Témata
Reklama

Frézování bez vibrací?

Vibrace při frézování vznikají ze dvou příčin. Především proto, že tříska se při frézování odebírá přerušovaně, při střídavém záběru zubů nástroje. To jsou vibrace vynucené činností nástroje a vnímáme je jako běžný a snadno pochopitelný důsledek tohoto způsobu obrábění. Druhou příčinou vzniku vibrací v procesu frézování je to, že zuby frézy obrábějí zvlněný povrch.

Ondřej Svoboda

Jednatel a spolumajitel společnosti Misan. Vystudoval čtyřleté gymnázium. Z mimoškolních aktivit se věnoval prakticky denně sportu. Po ukončení doktorského studia na ČVUT a nástupu do zaměstnání si dálkovou formou doplnil vzdělání v elektrotechnice (výuční list) z důvodu získání oprávnění pracovat samostatně na zařízeních pod napětím (vyhláška 50). Jeho volba padla na Strojní fakultu ČVUT, specializaci „výrobní stroje a zařízení“. Po ukončení doktorského studia spojeného se zaměstnaneckým poměrem ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii RCMT na Fakultě strojní ČVUT v Praze pracoval po dobu jednoho roku ve výrobním závodě jednoho z japonských výrobců obráběcích strojů v Anglii. Poté přišel do rodinné firmy Misan, kterou jeho otec spoluzakládal. Věří, že směřování jeho firmy najde pozitivní odezvu v českém průmyslu, jehož budoucnost vidí právě v zaměření na složité a přesné výrobky vyráběné s nejvyšší produktivitou. 

Doc. Pavel Bach

Působí na výzkumném centru RCMT při ČVUT v Praze. Specializuje se na oblast kmitání a stabilitu obráběcího procesu.

Vysvětlení druhého jevu není již tak jednoduché. Pomůže nám obr. 1. Představme si, co se děje při najetí prvního zubu frézy do záběru. Působením řezné síly se celý mechanismus stroje včetně nástroje pružně vychýlí do jisté polohy a vzápětí se, po oddělení třísky, uvolní. Následkem rychlého uvolnění se stroj rozkmitá a další zub nástroje, který přichází do řezu, „okopíruje“ tyto kmity na povrch obrobku. Obrobený povrch je zvlněný a následující zub již odřezává tento zvlněný povrch, přičemž sám vůči tomuto povrchu kmitá.

Reklama
Reklama

Samobuzené kmity vyvolané řezným procesem

Situace je znázorněna v horní části obr. 1. Vlny na obráběném povrchu a kmity nástroje jsou vůči sobě časově posunuty, průřez každé třísky je nerovnoměrný, je pravidelně zvlněný. Řezná síla je tudíž podle tohoto průřezu také proměnlivá a dále vyvolává kmity stroje a nástroje. Celý proces se neustále opakuje a kmity mezi nástrojem a obrobkem se neustále obnovují. Mluvíme o samobuzených kmitech, to znamená o kmitech vyvolaných řezným procesem. Při hrubovacím frézování je hloubka řezu velká, tím i řezná síla je velká, a proto tyto kmity rychle vzrostou a někdy hrozí poškození nástroje. Obrábění se musí přerušit.

Obr. 1. Vznik samobuzených vibrací. Frézování zvlněného povrchu (nahoře). Synchronizované vlny a kmity po odstranění jejich fáze (dole).

Samobuzené kmity se ale vyskytují i při lehkém nebo dokončovacím řezu, tedy při velmi malých průřezech třísky. Vzniknou i při malé zátěži stroje, pokud se používají štíhlé nástroje, které se snadno rozkmitají svou vlastní činností. Důkazem může být obr. 2, kde v levé části je vidět zvlněný povrch. Byl obroben dokončovací frézou průměru 20 mm, L/D = 2,35, počet zubů 8, ap = 20 mm, ae = 0,025 mm, fz = 0,037 mm. Při lehkých a dokončovacích řezech nehrozí většinou poškození nástroje, ale zvlněný povrch není kvalitní. Parametr drsnosti povrchu Rz se může pohybovat v rozmezí 4 až 11 mikrometrů. Kromě špatné kvality povrchu je nepříjemný také intenzivní zvuk na poměrně vysokých frekvencích provázejících samobuzené kmitání.

Obr. 2. Zvlněný povrch při dokončovacím frézování bokem nástroje (vlevo). Vyhlazený povrch po aktivaci systému NAVI M-g (vpravo).

Odstranění příčiny

Jak tyto potíže odstranit? Řešení je poměrně jednoduché. Je naznačeno ve spodní části obr. 1. Vysvětlili jsme již, že samobuzené kmity se udržují, či dokonce rozvíjejí tím, že odřezávané povrchové vlny jsou posunuty vůči kmitům nástroje a tříska má periodicky proměnlivý průřez. Odstraníme-li tuto příčinu, kmity zaniknou. Grafický návod, jak to udělat, je jednoduchý: stačí synchronizovat vlny s kmity nástroje a tím docílit stálého průřezu třísky. Protože kmity způsobuje vlastně fáze Ψ – naznačená ve schématu –, jejím odstraněním se kmity potlačí. Abychom správně rozuměli tomu, co je třeba prakticky udělat, vysvětlíme následující vzorec, který vyjadřuje podmínku potlačení vibrací:

Slovy lze říci, že frekvence chvění vzniklého při obrábění a frekvence zubová čili záběrová frekvence frézy musejí být v celistvém poměru. Zubovou frekvenci známe, protože je dána otáčkami frézy n a počtem zubů frézy z. Spočítá se podle vzorce:
Frekvenci chvění musíme změřit. K tomu se dostaneme později. Vidíme tedy, že změnou otáček nástroje nastavíme snadno zubovou frekvenci tak, aby její poměr k frekvenci chvění byl celé číslo N. Takových čísel může být několik v daném otáčkovém rozsahu stroje, případně v doporučeném rozsahu řezných rychlostí nástroje pro daný materiál obrobku. Otáčkám, které potlačí chvění, říkáme „stabilní“, protože stabilizují obrábění. Je vidět, že stabilní otáčky tvoří řadu. Máme tedy více možností volby stabilních otáček.

Obr. 3. Typické spektrum samobuzeného chvění. Na vodorovné ose je frekvence chvění. Zelené čáry značí šířku pásma filtru.

Možnosti stabilizace frézování

Popsaný způsob stabilizace frézování není jediný, který je k dispozici, ale je velmi snadný. Jaké jsou další možnosti? Můžeme:

• zvýšit tuhost stroje (změnit jeho konfiguraci, například vyložení smykadla nesoucího vřeteno);
• zvýšit tuhost nástroje;
• použít frézu s nepravidelnou roztečí zubů;
• snížit průřez třísky.

Tuhost stroje i nástroje by měla být vždy ta nejvýše možná. Má však svoje limity dané například nutností obrábět ve vzdálených částech pracovního prostoru stroje nebo potřebou obrábění v úzkých mezerách mezi stěnami obrobku, tedy se štíhlými nástroji. Nástroje s nepravidelnou roztečí zubů jsou velmi efektivní v potlačování chvění. Snížení průřezu třísky prodlužuje čas obrábění.

Metoda „stabilních“ otáček nevyžaduje žádné z uvedených změn. Podmínkou jejího použití je znalost frekvence chvění vzniklého při frézování. Systém Navi M-g japonského výrobce obráběcích strojů, firmy Okuma, tuto frekvenci efektivně změří a pomůže k rychlému nalezení stabilních otáček.

Nalezení stabilních otáček systémem Navi M-g

K měření frekvence používá Navi M-g zvuk, který vydává rozkmitaný nástroj v řezu. Zvuk se snímá mikrofonem umístěným na řídicím panelu v blízkosti pracovního prostoru. Navi analyzuje zvuk a vytvoří spektrum viditelné na obr. 3. Ve spektru je vidět – ve většině případů – pouze jedna vysoká spektrální čára označená na vrcholu kroužkem. Protože mikrofon snímá i jiné zvuky než zvuk chvění, je nutný filtr, kterým se nežádoucí zvuky potlačí. Filtr se jednoduše nastaví posunem zelených čar na dotykovém displeji tak, aby nejvyšší špička spektra byla mezi nimi. Následuje příkaz Record, čímž se teprve změří hodnota vybrané frekvence. To vše probíhá během řezu s kmitajícím nástrojem. Navi okamžitě vypočte doporučenou řadu otáček ze vztahu:

kam za N dosadí postupně N = 1, 2, 3 atd. Část vypočtené řady se zobrazí v okénku Optimum Speed, viz obr. 3. Aby se zabránilo poškození nástroje, zobrazí se v okénku pouze doporučené stabilní otáčky v okolí stávajících otáček. V našem příkladu jsou otáčky frézy 6 000 min-1, Navi tedy označí hvězdičkou nejbližší stabilní otáčky 6 320 min-1. Operátor má možnost zvolit i další hodnoty otáček, při kterých chvění zanikne, zde například 7 223 nebo 5 618 min-1. Je však třeba počítat s tím, že změnou otáček se změní také posuv na zub nástroje, protože minutový posuv zůstává v NC programu konstantní. Proto je v nastavených parametrech Navi určena maximální bezpečná změna otáček ±30 %.
Obr. 4. Příklad provedení změny otáček. Nahoře spektrum před změnou otáček. Dole spektrum po zařazení doporučených, stabilních otáček.

Dalším příkazem Change Speed se doporučená změna otáček provede. Je to ilustrováno na obr. 4. Jak je vidět ze spodního spektra, chvění se okamžitě potlačí a ve spektru zůstane pouze malá špička. Nástroj dál obrábí pouze za běžných mírných vibrací, obrobený povrch je hladký. Dosažitelné výsledky dokumentuje tabulka 1. První příklad se týká frézování s dokončovacím, a to štíhlým nástrojem v dlouhém držáku. Chvění vznikne okamžitě po najetí nástroje do řezu. Bez použití systému Navi M-g je dosažitelná kvalita povrchu Ra = 0, 87 μm, Rz = 3,9 μm. Navi M-g chvění spolehlivě potlačí a výsledkem je povrch s Ra = 0, 24 μm, Rz = 1,41 μm.


Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Zvýšení produktivity frézování

Navi přináší ještě jeden bonus: po volbě stabilních otáček lze totiž zvýšit průřez třísky a tím i produktivitu frézování. Systém sice neposkytuje žádnou další pomoc v tomto směru, ale je možné pokusně zvýšit průřez třísky, například malým zvýšením ap nebo ae, pokud to dovoluje obrobek a nástroj, a sledovat pomocí Navi M-g spekter, zda se chvění znovu objeví. Jestliže ano, je třeba zopakovat pro aktuální nastavení ap/ae proceduru potlačení chvění, tj. vyhledání dalších stabilních otáček. Tento cyklus lze opakovat s ohledem na zátěž nástroje a požadovaný úběr materiálu na obrobku.

Obr. 5. Obráběcí centrum Okuma MU-6300V

Jednoduchý a efektivní způsob potlačení samobuzeného kmitání při frézování pomocí systému Navi M-g představuje vítanou pomoc, která bez hlubokých znalostí technologie obrábění a konstrukce strojů umožní každému uživateli strojů Okuma zefektivnit výrobu při současné úspoře nákladů za řezné nástroje.

Pavel Bach, Ondřej Svoboda

Misan
o.svoboda@misan.cz
www.misan.cz

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 140127
Datum: 12. 02. 2014
Rubrika: Výroba / Obrábění
Firmy
Související články
Prestižní ocenění Zlatá medaile

Výjimečnost nástroje FreeTurn skupiny Ceratizit potvrdila na letošním Mezinárodním strojírenském veletrhu odborná porota prestižního ocenění Zlatá medaile. Ocenění za inovaci ve zpracovatelské technologii bylo společnosti uděleno za inovativní metodu technologie podélného a čelního soustružení, kdy je hrubování, dokončování a obrábění kontur realizováno pomocí jediného nástroje. Společně s progresivní obráběcí metodou High Dynamic Turning zvyšuje nástroj FreeTurn dynamičnost a efektivnost procesu soustružení.

Brousicí centrum pro hospodárnou výrobu

Brousicí centrum UW II F od firmy Saacke v mnoha detailech předčí očekávání svých zákazníků. Z hlediska výkonnosti, velikosti a hmotnosti se řadí mezi již zavedené typy brusek UW I F a UW I D a vytváří tak ideální podmínky pro maximální přidanou hodnotu.

