowy Maszyn, Politechnika Śląska e-mail: Marcin@AbstractLife.pl

Streszczenie: W ramach pracy został zaprojektowany nowatorski projekt zderzaka dla obrabiarki sterowanej numerycznie, który został nazwany „ASPE MW”. Dokonano również analizy literaturowej dotyczącej aktualnie stosowanych zderzaków w budowie maszyn oraz budowy i parametrów układu napędowego którym jest silnik liniowy.

I. PRZEDMOWA Niniejszy artykuł jest prezentacją pracy wykonanej w ramach projektu inżynierskiego realizowanego w roku akademickim 2010/2011 na Katedrze Budowy Maszyn wydziału Mechaniczny Technologiczny Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Niniejsza forma prezentacji jest skróconą wersją całego projektu, pomijającą działy, które nie są konieczne do zaprezentowania i omówienia finalnej postaci zderzaka „ASPE MW”. Projekt był tworzony pod opieką merytoryczną promotora dr inż. Janusza Śliwki oraz kierownika katedry prof. dr hab. inż. Jana Kosmola.

II. WPROWADZENIE W dzisiejszych czasach obserwujemy bardzo duży postęp technologiczny maszyn i urządzeń dla przemysłu. Na przykładzie obrabiarek skrawających można zaobserwować ich ewolucję od prostych maszyn jednozadaniowych do nowoczesnych obrabiarek sterowanych numerycznie (CNC). Oprócz części zasadniczych obrabiarek, takich jak korpusy, wrzeciona czy układy pomiarowe, rozwój musi również nastąpić w ich podrzędnych, ale jakże ważnych podzespołach. Podzespołem takim mogą być na przykład stosowane w nich zderzaki.

Gwałtowny wzrost liczby różnych typów obrabiarek CNC wraz z ich podzespołami, spowodował również wzrost zainteresowania bezpieczeństwem pracy na takich maszynach.

Dlatego aktualnie do użytku zostaje wcielone wiele nowych konstrukcji zabezpieczających pracowników wykonujących zadania na danej obrabiarce.

III. CEL PRACY Celem niniejszego projektu było opracowanie koncepcji zderzaka dla suportu obrabiarki, którą jest frezarka pionowa, napędzana synchronicznym silnikiem liniowym.

M. WAGNER Chcąc zaprojektować nową konstrukcję zderzaka, trzeba przede wszystkim wziąć pod uwagę rodzaj i parametry układu napędowego (silnika), którego działanie miałoby zostać zatrzymane (wyhamowane). W przypadku tego projektu układem napędowym jest silnik liniowy którego przyśpieszenie może wynosić nawet do 50m/s2.

Następną czynnością, którą należy wykonać, jest przeanalizowanie aktualnie już stosowanych zderzaków w dzisiejszej budowie maszyn. W wyniku analizy literaturowej zderzaków stosowanych w budowie maszyn wynika, iż obecnie stosuje się zderzaki różnego typu i różnej konstrukcji w zależności od wymagań, jakie stawiamy danemu urządzeniu oraz fakt, iż aktualnie istnieje 5 najważniejszych typów zderzaków: • zderzaki sprężynowe, • zderzaki hydrauliczne, • zderzaki z elementami gumowymi, • zderzaki elastomerowe, • oraz inne, np. zderzak pana Lucjana Łągiewki.

IV. PROCES WYTWÓRCZY ZDERZAKA 1. Rozpoznanie potrzeby - definicja terminu „zderzak” Termin ten w literaturze polskiej jest używany dla dwóch, nieco różniących się od siebie znaczeń. Według „Leksykonu Naukowo-Technicznego” wydawnictwa Naukowo -Technicznego, wydanego w Warszawie w latach 1972 oraz 2001, określenie zderzak jest definiowane jako „urządzenie pochłaniające energię uderzenia”. W „Encyklopedii Techniki.

