Sotto la frase "mandrino per fresatrice Per "CNC" di solito si intende un motore su cui è installato un mandrino a pinza autobloccante (come su una fresatrice manuale), che serve a fissare un utensile da taglio, come una fresa, una pietra per affilare, un trapano, ecc., e trasmettere la rotazione muoverlo con grande velocità.

Classificazione

Possono essere divisi in 2 piccoli gruppi: domestici e industriali:

1. Quelli domestici includono vari trapani, piccole frese domestiche o trapani.
2. I motori industriali includono motori progettati per resistere a carichi elevati durante il funzionamento, dotati di cuscinetti in ceramica e spesso dotati di sistema complesso raffreddamento a liquido o ad aria e un sistema di alimentazione del lubrificante direttamente nelle aree con elevati livelli di attrito e calore.

Quando si utilizza un trapano come mandrino in una macchina CNC domestica, è necessario comprendere che i suoi cuscinetti non sono progettati per carichi laterali elevati e inizieranno molto rapidamente a "ululare", il che può portare a un elevato riscaldamento degli avvolgimenti, una diminuzione della potenza sull'albero e successivamente tale mandrino brucerà semplicemente.

IN in questo caso il raffreddamento non aiuta ed è necessario modificare il trapano stesso, vale a dire: sostituire il cuscinetto a sfere dell'albero con un cuscinetto a rulli (preferibilmente con rulli ceramici), fissarlo saldamente nel corpo e fare attenzione alla presenza costante di lubrificante dentro.

Caratteristiche del mandrino a seconda del tipo

Fondamentalmente, durante il funzionamento delle fresatrici, tutti i carichi sono perpendicolari all'asse del mandrino e i carichi paralleli compaiono solo al momento del taglio nel corpo del pezzo. Ecco perché è necessario scegliere un motore in grado di sopportare tali carichi per un lungo periodo di tempo, poiché il funzionamento delle fresatrici può essere continuo per un giorno o anche di più.

I mandrini destinati a scopi industriali non richiedono una pulizia e una lubrificazione costante dei cuscinetti per tutta la loro vita utile, ma se si iniziano a notare suoni estranei durante il funzionamento al minimo, è comunque meglio smontare l'alloggiamento del motore ed eliminare tutti i contaminanti dal all'interno con aria compressa (se presente) e lubrificare bene il cuscinetto con un lubrificante speciale che non perda le sue proprietà alle alte temperature.

Inoltre, il mandrino industriale è dotato di un mandrino a pinza di alta qualità che ha un runout minimo durante il funzionamento, garantendo la necessaria precisione di lavorazione, una differenza minima tra la dimensione effettiva e quella effettiva della fresa e consentendo il bloccaggio delle frese con un convenzionale gambo cilindrico.

Morsetti per pinze

Fondamentalmente le più comuni sono le pinze del tipo ER11 ed ER16, nelle quali viene inserita una punta o una fresa con diametro del gambo da 2,5 a 3,2 mm, anche se realizzata con cono. Esistono anche mandrini progettati per un diametro dell'utensile maggiore, ma vengono utilizzati per la lavorazione dei metalli grezzi o la fresatura dell'acciaio e hanno un foro per il bloccaggio dell'utensile di 6 millimetri o più.

Perché non posso installarlo sulla mia macchina CNC di casa, chiedi?

Se si blocca una fresa con un diametro di 2 mm con un diametro del gambo di 3,2 mm in un mandrino a pinza, durante la lavorazione difficilmente si noterà la differenza, ma se si installa una fresa con un diametro di 10 mm e un gambo di 3,2 mm su una macchina amatoriale, è possibile deformare facilmente le guide, poiché il carico in questo caso aumenta in modo significativo. Nella macchina, tutte le parti devono adattarsi perfettamente insieme, altrimenti ci saranno problemi. più problemi rispetto al lavoro di qualità. Ti consigliamo quindi di optare per la pinza EP-13, è più che sufficiente per piccoli volumi di lavoro ed è adatta a quasi tutti gli strumenti di lavoro utilizzati nella lavorazione di materiali diversi.

Potenza del mandrino

Quando si sceglie la potenza del mandrino, è necessario seguire la regola d'oro: più è, meglio è. Regole di base nella scelta del potere:

1. Se prevedi di utilizzare le fresatrici solo per forare o incidere piccole parti, sarà sufficiente un mandrino con una potenza fino a 600 watt.
2. Per la fresatura di legno duro e metallo è necessario considerare un motore con una potenza compresa tra 600 e 1400 watt.
3. Se hai intenzione di modernizzare ulteriormente la macchina (ci sono macchine con due o più mandrini) o hai bisogno di una grande riserva di potenza, devi guardare verso mandrini con una potenza superiore a 1,6 kW, ti permetteranno di lavorare quasi tutti i materiali, e la qualità del lavoro dipenderà solo dall'affidabilità della parte meccanica delle macchine CNC.

Metodi di fresatura

Chiariamo alcune sottigliezze. La fresatura può essere eseguita in due modi, o con avanzamento veloce e rotazione lenta della fresa, oppure con avanzamento lento, ma con un'elevata velocità di rotazione della fresa. Il primo metodo si chiama alta velocità e il secondo potenza.

Nell'industria, la fresatura meccanica viene comunemente utilizzata per rimuovere il materiale in eccesso da un pezzo il più rapidamente possibile. Prima di ciò, è necessario studiare la descrizione e i dati del passaporto di un particolare taglierino e inserire nella macchina le modalità di taglio necessarie appositamente per esso, vale a dire: velocità di rotazione, penetrazione e avanzamento. In questo modo potrai utilizzare la taglierina per ottenere il massimo delle prestazioni senza sovraccaricarla.

