Vääntömoottorin soveltuvuus jyrsinkoneen karamoottoriksi

Abstract

Jyrsinnässä lastuaminen asettaa karamoottorille vaatimuksen tehosta ja vääntömomentista. Vääntömomenttiin vaikuttavat lastuamisvoimat sekä lastuamiseen käytettävän terän halkaisija. Lastuamistehoon vaikuttaa lastuamisvoimat ja lastuamisnopeus. Terän kuluminen kasvattaa lastuamisvoimia terän ja työmateriaalin välisten geometriamuutosten ja kasvaneen kitkan vuoksi. Vääntömoottorit ovat kestomagneettitahtimoottoreita, joilla on suuri tehotiheys ja vääntömomentti alhaisella kierrosalueella. Vääntömoottoreiden momentin tuotto perustuu kestomagneettien tehoon ja ilmaraon suuruuteen. Matemaattisella mallinnuksella luodaan pohja vääntömoottoreiden ohjaukselle. Ohjauksessa säädetään moottorille menevän virran suuruutta. Jyrsinkoneiden karoissa laakerit ovat tärkeitä ja määrittävät karan kestoikää. Voimansiirto karoissa on mahdollista toteuttaa hihnalla, vaihteistolla tai suoravedolla. Integroidut karat ovat suoravetokaroja, joissa karamoottori on kiinnitettynä akseliin laakereiden välissä. Suoravetokaralla vältetään hihnan ja vaihteiston aiheuttamat häviöt. Vääntömoottoria testattiin tapaustutkimuksessa Pemamek Oy:lla. Tapaustutkimuksessa selvitettiin yrityksen jyrsinkoneen ja erityisesti sen voimansiirron nykytilaa puolistrukturoidulla teemahaastattelulla. Jyrsimen asettamat vaatimukset karamoottorille selvitettiin luomalla laskentapohja terän yhden kierroksen aikana esiintyville momenteille. Pohjan avulla laskettiin lisäksi soveltuvat lastuamisarvot testeissä käytetylle vääntömoottorille. Tulosten avulla saatiin selville millaisia lastuamismomenttivaatimuksia lastuaminen suositellulla keskilastunpaksuudella asettaa vääntömoottorille ja miten ne muuttuvat terän kuluessa. Testauksessa saatiin selville, että vääntömoottori soveltuu jyrsinkoneen karamoottoriksi raskaaseen jyrsintään. Vääntömoottorin nimellinen momentti rajoittaa lastuamisarvojen määrittämää jyrsinnän aikaista keskimääräistä lastuamismomenttia. Testauksessa saatiin selvitettyä jyrsinkoneen työkierron osia ja dokumentoitua niiden oleellisia tietoja. Työkierrosta saatiin selville jyrsinnän aloitusvaiheen ja lopetusvaiheen kesto ja momentin muutokset. Vääntömoottorilla ja suoravetokaralla saavutettiin sama suorituskyky kuin aiemmalla voimansiirtoratkaisulla ja parannuksia lastuamistapahtuman vakauteen. Suoravetokaralla on saatavissa parempi teräpalojen kesto kuin vaihde- ja hihnavetoisella karalla, sillä kierrosnopeuden vaihtelun alentumisen vuoksi lastuamisnopeus pysyy vakaampana ja lastuamisnopeus pystytään pitämään paremmin teräpaloille sopivana. Suoravetokaralla on parempi hyötysuhde eikä siinä ole välyksiä kuten vaihteistossa. Suoravetokaran ja vääntömoottorin pieni hitausmomentti mahdollistaa karan nopean pysähdyksen virhetilanteissa, jolloin terärikkojen määrä pienenee.

Milling sets power and torque demand to spindle motor. Torque is affected by milling forces and diameter of the milling tool. Milling power is affected by milling forces and cutting speed. Wear of tool increases cutting forces because of an increase in geometrical changes and friction between tool and work material. Torque motors are permanent magnet synchronous motors which have a large power density and torque at lower rotational speeds. Moment in torque motors is based on permanent magnets and air gap. Mathematical modelling creates a basis for controlling torque motors. Controlling is done by regulating the amount of current going to the motor. Bearings are important in milling machine spindles and they determine the usable life of spindles. Power transmission is possible with a gearbox, belt-drive or with direct-drive. Integrated spindles are direct-drives where the spindle motor is attached directly to spindle axle between bearings. Direct-drive spindle avoids power losses caused by belt and gearbox. Torque motor was tested in a case study at Pemamek Oy. During the case study a half-structured theme interview was used to find out the present state of a milling machine and especially its power transmission in the company. The requirements set by the milling machine to the spindle motor were investigated by creating a calculating template to find out the milling torque during one milling tool revolution. Template was also used to find out suitable milling values for the test motor. With the results milling torque at specified average chip thickness was obtained and its requirement to the torque motor and how it changes with tool wear. In testing it was found out that the tested torque motor is suitable as a milling machine spindle motor in heavy milling. Torque motor’s rated torque limits the average milling torque defined during milling. Parts of the work cycle of the milling machine were determined and documented during testing. The duration and changes in torque were obtained from the starting phase and from the ending phase of the milling cycle. With the toque motor and direct-drive spindle the same performance was achieved as with the previous power transmission solution and a better stability of the milling was achieved. Direct-drive spindle offers better tool life than spindle with gearbox or belt transmission because of the reduction of variation in spindle rotational speed reduces the variation of cutting speed and it is possible to keep the cutting speed more suitable for the inserts. Direct-drive spindle has a better efficiency and it does not have clearance like in a gearbox. Direct-drive spindle’s and torque motor’s small moment of inertia enables a fast stop in failures which reduces the number of tool breakages.