Budowa Maszyn” tego samego wydawnictwa, wydanej w Warszawie w 1969 roku, czytamy: „zderzak – element ograniczający ruch jakiegoś zespołu maszyny, przyrządu itp. lub też zmieniający prędkość albo kierunek tego ruchu. Ze względu na zasadę działania rozróżnia się zderzaki twarde oraz zderzaki sterujące, zwane również zderzakami miękkimi.” „Zderzaki twarde” to tak zwane „krańcówki” maszyn, które służą do zatrzymania suportu obrabiarki w danym miejscu, w celu ułatwienia pozycjonowania wymiarów obrabianych. „Zderzaki sterujące” mają za zadanie zmieniać parametry obróbki według opracowanego wcześniej procesu technologicznego.

Jak widzimy, podane wyżej definicje nie są zgodne w 100%. Definicja pierwsza mówi, że zderzak zarówno pochłania energię uderzenia, jak i stanowi ogranicznik ruchu, natomiast według drugiej definicji, zderzakowi przypisana jest wyłącznie funkcja ograniczania ruchu jakiegoś innego zespołu maszyny czy elementu.

W niniejszej pracy postawiono mi za zadanie skonstruowanie zderzaka suportu frezarki a więc urządzenia pochłaniającego energię uderzenia w przypadku niezatrzymania się suportu tejże obrabiarki w wyznaczonym miejscu (np. poprzez zdefiniowane powyżej „krańcówki”).

Na potrzeby niniejszego projektu pozwoliłem sobie na nadanie nazwy dla mojej koncepcji zderzaka, a mianowicie „ASPE MW”. Nazwa ta jest skrótem pochodzącym od słów: „Awaryjny System Pochłaniania Energii Marcina Wagnera”.

2. Projektowanie - koncepcja zderzaka „ASPE MW” Koncepcja opiera się na zjawisku ścinania. Działanie tej koncepcji zaczerpnąłem z konstrukcji i zasady działania sprzęgła przeciążeniowego, zwanego często sprzęgłem bezpieczeństwa. W sprzęgle tym, pomiędzy dwoma głównymi częściami, znajduje się „kołek

KONCEPCJA ZDERZAKA SUPORTU OBRABIARKI - „ASPE MW” bezpieczeństwa”, czyli sworzeń, który zostaje ścięty, gdy przeciążenia pochodzące od strony maszyny roboczej są większe od dopuszczalnych.

Do opisanego wcześniej zjawiska ścinania kołków bezpieczeństwa, dodałem jeszcze dwie zasadnicze części: • gumowy element zwany „odbijakiem”, • odkształcalny płaskownik.

W ten sposób powstał „Awaryjny System Pochłaniania Energii”, działający w 3 etapach: • ETAP 1 – dzięki zastosowaniu gumowych elementów („odbijaków”), Działanie: wyhamowanie małych prędkości suportu oraz zredukowanie hałasu; • ETAP 2 – dzięki zastosowaniu kołków bezpieczeństwa, Działanie: wyhamowanie zasadnicze, czyli wytracenie większości energii uderzenia poprzez ścięcie kołków bezpieczeństwa; • ETAP 3 – dzięki odkształcalnemu płaskownikowi, Działanie: wyhamowanie pomocnicze (dodatkowe), czyli ostateczne wyhamowanie suportu poprzez odkształcenia sprężyste a następnie plastyczne płaskownika.

