Výzkum strojírenské výrobní techniky a technologie (2. část)
Výzkum vlastností obráběcích strojů, jejich měření, monitorování a hodnocení
V rámci tohoto tematického okruhu byla řešena následující čtyři dílčí témata.
Přesnost CNC obráběcích strojů
Hlavní cíle: Zvýšit produktivitu současných metod měření prostorové přesnosti frézovacích center za neustáleného teplotního stavu stroje i okolí. Formulovat požadavky na konstrukci termicky stabilních rámů přesných obráběcích strojů. Vyšetřit podmínky zvýšení přesnosti frézovacích a soustružnických vřeten za rotace.V rámci projektu Přesnost CNC obráběcích strojů byly řešeny tři dílčí oblasti: prostorová přesnost polohování za tepelně neustáleného stavu, přesnost chodu soustružnických a frézovacích vřeten za rotace a termicky stabilní obráběcí stroje. Problematikou prostorové přesnosti při tepelně neustálených stavech stroje se zabývá zpracovaná rešeršní studie. Jakožto další fáze výzkumu byl proveden návrh specifické měřicí metody a její počáteční odzkoušení na stroji. V oblasti přesnosti chodu vřeten za rotace byla vytvořena elektronická databáze výsledků měření, umožňující porovnávat různá vřetena na základě vybraných parametrů. Termická stabilita a stabilizace obráběcích strojů byla předmětem rešeršní studie na téma modelování teplotních polí a deformací obráběcích strojů. Dále byly vytvořeny termické modely vybraných zdrojů tepla na stroji. Jedná se o modely analyzující posuvové mechanismy a chování chlazených kuličkových šroubů a matic, o teplotně mechanický model ložiskových sestav a teplotní analýzu vřeteníku vybraného stroje.
Postprocesní a inprocesní kontrola
Hlavní cíl: Podporovat a ulehčovat realizaci postprocesní kontroly jakosti v interakční soustavě stroj-nástroj-obrobek a tak zabezpečit stále rostoucí požadavky na přesnost výrobků.Zde byla provedena široká rešerše aktuálně nejčastěji používaných prvků v této oblasti. Byla prostudována dokumentace různých výrobců pro jednotlivé typy senzorů, vyhodnocovacích jednotek a podpůrných programových modulů pro nasazování měření nástrojů a obrobků jak přímo na strojích, tak i mimo stroj. Byly dále vytipovány problémy nasazování měření na obráběcí stroje.Ve spolupráci s firmou Renishaw bylo zahájeno řešení nasazení optického úhlového a vysoce přesného měřicího senzoru Singnum-RESM jako sdruženého senzoru pro odměřování natočení C osy soustružnických center a dále pak jako senzoru pro rychlostní zpětnou vazbu. V oblasti kontroly a nastavování nástrojů jsou dále řešeny dva podprojekty. První z nich se primárně zabývá detekcí poškození a opotřebení a dále pak rychlým nastavováním soustružnických nožů za pomoci bezdotykových měřicích sond, které jsou známé převážně z oblasti frézovacích obráběcích strojů. Druhým podprojektem je vytváření pomocných programových modulů a metodik pro nasazování dotykových sond na soustružnických obráběcích centrech v oblasti kontroly nástrojů, a to primárně z důvodů zrychlení a zjednodušení dané kontroly.V oblasti postprocesní kontroly bylo v roce 2005 zprovozněno automatické měřicí pracoviště.