Se la parte meccanica della tua macchina non ti consente di ottenere una buona forza e inizia a deformarsi, allora è meglio non sperimentare, ma utilizzare il secondo metodo di fresatura: ad alta velocità, sviluppando la massima velocità di rotazione della fresa e impostazione della velocità di avanzamento minima.

Criteri di scelta dei mandrini

Dopo aver analizzato quanto sopra, dobbiamo decidere cosa è più importante per noi, la velocità del mandrino o la sua potenza. Quando acquisti un mandrino costoso e di alta qualità, non devi preoccuparti di questa domanda, perché la maggior parte di essi ha allo stesso tempo una potenza piuttosto elevata e un'elevata velocità di rotazione.

Tali mandrini non vengono praticamente utilizzati al massimo, ma vengono caricati al 60-80% della potenza totale e utilizzati fino al 90% della potenza velocità massima, il che è senza dubbio un grande vantaggio, poiché in tali condizioni il mandrino di una fresatrice CNC non si surriscalda e non si consuma. Ad alta velocità la rotazione (18.000-20.000 giri al minuto) non viene praticamente utilizzata perché durante la lavorazione a tali velocità, l'utensile e il pezzo iniziano a riscaldarsi e bruciare, rovinando tutto il lavoro.

Separatamente, vale la pena considerare i mandrini alimentati da una rete trifase. Sono collegati da cinque fili, di cui tre lineari, uno neutro e uno di terra. A rete domestica non possono essere collegati senza modifiche.

In precedenza, per tali scopi venivano utilizzati condensatori di avviamento che, secondo le leggi dell'ingegneria elettrica, modificavano l'angolo di fase e creavano artificialmente 3 fasi da una. Ma è improbabile che una fresatrice CNC sia rilevante per questo metodo, poiché in questo caso si perde la capacità di controllare la velocità di rotazione dei mandrini. Pertanto, ai nostri giorni vengono utilizzati convertitori elettronici di frequenza (FC), il cui principio di funzionamento si basa sulla rettifica tensione domestica e generando trifase da esso con la possibilità di regolare agevolmente la frequenza.

Un convertitore di frequenza o convertitore di frequenza, come viene comunemente chiamato, ha molte funzioni utili, tra cui: controllo della temperatura del mandrino, regolazione fluida la loro velocità di rotazione, e la caratteristica più utile è che può essere collegato all'unità di controllo di fresatrici e Software imposterà automaticamente la velocità di rotazione dell'utensile richiesta. Inoltre, il convertitore di frequenza consente l'avvio e la frenatura fluidi dei mandrini, aumentandone notevolmente la durata.

Raffreddamento

Come accennato in precedenza, i mandrini possono essere dotati di raffreddamento ad aria o a liquido. Il ventilatore dell'aria è una ventola convenzionale montata sull'albero del motore e che soffia aria sui suoi avvolgimenti.

Il grande svantaggio di questo tipo di raffreddamento è il fatto che la girante non solo spinge l'aria sul motore caldo, ma aspira anche trucioli, polvere e tutto ciò che la fresa taglia dal pezzo nella sua sede. Inoltre, durante la lavorazione a basse velocità, il raffreddamento ad aria è inefficace, poiché dipende direttamente dalla velocità di rotazione dell'albero del mandrino.

Il sistema di raffreddamento ad acqua non presenta questo svantaggio, ma quando lo si utilizza è necessario un posto separato per il serbatoio con il liquido di raffreddamento e un corretto fissaggio dei tubi con esso sul corpo della fresatrice, il che complica notevolmente la progettazione se lo è una fresatrice a due mandrini.

È molto più efficiente di un sistema di raffreddamento ad aria, poiché la velocità del flusso del fluido attraverso il mandrino è sempre la stessa grazie all'utilizzo di una pompa speciale. La condizione principale da osservare quando si dispone di un mandrino raffreddato ad acqua è che non è possibile accendere il motore senza accendere la pompa, poiché in questo caso non si raffredderà affatto, si surriscalderà molto rapidamente e, di conseguenza, si bruciato.

Le fresatrici eseguono la lavorazione a contatto mediante taglio. Sotto l'azione delle forze di taglio, il cuneo affilato dell'utensile (taglierina) separa le particelle di materiale per formare una nuova superficie lavorata del pezzo. Per superare l'attrazione intermolecolare e separare le particelle di materiale, è necessario applicare un'energia sufficientemente elevata. Viene generato dal mandrino, il principale elemento di potenza della fresatrice. È progettato per collegare un utensile da taglio, trasmettergli la coppia e spostarlo sul pezzo in lavorazione secondo il programma di lavorazione (percorso di movimento della fresa).

Strutturalmente, il mandrino della fresatrice è un potente motore CA asincrono. L'albero del motore elettrico è montato su cuscinetti a contatto obliquo per compensare l'impatto dei carichi assiali durante il movimento verticale della taglierina, nonché per compensare i carichi sul piano orizzontale quando l'utensile si muove lungo il percorso di lavorazione. L'estremità dell'albero del mandrino ha un cono Morse per l'installazione di un mandrino a pinza. Quest'ultimo serve per fissare la fresa, precedentemente installata in una pinza di diametro adeguato.

