Řezné nástroje pro moderní výrobu

Jelikož platí, že pro realizaci konkrétního obrobku existuje vždy mnoho alternativ určitého typu, konkrétních variant provedení nástroje a pracovních podmínek, za kterých bude použit, musí být současně s vývojem nástrojů samých věnována významná pozornost i tvorbě znalostí o způsobu, jakým budou nástroje používány.

Základem správného fungování nástroje je materiál, tvar a geometrie jeho řezné části. Vývoj řezných materiálů, ochranných povlaků a provedení geometrie kontinuálně pokračuje, aby bylo možné dosáhnout vyšší únosnosti mechanického a tepelného zatížení. Vyvíjejí se i technologie zpracování materiálů, přípravy povlaků a dokončování mikrogeometrie (rozměr a kvalita ostří, drsnost funkčních ploch, kvalita provedení ostří a navazujících ploch). Pozitivní je, že i dnes je možné vyvinout a na trh dodat zcela originální produkt s významným posunem funkčních vlastností, jako je například povlak BIGAAN XC na bázi nitridu boru (od společnosti SHM). Nejrozšířenější řezný materiál, slinutý karbid, je stále zdokonalován. Vysoká spotřeba slinutého karbidu v průmyslu, s podílem více než 50 % všech vyráběných nástrojů, a ekologický a sociální rozměr komplikace těžby zdrojových surovin vedou k tomu, že karbid musí být recyklován. Vznikají tím nové sorty karbidů s vysokým podílem recyklovaného materiálu, například Green Carbide (Ceratizit) s 99 % recyklátu, a to při deklarovaném zachování jeho řezivosti v porovnání s prvotně zpracovaným materiálem.

Zajímavým trendem je rostoucí spotřeba supertvrdých materiálů, jako je např. polykrystalický kubický nitrid boru (PKNB) a diamant ve své polykrystalické podobě (PKD), popř. diamant bez pojiva vyrobený chemickým procesem (CVD-d). Zatímco nástroje PNKB lze úspěšně nasazovat především pro obrábění tvrdých ocelí, litin a niklových slitin, diamantové nástroje se uplatňují při obrábění hliníkových slitin, slinutých karbidů, kompozitů (včetně těch s kovovou matricí) a plastů. Tím, jak dochází k etablování nových technologií výroby a dokončování geometrie nástroje (např. vakuové pájení, laser, EDM), jsou nástroje z těchto materiálů cenově dostupnější, efektivnější a celkově konkurenceschopnější nejen pro velké výrobní série v automobilovém průmyslu, ale také pro přesnou a automatizovanou výrobu komponent určených pro elektrotechniku, medicínu, letectví a další odvětví. Při zavádění nástrojů z těchto materiálů do výroby je třeba mít na paměti, že oblast vhodných podmínek použití je zpravidla výrazně užší, než je tomu například u nástrojů ze slinutých karbidů.

Výrobci nástrojů přicházejí s řadou inovací i z pohledu nových konceptů nástrojů a jejich konstrukce. Na trh s rotačními nástroji pronikají tříbřité vrtáky, monolitní vrtáky se schopností vrtat a současně vystružovat otvor nebo vrtat a řezat závit, tuhé a produktivní vysokoposuvové a barelové frézy, frézy ve speciálním provedení pro obrábění kompozitních materiálů nebo složené/multifunkční nástroje umožňující na jedno seřízení provádět celé spektrum výrobních operací (např. frézování drážek kotoučovou frézou, vrtání, zahloubení, srážení hran). Směr vývoje takových nástrojů a jejich použití naplňují trend celkově rychlejší výroby (na přesnějších strojích a s efektivnějším využitím možností strojů multifunkčních) s minimem prostojů nutných k přípravě výroby a k seřízení stroje a nástroje.

Z hlediska konstrukčních materiálů je i pro rotační nástroje zajímavá kombinace oceli a vláknových kompozitů s polymerní matricí. Schopnost tlumit procesní vibrace (s přínosem významného snížení hmotnosti nástroje) lze s úspěchem využít například v případě kotoučových fréz firmy Hofmeister.

Ani v oblasti soustružení není vývoj nových řešení pozadu. Jednou z nejvýraznějších a nejzajímavějších koncepcí poslední doby jsou nástroje konstruované pro zachycení řezné síly (zpravidla významně největší složky v procesu) ve směru vysoké tuhosti tělesa nástroje. Vznikají tak řešení pro soustružení na moderních a multifunkčních strojích s možností pohybu v ose Y a případně i s možností rotace nástroje. S nástroji pro tento způsob soustružení postupně přicházejí všichni významní výrobci nástrojů a vznikají tak produkty, jako např: CoroCut QD (Sandvik Coromant), AddYAxisTurn (Tungaloy) nebo FreeTurn Tool (Ceratizit). Současnou výzvou pro tento způsob obrábění je přitom schopnost efektivně a spolehlivě připravovat dráhy pro takové nástroje v některém z CAM softwarů.

Pracovní podmínky lze (při zachování kvality obrobku) zvýšit tlumicími prvky pro potlačování samobuzených vibrací. Kromě použití již delší dobu známých aplikací pro vyvrtávací tyče je tento princip formou speciálních upínačů a modulárních nástavců postupně nabízen a nasazován i pro sestavy frézovacích nástrojů s velkým vyložením a také pro vyvrtávací hlavy. Obrábění hlubokých profilů a dutin například u forem je (vedle použití fréz pro frézování vysokými posuvy – HFC) alternativou, která zajistí vysokou produktivitu a kvalitu.

