اصول کار ابزار اسپیندل - شل کردن و بستن در مراکز ماشینکاری CNC
چکیده: این مقاله به تفصیل ساختار اساسی و اصول کار مکانیزم شل کردن و بستن ابزار اسپیندل در مراکز ماشینکاری CNC، از جمله ترکیب اجزای مختلف، فرآیند کار و پارامترهای کلیدی را شرح می‌دهد. هدف آن تجزیه و تحلیل عمیق مکانیسم داخلی این عملکرد حیاتی، ارائه منابع نظری برای پرسنل فنی مربوطه، کمک به آنها در درک بهتر و نگهداری سیستم اسپیندل مراکز ماشینکاری CNC و تضمین کارایی و دقت بالای فرآیند ماشینکاری است.
مقدمه
عملکرد شل کردن و بستن ابزار اسپیندل در مراکز ماشینکاری، پایه و اساس مهمی برای مراکز ماشینکاری CNC جهت دستیابی به ماشینکاری خودکار است. اگرچه تفاوت‌های خاصی در ساختار و اصل کار آن در بین مدل‌های مختلف وجود دارد، اما چارچوب اساسی مشابه است. تحقیقات عمیق در مورد اصل کار آن برای بهبود عملکرد مراکز ماشینکاری، تضمین کیفیت ماشینکاری و بهینه‌سازی نگهداری تجهیزات از اهمیت بالایی برخوردار است.
دوم. ساختار اساسی
مکانیزم شل کردن و بستن ابزار اسپیندل در مراکز ماشینکاری CNC عمدتاً از اجزای زیر تشکیل شده است:
- گلمیخ کششی: در انتهای ساقه مخروطی ابزار نصب می‌شود و یک جزء اتصال کلیدی برای میله کششی جهت سفت کردن ابزار است. این گلمیخ با گوی‌های فولادی در سر میله کششی همکاری می‌کند تا موقعیت و گیره ابزار را فراهم کند.
- میله کششی: این میله از طریق تعامل با گلمیخ کششی از طریق ساچمه‌های فولادی، نیروهای کششی و رانشی را برای انجام اعمال گیره‌بندی و شل کردن ابزار منتقل می‌کند. حرکت آن توسط پیستون و فنرها کنترل می‌شود.
- قرقره: معمولاً به عنوان یک جزء واسطه برای انتقال نیرو، در مکانیزم شل کردن و بستن ابزار اسپیندل عمل می‌کند، ممکن است در پیوندهای انتقال که حرکت اجزای مرتبط را هدایت می‌کنند، دخیل باشد. به عنوان مثال، ممکن است به سیستم هیدرولیک یا سایر دستگاه‌های محرک متصل شود تا حرکت اجزایی مانند پیستون را هدایت کند.
- فنر بلویل: از چندین جفت فنر تشکیل شده است و یک جزء کلیدی برای تولید نیروی کششی ابزار است. نیروی الاستیک قدرتمند آن می‌تواند تضمین کند که ابزار در طول فرآیند ماشینکاری به طور پایدار درون سوراخ مخروطی اسپیندل ثابت شده و دقت ماشینکاری را تضمین می‌کند.
- مهره قفلی: برای ثابت کردن قطعاتی مانند فنر Belleville استفاده می‌شود تا از شل شدن آنها در حین کار جلوگیری شود و پایداری و قابلیت اطمینان کل مکانیسم شل کردن و بستن ابزار تضمین شود.
- تنظیم شیم: با سنگ‌زنی شیم تنظیم، می‌توان وضعیت تماس بین میله کشش و گلمیخ کشش را در انتهای حرکت پیستون به طور دقیق کنترل کرد و شل و سفت کردن روان ابزار را تضمین نمود. این امر نقش بسیار مهمی در تنظیم دقیق کل مکانیزم شل کردن و بستن ابزار دارد.