Tutti i componenti del mandrino sono riuniti in un unico alloggiamento non separabile con sistema di raffreddamento integrato. Per le unità a bassa potenza (fino a 500 W), viene utilizzato principalmente un sistema di raffreddamento ad aria. I mandrini più potenti (da 1 kW e oltre) sono dotati di un sistema di raffreddamento ad acqua.

Sistema di raffreddamento del mandrino a liquido

Qualsiasi liquido (specialmente l'acqua) ha una capacità termica molto più elevata dell'aria. Pertanto, per mandrini potenti che richiedono un'intensa dissipazione del calore, viene utilizzato un sistema di raffreddamento a liquido. Il suo design è una speciale "camicia" (cavità all'interno del corpo del mandrino per il passaggio del liquido), nella quale viene fornito il refrigerante sotto pressione. Il refrigerante di base è acqua, ma è possibile utilizzare antigelo o altre miscele per prevenire la corrosione (vedere di seguito).

L'avvolgimento subisce il riscaldamento maggiore durante il funzionamento del mandrino. motore elettrico asincrono e cuscinetti dell'albero. Sono loro che vengono “abbracciati” dalla camicia di raffreddamento: il calore in eccesso viene assorbito dal liquido circolante. Per l'alimentazione/scarico del fluido, il corpo del mandrino è dotato di appositi raccordi (per questa caratteristica è facile distinguere i mandrini raffreddati ad acqua dai mandrini “raffreddati ad aria”). I raccordi sono collegati tramite tubi flessibili pompa del liquido e uno scambiatore di calore. Un altro componente del sistema è un contenitore per lo stoccaggio delle riserve liquide. In alcuni sistemi di raffreddamento il contenitore può fungere anche da scambiatore di calore.

Schemi di progetto degli scambiatori di calore

Normale condizioni di temperatura Il funzionamento di una fresatrice CNC consiste nel riscaldare il mandrino a una temperatura non superiore a 50 °C (il mandrino deve essere caldo al tatto, ma non bollente). In caso di riscaldamento eccessivo del mandrino (soprattutto durante la fresatura prolungata in modalità forzata), è necessario aumentare il tasso di scambio termico del sistema di raffreddamento.

Come notato sopra, lo scambiatore di calore più semplice può essere un contenitore per la conservazione del liquido. Le pareti metalliche del contenitore dissipano abbastanza bene il calore dell'acqua riscaldata. E se necessario, l'efficienza di un tale radiatore passivo può essere aumentata garantendo un contatto affidabile del contenitore metallico con il telaio metallico della fresatrice. Il telaio massiccio fornirà un'eccellente dissipazione del calore del liquido riscaldato che defluisce dal mandrino nel contenitore.

Un'altra opzione per uno scambiatore di calore è la serpentina tubolare del radiatore di un frigorifero domestico. Per intensificare l'eliminazione del calore, la batteria può essere montata anche sul telaio metallico della macchina. Un buon esempio sistema efficaceè un progetto in cui il radiatore del riscaldatore di un'auto VAZ-2106 viene utilizzato come scambiatore di calore. In abbinamento è necessario acquistare un elettroventilatore di diametro adeguato (previsto per essere alimentato da una rete a corrente alternata, tensione 220 V). La pompa del liquido in un tale sistema sarà una “pompa” per acquario (progettata anch'essa per 220 V). Tutti i componenti del sistema di raffreddamento sono assemblati in un unico alloggiamento, fornendo fissaggio affidabile unità. Un requisito importante per il sistema è la sua tenuta, pertanto l'installazione dei componenti e tutti i collegamenti devono essere eseguiti con molta attenzione.

Soluzioni pronte

Una buona opzione per organizzare un sistema di raffreddamento è usare soluzioni già pronte provenienti da aree correlate. Ad esempio, per le fresatrici con mandrini a potenza relativamente bassa (fino a 1 kW) è possibile utilizzare un sistema di raffreddamento a microprocessore per PC. Tale sistema è già dotato di una pompa del liquido (pompa), un serbatoio del liquido di raffreddamento, un radiatore con ventola incorporata e tutti i tubi di collegamento.

Ancora di più mezzi efficaci utilizzerà uno speciale refrigeratore per i sistemi di raffreddamento delle macchine laser. Il refrigeratore è un'unità singola contenente un radiatore tubolare, ventilatori, termostati elettronici e un contenitore per liquidi. Il refrigeratore ha prestazioni elevate e consente una regolazione flessibile della temperatura del liquido di raffreddamento. All'unico inconveniente sistemi elencati Ciò può essere attribuito al loro costo elevato (rispetto alle soluzioni fatte in casa).

Tipi di refrigeranti

Il refrigerante più semplice (e nella maggior parte dei casi consigliato dai produttori di macchine utensili), disponibile ed economico è l'acqua. Per evitare depositi di sedimenti all'interno dei canali della camicia di raffreddamento del mandrino, è opportuno utilizzare acqua distillata. Tuttavia, va tenuto presente che col tempo i batteri si moltiplicano nell'acqua e si forma del muco nel sistema di raffreddamento (anche all'interno del fuso). Di conseguenza, la dissipazione del calore è notevolmente ridotta. Inoltre, anche l’acqua distillata è corrosiva elementi metallici mandrino.

