Témata
Reklama

Beton a přírodní žula při výrobě loží a rámů obráběcích strojů

V souvislosti s rozvojem řezných materiálů v posledních 20-30 letech, umocněným v posledním desetiletí aplikací tzv. vysokorychlostního obrábění (HSC) rostou u obráběcích strojů stále požadavky jak na zvyšování hodnot maximálních otáček vřeten a posuvových rychlostí, tak na dynamiku jejich změn. V současné době nejsou výjimkou obráběcí stroje s pracovními posuvovými rychlostmi 50-60 m.min-1 , s hodnotami rychloposuvů 100 m.min-1 a zrychleními (resp. zpomaleními) dosahujícími násobků gravitačního zrychlení g

Rostoucím výkonovým a dynamickým parametrům pohonů pohyblivých částí obráběcích strojů musí adekvátně odpovídat i konstrukce nosných částí - loží a rámů obráběcích strojů. Jde především o parametry tuhosti pro zachycení řezných a setrvačných sil a parametry tlumení, schopné absorbovat (utlumit) rázy a chvění, vznikající jak při obrábění, tak při zrychlování a zpomalování pohybujících se částí obráběcích strojů .
Klasické materiály, především litina a ocel (svařované rámy obráběcích strojů) velmi dobře splňují požadavky na tuhost a pevnost lože a rámu stroje, bohužel se však vyznačují nízkým vlastním tlumením - logaritmický dekrement (poměrné tlumení) se u litiny pohybuje okolo hodnoty D=0,004, u oceli pak D=0,002. Je samozřejmé, že na výsledném tlumení mezi nástrojem a obrobkem se kromě "materiálového" tlumení rámu stroje podílí tlumení ve spojích rámu, ve vedeních , atd, takže nakonec u reálných strojů s litinovým rámem se hodnota poměrného tlumení v místě mezi nástrojem a obrobkem pohybuje v hodnotách cca D= 0,04 - 0,06. Problém nízkého tlumení klasických materiálů pro stavbu rámů obráběcích strojů tkví však v tom, že u pohonů s vysokou dynamikou nejsou schopny dostatečně utlumit rázy z pohonů, vznikající při urychlování a zpomalování pohybujících se částí obráběcího stroje a v důsledků toho je celý stroj rozechvíván, což má vliv jak na přesnost obrábění , tak na přenos chvění do základu a stability stroje na základu. Je samozřejmé, že čím vyššími tlumicí účinky se jednotlivé konstrukční uzly stroje vyznačují, tím je stroj celkově stabilnější, v principu i přesnější a jeho chod tišší. Jednou z možností, jak dosáhnout vyšších parametrů tlumení loží a rámu strojů se ukázalo využití betonu a přírodní žuly v jejich konstrukci.
Reklama
Reklama
Reklama

Beton jako konstrukční materiál

Návrat k použití betonu v konstrukci nosných částí strojů je možno pozorovat zhruba od prvního ročníku výstavy EMO v Paříži v roce 1975. Nejedná se o žádnou novinku, neboť první pokusy s aplikací klasického-cementového hydrobetonu byly provedeny profesorem Schlesingerem již v průběhu 1. světové války při stavbě rozměrných karuselových soustruhů a výraznější využití bylo pak zaznamenáno v průběhu 2. světové války, kdy hlavním důvodem byla náhrada nedostatkových klasických kovových materiálů. Renesance s využíváním cementového betonu v konstrukci rámů NC-obráběcích strojů se pak datuje zhruba rokem 1970 až 75, od roku 1979 pak kromě aplikací klasického cementového betonu bylo v širším měřítku započato i s využíváním tzv. polymerického betonu, jehož pojivo je tvořeno syntetickými pryskyřicemi.
Použití betonu bylo původně zdůvodňováno úsporami výrobních nákladů a zkrácením průběžné doby výroby v porovnání s litinou či ocelí, možností výroby rozměrných částí rámu stroje přímo u zákazníka a počínaje zmíněným datem 1970 až 75 pak i dosažením zvýšené dynamické stability strojů v důsledku podstatně vyššího poměrného tlumení betonových konstrukcí v porovnání s litinovými (koeficient poměrného tlumení až 30x vyšší).

