Státní podpora vědy a výzkumu

Vlastní programový projekt

Společnost TOS Kuřim – OS, a. s., člen skupiny Alta, je pokračovatelem dlouholeté tradice vývoje, výroby a prodeje vysoce přesných obráběcích strojů v Kuřimi a řadí se k nejstarším výrobcům obráběcích strojů v České republice. Hlavní náplní výrobního programu je vývoj, výroba a prodej univerzálních obráběcích strojů, obráběcích center a technologických pracovišť pro široké spektrum zákazníků.

Za celou dobu působení v tomto oboru získala společnost rozsáhlé know-how v obrábění, ve stavbě různých obráběcích strojů a soustředila se tak ve svých manažerských, konstrukčních a výrobních týmech na celou řadu znalostí a zkušeností, které jsou využívány ke splnění širokého spektra požadavků zákazníků. Od svého založení je průkopníkem v zavádění nových technologií do praxe a obchodní značka firmy se stala symbolem spolehlivých a přesných obráběcích strojů s dlouhou životností. Základní výrobní strategie společnosti je založena na nepřetržité inovaci a modernizaci širokého sortimentu obráběcích strojů a rozsáhlého příslušenství zaměřeného na zvýšení univerzálnosti použití a tím zvýšení užitných vlastností strojů.

Firma spolupracuje a je v úzkém kontaktu se světoznámými výrobci uzlů a vybavuje stroje nejnovější generací řídicích systémů a pohonů.

Podstatnou část výrobního programu společnosti tvoří stroje s pohybem nástroje ve třech až pěti osách vůči obrobku, umožňující kompletní obrobení rozměrných a těžkých dílů. Většina produkce společnosti je směrována na export.

Cíle programového projektu

Projekt vývoje obráběcího centra s posuvným portálem po samostatných ložích FRU doplňuje vyvinutou a vyráběnou řadu obráběcích center FRF s pevným stolem a posuvným portálem po vedení na bocích stolu a vyvíjenou řadu obráběcích center FRP s pevným portálem a posuvným stolem s přestavitelným příčníkem.

Cílem programového projektu je vývoj obráběcího centra s posuvným portálem po samostatných ložích, včetně zhotovení a odzkoušení jeho prototypu, kterým se vytvoří ucelená typová řada portálových obráběcích center pro obrábění rozměrných a tvarově složitých obrobků. Technickou předností a konkurenční výhodou je vybavení stroje vřeteníkem pro automatickou výměnu vřetenových hlav, které umožní efektivní provedení hrubovacích i dokončovacích operací na tvarově složitém obrobku při jednom upnutí. Provedení stroje s posuvným portálem po samostatných ložích přitom bude pokrývat požadavky na přesné obrábění dílů s délkou až 24 m při minimálních požadavcích na zastavěnou plochu.

Aktuálnost požadavku na vývoj tohoto stroje vyplynula z konkrétních požadavků zahraničních zákazníků na řešení obrábění rozměrných obrobků s možností rozdělení pracovního prostoru na více částí.

Tento stroj vznikl za podpory MPO z programu Impuls a na jeho vývoji a zkouškách se podíleli také pracovníci Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii při ČVUT v Praze, Fakulty strojní.

Všeobecná charakteristika stroje

Obráběcí centrum je určeno pro velmi přesné obrábění těžkých, rozměrově a tvarově velmi složitých obrobků až z pěti stran klasickou technologií i rychlostním obráběním.

Stroj je stavebnicové koncepce, která umožňuje značnou variabilnost použití. Provedení s posuvným portálem po samostatných ložích umožňuje jednoduše řešit i požadavky na rozdělení pracovních prostorů pro současné obrábění a upínání obrobku.

Základním znakem stroje je pevný stůl, na jehož bocích jsou dvě pevná podélná lože, po nichž se pohybuje portál tvořený dvěma stojany vzájemně propojenými pevným příčníkem. Po vedení příčníku se posunují příčné sáně. Ve svislém vedení saní se posouvá vřeteník uzpůsobený pro automatickou výměnu vřetenových hlav.

Univerzálnost stroje, zejména z pohledu volby vřetenových hlav, umožňuje maximální přizpůsobení stroje technologickým požadavkům. Optimálním způsobem lze zvolit typ vřetenové hlavy pro danou operaci a využít tak možnost maximálních řezných podmínek a pracovního prostoru stroje.

