Werkingsprincipe van spindelgereedschap – Losmaken en klemmen in CNC-bewerkingscentra
Samenvatting: Dit artikel gaat gedetailleerd in op de basisstructuur en het werkingsprincipe van het gereedschapslosmaak- en klemmechanisme in CNC-bewerkingscentra, inclusief de samenstelling van verschillende componenten, het werkproces en de belangrijkste parameters. Het doel is om het interne mechanisme van deze cruciale functie diepgaand te analyseren, theoretische referenties te bieden aan relevant technisch personeel, hen te helpen het spindelsysteem van CNC-bewerkingscentra beter te begrijpen en te onderhouden, en de hoge efficiëntie en precisie van het bewerkingsproces te waarborgen.
I. Inleiding
De functie van het losmaken en vastklemmen van spindelgereedschap in bewerkingscentra vormt een belangrijke basis voor CNC-bewerkingscentra om geautomatiseerde bewerkingen te realiseren. Hoewel er bepaalde verschillen zijn in de structuur en het werkingsprincipe tussen verschillende modellen, is het basiskader vergelijkbaar. Grondig onderzoek naar het werkingsprincipe is van groot belang voor het verbeteren van de prestaties van bewerkingscentra, het waarborgen van de bewerkingskwaliteit en het optimaliseren van apparatuuronderhoud.
II. Basisstructuur
Het mechanisme voor het losmaken en vastklemmen van de spindelgereedschappen in CNC-bewerkingscentra bestaat hoofdzakelijk uit de volgende componenten:
- Trekbout: Deze wordt aan de achterkant van de taps toelopende schacht van het gereedschap gemonteerd en vormt een belangrijk verbindingselement voor de trekstang om het gereedschap vast te zetten. De bout werkt samen met de stalen kogels aan de kop van de trekstang om de positionering en klemming van het gereedschap te bewerkstelligen.
- Trekstang: Door de interactie met de trekbout via stalen kogels worden trek- en drukkrachten overgebracht om de klem- en lostrekbewegingen van het gereedschap te realiseren. De beweging wordt aangestuurd door de zuiger en veren.
- Katrol: Deze dient meestal als tussencomponent voor krachtoverbrenging, in het mechanisme voor het losmaken en vastklemmen van spindelgereedschappen. Hij kan ook betrokken zijn bij de transmissieverbindingen die de beweging van gerelateerde componenten aandrijven. Hij kan bijvoorbeeld verbonden zijn met het hydraulische systeem of andere aandrijfmechanismen om de beweging van componenten zoals de zuiger aan te drijven.
- Bellevilleveer: Bestaat uit meerdere paren veerbladen en is een belangrijk onderdeel voor het genereren van de spankracht van het gereedschap. De krachtige elastische kracht zorgt ervoor dat het gereedschap tijdens het bewerkingsproces stabiel in het taps toelopende gat van de spindel wordt vastgezet, wat de bewerkingsnauwkeurigheid garandeert.
- Borgmoer: Wordt gebruikt om onderdelen zoals de Belleville-veer vast te zetten, om te voorkomen dat deze losraken tijdens het werkproces en om de stabiliteit en betrouwbaarheid van het volledige gereedschapslosmaak- en klemmechanisme te garanderen.
- Afstelring: Door de afstelring te slijpen, kan het contact tussen de trekstang en de trekbout aan het einde van de zuigerslag nauwkeurig worden geregeld, wat zorgt voor soepel los- en vastdraaien van het gereedschap. Het speelt een cruciale rol bij de nauwkeurige afstelling van het gehele los- en vastdraaimechanisme van het gereedschap.
- Spiraalveer: Deze speelt een rol bij het losdraaien van gereedschap en ondersteunt de beweging van de zuiger. Wanneer de zuiger bijvoorbeeld naar beneden beweegt om de trekstang te duwen en het gereedschap los te draaien, zorgt de spiraalveer voor een zekere veerkracht om de soepelheid en betrouwbaarheid van de werking te garanderen.
- Zuiger: Dit is het onderdeel dat de kracht aanstuurt in het gereedschapsmechanisme voor het losmaken en vastklemmen. Aangedreven door hydraulische druk beweegt de zuiger op en neer en drijft vervolgens de trekstang aan om de klem- en losmaakbewegingen van het gereedschap te realiseren. De nauwkeurige controle over de slag en de stuwkracht is cruciaal voor het gehele gereedschapsmechanisme voor het losmaken en vastklemmen.