Hydrobeton

Co se týká klasického cementového betonu (hydrobetonu), tak ten je v současné době používán především jako výplň jednoduchých svařovaných ocelových loží, pro zvýšení jejich hmotnosti, tuhosti a zvýšení součinitele poměrného tlumení. Příznivou vlastností cementového betonu je jeho v podstatě stejně velký součinitel teplotní roztažnosti jako u oceli, ale při řádově nižším koeficientu tepelné vodivosti než u oceli (v porovnání s ocelí velmi dobré izolační vlastnosti pro přestup tepla). Pro připevnění návazných uzlů obráběcích strojů-např. vřeteníků, vodicích ploch apod. jsou do betonu zalévány potřebné kotevní prvky, ocelové desky apod. V současné době existují specializované firmy, které lože z hydrobetonu vyrábějí a dodávají, např. rakouská firma Framag, která tato lože z hydraulického betonu pod označením Hydropol dodává např. firmám Emco (CNC frézky), HEID (CNC soustruh), Handtman (vysokorychlostní portálové frézky), Walter (brusky), Heckert (CNC frézky), atd.K hydraulickým betonům , které jsou směsí písku, štěrku, cementového pojiva, příměsí proti smršťování a vody lze vyzdvihnout tyto klady: vysoká pevnost v tlaku, bez armování nižší pevnost v tahu než v tlaku (10-15x), velmi dobrá přilnavost k ocelovým materiálům, součinitel tepelné roztažnosti zhruba stejné velikosti jako u oceli, speciálními příměsemi dosažitelné zvětšování objemu při tuhnutí - zvlášť významné při vyplňování dutin litinových a ocelových loží, vysoké vlastní tlumení (až 40x větší než u oceli) a malá odolnost vůči působení olejů, solí a dalších chemikálií- pokud se přímo s nimi dostávají do styku nutnost nátěru specielním nátěrem.
Pokud je zapotřebí zlepšit vlastnosti "betonového" lože v tahu a ohybu, je provedeno armování ocelí- tj. vytvoření železobetonu. V železobetonu je tahové namáhání zachycováno ocelovou výplní, tlakové pak betonem. Ve zvláště exponovaných případech lze železobetonové díly provést ve formě předepjatého betonu, ve kterém v důsledku vysokého tahového předpětí ocelové výplně je beton pouze tlakově namáhán i v případech vnějšího provozního tahového namáhání.

