Zapytaj konsultanta
Spis treści
Co to jest moc i moment obrotowy w obrabiarkach CNC?
Najogólniej można zdefiniować, że w obrabiarkach sterowanych numerycznie moc odzwierciedla zdolność obrabiarki do wykonywania pracy w określonym czasie (wykonywania określonego zdania technologicznego). Moc wyrażana jest w kilowatach (kW). Zaś moment obrotowy to siła, z którą obrabiarka wywiera na narzędzie lub przedmiot obrabiany w celu wykonywania określonego zadania technologicznego. Moment obrotowy podawany jest w jednostkach niutonometr (Nm).
Jak dobrać moc i moment obrotowy
Osoby odpowiedzialne za zakupy nowych obrabiarek w zakładach przemysłowych muszą podjąć bardzo ważną decyzję co do wyboru odpowiedniego wyposażania obrabiarki oraz parametrów technicznych. Oprócz określenia podstawowych parametrów maszyny takich jak np. zakres pracy (przejazd w poszczególnych osiach), prędkości posuwów itp., to kolejnym bardzo ważnym parametrem jest określenie mocy i momentu obrotowego silnika napędu głównego obrabiarki. Wybór ten jest ściśle uzależniony od rodzaju przeprowadzanej obróbki. W sytuacji, gdy obrabiarka będzie w znaczącej części swojej pracy realizować obróbkę zgrubną, to jej zapotrzebowanie na moc będzie znacznie większe niż w przypadku obróbki wykańczającej. Obróbka wykańczająca charakteryzuje się dużymi prędkościami obrotowymi oraz mniejszym zapotrzebowaniem na moc i moment obrotowy.
Podsumowując, można stwierdzić, że wysoki moment obrotowy jest niezbędny przy obróbce zgrubnej (frezowanie, toczenie), wierceniu i gwintowaniu, natomiast zapotrzebowanie na mały moment obrotowy przy obróbce wykończeniowej.
Jak obliczyć moc skrawania
W niniejszym artykule przedstawiono przykładowy proces, który polega na doborze narzędzi skrawających oraz odpowiednich parametrów technologicznych z katalogu w celu określenia mocy skrawania (Pc). Obliczone parametry, potrzebne są do weryfikacji założeń czy moc nominalna napędu głównego jest większa (warunek konieczny) od zapotrzebowania na moc skrawania wyliczoną z zależności literaturowych. Należy zwrócić uwagę, że w procesie skrawania ważną wielkością jest moc skrawania, która wyrażona jest jako praca w czasie. W fachowej literaturze [1] moc skrawania opisywana jest zależnością jak iloczyn siły skrawania Fc do prędkości skrawania vc. Do wykonania obliczeń przyjęto następujące założenia początkowe:
1. Obrabiarka TBI VC 1270 HH wyposażona w silnik napędu głównego o oznaczeniu QAN 200UH (rys.1).
Rysunek 1. Parametry techniczne napędu głównego – TBI VC 1270 HH
2. Narzędzie skrawające: głowica o oznaczeniu TAP400R-50-22-4T na płytki skrawające: APMT 160412. Średnica narzędzia D=40mm, liczba ostrzy z=4.
Zalecane parametry technologiczne dostarczone przez producenta to:
- prędkość skrawania: vc=200 m/min,
- posuw fz=0,2 mm/ost,
- głębokość skrawania ap=2 mm,
- szerokość skrawania ae= 0,75 x D =0,75 x 40 = 30mm.
- promień naroża re=1,2
3. Przykładowy materiał obrabiany to stal konstrukcyjna (k1 = 1500N/mm2i mc=0.25).
Wzór obliczeń parametrów technologicznych obróbki
Obliczenie podstawowych parametrów technologicznych w codziennej pracy technologa ułatwiają programy typu CAM oraz kalkulatory opracowywane przez producentów narzędzi. Jednak dla dokładniejszego zrozumienia tematu przedstawiono następujące wzory [1,2]:
1. Obliczenie prędkości obrotowej, gdzie vc to prędkość skrawania, a wartość D określa średnicę narzędzia.
2. Obliczenie prędkości posuwu
3. Obliczenie średniej grubości wióra hm
a) Obliczenie maksymalnej grubości hDmax
b) Obliczenie średniej grubości hm
4. Obliczenie oporu właściwego skrawania
5. Obliczenie mocy skrawania
6. Obliczenie mocy z uwzględnieniem sprawności mechanicznej napędu wrzeciona:
7. Obliczenie momentu obrotowego Mc:
Na podstawie przeprowadzonych obliczeń stwierdzono, że zapotrzebowanie na moc skrawania wynosi P = 4 kW. Analizowany wykres jest funkcją zależności prędkości obrotowej od wartości mocy i momentu, dlatego bardzo istotne jest określenie, jaką zastosowano prędkość obrotową. W analizowanym przypadku wynosi ona n = 1590 obr/min.