- Eindschakelaars 9 en 10: Deze worden respectievelijk gebruikt om signalen te versturen voor het vastklemmen en losmaken van gereedschap. Deze signalen worden teruggekoppeld naar het CNC-systeem, zodat het systeem het bewerkingsproces nauwkeurig kan regelen, de gecoördineerde voortgang van elk proces kan garanderen en machine-ongelukken kan voorkomen die worden veroorzaakt door een verkeerde inschatting van de gereedschapsklemtoestand.
- Katrol: Deze is vergelijkbaar met de katrol die in punt 3 hierboven is genoemd en maakt deel uit van het transmissiesysteem om een stabiele krachtoverbrenging te garanderen en om ervoor te zorgen dat alle onderdelen van het gereedschapslosmaak- en klemmechanisme samenwerken volgens het vooraf bepaalde programma.
- Eindkap: Deze beschermt en dicht de interne structuur van de spindel af en voorkomt dat onzuiverheden zoals stof en spanen in de spindel terechtkomen en de normale werking van het gereedschapslosmaak- en klemmechanisme beïnvloeden. Tegelijkertijd biedt het een relatief stabiele werkomgeving voor de interne componenten.
- Afstelschroef: Hiermee kunt u de posities of spelingen van bepaalde componenten nauwkeurig afstellen. Zo optimaliseert u de prestaties van het gereedschapslosmaak- en klemmechanisme en zorgt u ervoor dat het gereedschap ook bij langdurig gebruik nog steeds zeer nauwkeurig werkt.
III. Werkingsprincipe
(I) Gereedschapsklemproces
Wanneer het bewerkingscentrum zich in de normale bewerkingsstand bevindt, is er geen hydraulische oliedruk aan de bovenkant van zuiger 8. Op dat moment bevindt de schroefveer 7 zich in een natuurlijk uitgerekte toestand en zorgt zijn elastische kracht ervoor dat de zuiger 8 omhoog beweegt naar een specifieke positie. Tegelijkertijd speelt de Belleville-veer 4 ook een rol. Door zijn eigen elastische eigenschappen duwt de Belleville-veer 4 de trekstang 2 omhoog, waardoor de 4 stalen kogels aan de kop van de trekstang 2 in de ringvormige groef aan de achterkant van de trekbout 1 van de gereedschapsschacht terechtkomen. Door het inbedden van de stalen kogels wordt de spankracht van de Belleville-veer 4 via de trekstang 2 en de stalen kogels overgebracht op de trekbout 1, waardoor de gereedschapsschacht stevig wordt vastgehouden en de precieze positionering en stevige klemming van het gereedschap in het taps toelopende gat van de spindel wordt gerealiseerd. Deze klemmethode maakt gebruik van de krachtige elastische potentiële energie van de Belleville-veer en kan voldoende spankracht leveren om te voorkomen dat het gereedschap losraakt onder invloed van hoge rotatiesnelheden en snijkrachten. Zo worden de nauwkeurigheid en stabiliteit van de bewerking gewaarborgd.
(II) Gereedschapslosmaakproces
Wanneer het nodig is om het gereedschap te wisselen, wordt het hydraulische systeem geactiveerd en stroomt er hydraulische olie in het onderste uiteinde van zuiger 8, waardoor een opwaartse druk ontstaat. Onder invloed van de hydraulische druk overwint zuiger 8 de elastische kracht van schroefveer 7 en begint naar beneden te bewegen. De neerwaartse beweging van zuiger 8 duwt trekstang 2 synchroon naar beneden. Terwijl trekstang 2 naar beneden beweegt, komen de stalen kogels los uit de ringvormige groef aan de achterkant van de trekbout 1 van de gereedschapsschacht en komen in de ringvormige groef in het bovenste deel van het achterste taps toelopende gat van de spindel terecht. Op dat moment hebben de stalen kogels geen remmende werking meer op trekbout 1 en wordt het gereedschap losgemaakt. Wanneer de manipulator de gereedschapsschacht uit de spindel trekt, wordt er perslucht door de centrale gaten van zuiger en trekstang geblazen om onzuiverheden zoals spanen en stof uit het taps toelopende gat van de spindel te verwijderen, ter voorbereiding op de volgende gereedschapsinstallatie.
(III) De rol van eindschakelaars
Eindschakelaars 9 en 10 spelen een cruciale rol in de signaalfeedback tijdens het losdraaien en klemmen van het gereedschap. Wanneer het gereedschap vastgeklemd is, activeert de positieverandering van de relevante componenten eindschakelaar 9, die vervolgens onmiddellijk een gereedschapklemsignaal naar het CNC-systeem stuurt. Na ontvangst van dit signaal bevestigt het CNC-systeem dat het gereedschap zich in een stabiele klemtoestand bevindt en kan het de volgende bewerkingen starten, zoals spindelrotatie en gereedschapsvoeding. Wanneer het losdraaien van het gereedschap is voltooid, wordt eindschakelaar 10 geactiveerd en stuurt deze een gereedschapklemsignaal naar het CNC-systeem. Op dat moment kan het CNC-systeem de manipulator aansturen om de gereedschapswissel uit te voeren en zo de automatisering en precisie van het gehele gereedschapswisselproces te garanderen.