Per combattere contemporaneamente la corrosione e i microrganismi, come refrigerante è necessario utilizzare l'antigelo (una soluzione acquosa di glicole etilenico). Quando si utilizza un sistema di raffreddamento sigillato, l'evaporazione del liquido è praticamente eliminata, quindi non è necessario sostenere i costi di aggiunta/sostituzione dell'antigelo. In linea di principio, è possibile utilizzare l'antigelo per auto (lo stesso dell'antigelo, ma con un pacchetto di additivi speciali), ma la miscela proprietaria sarà più costosa di una semplice soluzione di glicole etilenico (alcol) in acqua. Inoltre, una serie di additivi antigelo proprietari formano un rivestimento biancastro sulle tubazioni, che riduce anche la dissipazione del calore e complica la circolazione del liquido nel sistema di raffreddamento.

Va ricordato che il glicole etilenico è un potente veleno! Quando si utilizza un sistema di raffreddamento riempito con antigelo o antigelo, è necessario prestare la massima attenzione!

I mandrini cinesi con raffreddamento a liquido prevedono il passaggio di un liquido refrigerante per raffreddare i cuscinetti e gli avvolgimenti. Esternamente, tali mandrini si distinguono per la presenza di raccordi per il collegamento dei tubi. I tubi devono collegare il mandrino alla pompa e allo scambiatore di calore.

Su Internet è possibile trovare descrizioni di diversi sistemi di raffreddamento del mandrino. Nel più semplice, come scambiatore di calore viene utilizzato un radiatore tubolare di un vecchio frigorifero (tali radiatori sono montati sul retro dei frigoriferi). Esistono opzioni in cui l'acqua di raffreddamento viene semplicemente fornita in un contenitore di plastica con la parte superiore aperta (in altre parole, una bacinella). Una parte superiore aperta è necessaria per un migliore trasferimento di calore perché... la plastica compromette leggermente lo scambio termico dell'acqua con l'aria circostante.

Questo articolo offrirà opzioni più serie per i sistemi di raffreddamento. La presentazione è suddivisa nei seguenti argomenti:

• Acqua, antigelo o antigelo: cosa usare?

Applicazione di un sistema liquido già pronto per il raffreddamento dei processori dei PC

Più soluzione semplice per mandrini con potenza fino a 1 kW può essere utilizzato sistema finito per il raffreddamento dei processori dei PC. Va tenuto presente che un sistema del genere non è economico e costa circa 200 dollari. Ma in questo kit avrai già montata una pompa con vaso di espansione e un radiatore con ventola di raffreddamento.

Ma il liquido refrigerante a base di glicole etilenico (praticamente antigelo) incluso nel kit molto probabilmente non basterà, perché... Il sistema di raffreddamento del mandrino ha un volume maggiore. Ciò significa che dovrai acquistare più antigelo. Non resta che aggiungere un alimentatore corrente continua 12 volt (può essere destabilizzato). Puoi utilizzare un vecchio computer o un qualsiasi trasformatore con potenza adeguata.
Ora è necessario montare tutti i moduli in un alloggiamento adatto (o in compensato fatto in casa), collegare il sistema con i tubi flessibili, riempirlo di antigelo e rimuovere l'aria da esso.

È imperativo ricordare che un tale sistema è dotato di un piccolo radiatore e di una pompa debole. La loro potenza potrebbe non essere sufficiente per raffreddare il mandrino. In questo caso, è importante il grado di carico sul mandrino. Cioè, se il mandrino lavora costantemente con frese di grandi dimensioni, ad alta velocità, con affitto grandi quantità materiale in un unico passaggio, anche se il materiale del pezzo da lavorare è metallo e persino acciaio. In questi casi è meglio prevedere un sistema di raffreddamento del mandrino più potente (vedi sotto).

Sistema di raffreddamento basato su una pompa per acquario e un radiatore riscaldante per un'auto VAZ-2106

La prossima versione del sistema di raffreddamento richiede meno investimenti di capitale, ma più tempo di installazione.
Il radiatore del riscaldatore dell'auto VAZ-2106 viene utilizzato come radiatore (vedi foto sotto). Può essere acquistato in quasi tutti i negozi di automobili. Dovresti comprare una ventola per il radiatore dimensione adatta a 220 volt. Il costo del radiatore e della ventola sarà di circa 40 dollari (~1200 rubli).

Come pompa è adatta una pompa per acquario. Questi possono essere acquistati nei negozi di animali. La foto sotto mostra due opzioni di pompa. Il costo della pompa può variare dai 50 ai 100 dollari (fino a 3.000 rubli).

La foto mostra che la tensione di alimentazione della pompa è di 220 volt. Pertanto, è necessario prestare attenzione durante l'installazione per garantire la sicurezza sia dell'installazione stessa che dell'ulteriore funzionamento del sistema di raffreddamento.

Una volta acquistati tutti i componenti principali, puoi iniziare a installarli in un unico alloggiamento. Il corpo può essere realizzato in compensato (vedi foto sotto) oppure è possibile acquistarne uno adatto già pronto.
In questa soluzione il fissaggio del radiatore avviene mediante spezzoni di profilo zincato per il montaggio in cartongesso. La larghezza del profilo è adeguata allo spessore del radiatore. La pompa è immersa nel vaso di espansione.

È altamente auspicabile che il sistema di raffreddamento sia sigillato per prevenire la possibilità di evaporazione dell'antigelo. La ragione di ciò è la nocività del glicole etilenico, sulla base del quale viene prodotto l'antigelo.
Per risolvere questo problema, il modo più semplice è posizionare la pompa in un contenitore con un collo largo e un coperchio ermetico e posizionare il radiatore e la ventola in un alloggiamento separato (vedi foto sotto).