Polymerický beton – Granitan

Polymerický beton je znám ze stavebnictví, kde je používán na vysoce exponované části, u kterých je požadována vysoká pevnost (2-5x vyšší než u hydrobetonu), odolnost proti povětrnostním vlivům, působení solí a chemikálií. V oboru obráběcích strojů bylo s četnějším využitím tohoto druhu betonu započato zhruba v roce 1979 a jedná se o směs přírodní ("štěrk") nebo umělé keramiky s velikostí granulátů 0 až 42 mm a syntetického pojiva (procentuelní váhový podíl pojiva v rozmezí 6-10%), která se ve specialním stroji promísí a ukládá se do licí formy, přičemž těsně před výstupem této směsi z mísícího stroje je do směsi přidáváno tužidlo. Polymerický beton tuhne v průběhu 5 až 10 minut (za vývinu tepla). Jako syntetické pojivo slouží epoxidové, metakrylátové, či polyesterové pryskyřice. Dle použité pryskyřice se pak tyto polymerické betony příslušně nazývají. V případě nejznámějšího polymerického betonu Granitan S 100 (někdy nazývaný i jako umělá žula) se jedná o beton s epoxidovou pryskyřicí jako pojivem a přírodním "štěrkem" (čedič, pazourek, gabro, diorit, diabas - tedy hloubkové nerosty s vysokou pevností, s velkou hustotou a isotropní strukturou) o zrnitosti nerostu 0,2 až 16 mm. Potřebné kotevní prvky jsou do polymerického betonu zalévány stejně jako v případě použití cementového betonu. Obdobně jako v případě cementového betonu je možno i polymerický beton vyztužovat armováním, vytvářet předepjaté konstrukce, atd.
Ke kladným vlastnostem polymerických betonů především patří vysoká pevnost v tlaku, bez armování nižší pevnost v tahu než v tlaku (cca 6x), velmi dobrá přilnavost k ocelovým materiálům, součinitel tepelné roztažnosti větší než u oceli (o cca 30%), specielními příměsemi dosažitelné zvětšování objemu při tuhnutí- zvlášť významné při vyplňování dutin litinových a ocelových loží, vysoké vlastní tlumení (až 40x větší než ocel a 30x než litina) a velká odolnost vůči působení olejů, solí a dalších chemikálií.
Lože a díly z polymerického betonu jsou někdy též nazývány jako díly z minerální litiny - nebo díly, vyrobené technologií litím za studena. S ohledem na tvarovou stálost, vysoký koeficient poměrného tlumení a v neposlední řadě i na jednoduchou technologii výroby ("lití za studena") využívá řada předních výrobců obráběcích strojů polymerického betonu především pro výrobu loží, stojanů, výjimečně i příčníků, jež mají formu monolitních bloků. Mezi nejznámější příklady patří např. firmy Mikrosa, Schaudt a Studer, které již po dlouho řadu let používají pro všechny své brusky lože z polymerického betonu (Granitanu. Firma Emag, která již 25 let používá pro všechny typy svých soustruhů, včetně vertikálních typů VSC lože a rámy výhradně z polymerického betonu. Dále pak firma Colchester s loži CNC soustruhů řady Tornado a mechatronických typů z polymerického betonu, firma Hermle s loži a rámy svých Gantry vertikálních obráběcích center z polymerického betonu, atd.
Obdobně jako v případě loží z hydraulického betonu existují i specializované firmy, zabývající se dodávkou jak betonových směsí, tak výrobou dílů- např. fy Schneeberger, MBA, Epucret, atd.

Přírodní žula - Granit

Opracované monolitní bloky z přírodní žuly (těžené většinou v oblasti jižní Afriky- proto častý název Granit Afrika) jsou používány především v konstrukci měřicích přípravků - stoly, pravítka, přesných souřadnicových měřicích strojů a specielních, vysoce přesných obráběcích strojů (především souřadnicových vyvrtávaček). Masivní bloky Granitanu tvoří většinou nepohyblivé stoly (lože), příčníky apod.
Pracovní plochy těchto bloků jsou velmi jemně a přesně opracovány a slouží i jako vodicí plochy většinou aero-statických vedení pro posuv dalších uzlů stroje. Důvodem pro použití těchto materiálů je jejich vysoká tvarová stabilita, vysoká tuhost, nízký součinitel teplotní roztažnosti (v porovnání s ocelí zhruba poloviční), velmi nízký součinitel tepelné vodivosti, vysoká odolnost proti opotřebení atd. Pro tyto vlastnosti je v poslední době použití granitu v konstrukci obráběcích strojů stále častější- např. lože brusek firem ELB, Präwema, Buderus, vřeteník i lože CNC soustruhu fy Hemburg, lože i stojany vertikálních obráběcích center fy Bautz, apod. I v oblasti loží a rámů z granitu působí na trhu specialní firmy, jež tyto nosné struktury pro výrobce obráběcích strojů vyrábějí - jedná se např. o firmy Microplan Group, Ergbert Reitz Naturstechnik, JFA CNC, East Star, atd.

