Технический прогресс и требования рынка к более быстрым, улучшенным и более гибким машинам приводят к повышенным требованиям к элементам станка прессов, особенно подшипникам. Сервопрессы являются примером металлообработки. В них используются вращающие двигатели, которые обеспечивают практически свободно регулируемый профиль движения плунжера благодаря почти независимому от скорости вращающему моменту. Полученные свойства можно увидеть на рисунке 1.
Из-за полной циркуляции механические прессы имеют короткое время подъема. Неточности, связанные с производством и сборкой в коробке передач пресса, приводят к систематическому наклону плунжера, который нельзя исправить, но можно свести к минимуму только в необходимом технологическом окне. Кроме того, регулировка хода, то есть смещение верхней (ВМТ) или нижней мертвой точки (UT), требует вмешательства в кинематику механических прессов.
Картинная галерея
Картинная галерея с 5 картинками
При использовании сервопрессов можно создать один и тот же профиль движения, поворачивая привод (маятниковый режим), что обеспечивает гибкое программирование OT и UT. Наклон толкателя также можно исправить. Несмотря на преимущества гибкой оптимизации и точности перемещения, управляемая работа челнока приводит к увеличению нагрузки на подшипники и увеличению потребления энергии прессом из-за постоянно меняющихся процессов ускорения и замедления.
Комбинация сочетает в себе преимущества
На практике подшипники скольжения почти исключительно используются для более высоких нагрузок, поскольку роликовые подшипники определенного размера больше не являются переносимыми из-за требований к стоимости и пространству. Однако подшипники скольжения связаны с функцией благодаря своей функции, которая препятствует хорошей управляемости без соответствующих мер противодействия, таких как предварительная нагрузка посредством компенсации веса плунжера. Однако это не может компенсировать рывки, возникающие при сильных изменениях ускорения. Это особенно невыгодно для быстрых и точных процессов позиционирования.
Мир подшипников
«Предсказуемость важнее, чем долгая жизнь»
Кроме того, неправильная настройка компенсации веса плунжера является одной из наиболее распространенных причин отказа подшипников на практике. При запуске подшипников скольжения наблюдается износ от твердого или смешанного трения. Особенно при ударе маятника износ сильно выражен из-за постоянно меняющихся направлений движения. Расширение двумя роликовыми подшипниками удерживает вал подшипника в центре подшипника скольжения, что позволяет избежать начального люфта и износа. Подшипники качения имеют хорошие стартовые свойства, но имеют плохие демпфирующие свойства из-за их точечного или линейного контакта. Ударные нагрузки могут повредить подшипник качения.
Благодаря сочетанию двух типов подшипников, высокая несущая способность и демпфирование подшипников скольжения могут сочетаться с нулевым люфтом и хорошими пусковыми свойствами подшипников качения. Структура и наиболее важные компоненты роликового подшипника показаны на рисунке 3.
Комбинированные подшипники в челночном режиме
В состоянии холостого хода роликовые подшипники удерживают вал подшипника по центру в корпусе подшипника скольжения. Увеличение рабочей нагрузки приводит к отклонению подшипников качения и, следовательно, к смещению вала подшипника в подшипнике скольжения. В результате вступают в действие два механизма в подшипнике скольжения. Радиальное смещение вала приводит к вытеснению смазочного масла из зазора подшипника скольжения. Подобно демпферу сжимаемой пленки, есть составляющая силы, зависящая от скорости, которая противодействует смещению вала. С другой стороны, смазочное масло втягивается в смазочный зазор между валом подшипника и корпусом подшипника путем вращения вала подшипника. Это создает другой компонент силы, который противодействует внешней рабочей нагрузке.
Моделирование и испытания показали переход функции нагрузки в зависимости от скорости вращения двух компонентов подшипника в режиме полной циркуляции и в режиме челнока. Для испытаний и дополнительного контроля подшипников во время работы два датчика вихревых токов были установлены под углом 90 ° друг к другу в середине корпуса подшипника скольжения. Они могут использоваться для измерения положения вала в подшипнике скольжения и отклонения роликовых подшипников. Распределение усилия между отдельными компонентами подшипника может быть выведено из рабочей силы и жесткости подшипников качения.
При низких скоростях и нагрузках подшипник качения преимущественно опирается, на более высоких скоростях - подшипник скольжения. На рисунке 4 показан пример силовых профилей, которые воспринимаются отдельными компонентами подшипника. Тест показан с характерным ходом движения маятника вперед и назад. Видно, что элемент качения в зоне запуска принимает на себя основную нагрузку. С увеличением нагрузки подшипник скольжения принимает все больше и больше компонентов, несущих нагрузку, а сила подшипника качения приближается к предельному значению.
Потенциалы комбинированных подшипников
Математическое сравнение чистого подшипника качения и комбинированного подшипника качения и скольжения для примерной рабочей нагрузки 200 т (маятниковый режим) показывает потенциал комбинированного подшипника. Нагрузка на роликовый подшипник может быть уменьшена дополнительным подшипником скольжения, который снижает необходимую базовую грузоподъемность и увеличивает срок службы. Более низкая несущая способность подшипников качения также уменьшает радиальное пространство подшипника, что означает, что энергия, необходимая для вращательных движений вала подшипника, может быть уменьшена. Это противодействует повышенным потребностям в энергии при работе челнока из-за частых процессов ускорения и замедления.
Как показывают исследования, в дополнение к маятниковому режиму комбинированные роликовые и подшипники скольжения обладают значительным потенциалом по сравнению с обычными подшипниками в режиме полной циркуляции. При увеличении скорости от 0 мин -1 до 400 мин -1 экспериментально было продемонстрировано смещение в распределении силы до 80% силы подшипника скольжения и 20% силы подшипника качения (рис. 5).
Использование комбинированных подшипников качения и скольжения в настоящее время ограничено сервопрессом 3D и другими прототипами. Степень зрелости для широкого промышленного использования еще не достигнута, но потенциал, вытекающий из этой комбинации, уже продемонстрирован. Мониторинг рабочего поведения и его влияния с помощью исполнительных механизмов является предметом текущих исследований в Институте технологий производства и формовки. (Уд)
Дополнительная информация о том, почему 3D сервопресс требует подшипников
В настоящее время в Институте технологии и формовочных машин (PtU) в ТУ Дармштадт строится сервопресс 3D. Трехмерный сервопресс представляет собой гибкий многоцелевой станок, который благодаря трем независимо управляемым передачам также обеспечивает две степени свободы наклона плунжера с углом наклона до 3,6 ° в дополнение к обычному z-ходу. Это иногда приводит к экстремальным режимам работы, которые в сочетании с работой маятника предъявляют высокие требования к подшипникам. Этого трудно достичь с помощью чистых роликовых или подшипников скольжения. Поэтому в 3D сервопрессе используются комбинированные роликовые и подшипники скольжения. Разработка и механический дизайн 3D-сервопресса достигли важного рубежа в конце 2018 года с первой презентацией на 13-м Дармштадтском металлоформовочном коллоквиуме (UKD).
благодарение
Исследовательский проект финансируется Немецким исследовательским фондом (DFG) в рамках Совместного исследовательского центра SFB 805 «Контроль неопределенности в несущих системах в машиностроении». PtU также хотел бы поблагодарить Рабочую группу ассоциаций промышленных исследований (AiF), Федеральное министерство экономики и энергетики и Georg Maschinentechnik GmbH & Co. KG за поддержку в контексте исследовательского проекта.
* Проф. Д-р инж. Дипломированный Wirtsch.-Ing. Питер Гроше, руководитель Института технологий производства и формовки (PtU) в ТУ Дармштадт, Джулиан Синц, магистр наук, научный сотрудник PtU, Пол Фелбер, магистр наук, научный сотрудник PtU до декабря 2017 года