Výkon a krouticí moment na vřetenu u vřetenových hlav s mechanickým náhonem vřetena se uplatní při hrubovacích a dokončovacích operacích. Vřetenová hlava opatřená elektrovřetenem umožňuje provádět na stroji finální dokončovací operace s vysokou produktivitou.

Základní technické parametry stroje:

• využitelný výkon hlavního pohonu: 60/80 kW;
• rozměry pracovní plochy stolu:

- šířka: 2 000/2 500/3 000/3 500/4 000 mm;

• pracovní zdvih v podélném směru: (X)4 000–25 000 mm;
• pracovní zdvih v příčném směru (Y): 3 900/4 400/4 900/5 400/5 900 mm;
• pracovní zdvih ve svislém směru (Z): 1 250/1 500 mm;
• průchodnost mezi stojany: 3 350/3 850/4 350/4 850/5 350 mm;
• rozsah posuvů v ose rozsah posuvů v ose 1–20 000 mm.mm^-1v ose : 1–15 000 mm.mm^-1 a v ose : 1–12 000 mm.mm^-1

Porovnání s konkurenčními výrobky

Portálové obráběcí centrum FRU dosahuje parametrů srovnatelných se špičkovými světovými výrobci.

K přednostem centra v porovnání s konkurencí patří především:

• koncepce stroje s automaticky výměnnými vřetenovými hlavami;
• možnost volby technologicky nejvýhodnějšího typu výměnné vřetenové hlavy, a tím výrazné zvýšení produktivity v jednotlivých typech operací;
• vysoký krouticí moment na vřetenu u hlav s mechanickým náhonem, umožňující produktivně provádět hrubovací operace a obrábět vysokopevnostní materiály, např. titan;
• elektrovřeteno zabudované do dvouosé souvisle řízené výměnné hlavy, umožňující využít portálové obráběcí centrum pro dokončovací operace pětiosým obráběním, po předchozím ohrubování při jednom upnutí obrobku, např. při výrobě velkých forem nebo lisovacích nástrojů;
• špičková konstrukce dvouosé souvisle otočné vřetenové hlavy, s přívody hydrauliky, vzduchu a elektro středovým rozvodem bez průvěsů;
• osové chlazení nástroje u všech typů vřetenových hlav.osové chlazení nástroje u všech typů vřetenových hlav.

Předpokládané přínosy

Hlavním přínosem projektu je doplnění výrobního programu společnosti TOS Kuřim – OS, a. s., o novou řadu portálových obráběcích center s pojezdovým portálem po samostatných ložích, s technickými parametry umožňujícími silové obrábění vysoce pevnostních materiálů i HSC obrábění v pěti souvisle řízených osách. Společnost TOS Kuřim – OS, a. s., tak bude schopna pokrýt celou šíři poptávky po portálových obráběcích centrech pro přesné obrábění rozměrných a tvarově složitých součástí, a zvýší tak svou konkurenceschopnost v tomto segmentu trhu.

Ing. Jan Sobola

technický ředitel

V současnosti vyráběná obráběcí centra mají nevýhodu v malé variabilitě pracovního prostoru. Jsou koncipována buď jako vertikální nebo horizontální stroje. Pracovní prostor je pak omezen jednak spodní stavbou stroje, řešením pracovního stolu, umístěním vřetene a konstrukčním řešením hlavních skupin stroje. Standardní řešení spočívá u vertikálních obráběcích center v tom, že podélný a příčný pohyb vykonává pracovní stůl, vertikální pohyb vykonává vřeteník s vertikálním vřetenem. U horizontálních center je variabilita větší. U těchto strojů se uplatňuje koncepce od křížového podélného a příčného pojezdu až po pojezd vřetene ve všech třech osách. Často se vyskytují i stroje s integrovaným otočným stolem, omezení spočívá v poloze vřetene.

Cílem programového projektu firmy Strojtos Lipník byl výzkum dynamického chování rámu stroje a jednotlivých konstrukčních skupin při vysokých parametrech obrábění, modální charakteristika kmitání rámu stroje, jeho teplotní deformace a chování při 5-ti osem HSC obrábění. Další uplatnění těchto teoretických poznatků při vývoji stroje s vysokou variabilitou pracovního prostoru uspokojují při jednom základním konceptu stroje širokou škálu uživatelů.