È possibile che i raccordi standard del mandrino non siano adatti al tubo esistente. In questo caso, è del tutto possibile realizzare i propri accessori la giusta dimensione simile alla foto qui sotto. Le fascette stringitubo non sono mostrate, ma sono necessarie per il loro fissaggio affidabile.

Riepilogo

Questo sistema di raffreddamento è stato testato in condizioni reali abbinato a un mandrino ET80-2,2 kW dell'azienda ET. Le modalità di lavorazione sono piuttosto rigide: il diametro massimo delle frese è di 6 mm, il materiale in lavorazione è leghe di alluminio ad alta resistenza, la velocità arriva al massimo (24.000 giri/min). Temperatura massima mai raggiunto i 50°C. Dopo aver eseguito il programma di controllo per 10-20 ore, è possibile sentire con la mano il calore nella zona dei cuscinetti inferiori. Allo stesso tempo, la temperatura attorno alla macchina si stabilizza a circa 20°C.

Acqua, antigelo o antigelo?

L'opzione più economica è utilizzare l'acqua come refrigerante nel sistema di raffreddamento del mandrino. Deve trattarsi di acqua distillata per evitare precipitazioni nei canali dell'impianto. Va tenuto presente che dopo un po 'di tempo nell'acqua si sviluppano microrganismi e sulle pareti del sistema di raffreddamento appare muco e l'acqua inizia a puzzare. È chiaro che tale muco appare anche all'interno del fuso, il che ostacola la dissipazione del calore. L'utilizzo di additivi battericidi richiede di verificare se provocano la formazione di sedimenti o ruggine sulle pareti del mandrino. Inoltre, l'uso stesso dell'acqua può causare corrosione all'interno del mandrino.

In relazione a quanto sopra, potrebbe essere più ragionevole utilizzare l'antigelo. Questo non è costoso come l'uso dell'antigelo, ma ha anche le sue caratteristiche. Il fatto è che l'antigelo di bassa qualità lascia efflorescenze bianche sulle tubazioni, che compromettono anche la rimozione del calore e la permeabilità dei canali.

Quasi ideale per il sistema di raffreddamento del mandrino è l'uso di antigelo. In questo caso ci sono solo due inconvenienti: l'alto costo e la nocività del glicole etilenico, sulla base del quale viene prodotto l'antigelo.
Tuttavia, l'alto costo dell'antigelo è molto condizionato, perché l'antigelo viene acquistato una volta per l'intero periodo di funzionamento, perché non si consuma.
E l'uso di un sistema di raffreddamento sigillato garantisce che l'antigelo non evapori nell'aria e questo risolve il problema della sua nocività.

Sarebbe più corretto porre la domanda in questo modo: quale tipologia di raffreddamento del mandrino è più adatta a risolvere il problema? Questa domanda viene solitamente posta da chi sta progettando una nuova macchina o modificandone una già esistente. In ogni caso, il fatto che esistano entrambi i tipi di raffreddamento significa che ognuno presenta i propri vantaggi. Il modo più semplice per trarre la giusta conclusione è familiarizzare con tutti i vantaggi e gli svantaggi di entrambi i tipi di raffreddamento.

Mandrino raffreddato ad aria:

Di solito ha un design allungato forma rettangolare e lega leggera. L'alloggiamento stesso, insieme ai canali d'aria interni, costituisce la superficie di raffreddamento. Per la ventilazione forzata, sull'albero superiore del mandrino è montata una girante che aspira l'aria attraverso i canali. L'albero inferiore è dotato di una pinza di serraggio per il montaggio dell'utensile.

Questi mandrini si trovano spesso sulle macchine per la lavorazione del legno e le ragioni sono diverse. Diamo uno sguardo più da vicino a tutti i pro e i contro dei mandrini raffreddati ad aria.

Vantaggi:

• Il design esistente di tali mandrini è tale che, a parità di potenza rispetto a un mandrino raffreddato ad acqua, hanno una struttura molto più massiccia e potente, che ha un effetto positivo sulla durata del mandrino e sull'entità dei carichi può resistere. Ciò è di particolare importanza nella lavorazione del legno, poiché le frese per tali tipi di lavoro spesso non hanno un buon bilanciamento e possono essere di dimensioni piuttosto grandi.
• Inoltre, a parità di potenza, questi mandrini hanno una dimensione della pinza maggiore, ampliando così le possibilità degli utensili utilizzati.
• Un enorme vantaggio è la maggiore autonomia; un mandrino raffreddato ad aria necessita solo di un cavo di alimentazione, a differenza di un mandrino raffreddato ad acqua, non ha tubi di raffreddamento che devono essere posati attraverso tutti i canali flessibili dei cavi. Questa caratteristica è particolarmente evidente quando si installa un mandrino su macchine di grandi dimensioni, superiori a 3 m.

Svantaggi:

• Come abbiamo già detto, il design del mandrino raffreddato ad aria è più massiccio e progettato per sopportare carichi maggiori, quindi ciò incide sul suo costo. Il prezzo dei mandrini raffreddati ad aria è leggermente superiore a quello dei mandrini raffreddati ad acqua.
• Un mandrino raffreddato ad aria corre il rischio di surriscaldamento quando funziona a basse velocità e poiché la girante è fissata all'albero, il volume dell'aria di raffreddamento diminuisce al diminuire della velocità. La situazione è aggravata se il mandrino funziona a temperature esterne elevate.
• Il mandrino è montato in modo tale che sia impossibile regolarne la posizione in altezza a meno che la macchina non disponga di una speciale piastra adattatrice; ciò può causare alcune difficoltà con la corsa limitata lungo l'asse Z della macchina;
• Il flusso d'aria di raffreddamento proveniente da un mandrino raffreddato ad aria è piuttosto forte e soffia lateralmente il materiale tagliato, quindi in questo caso è necessario un sistema di rimozione della polvere e dei trucioli abbastanza potente.
• La ventola di raffreddamento è piuttosto rumorosa, per cui è sconsigliabile l'utilizzo di tale mandrino su macchine che utilizzano utensili e materiali che non producono rumore (macchine per incidere, tagliare la cera e modellare la plastica).