Výkonnost, spolehlivost a diagnostikovatelnost CNC obráběcích strojů
Hlavní cíle: Optimalizovat dynamické vlastnosti frézovacích vřeten již ve stadiu návrhu a dosáhnout špičkového řezného výkonu v dané kategorii po realizaci návrhu. Vyvinout specializovanou metodu a zařízení monitorující frézovací vřetena za účelem zvýšení jejich spolehlivosti. Vyvinout specializovaný expertní systém použitelný v provozu ke sledování stavu vřetena anebo k rozhodnutí o jeho opravě. Pilotní projekty diagnostikovatelných frézovacích vřeten pro výkonnostní i dokončovací obrábění. Byly vymezeny okruhy výzkumu týkající se experimentálního zjišťování stabilitních diagramů. Jedná se o vliv procesního tlumení při nízkých řezných rychlostech, změnu modálních parametrů vřetena při rotaci a vliv sníženého posuvu na začátku řezu. Byly provedeny první experimenty. V oblasti rámů strojů byla pozornost věnována novým metodám experimentálního zjišťování dynamické poddajnosti obráběcích strojů. Zde jde o tzv. provozní zjišťování. Opět byly provedeny úvodní experimenty. Byla zahájena stavba standu diagnostikovatelného vřetena. Tento stand umožní zlepšit odhalovaní poruch u vřeten obráběcích strojů. Na konci roku byly provedeny první návrhy. V oblasti diagnostiky je návazně vyvíjen expertní systém, který bude zpracovávat data naměřená na standu SDV. Zároveň je vyvíjena "levná" diagnostická jednotka pro vřetena obráběcích strojů.
Analýza rizik a bezpečnost strojů
Hlavní cíl: Podpořit zajištění plné funkčnosti, provozuschopnosti a bezpečnosti provozu strojů.Zde proběhlo v prvé řadě seznámení se současným vývojem legislativy v EU a ČR týkající se bezpečnosti strojního zařízení se zaměřením na technický management rizika. To představovalo mimo jiné i pochopení a neustálý monitoring následujících tří oblastí: současné legislativy v EU; zákonů a nařízení vlády ČR týkajících se bezpečného výrobku; bezpečnostních norem.Sledována byla zejména oblast sekundárního komunitárního práva (nařízení, směrnice, rozhodnutí, doporučení a stanoviska). Dále zde proběhlo studium bezpečnostních a ergonomických normativů, odborná školení a navazování spolupráce s národními i evropskými institucemi zabývajícími se problematikou bezpečnosti strojů. Výzkumní pracovníci se rovněž zúčastnili oborových konferencí a seminářů.
Výzkum perspektivních, výkonných a ekologických výrobních procesů
V rámci tohoto tematického okruhu bylo řešeno následujících šest dílčích témat.
Tvrdé obrábění
Hlavní cíl: Experimentální výzkum procesů probíhajících při tvrdém obrábění.Tento projekt je řešen v letošním roce.
Ekologické obrábění
Hlavní cíl: Experimentální výzkum procesů probíhajících při suchém obrábění bez chlazení, s chlazením studeným vzduchem a s chlazením s minimálním množstvím kapaliny (MQL).Vzhledem k požadavkům podniků bylo řešení zaměřeno především na zjištění vlivu způsobu chlazení na trvanlivost břitu nástroje. Zkoušeno bylo povodňové chlazení externě i interně, chlazení MQL externě, chlazení mraženým a chlazeným vzduchem a obrábění bez chlazení. Dále byly provedeny experimenty na stroji LM-2 s chlazením povodňovým a MQL, při současném měření množství dodávané kapaliny a její koncentrace. Dále bylo provedeno měření výkonu vírové trubice instalované na stroji LM-2, stanovena závislost teploty na výstupu trubice a v pracovním prostoru stroje při různém nastavení regulačního ventilu. Vliv způsobu chlazení na integritu povrchu po obrábění byl vyhodnocován pouze s ohledem na jakost obrobeného povrchu. Vyhodnocení z hlediska tvrdosti povrchu a zbytkových napětí jsou plánována na rok 2006.
Vysokorychlostní obrábění
Hlavní cíl: Experimentální výzkum procesů probíhajících při vysokorychlostním obrábění.Na základě provedeného rešeršního průzkumu se ukázalo jako závažné určení vlivu řezných podmínek na teplotu řezání. Proto byl výzkum zaměřen na teploty při obrábění HSC. Teplota byla měřena přirozeným a poloumělým termočlánkem, jehož kalibraci jsme provedli pomocí laseru. Obráběna byla hliníková slitina Al 2024-T351 (spolupráce s Pramet Tools). Při obrábění byla měřena také trvanlivost břitu nástroje. Bylo zpracováno vyhodnocení vlivu řezné rychlosti na teplotu obrobeného povrchu a na integritu povrchu, hodnocenou jakostí opracovaného povrchu. Vzhledem ke složitosti měření teploty (náročná příprava vzorků) je vliv řezných podmínek na integritu povrchu danou mikrotvrdostí a zbytkovými napětími zkoumán až v roce 2006.