(IV) Belangrijkste parameters en ontwerppunten
- Spankracht: Het CNC-bewerkingscentrum maakt gebruik van in totaal 34 paar (68 stuks) Belleville-veren, die een krachtige spankracht kunnen genereren. Onder normale omstandigheden bedraagt de spankracht voor het aanspannen van het gereedschap 10 kN, met een maximum van 13 kN. Een dergelijk spankrachtontwerp is voldoende om verschillende snijkrachten en centrifugaalkrachten op het gereedschap tijdens het bewerkingsproces op te vangen, waardoor de stabiele fixatie van het gereedschap in het taps toelopende gat van de spindel wordt gegarandeerd, verschuiving of vallen van het gereedschap tijdens het bewerkingsproces wordt voorkomen en de bewerkingsnauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit worden gegarandeerd.
- Zuigerslag: Bij het wisselen van gereedschap bedraagt de slag van zuiger 8 12 mm. Tijdens deze slag van 12 mm wordt de beweging van de zuiger in twee fasen verdeeld. Eerst, nadat de zuiger ongeveer 4 mm is vooruitgegaan, begint deze de trekstang 2 te duwen totdat de stalen kogels de ringvormige groef van Φ37 mm in het bovenste deel van het taps toelopende gat van de spindel binnendringen. Op dit moment begint het gereedschap los te komen. Vervolgens blijft de trekstang zakken totdat oppervlak "a" van de trekstang de bovenkant van de trekbout raakt, waardoor het gereedschap volledig uit het taps toelopende gat van de spindel wordt geduwd, zodat de manipulator het gereedschap soepel kan verwijderen. Door de slag van de zuiger nauwkeurig te regelen, kunnen de losmaak- en klembewegingen van het gereedschap nauwkeurig worden uitgevoerd, waardoor problemen zoals onvoldoende of te veel slag die kunnen leiden tot losse klemming of het onvermogen om het gereedschap los te maken, worden vermeden.
- Contactspanning en materiaalvereisten: Omdat de 4 stalen kogels, het conische oppervlak van de trekbout, het oppervlak van het spindelgat en de gaten waarin de stalen kogels zich bevinden tijdens het werkproces aanzienlijke contactspanningen ondervinden, worden hoge eisen gesteld aan de materialen en oppervlaktehardheid van deze onderdelen. Om een constante kracht op de stalen kogels te garanderen, moeten de gaten waarin de 4 stalen kogels zich bevinden strikt in hetzelfde vlak liggen. Meestal worden deze belangrijke onderdelen gemaakt van zeer sterke, hardheids- en slijtvaste materialen en ondergaan ze nauwkeurige bewerkings- en warmtebehandelingsprocessen om hun oppervlaktehardheid en slijtvastheid te verbeteren. Dit zorgt ervoor dat de contactoppervlakken van verschillende componenten een goede werking behouden tijdens langdurig en frequent gebruik, waardoor slijtage en vervorming worden verminderd en de levensduur van het gereedschapslosmaak- en klemmechanisme wordt verlengd.
IV. Conclusie
De basisstructuur en het werkingsprincipe van het gereedschapslos- en klemmechanisme in CNC-bewerkingscentra vormen een complex en geavanceerd systeem. Elk onderdeel werkt nauw met elkaar samen. Door een nauwkeurig mechanisch ontwerp en ingenieuze mechanische structuren wordt snel en nauwkeurig spannen en losmaken van gereedschappen bereikt, wat een krachtige garantie biedt voor de efficiënte en geautomatiseerde bewerking van CNC-bewerkingscentra. Een diepgaand begrip van het werkingsprincipe en de belangrijkste technische aspecten is van groot belang voor het ontwerp, de productie, het gebruik en het onderhoud van CNC-bewerkingscentra. In de toekomst, met de voortdurende vooruitgang van de CNC-bewerkingstechnologie, zal het gereedschapslos- en klemmechanisme in de spindel ook continu worden geoptimaliseerd en verbeterd, met als doel een hogere precisie, hogere snelheid en betrouwbaardere prestaties om te voldoen aan de groeiende eisen van de high-end maakindustrie.