Beton, jak hydraulický tak polymerický a přírodní granit v současné době využívá v konstrukci loží a rámů strojů velké množství výrobců obráběcích strojů. V řadě případů je obtížné odlišit, zdali se jedná o hydrobeton nebo polymerický beton s ohledem na to, že to mnohdy výrobci ani neuvádějí a dokonce využití betonu ve stavbě rámů obráběcích strojů je v současnosti tak běžné, že jeho použití v jednodušších informačních materiálech ani výrobci nezdůrazňují. Kromě již dříve uvedených příkladů, využívají beton v konstrukci loží a rámů svých obráběcích strojů i následující firmy: Deckel-Maho -Gildemeister, Waldrich-Siegen, Breton, Weiler, Huron, Chiron, Digma, Mikron, Wissner, Emco, Schütte, Maier, Heller, Weisser, Steinel, Hardinge, Schaublin, Graziano (Gital-Gildemeister), Burkhardt-Weber, G. Fischer, Boehringer, atd. Výčet firem není samozřejmě úplný, má jen dokumentovat současnou šíři aplikací.ZávěrZ výše uvedeného vyplývá, že aplikace betonu a přírodního granitu v konstrukci nosných částí obráběcích strojů významně přispívá nejen ke zlepšení statických a dynamických vlastností rámu strojů, ale při současném snížení výrobních nákladů a zvýšení flexibility při výrobě přispívá i k celkovému zvýšení kvality stroje jako celku.Tyto přínosy, v porovnání se stroji s klasickou konstrukcí rámů z litiny, lze stručně shrnout následovně.- celkově vyšší tuhost základního lože stroje, výrazně snižující požadavky na kvalitu základu, na nějž je stroj ustavován a umožňující spolehlivé "3 bodové" ustavení stroje bez nutnosti komplikovaného kotvení stroje do základu;- u klasických koncepcí strojů je respektován tzv. princip "pyramidy hmoty"-tj. plynulé snižování hmotností stroje směrem nahoru od základu;- vyšší vlastní tlumení rámu stroje, projevující se celkovým snížením úrovně chvění stroje, snížením úrovně chvění přenášeného ze stroje do základu a snížením emise hluku;- snížená úroveň celkového chvění stroje příznivě přispívá ke zlepšení kvality obráběného povrchu a zvýšení životnosti nástrojů;- zvýšení stability geometrické přesnosti stroje při kolísající teplotě okolí a rychlejší teplotní stabilizace stroje po jeho uvedení do chodu;- snížení výrobních nákladů a zkrácení průběžné doby výroby, což je při současném charakteru výroby obráběcích strojů (variabilita provedení, přizpůsobení stroje požadavkům zákazníka, atd) přínos velmi důležitý.Pro uživatele obráběcích strojů, kteří jsou po dlouhá léta zvyklí na klasické litinové konstrukce rámů obráběcích strojů by použití betonu a přírodního granitu v konstrukci loží a rámů strojů nemělo vzbuzovat podezření na "jakési náhradní laciné řešení", ale mělo jednoznačně signalizovat snahu výrobců o dosažení vyšší kvality a užitné hodnoty obráběcích strojů při současné optimalizaci výrobních nákladů a tím i jejich ceny.

Reklama
Vydání #5
Kód článku: 30504
Datum: 21. 05. 2003
Rubrika: Trendy / Obrábění
Autor:
Firmy
Související články
Pohodlné upínání magnetem

Pokud jde o úsporu času při seřízení a upnutí obrobků bez deformace, je elektricky aktivovaná technologie permanentních magnetů považována za špičkový systém. S trochou konstrukční zručnosti mohou být během sekundy a bez deformace upnuty a z pěti stran obrobeny především velkoformátové díly. Ani v oblasti standardních modulů nezůstává vývoj bez odezvy. Moderní magnetické upínací desky umožňují optické nebo automatizované monitorování upínacího procesu.

Strojírenské podniky v době pandemie

Pandemie koronaviru uzavřela hranice naší republiky a zahraniční pracovníci se nedostanou do zaměstnání. Řada domácích zaměstnanců musela nastoupit do karantény. Mnoho českých strojírenských podniků se tak dostalo do nemalých problémů. Firma Grumant hledala recept, jak se takovým problémům vyhnout nebo alespoň minimalizovat jejich následky.

Kloubový robot uvnitř stroje

V oboru obráběcích strojů není potřeba japonskou společnost Okuma podrobně představovat. Je známá svým širokým sortimentem soustružnických, frézovacích a brousicích číslicově řízených obráběcích strojů. Nyní na trh přináší vlastní automatizační řešení v podobě robota Armroid.