Mandrino raffreddato ad acqua:
Vantaggi:

• Con una potenza comparabile rispetto ai motori aerei, hanno un costo notevolmente inferiore
• Dimensioni del mandrino più compatte
• Un mandrino raffreddato ad acqua è caratterizzato da un funzionamento abbastanza silenzioso, a condizione che la fresa stessa non produca molto rumore. Questa proprietà consente di creare una macchina che può essere utilizzata in impianti di produzione non specializzati.
• La forma cilindrica del mandrino e il fissaggio con un morsetto consentono di regolare facilmente l'altezza del mandrino ed espandere le capacità della macchina quando si lavora con frese lunghe e pezzi alti.

Svantaggi:

• Lo svantaggio principale di un mandrino raffreddato ad acqua è rappresentato da tutte le apparecchiature di raffreddamento aggiuntive: tubi, radiatore, ventola, pompa e serbatoio di espansione. Sebbene tutti questi componenti non possano essere definiti costosi, il loro posizionamento sulla macchina e la loro manutenzione richiedono risorse di tempo.
• Un mandrino raffreddato ad acqua presenta il rischio di corrosione all'interno della camicia di raffreddamento, che può causare l'ingresso di refrigerante negli avvolgimenti e provocare un guasto completo.

Note importanti quando si utilizzano i mandrini:

Per mandrini raffreddati ad aria:

• cercare di non far funzionare il mandrino a basse velocità, ciò potrebbe causarne il surriscaldamento e il guasto
• Assicurarsi che i canali di raffreddamento siano in buone condizioni, che non vi sia flusso d'aria e che l'ingresso sia privo di corpi estranei.
• Non è consigliabile utilizzare mandrini raffreddati ad aria in ambienti contenenti sospensioni di acqua o olio.

Per mandrini raffreddati ad acqua:

• Se si desidera che il mandrino duri a lungo e non abbia problemi al corpo e agli avvolgimenti dovuti alla corrosione, non utilizzare in nessun caso acqua normale per raffreddare il mandrino. Si consiglia di dotare il mandrino di un sistema di raffreddamento completamente chiuso riempito con un liquido speciale. Questo liquido può essere qualsiasi composizione utilizzata per i sistemi di raffreddamento delle automobili. È consentito diluire questi liquidi con acqua distillata pulita, poiché non vi è pericolo di congelamento dell'intero sistema. Lo scopo dell'utilizzo dei refrigeranti sono le loro proprietà anticorrosive.
• Spesso si verificano casi di funzionamento del mandrino senza sistema di raffreddamento, poiché la pompa è alimentata indipendentemente dalla potenza del mandrino e l'operatore può dimenticarsi di accenderla. Si consiglia di collegare la pompa in modo che si accenda automaticamente quando la macchina e il mandrino sono in funzione.
• Utilizzare una pompa o una pompa del liquido di raffreddamento adatta. Un errore comuneè l'uso di una pompa non progettata per il funzionamento continuo a lungo termine o di una pompa con collegamenti elettrici che perdono, ad esempio alcuni modelli di pompe del carburante.
• Quando si posano le linee del sistema di raffreddamento in canaline portacavi flessibili, utilizzare tubi di sufficiente rigidità per evitare piegature durante il funzionamento della macchina. Inoltre, alcuni tipi di tubi possono perdere notevolmente la loro forma anche a temperature superiori a 40°C, quindi anche il loro utilizzo è sconsigliato.

Utilizzo della temperatura di raffreddamento del mandrino come strumento per compensare la deformazione termica della macchina

La compensazione per gli errori di temperatura delle macchine utensili è relativamente compito difficile attualmente. Gli utenti di macchine utensili hanno aspettative molto elevate riguardo alla qualità dei loro prodotti, quindi è necessario utilizzare ogni mezzo per migliorare la precisione di lavorazione delle macchine esistenti. Questo articolo illustra un nuovo approccio che combina la misurazione standard della temperatura della macchina utensile con una nuova misurazione della temperatura del liquido di raffreddamento del mandrino. Quindi, utilizzando l'equazione di regressione polinomiale, calcoleremo la correzione compensativa della posizione dell'utensile. Questo calcolo non sovraccarica il sistema di controllo della macchina, quindi non sono necessari hardware o computer esterni aggiuntivi. L'adduzione di refrigerante migliora la precisione delle macchine utensili durante lunghe ore di funzionamento.

Parole chiave: costruzione di macchine utensili, compensazione della temperatura.

