Zvyšování užitných vlastností vřeten obráběcích strojů s valivým uložením

Abstract

Disertační práce se zabývá komplexním pohledem na vřetenové jednotky, které jsou ovlivňovány velkým množstvím faktorů po celou dobu životního cyklu produktu. Shrnuje současný stav konstrukce frézovacích vřeten, jsou popsány trendy vývoje vřeten a jejich hlavních komponent, ale také standardní uspořádání valivého uložení a jejich možnosti předepínání. Práce obsahuje popis základních principů tribologie a jednotlivé způsoby mazání ložisek vřetenových jednotek. Pozornost je také věnována technické diagnostice vřeten, monitoringu a následné údržbě celého stroje, jakožto prvky kontinuálního sledování kondice vřetenových jednotek a případné vyhodnocení příčiny poškození. Dále jsou popsány na základě praktických zkušeností možné příčiny a následky poškození vřetenových jednotek. Převážná část rešerše se zabývá postupem prací v procesu návrhu vřetenových jednotek s detailním zaměřením na výpočty trvanlivosti vřetenových ložisek. Současné modely zbytkové trvanlivosti jsou hodnocené na základě vibrací, ale i fuzzy logiky, neuronových sítí a strojového učení. Zmíněná problematika zbytkové trvanlivosti vřetenových ložisek je hlavním tématem práce. Samotná práce popisuje návrh nového přístupu hodnocení zbytkové trvanlivosti oproti popsaným přístupům v technických publikacích a vědeckých článcích. Novost metodiky spočívá v kombinaci sledování historie zatížení vřetena, simulačního modelu výpočtu trvanlivosti ložisek pro skutečná zátěžná spektra s ověřováním průběžného aktuálního stavu vřeten za pomoci vibrodiagnostiky. Na základě těchto poznatků byl vytvořen model zbytkové trvanlivosti ložisek, zohledňující historii zatížení od řezného procesu a provozních otáček. Model byl ověřen při dlouhodobém testování přímo v průmyslu. Důvodem návrhu nové metodiky je potřeba zavádět dostupné a srozumitelné metody, které by bylo možné aplikovat na starší typy vřeten OS a řídicích systémů, např. během oprav vřeten. A umožnit tak modernizaci strojů zavedením cenově dostupných prvků „Průmyslu 4.0“ bez velké náročnosti zásahu do řídicího systému a umožnit tak výrobě lépe plánovat servisní zásahy a předcházet tím tak havarijním stavům vřeten.

The dissertation thesis deals with a comprehensive view of spindle units, which are influenced by a large number of factors throughout the product life cycle. Thesis summarizes the state-of-the art design of milling spindles, describes trends in the development of spindles and their main components, as well as standard rolling bearing arrangements and their preloading possibilities. The work includes a description of the basic principles of tribology and the different methods of lubrication of spindle bearings. There was given attention/space for technical diagnostics of spindle (Attention is also paid to technical diagnostics of spindles), monitoring, and maintenance of machine tool, this mechanism are part of continuous condition monitoring and assessment of damage cause. Furthermore, possible causes and consequences of damage to spindle units are described on the basis of practical experience. The main part of the research deals with workflow in development process design of spindle units, with a focus on spindle bearing durability calculations. Current residual life models are evaluated based on vibration as well as fuzzy logic, neural networks, and machine learning. The issue of the residual life of spindle bearings is the main topic of the thesis. The thesis itself describes the proposal of a new approach for remaining life assessment compared to the approaches described in technical publications and scientific papers. The novelty of the methodology lies in the combination of the monitoring of the spindle load history, a simulation model to calculate the bearing durability for real load spectra with the verification of the continuous actual condition of the spindles using vibrodiagnostics. This knowledge was used as the basis for the development of a model of the remaining life of the bearings, taking into account the loads from the cutting process and the operating speed. The model has been tested directly in the industry for a long time. The motivation for proposing a new methodology is the need to introduce available and intelligible methods that could be applied to older types of OS spindles and control systems, e.g., during spindle repair. This will enable modernization of machines by implementing affordable "Industry 4.0" elements without the need for much interference in the control system.