Rozvržení řešení projektu do tří let 2005 až 2007

2005: V této etapě řešení programového projektu byla zvážena celková koncepce řešení univerzálního obráběcího centra s variabilním pracovním prostorem. Při návrhu byly využity teoretické poznatky Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (VCSVTT) při ČVUT Praha. Byl proveden návrh základních uzlů rámu stroje a podle tohoto návrhu bylo prováděno modelování dynamického chování rámu stroje při vysokých parametrech obrábění, modální analýza charakteristik kmitání rámu stroje a modelování teplotních deformací rámů stroje. Na základě takto získaných teoretických poznatků byla zhotovena konstrukční a technologická dokumentace pro výrobu funkčního vzorku stroje, byly vyrobeny potřebné modely pro odlitky, vyrobeno potřebné nářadí a přípravky pro výrobu funkčního modelu a byl vyroben funkční model. Na vyrobeném funkčním vzorku byla provedena měření vedoucí k ověření teoretický získaných poznatku (tuhost, vibrace, kmitání rámu, teplotní deformace, zrychlení).

2006: V této etapě řešení programového projektu byl hlavní důraz kladen na řešení stavebnicovosti (univerzálnosti) stroje, na ergonomii stroje a na aplikaci prstencových motorů v konstrukci stroje. Byly analyzovány výsledky zkoušek funkčního vzorku (prototypu) z první etapy projektu a provedena řada opatření ke zvýšení užitných vlastností stroje. Z nich nejpodstatnější jsou – úpravy odlitků stojanu, saní v ose Y a vřeteníku, překonstruování lože stroje – snížení zástavbové plochy, použití kuličkového šroubu s rotující maticí v ose X. Dále byly provedeny práce a zpracovány zprávy k problematice ergonomického uspořádání stroje, manipulace s obrobky a nástroji a k problematice aplikace prstencových motorů v konstrukci stroje. Pro ověření stavebnicovosti stroje byl proveden návrh základních uzlů stroje s využitím výsledků I. etapy a provedeny konstrukční práce pro stavbu stroje pro silové obrábění s možností čtyř osého obrábění. Na základě získaných teoretických poznatků byla zhotovena konstrukční a technologická dokumentace pro výrobu funkčního vzorku stroje, byly vyrobeny potřebné modely pro odlitky, vyrobeno potřebné nářadí a přípravky pro výrobu funkčního modelu a byl vyroben funkční model. Na vyrobeném funkčním vzorku byla provedena měření vedoucí k ověření teoreticky získaných poznatku (tuhost, vibrace, kmitání rámu, teplotní deformace, zrychlení…).

2007: V této etapě řešení programového projektu byl opět kladen hlavní důraz na řešení stavebnicovosti (univerzálnosti) stroje, na ergonomii stroje a na aplikaci prstencových motorů v konstrukci stroje. Byly analyzovány výsledky zkoušek funkčního vzorku (prototypu) z první a druhé etapy projektu a provedena řada opatření ke zvýšení užitných vlastností stroje. Z nich nejpodstatnější jsou – úpravy odlitků stojanu, saní v ose Y a vřeteníku, zpracovaná dokumentace pro variantu silového vřetene s převodovkou a kuželem ISO 50, překonstruování lože stroje – pro aplikaci otočného a sklopného stolu. Dále byly provedeny práce a doplněny zprávy k problematice ergonomického uspořádání stroje, manipulace s obrobky a nástroji a k problematice aplikace prstencových motorů v konstrukci stroje. Byla provedena deformační analýza rámu stroje a na základě jejích výsledků upraveny příslušné konstrukční podklady. Proběhla jednání s dodavateli k aplikaci otočného sklopného stolu a byla definována konečná verze stolu. Na základě získaných teoretických poznatků byla zhotovena konstrukční a technologická dokumentace pro výrobu prototypu stroje, byly vyrobeny a upraveny potřebné modely pro odlitky, vyrobeno potřebné nářadí a přípravky pro výrobu funkčního vzorku stroje. Byl vyroben funkční vzorek stroje provedeny příslušné zkoušky – přesnost stroje, zkoušky obrábění.

Veškerá dokumentace v průběhu řešení projektu byla pořizována s využitím 3D CAD systémů. Během řešení projektu byla realizována spolupráce s Výzkumným centrem pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (VCSVTT) při ČVUT Praha, které zpracovávalo významné části výzkumných zpráv a spolupracovalo na měření a vyhodnocování vlastností postavených funkčních vzorků – prototypů.