- فنر مارپیچ: در فرآیند شل شدن ابزار نقش دارد و به حرکت پیستون کمک می‌کند. به عنوان مثال، هنگامی که پیستون به سمت پایین حرکت می‌کند تا میله کششی را برای شل شدن ابزار فشار دهد، فنر مارپیچ نیروی الاستیک خاصی را برای اطمینان از نرمی و قابلیت اطمینان عمل فراهم می‌کند.
- پیستون: این قطعه، قطعه‌ی اجرایی نیرو در مکانیزم شل کردن و بستن ابزار است. این قطعه که توسط فشار هیدرولیک به حرکت در می‌آید، به بالا و پایین حرکت می‌کند و سپس میله‌ی کشش را به حرکت در می‌آورد تا اعمال بستن و شل کردن ابزار را انجام دهد. کنترل دقیق ضربه و نیروی رانش آن برای کل فرآیند شل کردن و بستن ابزار بسیار مهم است.
- سوئیچ‌های محدودکننده ۹ و ۱۰: به ترتیب برای ارسال سیگنال برای بستن و شل کردن ابزار استفاده می‌شوند. این سیگنال‌ها به سیستم CNC بازگردانده می‌شوند تا سیستم بتواند فرآیند ماشینکاری را به طور دقیق کنترل کند، پیشرفت هماهنگ هر فرآیند را تضمین کند و از حوادث ماشینکاری ناشی از تشخیص نادرست وضعیت بستن ابزار جلوگیری کند.
- قرقره: مشابه قرقره ذکر شده در مورد ۳ بالا، این قرقره در سیستم انتقال قدرت با هم مشارکت می‌کنند تا انتقال پایدار نیرو را تضمین کنند و تمام اجزای مکانیزم شل کردن و بستن ابزار را قادر سازند تا طبق برنامه از پیش تعیین شده به طور هماهنگ کار کنند.
- پوشش انتهایی: این پوشش نقش محافظت و آب‌بندی ساختار داخلی اسپیندل را ایفا می‌کند و از ورود ناخالصی‌هایی مانند گرد و غبار و تراشه به داخل اسپیندل و تأثیر بر عملکرد طبیعی مکانیزم شل کردن و بستن ابزار جلوگیری می‌کند. در عین حال، محیط کاری نسبتاً پایداری را برای اجزای داخلی فراهم می‌کند.
- پیچ تنظیم: می‌توان از آن برای تنظیم دقیق موقعیت‌ها یا فواصل برخی از اجزا استفاده کرد تا عملکرد مکانیزم شل کردن و بستن ابزار را بهینه کرده و از حفظ حالت کاری با دقت بالا در طول استفاده طولانی مدت اطمینان حاصل شود.
III. اصل کار
(I) فرآیند بستن ابزار
وقتی مرکز ماشینکاری در حالت ماشینکاری عادی قرار دارد، هیچ فشار روغن هیدرولیکی در انتهای بالایی پیستون ۸ وجود ندارد. در این زمان، فنر مارپیچ ۷ در حالت طبیعی کشیده شده است و نیروی الاستیک آن باعث می‌شود پیستون ۸ به سمت بالا و به موقعیت خاصی حرکت کند. در همین حال، فنر بلویل ۴ نیز نقش دارد. فنر بلویل ۴ به دلیل ویژگی‌های الاستیک خود، میله کششی ۲ را به سمت بالا هل می‌دهد، به طوری که ۴ گوی فولادی در سر میله کششی ۲ وارد شیار حلقوی در انتهای گلمیخ کششی ۱ ساقه ابزار می‌شوند. با تعبیه گوی‌های فولادی، نیروی کششی فنر بلویل ۴ از طریق میله کششی ۲ و گوی‌های فولادی به گلمیخ کششی ۱ منتقل می‌شود و در نتیجه ساقه ابزار را محکم نگه می‌دارد و موقعیت دقیق و گیره محکم ابزار را در سوراخ مخروطی اسپیندل محقق می‌کند. این روش گیره‌بندی از انرژی پتانسیل الاستیک قدرتمند فنر بلویل استفاده می‌کند و می‌تواند نیروی کششی کافی را برای اطمینان از شل نشدن ابزار تحت تأثیر چرخش پرسرعت و نیروهای برشی فراهم کند و دقت و پایداری ماشینکاری را تضمین کند.