Rys.1 - Szkic poglądowy koncepcji ASPE MW

M. WAGNER W pierwszej fazie w razie awarii, np. zasilania napędu liniowego, na którym znajduje się suport frezarki, uderza on w belkę (1) połączoną „kołkami bezpieczeństwa” (2) z podstawami (3). Siła uderzenia teoretycznie powinna zostać zniwelowana poprzez ścięcie kołków bezpieczeństwa. Dodatkowo, dla zwiększenia bezpieczeństwa, do belki (1) zostanie przymocowany płaskownik (4), który opierając się o podstawy (3) w drugiej fazie wyhamuje resztki energii suportu oraz reakcje bezwładności samej belki (1). Dla zwiększenia estetyki wyrobu oraz zakrycia odstępu pomiędzy podstawami (3) a profilem (4), zostaną przymocowane (np. za pomocą kleju) blachy (5) oraz (6). Dodatkowo, na powierzchni czołowej płaskownika (4) mocujemy element gumowy, który wyciszałby zderzenie suportu ze zderzakiem oraz całość wyglądałaby jak jeden płaskownik, przecięty w dwóch miejscach.

3. Konstruowanie - zapis konstrukcji w programie „Inventor” Podstawą do zaprojektowania zderzaka „ASPE MW” było łoże frezarki, które już wcześniej zostało zaprojektowane i wykonane. Założono, że zamontowanie zderzaka zostanie zrealizowane poprzez połączenie śrubowe, dzięki gwintowanym otworom w bocznej ścianie łoża frezarki. Z tego powodu zostały jasno określone założenia konstrukcyjne oraz możliwe wymiary jakie będzie mógł posiadać zderzak. Po odpowiednich obliczeniach wytrzymałościowych wszystkich części zderzaka, zostały ustalone ich wymiary oraz materiał z jakich mają zostać wykonane.

Ostateczny wygląd „Awaryjnego Systemu Pochłaniania Energii” możemy zobaczyć dzięki komputerowym modelom 3D, wykonanym w programie firmy Autodesk – Inventor”.

Rys.2 - Model CAD zderzaka „ASPE MW” – widok z przodu i z góry

KONCEPCJA ZDERZAKA SUPORTU OBRABIARKI - „ASPE MW”

Rys.3 - Model CAD zderzaka „ASPE MW” – widok bez pokryw osłaniających

Rys.4 - Model CAD zderzaka „ASPE MW” zamontowanego na łożu frezarki – widok z tyłu

M. WAGNER IV. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Biorąc pod uwagę budowę konstrukcji, wymiary gabarytowe oraz działanie obecnie stosowanych zderzaków, wywnioskowałem, iż najlepszym rozwiązaniem byłoby zastosowanie zderzaka gumowego typu „odbijak”. Ich małe wymiary oraz prostota konstrukcji powodują, iż są optymalnym rozwiązaniem, spełniającym założenia konstrukcji dla zderzaka suportu obrabiarki napędzanej silnikiem liniowym.

W wyniku tej analizy stwierdziłem jednak, że elementy gumowe typu odbijak mogą nie być wystarczające do zatrzymania masy suportu wynoszącej aż 800 kg i rozpędzonej do prędkości 100 m/min. Dlatego skonstruowałem “System Awaryjnego Pochłaniania Energii” w której skład, oprócz ścinanych kołków bezpieczeństwa oraz odkształcanego płaskownika, wchodzą właśnie elementy typu „odbijak”.

Moim zdaniem, jest to optymalne rozwiązanie, które łączy elementy aktualnie stosowane w zderzakach maszyn z nową konstrukcją, opartą na również znanym już zjawisku ścinania kołków bezpieczeństwa.

LITERATURA 1. „Leksykon Naukowo-Techniczny”, WNT, Warszawa 1972, 2001.

2. „Encyklopedia Techniki. Budowa Maszyn”, WNT, Warszawa 1969.

3. „Podstawy Konstrukcji Maszyn”, pod redakcją Marka Dietricha, WNT, Warszawa 1999.

THE CONCEPTION OF THE MACHINE TOOL’S CHECK – ‘ASPE MW’ Summary. Within my work, the innovative project of the numerically -controlled machine’s check was designed – it is called ‘ASPE MW’. In addition, I made the analysis of the literature on both checks that are currently used in Mechanical engineering and the structure and parameters of drive train which is linear motor.