1. introduzione

Dal punto di vista della misurazione della temperatura le macchine possono essere divise in due gruppi. Il primo gruppo è costituito dalle cosiddette macchine intelligenti, nelle quali tutti i sensori necessari vengono impiantati direttamente nella macchina in fase di produzione. Un tipico rappresentante di questo gruppo è il mandrino della macchina con sensori di temperatura integrati per cuscinetti, avvolgimenti del motore, ecc. Tali macchine possono risolvere problemi di deformazione utilizzando metodi meccatronici. Sfortunatamente, queste macchine non sono ancora molto comuni. Sono anche relativamente costosi da produrre. Il secondo gruppo comprende le macchine convenzionali che hanno un numero limitato di sensori integrati (circa cinque). Questi sensori sono appositamente installati sul telaio della macchina. I mandrini solitamente non sono controllati. Macchine di questo tipo sono le più comuni oggi.

Le macchine convenzionali possono essere equipaggiate con sensori aggiuntivi. Tuttavia, il posizionamento del sensore può essere estremamente problematico. I problemi possono includere:

• Il sensore non può essere posizionato direttamente in una fonte di calore;
• Il sensore non può essere installato come richiesto a causa della struttura della macchina o delle apparecchiature poste su di essa;
• Il sensore è troppo grande per adattarsi alla posizione di misurazione selezionata;
• Il sensore non può essere sepolto nel metallo;
• La superficie di contatto tra il sensore e la custodia è insufficiente.

Un esempio di installazione del sensore è mostrato in Fig. 1.

Questi problemi di analisi termica sono chiaramente visibili nel mandrino. Come accennato, non è possibile smontare il mandrino per fare ciò. Inoltre, il mandrino non è progettato per essere installato elementi aggiuntivi, grazie alla sua complessità struttura interna. Attualmente, l'opzione più utilizzata è quella di posizionare i sensori necessari su una testa del mandrino rotante, il più vicino possibile al mandrino. Un'altra opzione è posizionare i sensori sulla camicia di raffreddamento del mandrino.

Dal punto di vista della generazione di calore nella macchina utensile, il mandrino è la principale fonte di calore e la sua deformazione termica è la ragione principale della deformazione complessiva della macchina utensile. Questo effetto è moltiplicato quando si utilizza un elettromandrino con avvolgimenti integrati. La maggiore deformazione di questa tipologia di mandrini è causata dalla tipica disposizione meccanica dei gruppi cuscinetti anteriore e posteriore e degli avvolgimenti del motore elettrico.

Queste tre parti del mandrino costituiscono la principale fonte di calore, ma il calore viene ceduto anche ad altre parti del mandrino (circuiti di lubrificazione e raffreddamento, manicotto di montaggio del mandrino, ecc.). Se i sensori si trovano sulla superficie esterna del manicotto di montaggio del mandrino, si verifica un ritardo relativamente elevato nel tempo di trasferimento del calore all'uscita dalla fonte di calore ai sensori di temperatura. Questo ritardo può annullarsi Compensazione della temperatura deformazione della macchina. I sensori non rispondono quando il mandrino (così come il telaio della macchina) è già deformato dal calore. La precisione di taglio è inferiore al previsto. Gli sforzi per eliminare questo effetto negativo rappresentano il problema principale per ingegneri e lavoratori delle macchine utensili. Un nuovo approccio al problema consiste nell'utilizzare il refrigerante del mandrino come vettore di informazioni sullo stato termico all'interno del mandrino

Riso. 1: Esempio di sensore montato su un mandrino

Riso. 2: Circuiti di raffreddamento del mandrino

1. Utilizzo del refrigerante del mandrino.

Il nostro obiettivo è trovare un modo per ottenere informazioni sul comportamento termico interno del mandrino misurando la temperatura all'esterno del mandrino. L'unica opzione è utilizzare il refrigerante del mandrino. Questo fluido scorre attorno ai gruppi cuscinetti e attorno all'avvolgimento del motore elettrico (Fig. 2.). Ciò rimuove il calore generato dai componenti del mandrino. Se un sensore di temperatura viene posizionato nel fluido nella camicia di raffreddamento all'uscita del mandrino, può rilevare le condizioni all'interno del mandrino. Il vantaggio di questa misurazione è la velocità con cui il fluido trasferisce le informazioni sulla temperatura dai cuscinetti al sensore. Questo tempo di trasferimento del calore è inferiore al tempo impiegato dal calore per passare attraverso la massa di materiale, dai cuscinetti alla superficie esterna del mandrino, dove solitamente si trovano i sensori. I nostri esperimenti dimostrano che il sensore risponde alle variazioni di temperatura molto più velocemente (nel caso del raffreddamento a liquido del mandrino) rispetto ad altri sensori installati sul telaio della macchina.

I risultati sono mostrati di seguito.

1. Monitoraggio del comportamento della temperatura della macchina

Gli esperimenti volti a testare la nostra ipotesi sono stati eseguiti su un centro di lavoro a 3 assi dotato di motore mandrino DMU e motori lineari su tutti e tre gli assi. Questa macchina ha un layout di Tipo C, con il tipo di telaio più comune. L'obiettivo del nostro progetto è eliminare la deformazione termica dell'asse Z verticale causata dal mandrino. In generale, la deformazione della macchina veniva controllata nella posizione dell'utensile nella direzione dell'asse Z. La macchina veniva riscaldata ripetutamente ruotando il mandrino. L'analisi è iniziata a freddo, dopodiché la macchina è stata spenta 48 ore prima dell'esperimento. Pertanto, la macchina è stata portata a temperatura ambiente.

La macchina è stata quindi avviata e il mandrino è stato azionato ad una velocità di rotazione costante di 7500 giri al minuto (50% Nmax).