Rysunek 2. Zależność dopuszczalnej mocy i momentu obrotowego w funkcji prędkości obrotowej
Dla uzyskanych wartości analitycznych stwierdzono, że zapotrzebowanie na moc skrawania jaki i moment jest znacznie mniejsze od moc nominalnej silnika napędu głównego – przedstawiono to za pomocą dodatkowej czerwonej i zielonej linii na rysunku (punkt przecięcia znajduje się znacząco poniżej linii S).
Pionową czerwoną linią na wykresie zaznaczono otrzymaną prędkość obrotową. Natomiast poziomą zieloną linią zaznaczono wartości, jakie obliczono dla mocy (rys. 2a) i momentu obrotowego (rys. 2b). Jak wynika z rys. 2a w zakresie obrotów od 1500 obr/min do wartości około 7500 obr/min dostępna jest dopuszczalna moc silnika napędu głównego w zależności od rodzaju pracy S1 i S6. Należy zwrócić uwagę, że parametr S1 to długotrwała praca z ciągłym obciążeniem, a parametr S6 charakteryzuje się przerywaną pracą przy podanym względnym czasie obciążenia w stosunku do całego czasu pracy.
Moc i moment obrotowy silnika napędu głównego frezarki CNC model TBI VC 1270 HH
Maksymalny moment obrotowy wrzeciona zaczyna się od wartości 0 i przypada na wartość 1500 obr/min, gdzie krzywa mocy i momentu obrotowego osiągają najwyższą wartość.
Po przekroczeniu 1500 obrotów na minutę moment obrotowy zaczyna spadać, natomiast moc utrzymuje się aż do wartości 7500 obrotów na minutę, a następnie także zaczyna spadać. Moment obrotowy jest stały od prędkości 0 do 1500 obr/min, a moc w tym zakresie stale rośnie.
Dla zastosowanego narzędzia oraz przyjętych parametrów technologicznych stwierdzono, że zapotrzebowanie na moment obrotowy jest znacznie mniejsze niż dostępny nominalny moment obrotowy, co przedstawia rysunek 2b – punkt przecięcia linii czerwonej z linią zieloną. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej następuje spadek wartości momentu obrotowego. Stosowanie silnika o przedstawionej powyżej charakterystyce znajduje zastosowanie, gdy wymagane jest praca w podstawowym zakresie prędkości obrotowych oraz gdzie wymagane są również duże momenty obrotowe np. w obróbce zgrubnej. Silnik ten znajduje zastosowanie również w obróbce wykańczającej, gdzie wymagane jest uzyskanie dużych prędkości obrotowych, przy jednoczesnym zapotrzebowaniu na stosunkowo małe wartości momentu obrotowego.
Podsumowanie
Analiza zależności dopuszczalnej mocy i momentu obrotowego wrzeciona w funkcji prędkości obrotowej jest bardzo ważna. Nieprawidłowy dobór parametrów skrawania może być powodem do przekroczenia dopuszczalnego zakresu mocy i momentu obrotowego. Następstwem tego będą przestoje wynikające z faktu pojawiania się alarmów o przekroczeniu zapotrzebowania na moc lub nawet uszkodzenie obrabiarki. Wykresy mocy i momentu powinny być udostępniane przez dostawcę obrabiarek na etapie procesu podejmowania decyzji. Zadbaj o ich przeanalizowanie, a nie kieruj się deklarowanymi parametrami, które bardzo często są podawane w wartości maksymalnej tylko dla pracy przerywanej.
Autor:
dr inż. Piotr Kiszka
Inżynier ds. Wdrożeń Technologii i Szkoleń w TBI Technology Sp. z o.o.
Literatura:
[1] K. Jemielniak, Obróbka skrawaniem podstawy, dynamika, diagnostyka, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2018
[2] https://www.sandvik.coromant.com/
