Vícenásobné možnosti hybridních obráběcích strojů

Pro výrobce obráběcích strojů je zcela nové zabývat se vedle procesu úběru materiálu také technologií jeho nanášení. V oblasti drahých a kvalitních součástí se ukazuje jako zajímavé a hospodárné využít kombinaci technologií nanášení a úběru materiálu. Výhoda kombinace těchto dvou technologií je pro uživatele ještě atraktivnější, když je možné je provádět na jednom stroji. Potom odpadnou nepotřebné úkony, jako přemístění obrobku z jednoho stroje na druhý, chyba při upnutí obrobku a chyby v technologické dokumentaci.

Rozhodující výhodou nové řady strojů je možnost kombinace nejrozmanitějších technologií na malém prostoru. Poprvé se podařilo zmenšit laserovou svařovací hlavu tak, že ji lze vyměnit ze zásobníku nástrojů pomocí výměnného mechanismu stroje. Na obrázku 1 je pohled na zásobník nástrojů stroje typu HSTM. Nahoře je vidět normální frézu, uprostřed měřicí sondu a dole s červeným základním tělesem je laserová svařovací hlava.

Všechny tři jednotky mohou být vyměněny a upnuty do vřetena stroje pomocí upínacího kužele HSK 63. Frézovací vřeteno buď frézuje, nebo slouží jako držák pro laserovou svařovací hlavu. Vzhledem k malé konstrukci laserové hlavy tak vzniká systém, který je možné použít i v normálním frézovacím stroji. Obr. 2 ukazuje použití laserové svařovací hlavy při výrobě součástky pro letadla.

Kompaktní konstrukce je univerzálně použitelná, a navíc snižuje nebezpečí kolizí. Laserovou svařovací hlavou je veden paprsek laseru, prášek navařovaného materiálu a asistenční plyn. Technologicky je možné navařovat všechny svařitelné materiály. Vzhledem k cílenému přívodu tepla je také velmi malá deformace obrobku. Materiálový výzkum ukázal, že kvalita svaru vyhovuje i velmi přísným požadavkům kladeným na letecké součástky. Obr. 3 ukazuje příklad součástky s navařeným materiálem.

Výhodou této kombinace navařování a obrábění na pětiosém obráběcím centru je, že přesnost nastavení os stroje se využívá také při navařování. Tak mohou být návary polohovány s přesností lepší než 0,2 mm. Další výhodou je, že obrobek nemusí být vyndán ze stroje, ale stačí pouze vyměnit nástroj. Nástroje se upínají do kužele HSK 63, který má velmi přesnou opakovatelnost upnutí v rozsahu 2 µm. To zaručuje přesnou polohu nástroje při upnutí.

Upnutí obrobku je vždy spojeno s chybou, která je podstatně větší u vnitřních rotačních ploch, jež mají většinou větší výrobní tolerance. U těchto hybridních strojů spojujících více technologií je čas výroby součástky podstatně kratší. Odpadají časy na dopravu součástky mezi stroji, protože součástka se vyrobí na daném stroji na jedno upnutí. To umožňuje jednodušší plánování a odstraňuje mezisklady.

Velmi drahé součásti, například turbínové lopatky leteckých motorů, musejí být v pevně daných cyklech opraveny nebo nahrazeny novými. Protože jsou tyto součástky vyrobeny z vysoce kvalitních a tudíž drahých materiálů, vyplatí se v mnoha případech jejich oprava v opotřebovaných nebo poškozených místech, protože opotřebení nastává také vždy pouze v určitých místech součástky, například na náběhových hranách lopatek. Typický postup opravy sestává z prohlídky, odstranění poškozené oblasti, navaření nového materiálu, ofrézování a případně leštění. Mnohé z toho je v současné době ještě děláno manuálně, což vyžaduje zkušenosti a vysokou odbornost pracovníků.

Existující kapacita na ruční opravy je omezená a zdlouhavá. Protože je vždy každé poškození jiné, vyžaduje automatizované provádění oprav adaptivní proces řízení. To znamená, že pro každé poškození musejí být postup a parametry voleny samostatně. Jak je v současné době možné použít optimálně hybridní stroje pro opravu poškození dané součásti?

Vzhledem k vybavení stroje lze provést opravu na jedno upnutí. Jakmile je poškozená turbínová lopatka upnuta do HSTM, je proměřena. To může být provedeno buď dotykovou sondou, nebo optickým měřicím senzorem. Měřit lze celou součást nebo pouze určité vybrané části. Naměřené hodnoty jsou automaticky předány do CAM – řídícího systému stroje. Zde se provede srovnání naměřených hodnot s hodnotami originální nové lopatky. Na základě této informace zašle vyhodnocovací software hodnoty do NC řízení stroje pro provedení příslušných korekcí a řízení dalších operací.

První operací je odfrézování poškozených oblastí, aby se získaly plochy vhodné pro nanesení materiálu laserem. Na tyto plochy je pomocí vyměnitelné laserové hlavy nanesen matriál ve formě prášku. Povrch vzniklý po navaření materiálu je znovu proměřen. Na základě těchto údajů se získá program pro konečné obrábění. Součástka je hotová. Některá použití vyžadují ještě leštění opravené plochy. To je možné provést rovněž na daném stroji nástrojem pro leštění vloženém do zásobníku nástrojů. Jednotlivé kroky opravy jsou ukázány na obr. 4.