Mikroobrábění
Hlavní cíl: Optimalizace sledovaných procesů, měření a objektivizované vyhodnocení dosažených výsledků včetně jejich prezentace. Zpracování obecných zásad pro aplikaci těchto technologií.Toto téma bylo řešeno ve dvou podtématech. U prvého z nich, nazvaného Výzkum mikrofrézování s ohledem na konečné opracování geometricky složitých obrobků při víceosém řízení, byla pozornost soustředěna na studium podkladů a především na základní parametry používaných nástrojů z hlediska jejich dynamiky. Byl navržen systém měření řezných sil při použití mikronástrojů o průměru menším než 3 mm a provedeno měření sil i dynamických vlastností mikronástrojů s kulovým koncem (pro výrobu geometricky složitých ploch a tvarových ploch elektrod) s cílem stanovit vhodné oblasti použití takovýchto nástrojů jak z hlediska statických sil, tak zvláště s ohledem na jejich dynamické chování (vazby mezi vlastní frekvencí a budicími silami při obrábění). Současně uvedená měření slouží pro stanovení hodnot příkonů těchto nástrojů. Získané podklady jsou užívány bezprostředně pro jejich aplikaci při realizaci požadavků z průmyslové praxe.U druhého podtématu, nazvaného Výzkum kombinací opracování a speciálních technologií využitím obrábění, mikroobrábění a laserových technologií při víceosém řízení a opracování speciálních materiálů, bylo prováděno ztotožnění počátků souřadných systémů NC a laseru; vhledem k provedené realizaci je nutno postup seřízení realizovat vždy pro novou interpretaci kombinovaného opracování. Byly zkonstruovány, vyrobeny a ověřeny výrobní pomůcky pro aplikace laserových operací pro práce v prostoru při využití rotačních os a NC řízení spolu s laserovými technologiemi. Na základě těchto poznatků byla realizována spolupráce s průmyslem při výrobě prostorových elektrod pro výrobu forem, kde bylo použito klasické obrábění i mikroobrábění ve více než třech osách s přímou návazností laserových operací.
Laserové technologie
Hlavní cíl: Posunout na vyšší úroveň současné teoretické a aplikačních znalosti v oboru laserových technologií a jejich aplikací v kombinaci s obráběcím strojem.U podtématu Obráběcí stroje s laserem byl dílčím cílem návrh obráběcího stroje s laserem pro kalení a obráběcího centra s Rapid Prototypingem. V roce 2005 byl zpracován ideový návrh konstrukčního uspořádání vybraného soustruhu (SPU 16, výrobce Kovosvit MAS) s vestavěným diodovým laserem, určeným pro kalení součástí. Navrženy byly tři varianty umístění laseru. U druhého podtématu, nazvaného Laserové technologie, byly stanoveny následující dílčí cíle: výzkum laserových technologií - mikrofrézování; obrábění dutin zápustek laserem; leštění, texturování a čištění povrchů laserem; výzkum kalení ocelí a litin laserem; vrtání přesných tvarových děr; svařování obtížně svařitelných materiálů; nanášení ochranných, otěruvzdorných a samomazných povlaků; výzkum renovace opotřebovaných zápustek a forem laserem; výzkum použití laseru pro řezání dřeva, použití laseru při řezání plastů a kompozitních materiálů, použití laseru pro barevný potisk skla a výzkum využití laseru jako náhrady za třískové obrábění. V oblasti mikrofrézování byly v loňském roce provedeny rozsáhlé experimenty zaměřené na zjištění vlivu parametrů jednotlivých materiálů na hloubku vyfrézované dutiny. Kromě plánovaných experimentů s mědí a jejími slitinami (mosaz, bronz a čistá měď) byl zkoušen nikl, chrom, uhlík, železo, litina, dural, titan, zinek, hliník a olovo. Dále byl proveden výzkum tepelného chování vybraných materiálů během obrábění laserem, byla měřena teplota v místě stopy paprsku laseru termovizní kamerou. Pro obrábění dutin zápustek byla navržena technologie výroby kolmých stěn dutin zápustek na stroji MCVL 1000 Laser. Výsledkem výzkumu leštění kovů laserem bylo dosažení jakosti povrchu Ra 0,3 mikrometru. Současně byl proveden výzkum vytváření textur na povrchu oceli laserem. Pro kalení laserem byly nalezeny parametry kalení oceli Nd:YAG laserem o maximálním výkonu 550 W. Dále byly nalezeny parametry pro řezání a svařování obtížně řezatelných materiálů. Bylo provedeno řezání slitiny Nitinol (úspěšné) a čistého manganu (neúspěšné). Byly provedeny zkoušky svařování hliníku, titanu + mědi a titanu + korozivzdorné oceli. Byly nalezeny parametry pro nanášení práškových kovových materiálů na ocel laserem a pro navařování materiálů ve tvaru drátu na opotřebované hrany tvářecích nástrojů.