Související články
Prediktivní diagnostika přesnosti CNC strojů

Jak přesný je náš stroj? Můžeme jeho parametry nějak zlepšit? Je stále ještě ve stavu, který předpokládáme? Často je obráběcí stroj pro uživatele černou skříňkou, která v optimálním případě produkuje shodné výrobky. Nemusí to tak zůstat a stav strojů lze i cíleně zlepšovat.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Přesnost zvyšující produktivitu

Zakoupení obráběcího centra Pama umožnilo společnosti Tajmac-ZPS zvýšit nejen její celkovou produktivitu, ale také geometrickou přesnost při výrobě důležitých komponent pro její vícevřetenové automaty.

Pro větší efektivitu ve výrobě

Spolupráce mezi výrobcem obráběcích strojů Hurco a dodavateli automatizovaných nakládacích systémů má za následek vyšší produktivitu a větší výnosy. Automatizované nakládání umožňuje rozšíření kapacity v kusové a malosériové výrobě bez potřeby dalšího personálu pro obsluhu strojů. Nakládací roboty je možno také využít v bezobslužných směnách nebo o víkendech.

Novinka z varnsdorfské líhně

Přední evropský výrobce obráběcích strojů, TOS Varnsdorf, letos představil nečekanou novinku, která významně rozšiřuje nabídku výkonných obráběcích strojů z varnsdorfské líhně.

Vlajková loď pětiosého obrábění

Český výrobce obráběcích strojů Kovosvit MAS v letošním roce slaví úspěch se svojí high-tech produkcí, zejména s pětiosými vertikálními obráběcími centry řady MCU. Tyto stroje se daří firmě umísťovat na náročné trhy Evropské unie i jinde ve světě, cenné reference sbírají především v leteckém průmyslu.

Československá stopa u nového rekordu

Nový rekord počtu návštěvníků jsme zaznamenali na letošním technologickém setkání WFL Millturn Technologies.

Plnění požadavků na čistotu ve výrobě

Firma Rosler vyvinula pro výrobce systémů škrticích a výfukových klapek kompletní systém automatizovaného obrábění. Tento systém pokrývá operace od převzetí obrobku po třískovém obrábění přes proces surf finishingu a jemného čištění, nanesení kódu datové matice až po zabalení dílů do KLT obalů a jejich přesun do stohovacích kontejnerů.

Vyvrtávání hlubokých otvorů

V současné době jsou kladeny stále vyšší nároky na nástroje pro obrábění. Čím dál více se obrábí těžkoobrobitelné a různé nestandardní materiály. K tomu jsou obrobky po konstrukční stránce čím dál složitějšími.

Optimalizace soustružení korozivzdorných ocelí

Použití korozivzdorných ocelí pro inženýrské aplikace vždy do určité míry vedlo k technickému paradoxu. Zatímco konstruktéři jsou nadmíru spokojeni s tím, jaké pevnostní vlastnosti a korozní odolnost tyto běžně používané materiály nabízejí, výrobní inženýři už jsou asi méně okouzleni jejich typickým deformačním zpevňováním a všeobecně špatnou obrobitelností. Avšak průmyslovými odvětvími, jako jsou výroba čerpadel a ventilů, výroba zařízení pro ropný a plynárenský průmysl, automobilový a letecký průmysl, jsou součásti z korozivzdorných ocelí výslovně požadovány i nadále.

Multifunkční obráběcí centra

Tento typ obráběcích center patří do bouřlivě se rozvíjející skupiny CNC obráběcích strojů. Představuje typ obráběcího stroje, který reflektuje rostoucí požadavky uživatelů na obrobení součásti při jednom upnutí. Ve své podstatě jde o CNC stroje sdružující dvě základní operace třískového obrábění, a sice soustružení a frézování, do jednoho stroje. Kromě tohoto atributu mají tyto stroje i jiné vlastnosti, které budeme dále diskutovat.

Efektivní likvidace obráběcích kapalin

Obráběcí emulze jsou klíčovým prvkem celé řady obráběcích procesů. Emulze zajišťují chlazení, odvod vznikajících třísek, dočasně pasivují obrobky v průběhu operací a mají spoustu dalších funkcí. Na konci životnosti emulze je nutné zajistit jejich likvidaci. Vyčerpané emulze jsou klasifikovány jako nebezpečný kapalný odpad, takže je nelze jednoduše vylít do kanalizace. Článek pojednává o možnostech likvidace obráběcích kapalin.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit