Termostabilní koncept obráběcích strojů - 1. část

Při konstrukci obráběcího stroje je potřeba uvažovat to, že stroj bude obklopen cizími tepelnými zdroji s proměnlivou intenzitou tepelného záření. Bude vystaven slunečnímu záření, tepelnému záření z okolních strojů, z různých topidel a klimatizací. Teplo vzniká také uvnitř struktury stroje v důsledku mechanických i elektrických vlastností různých interních agregátů, v důsledku tření v pohyblivých spojeních různých dílů stroje nebo elektrických ztrát ve vinutí motorů. Značným zdrojem tepla je řezný proces, který probíhá vždy za poměrně vysoké teploty a jehož odpad (třísky) teplo akumuluje a přenáší na pracovní prostor. Různorodost používaných konstrukčních materiálů a mnohotvárnost součástí stroje se navenek projevují různou schopností součástí stroje pojmout tepelnou energii a dále ji předat do nejbližšího okolí. Konečným důsledkem těchto složitých vztahů jsou časově proměnlivé odchylky stroje od přesného geometrického tvaru, které se v různé míře transformují v nepřesnosti obrobků.

Dílce stroje, vyrobené ze šedé litiny, se při zvýšení své teploty o jeden stupeň Celsia prodlouží o 0,01 mm na každý metr své délky. Ocelové dílce se roztahují podobně. Připočteme-li k tomu násobky těchto hodnot v důsledku úhlových deformací nosné struktury stroje, je zřejmé, že bez náležitého ošetření tepelných deformací nemůže moderní obráběcí stroj vyhovět současným požadavkům na přesnost obrobků.

Měřením lze zjistit, jak se mění relativní vzdálenost činné části nástroje a obráběné plochy. Příklad takových deformací v různých směrech vidíme na obr. 1. V tomto případě jde o ohřev vřetena během naprázdno se 4 500 otáčkami za minutu, jehož důsledkem jsou odchylky nástroje od nastavené polohy. Deformace viditelné v grafech nejsou nijak potlačovány nebo kompenzovány. Proto je jejich velikost značná. Jak je vidět, nástroj se od nastavené polohy odchyluje ve třech směrech čili dochází k prostorovým deformacím mezi nástrojem a obrobkem.

Obr. 1. Běh vřetena naprázdno vyvolá prostorové tepelné deformace.

Tepelné deformace mezi nástrojem a obrobkem způsobené chodem vřeten naprázdno nebo změnami teploty okolí se na frézkách i soustruzích měří pomocí přípravku na obr. 2. Místo frézy (na soustruhu místo obrobku) se upne přesný trn se dvěma kulovými plochami, proti nimž jsou ve dvou rovinách a směrech X, Y umístěny snímače upevněné ve spodním dílu přípravku, který je upnut na stole frézky (na soustruhu v místě nástroje). V ose rotace Z je ještě pátý snímač osových dilatací.

Obr. 2. Přípravek k měření tepelných deformací

Obdobné výsledky lze získat lehkým frézováním nebo soustružením vzorků, jejichž charakteristické rozměry se proměří. Oproti zkoušce naprázdno jsou při zkoušce obráběním aktivní další agregáty stroje, takže se získá určitý obrázek o tepelných deformacích způsobených výrobním procesem.

Pro ilustraci uvádíme na obr. 3 snímek ohřevu vřetena frézky jeho chodem naprázdno získané termokamerou. Jedná se o vřeteník, kde vřeteno je poháněno externím elektromotorem. Je vidět, že teplo se šíří z motoru do dolní části vřeteníku, kde je umístěno vřeteno. Teplota zatím není vysoká, ale velmi rychle vystoupí, i při tomto lehkém režimu, z obvyklé teploty dílny na 65°C během 83 minut. Závažné je, že se ohřívají svislé saně vřeteníku a postupně i stojan stroje, což vyvolá přímé i úhlové deformace.

Obr. 3. Teplo se z vřeteníku šíří do saní a dále do stojanu

K tepelným deformacím dochází za komplexních podmínek a předpovídat velikost posunu je téměř nemožné, není-li tomu konstrukce stroje přizpůsobena. Pokud však zajistíme, že k tepelným deformacím bude docházet pouze předvídatelným způsobem, je možné účinky tepla vypočítat a efektivně je kompenzovat. Firma Okuma proto staví své stroje na tomto principu.