(II) فرآیند شل کردن ابزار
وقتی نیاز به تعویض ابزار باشد، سیستم هیدرولیک فعال می‌شود و روغن هیدرولیک وارد انتهای پایینی پیستون ۸ می‌شود و نیروی رانش به سمت بالا ایجاد می‌کند. تحت تأثیر نیروی رانش هیدرولیکی، پیستون ۸ بر نیروی الاستیک فنر مارپیچ ۷ غلبه می‌کند و شروع به حرکت به سمت پایین می‌کند. حرکت رو به پایین پیستون ۸، میله کششی ۲ را به طور همزمان به سمت پایین هل می‌دهد. همزمان با حرکت میله کششی ۲ به سمت پایین، گوی‌های فولادی از شیار حلقوی در انتهای گلمیخ کششی ۱ ساق ابزار جدا شده و وارد شیار حلقوی در قسمت بالایی سوراخ مخروطی عقب اسپیندل می‌شوند. در این زمان، گوی‌های فولادی دیگر اثر مهاری بر گلمیخ کششی ۱ ندارند و ابزار شل می‌شود. هنگامی که دستگیره، ساق ابزار را از اسپیندل بیرون می‌کشد، هوای فشرده از طریق سوراخ‌های مرکزی پیستون و میله کششی خارج می‌شود تا ناخالصی‌هایی مانند تراشه و گرد و غبار را در سوراخ مخروطی اسپیندل تمیز کند و برای نصب بعدی ابزار آماده شود.
(III) نقش کلیدهای محدودکننده
سوئیچ‌های محدودکننده ۹ و ۱۰ نقش مهمی در بازخورد سیگنال در طول فرآیند شل کردن و بستن ابزار دارند. هنگامی که ابزار در جای خود محکم می‌شود، تغییر موقعیت اجزای مربوطه، سوئیچ محدودکننده ۹ را فعال می‌کند و سوئیچ محدودکننده ۹ بلافاصله یک سیگنال بستن ابزار به سیستم CNC ارسال می‌کند. پس از دریافت این سیگنال، سیستم CNC تأیید می‌کند که ابزار در حالت بستن پایدار است و سپس می‌تواند عملیات ماشینکاری بعدی، مانند چرخش اسپیندل و تغذیه ابزار را آغاز کند. به طور مشابه، هنگامی که عمل شل کردن ابزار تکمیل می‌شود، سوئیچ محدودکننده ۱۰ فعال می‌شود و یک سیگنال شل کردن ابزار به سیستم CNC ارسال می‌کند. در این زمان، سیستم CNC می‌تواند بازوی مکانیکی را برای انجام عملیات تعویض ابزار کنترل کند تا اتوماسیون و دقت کل فرآیند تعویض ابزار تضمین شود.
(IV) پارامترهای کلیدی و نکات طراحی
- نیروی کشش: مرکز ماشینکاری CNC در مجموع از 34 جفت (68 قطعه) فنر Belleville استفاده می‌کند که می‌توانند نیروی کشش قدرتمندی ایجاد کنند. در شرایط عادی، نیروی کشش برای سفت کردن ابزار 10 کیلونیوتن است و می‌تواند حداکثر به 13 کیلونیوتن برسد. چنین طراحی نیروی کشش برای مقابله با نیروهای برشی مختلف و نیروهای گریز از مرکز که در طول فرآیند ماشینکاری بر روی ابزار اعمال می‌شوند، کافی است و تثبیت پایدار ابزار را در سوراخ مخروطی اسپیندل تضمین می‌کند، از جابجایی یا افتادن ابزار در طول فرآیند ماشینکاری جلوگیری می‌کند و در نتیجه دقت ماشینکاری و کیفیت سطح را تضمین می‌کند.