Výrobní náklady
Hlavní cíl: Vypracování metodiky pro stanovení optimálních řezných podmínek a minimalizaci výrobních nákladů.Pro aplikace procesu optimalizace řezných podmínek s cílem snižování výrobních nákladů je zapotřebí znát ekonomickou stránku výroby. Proto byl vypracován návrh struktury třídění výrobních režijních nákladů. Podstatnou částí tohoto návrhu bylo též rozdělení výrobních režijních nákladů podle vlivu na náklady obrábění. Struktura výrobních režijní nákladů je důležitým podkladem k výběru vhodné metodiky kalkulace výrobních režijních nákladů. Vyvíjená metodika je současně ověřována v některých spolupracujících podnicích.
Závěrem
Přestože v prvém roce bylo vlastní řešení projektu zahajováno, výstupem za toto období bylo již 63 publikací, 57 výzkumných zpráv, 9 realizací (měřicí standy a realizace v průmyslu), dva užitné vzory a tři uspořádané kurzy pro pracovníky průmyslu. Cílů, které jsou specifikovány v projektu pro rok 2005, bylo dosaženo. V tomto roce zahájilo centrum také spolupráci na dvou evropských projektech, podporovaných z prostředků 6. rámcového programu EU. Jedná se o projekty Ecofit a HardPrecision. Centrum rovněž spolupracuje s průmyslovými podniky na řešení několika projektů podporovaných MPO. Hlavní pracoviště Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii se nachází na ČVUT v Praze (46 osob) a další tři spoluřešitelská pracoviště jsou na VUT v Brně (4 osoby), na TU v Liberci (4 osoby) a na ZČU v Plzni (5 osob).
Průběžná periodická zpráva o postupu řešení projektu za rok 2005 byla předána poskytovateli dotace (MŠMT) společně s účetním auditem celého projektu.Centrum splnilo v loňském roce jednu z hlavních podmínek soutěže "1M Výzkumná centra" a získalo na podporu projektu 10 % uznaných nákladů z komerční sféry. Podílí se také na doktorském studijním programu ve třech oborech: Stavba výrobních strojů a zařízení, Strojírenská technologie a Mechanika tuhých a poddajných těles a prostředí.Na všech pracovištích centra působí osm interních školitelů (pracovníci centra), čtyři externí školitelé (z jiných ústavů) a tři školitelé specialisté (pracovníci centra). V centru působí 28 školených doktorandů, z nichž čtyři během roku 2005 obhájili doktorské disertační práce. Témata disertačních prací školených doktorandů jsou orientována na problematiku řešenou v projektech centra nebo těmto projektům velmi blízkou. Na činnosti centra se rovněž podílí asi 12 studentů magisterských studií.
Prof. Ing. Jaromír Houša, DrSc.
vedoucí VCSVTT
VCSVTT, ČVUT v Praze
http://www.rcmt.cvut.cz