V rámci řešení projektu byly vyvinuty dvě řady univerzálních obráběcích center – řada MC a řada FGU. Obráběcí centra se vyznačují vysokou variabilitou pracovního prostoru. Základní koncepce je postavena tak, že všechny tři základní pohyby (nebo minimálně dva pohyby – centrum FGU 80) vykonává vřeteno.Toto uspořádání pohybu zaručuje vysokou stabilitu a přesnost stroje při vysokém výkonu frézování, výhodný odvod třísek a chladící kapaliny a odolnost rámu stroje proti přenosu tepla z třísek a snadný přístup do pracovního prostoru. Toto rozložení pohybů umožňuje dále velkou variabilitu prostoru a jeho uzpůsobení i speciálním požadavkům zákazníka. Vysoké posuvové rychlosti a dynamika rozjezdu a dojezdu do polohy je dána konstantními zatížením servopohonů od posuvných hmot, neovlivněné proměnnou hmotností obrobku. Toto optimální nastavení pohonů zvyšuje podstatně odolnost proti rozkmitání a tím zvyšuje přesnost tvaru obráběného dílce a kvalitu jeho povrchu.

Variabilita pracovního prostoru je dána možností aplikace následujících variant:

1. Základní variantou je stroj s pevným stolem. Nepohyblivý litinový stůl je uložen na nosiči stolu, kolem tohoto stolu pojíždí stojan s příčnými saněmi a svisle pojíždějícím vřeteníkem. Takto koncipovaný stroj umožňuje snadné rozšíření podélného zdvihu, při minimalizaci zástavné plochy;
2. Od varianty s pevným stolem je odvozena varianta s děleným stolem a dvěma pracovními prostory. Na nosiči stolu jsou umístěny dva oddělené pevné stoly s odnímatelnou bezpečnostní přepážkou. Jeden stůl slouží k upínání obrobku a jeho výměně, na druhém stole se současně provádí opracování. Výhodou je také možnost přepážku odstranit a pracovat tak v celé délce zdvihu v ose X;
3. Další varianta spočívá ve snadném využití manipulátoru palet. Pevný stůl je nahrazen paletovým stolem a stroj doplněn o manipulátor technologické palety;
4. Varianta s integrovaným otočným stolem. Koncepce stroje umožňuje snadnou zástavbu integrovaného otočného stolu. Stůl může být proveden jako zapuštěný uprostřed podélného pevného stolu, nebo v jeho jedné polovině. Tento otočný stůl je možno řešit i pro upínání technologických palet. Další možností je zástavba dvou otočných stolu v oddělených pracovních prostorech;
5. Varianta s otočným a sklopným stolem. Koncepce stroje umožňuje výhodnou zástavbu integrovaného otočného a sklopného stolu bez omezení pracovního prostoru stroje. Otočný a sklopný stůl je možno opatřit i paletizací;
6. Varianta s pevným stolem a otočnou frézovací hlavou.Varianta s pevným stolem a otočnou frézovací hlavou.

Ke strojům řady FGU 80 je navržen soubor vertikálněhorizontálně otočných frézovacích hlav pod označením IVHG 40 a IVHG 40/4 se šikmou dělící rovinou a polohováním vřetene. Hlavy lze v automatickém režimu hydraulickým převodem přetočit z vertikální do horizontální polohy. Hlava IVHG 40/4 je vybavena otáčením v ose B s aretací po 1° do ozubených věnců.

Stroje řady MC jsou vybavovány vřeteny s otáčkami od 10 000 do 24 000. Stroje řady FGU jsou navíc vybavovány vřeteny s vysokým kroutícím momentem.

Za největší přínos projektu autor považuje fakt, že výstupy z projektu významně rozšířily sortiment strojů z produkce Strojtos Lipník, a. s. Stroje jsou již dodávány zákazníkům, zvolená koncepce umožňuje další konstrukční úpravy podle požadavků zákazníka při využití základních skupin stroje. Tento projekt byl řešen za finančního přispění Ministerstva průmyslu a obchodu ČR v rámci programu Impuls.

Ing. Jiří Mindl

finanční ředitel

www.tos-kurim.cz

www.strojtos.cz