- کورس پیستون: هنگام تعویض ابزار، کورس پیستون ۸، ۱۲ میلی‌متر است. در طول این کورس ۱۲ میلی‌متری، حرکت پیستون به دو مرحله تقسیم می‌شود. ابتدا، پس از اینکه پیستون حدود ۴ میلی‌متر پیشروی کرد، شروع به هل دادن میله کششی ۲ می‌کند تا ساچمه‌های فولادی وارد شیار حلقوی Φ۳۷ میلی‌متری در قسمت بالایی سوراخ مخروطی اسپیندل شوند. در این زمان، ابزار شروع به شل شدن می‌کند. متعاقباً، میله کششی به پایین رفتن ادامه می‌دهد تا سطح "a" میله کششی با بالای گلمیخ کششی تماس پیدا کند و ابزار را به طور کامل از سوراخ مخروطی اسپیندل بیرون بکشد تا کاربر بتواند ابزار را به راحتی خارج کند. با کنترل دقیق کورس پیستون، می‌توان عملیات شل کردن و بستن ابزار را به طور دقیق انجام داد و از مشکلاتی مانند کورس ناکافی یا بیش از حد که ممکن است منجر به شل شدن گیره یا عدم توانایی در شل کردن ابزار شود، جلوگیری کرد.
- تنش تماسی و الزامات مواد: از آنجایی که 4 گوی فولادی، سطح مخروطی گلمیخ کششی، سطح سوراخ اسپیندل و سوراخ‌هایی که گوی‌های فولادی در آن قرار دارند، در طول فرآیند کار، تنش تماسی قابل توجهی را تحمل می‌کنند، الزامات بالایی بر روی مواد و سختی سطح این قطعات اعمال می‌شود. برای اطمینان از یکنواختی نیرو بر روی گوی‌های فولادی، سوراخ‌هایی که 4 گوی فولادی در آن قرار دارند باید کاملاً در یک صفحه قرار گیرند. معمولاً این قطعات کلیدی از مواد با استحکام بالا، سختی بالا و مقاوم در برابر سایش ساخته می‌شوند و تحت فرآیندهای دقیق ماشینکاری و عملیات حرارتی قرار می‌گیرند تا سختی سطح و مقاومت در برابر سایش آنها بهبود یابد و اطمینان حاصل شود که سطوح تماس اجزای مختلف می‌توانند در طول استفاده طولانی مدت و مکرر، وضعیت کاری خوبی را حفظ کنند، سایش و تغییر شکل را کاهش دهند و عمر مفید مکانیزم شل کردن و بستن ابزار را افزایش دهند.
چهارم. نتیجه‌گیری
ساختار اساسی و اصل کار مکانیزم شل کردن و بستن ابزار اسپیندل در مراکز ماشینکاری CNC، یک سیستم پیچیده و پیشرفته را تشکیل می‌دهد. هر جزء با یکدیگر همکاری و هماهنگی نزدیکی دارد. از طریق طراحی مکانیکی دقیق و ساختارهای مکانیکی مبتکرانه، بستن و بستن سریع و دقیق ابزارها حاصل می‌شود و تضمین قدرتمندی برای ماشینکاری کارآمد و خودکار مراکز ماشینکاری CNC فراهم می‌کند. درک عمیق از اصل کار و نکات فنی کلیدی آن، از اهمیت بالایی برای طراحی، ساخت، استفاده و نگهداری مراکز ماشینکاری CNC برخوردار است. در توسعه آینده، با پیشرفت مداوم فناوری ماشینکاری CNC، مکانیزم شل کردن و بستن ابزار اسپیندل نیز به طور مداوم بهینه و بهبود خواهد یافت و به سمت دقت بالاتر، سرعت بیشتر و عملکرد قابل اعتمادتر حرکت خواهد کرد تا نیازهای رو به رشد صنعت تولید پیشرفته را برآورده کند.