Riso. 3: Comportamento in temperatura dell'MCFV 5050LN

Riso. 3. dimostra che il test è stato effettuato per circa 10 ore. Ciò è sufficiente per mostrare la direzione del flusso e la quantità di calore che fluisce dal mandrino al telaio della macchina. Le deformazioni di questo tipo di carico termico nella direzione Z sono mostrate in Fig. 4. La fase iniziale di riscaldamento molto veloce è causata dal mandrino stesso. La fase intermedia, tra “50 min” e “150 min”, è una miscela degli influssi della deformazione del mandrino e della colonna della macchina. Nell'ultima fase da “150 minuti”, la deformazione viene creata solo sulla colonna.

Un altro problema nell’implementazione di un meccanismo di compensazione per una macchina utensile è il suo costo.

Riso. 4: Deformazione dell'asse Z dovuta al riscaldamento del mandrino

È necessario offrire soluzioni economiche ma che funzionino bene. La soluzione standard è l’analisi di regressione multidisciplinare. Anche senza apparecchiature aggiuntive il sistema di controllo della macchina non verrà sovraccaricato.

1. Regressione multicompensativa

La regressione multicompensazione si basa sul principio del calcolo dei risultati da diversi input. Questo può essere scritto come un'equazione:

Per recensione migliore comportamento termico completo della macchina, numerosi sensori, installati sul telaio della macchina e sul mandrino. I sensori sono selezionati per analisi comparativa utilizzando due parametri:

Il primo parametro è il rapporto tra l'aumento della deformazione e l'aumento della temperatura in un determinato punto. Il secondo parametro è la velocità di reazione alle variazioni di temperatura nella posizione misurata. Il limite di reazione per questo esperimento è stato fissato a 0,5 gradi. Sono stati selezionati quattro sensori. Sul mandrino sono installati 2 sensori, uno sulla colonna dell'asse Z e sul motore lineare dell'asse Z. I sensori sono mostrati nella Tabella 1 e il loro posizionamento è indicato in Fig. 5. I dati di temperatura per calcolare la compensazione corretta (Equazione 1) vengono immessi nel sistema di controllo della macchina. Il risultato del calcolo secondo la formula 1, calcolato in un dato momento del tempo ciclo, rappresenta un segnale di correzione per il sistema di controllo della macchina. Invece della caratteristica di deformazione temporale, per la compensazione multinomiale viene utilizzata la caratteristica di deformazione della temperatura. Il processo di riscaldamento può variare nel tempo, ma da un punto di vista fisico la variazione di temperatura è dominante per l’entità della deformazione.

Tabella 1: Sensori e tempi di risposta

Riso. 5: Posizionamento del sensore selezionato

Riso. 6: Prima misurazione della deformazione termica

Come risultato della deformazione, l'equazione per l'asse Z dai calcoli dei quattro sensori è la seguente:

Questa equazione è stata derivata calcolando la variazione di temperatura e la deformazione durante la prima analisi della temperatura della macchina utensile (Fig. 6). Il calcolo è stato verificato nella misurazione successiva, con condizioni iniziali diverse. La macchina si trovava in diversi stati termici iniziali, con differenti temperatura ambiente. Inoltre il telaio della macchina si trovava in uno stato semi-caldo, a causa di un raffreddamento incompleto rispetto alla giornata lavorativa precedente. Il raffreddamento avveniva solo di notte, un periodo non sufficientemente lungo per questo tipo di macchine. Carico termico il mandrino ha prodotto lo stesso output della prima analisi.

1. Risultati della compensazione

La deformazione residua dopo la compensazione è mostrata in Fig. 7. È ovvio che la compensazione applicata ha un impatto positivo. Il miglioramento può essere visto nella fase di transizione intermedia, dove gli effetti della deformazione del fuso e della deformazione della colonna sono opposti. Ciò rende sempre difficile descrivere questa fase, poiché la sovrapposizione di due deformazioni la influenza in modo significativo. Inoltre, durante la prima fase, quando si verificano grandi deformazioni del fuso, possiamo vedere buona qualità funzionamento del meccanismo di compensazione.

C'è molto crescita rapida nella deformazione del fuso. La compensazione multinomiale con misurazione della temperatura del liquido di raffreddamento del mandrino elimina questo effetto in un tempo più breve rispetto a senza compensazione.

Il principio del calcolo della regressione polinomiale, insieme a un numero piccolo sensori installati, limita la velocità di reazione a cambiamenti imprevisti nel comportamento della macchina. Questo effetto può essere visto in Fig. 6. nel tempo di circa “470 min.” Un improvviso guasto del sistema di raffreddamento del mandrino provoca la deformazione. Entra in gioco il meccanismo di compensazione, ma non in misura sufficiente. Ciò è dovuto ai sensori inclusi nel calcolo della compensazione. Per migliorare questo tipo di compensazione è necessario uno speciale approccio multinomiale per il mandrino.

Riso. 7: deformazione permanente dopo la compensazione

1. Conclusione

L'utilizzo del raffreddamento a liquido del mandrino DMG migliora la regressione multinomiale del meccanismo di compensazione. La deformazione residua ottenuta del centro di lavoro universale MCFV 5050LN, nell'asse Z, è migliore di quella della regressione standard. Il calcolo è stato effettuato utilizzando esclusivamente le misure del telaio della macchina. Le deformazioni possono essere eliminate più velocemente nella prima fase critica, poiché questi calcoli vengono ottenuti da quattro sensori: corpo macchina, mandrino e refrigerante. La risposta di compensazione non è sufficientemente rapida per eventi imprevisti in assenza di raffreddamento.