Velkou samostatnou oblastí je průnik technologie 3D tisku do konstrukce a výroby upínačů a těles nástrojů. Technologie umožňuje v podstatě nový pohled na výrobu nástroje, ale i na způsob jeho použití. Zejména je možné zcela jinak uvažovat o tom, jakým způsobem a v jakém objemu přivést procesní médium (kapalinu, olejový aerosol, plyn) co nejblíže k místům s potřebou účinku. Jsou to zejména oblasti kontaktu břitu nástroje s třískou a s nově vznikajícím povrchem obrobku. Kanálky pro rozvod média v nástroji, umístěné uvnitř samotného nástroje nebo upínače, jsou optimalizovány s ohledem na maximalizaci využití potenciálu procesního média bez ohledu na omezení konvenčních výrobních technologií. K dostání jsou proto 3D tištěná ocelová tělesa vrtáků s VBD opatřená spirálovými kanálky pro chlazení a mazání každého z břitů (např. firma Mapal), speciální fréza „Hybrid AM Tool“ od společnosti Seco, 3D tištěné frézy Komet Group nebo třeba speciální upínací elementy VBD na soustružnických nožích s vnitřním rozvodem média.

U velkých a hmotných nástrojů umožňuje technologie 3D tisku uzpůsobit konstrukci tak, aby došlo k maximálnímu odlehčení a úspoře materiálu při zachování dostatečné tuhosti. Produktem jsou proto často až futuristicky vypadající struktury speciálních frézovacích a vyvrtávacích hlav s možností upínání přímo břitových destiček nebo kazet s vyměnitelnými či pájenými břity. I když pořizovací cena takových nástrojů je vysoká, lze snížením seřizovacích a cyklových časů a zvýšením trvanlivosti břitu docílit celkově vyšší efektivity výroby. Použití takových nástrojů je dnes směrováno převážně do oblasti obrábění slitin lehkých kovů. Lze konstatovat, že tomuto přístupu se věnují všichni přední výrobci rotačních obráběcích nástrojů.

Vlastnosti nástrojů je třeba v praxi doplnit volbou vhodných strategií při obrábění a optimalizací pracovních podmínek tak, aby byl využit jejich potenciál. To je silně závislé na zkušenostech obchodně-technických zástupů výrobců nástrojů a také technických pracovníků na straně koncových uživatelů. Situace se přitom komplikuje tím, že o úspěchu nástroje v dané operaci často rozhodují detaily provedení, například podoba mikrogeometrie břitu nástroje a udržení její stability ze strany výrobce nebo způsob upnutí nástroje (typ upínače, vyložení, velikost házení). Výborné vlastnosti nástroje samého je ovšem třeba podpořit také vhodnou strategií obrábění a řeznými podmínkami pro dodržení limitů tepelného a silového zatížení břitů, vhodným řezným prostředím a způsobem jeho dodávání (externě vs. interně; typ, tlak a průtok média aj.), způsobem upnutí obrobku a také nezbytnou dobrou kondicí stroje a správným nastavením jeho řídicího systému a parametrů pohonů. Podaří-li se pochopit podstatu a komplikace realizované operace a vhodně na ně reagovat ve výše uvedených aspektech, nejsou vyloučené ani zdánlivě nemožné případy operací, jako je například dokončovací soustružení titanové slitiny nástrojem z PKD při řezné rychlosti 300 m.min⁻¹ s trvanlivostí břitu v řezu přes 14 minut. Nástroj byl vyvinut v rámci spolupráce firmy Rotana a ČVUT v Praze.

Moderní výroba vyžaduje i sekundární funkce nástrojů. Jednou z nich je schopnost zapsat, uchovat a předat informace o parametrech, a to například prostřednictvím RFID čipů integrovaných v upínači. Identifikace nástrojové sestavy, hodnoty rozměrových korekcí a celková doba použití ve stroji jsou některé z informací klíčových pro bezchybné a efektivní použití nástroje při operaci a pro digitalizaci správy dat a nástrojového hospodářství. Druhým přístupem, který má své uplatnění, je možnost vybavovat nástroje aktivní senzorikou pro přímé sledování procesních dějů. Dnes jde nejčastěji o nástrojové systémy pro sledování vibrací, případně silových účinků, a to včetně nezbytného propojení s řídicím systémem stroje a uživatelskou aplikací pro operátora. Sběr dat umožňuje přímo nebo nepřímo reagovat na odehrávající se proces, vytvářet a hodnotit trendy změn a zajišťovat kvalitu a stabilitu výroby. Jedněmi z funkčních příkladů takto vybavených nástrojů jsou systém Piezo-Tool (Paul Horn, Kistler), Silent Tools Plus (Sandvik Coromant) a senzorický upínač rotačních nástrojů iTendo (Schunk).

Především pro svou přesnost a flexibilitu má obrábění stále významnou pozici mezi moderními výrobními technologiemi. Kvalitní nástroje a správný způsob jejich použití jsou přitom klíčem ke zvyšování efektivity a konkurenceschopnosti výroby. Článek je základním přehledem vybraných trendů, směrů vývoje a konkrétních řešení řezných nástrojů. Je zřejmé, že dynamika a potenciál vývoje v tomto oboru jsou vysoké.