Pouze odstraněním neproduktivního času mezi jednotlivými operacemi, např. času potřebného na přemístění součástky z jednoho stroje na druhý, je možné snížit celkový čas opravy v průměru o 17 %. K tomu přispívá také kompletní automatizace, dokumentace a přehlednost procesu opravy. Tak je možné právě pro letecký průmysl zajistit striktně požadovanou opakovatelnost. Protože se doposud celá řada operací provádí ručně, existují problémy s opakovatelností, kolísáním kvality, vysokou zmetkovitostí, vysokými dodělávkami a velmi vysokými celkovými náklady. Tyto problémy je možné odstranit s HSTM hybridním strojem a tedy automatizovaným procesem opravy.

Existence vyměnitelné laserové hlavy použitelné na stroji poskytuje možnosti využití dalších technologií na HSTM hybridním stroji. Jedná se například o kalení laserem nebo popisování součástí laserem a další. Z toho je zřejmé, že součásti nebo pouze jejich části mohou být na stoji také tepelně zušlechtěny. To znamená, že v oblastech častého opotřebování je možné jednak nanést vysoce kvalitní materiály ve velmi tenké vrstvě, nebo je zakalit. Pozorujeme-li v provozu ozubené převody, vykazují vždy podobný tvar opotřebení, které se dá předem očekávat. Toto platí i pro další vzájemně se pohybující součásti.

Pomocí hybridních strojů máme nyní možnost nanést v oblasti velmi značného namáhání součásti odolnější materiál a tak podstatně zvýšit její trvanlivost. Přitom součástka nemusí opustit obráběcí stroj. Odpadá přemísťování součástky na jiný stroj a s tím související komplikace a nepřesnosti, což bylo hlavní překážkou pro využití této technologie v minulosti. Vzhledem k vysoké přesnosti polohování frézovacího centra a velmi dobré seřiditelnosti laseru je možné nanést odolnou vrstvu materiálu přesně do požadovaného místa a v malé tloušťce, takže nedojde k žádné změně tvaru ani rozměru součástky. Tak se získá zesílená nebo opotřebení odolná vrstva v místě, kde je to potřebné, aniž by bylo nutné obrobek vyměnit nebo změnit jeho výrobní postup.

Pro výrobce obráběcích strojů je absolutní novinkou řešit technologii nanášení materiálu. Doposud bylo vždy hlavním úkolem, jak co nejrychleji odebrat nepotřebný materiál. To vede k tomu, že u některých součástí, například speciálně u turbínových lopatek, je odebíráno více než 70 % materiálu, který se promění v třísky. Tím vzniká vysoká spotřeba drahého materiálu a vysoké výrobní náklady. Toto lze změnit, využijeme-li možnost hybridních strojů materiál nanášet, nejen odebírat.

Vedle dosavadního způsobu výroby přírub obráběním (úběrem materiálu) existuje nyní možnost vyrábět části příruby nanášením materiálu laserem. Podíl materiálu odebraného obrábění je téměř třikrát větší než podíl materiálu nanášeného. Lze snadno pochopit, že v metodě nanášení leží značný potenciál úspor. Zejména u dražších, špatně obrobitelných materiálů se dosáhne značného snížení podílu obrábění.

Cílem technologie nanášení materiálu laserem je výroba součástí se zlepšenými technickými vlastnostmi. Je možné také kombinovat nejrůznější vlastnosti a materiály, přičemž např. navařený materiál je odolný proti opotřebení nebo proti korozi a základní materiál je houževnatý nebo levný. Vlastnosti součástí je možné cíleně zlepšovat a ovlivňovat. Navařený materiál je pevně spojen s materiálem základním.

U technologie nanášení materiálu mají největší význam vlastnosti základního substrátu a navařovaného materiálu. Základním předpokladem procesu navařování je slučitelnost kombinací různých materiálů. Rozsáhlými zkouškami byly ověřovány různé varianty a kombinace materiálů. Proces nanášení materiálu má vysokou kvalitu a vyhověl dokonce nejpřísnějším požadavkům, které na součásti klade letecký průmysl.

Kvalitu spojení obou materiálů určuje charakteristika oblastí spojení a rozhoduje tak o konečné pevnosti součásti. Hybridní stroj je schopen renovovat drahé součásti a umožnit jejich opětné použití, „dát jim nový život“, aniž by bylo nutné vyrábět novou součást. Tak je možné ušetřit podstatně výrobní náklady, především u drahých a složitých součástí. Při použití hybridních strojů je možné po odfrézování poškozených nebo opotřebovaných míst navařit laserem nový materiál, ten opracovat do konečného tvaru, a to na jednom stroji a při jednom upnutí součásti. To je garantem dodržení přesnosti, opakovatelnosti a reprodukovatelnosti kvality.
Pro úspěch takového systému je také důležité optimální seřazení jednotlivých operací. Proto je pro jednotlivé oblasti použití hybridního stroje k dispozici příslušné know-how. Ve stroji je integrován adaptivní frézovací software, je možné použít i jiný software. Analýza technologie a materiálu byla provedena ve spolupráci s anglickým Manufacturing Technology Centre a Entwicklung der Lasereinheit s přispěním Hybrid Manufacturing Technologies.

Alexander Pieler

MM Das Industriemagazin, č. 15, 2014, str. 30 až 32

Zpracoval: - VŘ-

eva.buzkova@mmspektrum.com