Systém termostabilizace nosné konstrukce stroje je založen na speciálních tvarech základních stavebních dílců. Nosné díly, jako jsou lože a stojany, jsou konstruovány ve tvaru jednoduchých, silnostěnných boxů, což zajistí vysokou tuhost a tedy i nízké deformace od silového zatížení. Důležité je, že boxy jsou současně tepelně symetrické. To znamená, že jejich tepelné deformace nejsou úhlové nebo ohybové a je tedy možný jejich poměrně přesný vypočet a následná kompenzace. Samozřejmě záleží i na vhodném rozmístění teplotních čidel dodávajících informace o rozložení teplot na stroji za provozu. Při výpočtu dilatací boxů se berou v úvahu i aktuální polohy strojních os. Nutné zdroje tepla ve stroji jsou rozmístěny na stroji tak, aby se minimalizovaly úhlové deformace. Používají se např. izolační kryty přední strany stojanu, které spolu s elektroskříní na zadní straně zajistí, že teplotní podmínky na přední i zadní straně stojanu jsou stejné. To právě umožňuje přesnější předpověď dilatací, neboť dilatace stojanu nejsou úhlové, viz obr. 4.

Obr. 4. Termostabilizace nosných prvků stroje a vřetena

Důležitým opatřením z hlediska termostability stroje je rychlý odvod třísek z pracovního prostoru. Okuma používá tuhý teleskopický kryt, který je intenzivně oplachován chladicí kapalinou, spolu s dvojicí dopravníků vynášejících třísky mimo stroj, viz obr. 5. Navíc je kryt v pracovním prostoru minimálně dělen a hromadění třísek je odstraněno jeho sklonem směrem k dopravníkům. Kvůli minimálnímu přenosu tepla na lože jsou dopravníky umístěny ve žlabech zavěšených podle obr. 6, aniž by měly plošný kontakt s ložem.

Obr. 6. Žlab s dopravníkem třísek není v plošném kontaktu s ložem.

Stabilizaci tepelných deformací strojů firmy Okuma zajišťují dva podsystémy. Jeden systém kompenzuje deformace nosné konstrukce stroje, druhý stabilizuje vřeteno. Systém vřetena sleduje a bere v úvahu při výpočtu dilatací operační data vřetena, jako jsou otáčky vřetena, jejich změna a přerušování chodu vřetena (viz schéma na obr. 4). Počítá se i se zpožděním šíření tepelné energie konstrukcí a s malými změnami teploty. Konstrukčně je termostabilizace vřetena podpořena dvouplášťovým chlazením vřetena, viz obr. 7. Druhým největším zdrojem tepla je hydraulická jednotka sloužící k uvolňování upnutého nástroje. Okuma vyvinula velmi úspornou jednotku, která generuje jen minimální tepelnou energii.

Obr. 7. Dvouplášťové chlazení vřetena.

Celý systém je schopen udržet obráběný rozměr v úzké toleranci několika mikrometrů i při časté změně otáček vřetena, protože inkrement kompenzace je 0,1 μm, což umožňuje realtimeovou kompenzaci, např. podle obr. 8.

Na několika příkladech ukážeme, jakých výsledků bylo dosaženo. Předem se omlouváme, že uvedené grafy mají anglicko-německé popisky. Je to dáno tím, že k ilustraci přebíráme originální výsledky zkoušek firmy Okuma.

V prvním příkladu ukážeme výsledek zkoušky tepelné stability soustruhu LT2000EX, viz obr. 9. Změny teploty bylo dosaženo obráběním při úběru materiálu cca 55 cm3.min^-1, přičemž stroj startoval ze studeného stavu, tzn. nebyl předem zahřátý, jak je při výrobě obvyklé. Okolní teplota byla během zkoušek stabilní. Výsledek první zkoušky, bez aktivace termostabilizujícího systému, je na obr. 10. Horní křivka udává závislost odchylky obráběného průměru materiálu v μm v závislosti na čase v hodinách. Dolní křivka ukazuje závislost teploty chladicí kapaliny na čase. Při zkoušce se sleduje změna obráběného průměru obrobku po přerušení obrábění na jednu hodinu. V tomto případě to bylo 12 μm, což je mimo určené tolerance. Za stejných podmínek obrábění, avšak s aktivovaným termostabilizujícím systémem stroje, byl získán výsledek na obr. 11. Dosažená změna průměru obrobku po přerušení obrábění je již v úzké toleranci 3 μm. Je také vidět příznivý účinek systému na stabilizaci průměru obrobku během osmihodinové zkoušky.

Další výsledky ze zkoušek účinnosti termostabilizace společnosti Okuma budou prezentovány ve druhé části článku, která vyjde v následujícím vydání MM Průmyslového spektra č. 6. V pokračování článku se dočtete, jaký vliv na teplotní deformace a rozměrové změny mají změny řezné rychlosti, pozice a průměr obrobku nebo chladicí médium.

Misan

Ondřej Svoboda

o.svoboda@misan.cz

www.misan.cz