Od tlakové slévárny až po kompletní výrobu

Outsourcing u sléváren a kováren nabývá na důležitosti. Přesun obrábění od OEM výrobců do sléváren vedl k tomu, že se řada tlakových sléváren přeorientovala na kompletní výrobu. Příkladem je závod Ljunghäll v České republice, který s podporou firmy Grob rozšířil výrobu z tlakového lití na dodávky komplexních dílů pro automobilový průmysl.

Související články
Produktivní vrtání otvorů do hliníku

Výrobci automobilů produkují čím dále více dílů z hliníku s cílem snížit hmotnost vozidel i spotřebu paliva. S ohledem na tuto tendenci je proto jasné, že vzniká poptávka po vrtácích použitelných pro výrobu otvorů ve součástkách z hliníkových slitin. Musí být zároveň schopny zajistit vysokou produktivitu, nízké náklady na otvor, dlouhou a konzistentní životnost, vysokou opakovatelnost i bezpečnost procesů.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Upínací sady HSK s výměnným kroužkem

Pro vysoce přesné a spolehlivé upínání nástrojů se používají upínací sady HSK. V tomto prostředí firma Röhm, která se specializuje na upínací technologie a automatizaci, některé z osvědčených výrobků významně optimalizovala.

Úspora vedlejších časů

V současné době se firmy v České republice potýkají s nedostatkem pracovníků. Obzvláště citelná je tato situace v oblasti strojírenství, kde jsou na pracovníky kladeny vyšší požadavky na vzdělánV současné době se firmy v České republice potýkají s nedostatkem pracovníků. Obzvláště citelná je tato situace v oblasti strojírenství, kde jsou na pracovníky kladeny vyšší požadavky na vzdělání a praxi v oboru. Nelze ani očekávat, že se situace sama zlepší nebo nás zachrání zahraniční pracovníci. í a praxi v oboru. Nelze ani očekávat, že se situace sama zlepší nebo nás zachrání zahraniční pracovníci.

Inovace ve srážení hran velkých ozubených kol

Chamfer Contour Milling skýtá výrobcům velkých ozubených kol pro nákladní automobily flexibilní a hospodárný proces pro jejich stále důležitější operace zkosení hran / odstraňování otřepů.

Automatizovaná upínací technika

Optimalizované technologie a procesy zajišťují ve výrobních firmách stále větší produktivitu. To platí i pro centrické svěráky, které se používají například pro stacionární upínání kulatých a čtvercových obrobků na nejrůznějších obráběcích strojích.

Univerzální brusky pro broušení na kulato

Úzké tolerance a obtížně obrobitelné materiály - pro hospodárnou výrobu velmi přesných válcových obrobků vertikálním, vnějším a vnitřním broušením na kulato je zapotřebí pokroková strojní technologie. Společnost Okamoto nabízí široké portfolio řešení, která vyhovují všem požadavkům průmyslové výroby. Příkladem jsou univerzální CNC brusky IGM4VSP a UGM5V, které při broušení na kulato dosahují přesností v řádu mikrometrů.

Nový pohled na moderní CAM programování v praxi

Při své dennodenní praxi se odborníci firmy Grumant u svých zákazníků opakovaně setkávají s tím, že jsou programy připravovány přímo na strojích. Důsledkem toho jsou ztráty strojní kapacity a dále dochází ke ztrátě kontroly nad výrobním procesem z hlediska použitých strategií a řezných podmínek. Ani tam, kde se již používá CAM programování, nemusí být vyhráno. O tom, jak revolučně vidí CAM programování ve firmě Grumant, pojednává tento článek.

Řezné kapaliny zvyšují výkonnost při soustružení závitů

Závity jsou strojně obráběné prvky, se kterými se lze běžně setkat prakticky ve všech průmyslových odvětvích. A přesto, že se soustružnické závitořezné operace využívají už celá desetiletí, stále ještě se daří dosahovat v tomto procesu pokroků, zejména pokud jde o problematické materiály, jako jsou korozivzdorné oceli, žáruvzdorné slitiny (HRSA) nebo titan. Jako příklad lze uvést vývoj soustružnických závitořezných nástrojů, které jsou opatřeny přívodem řezné kapaliny z horní i ze spodní strany, jehož kombinovaná přesnost přináší prodloužení životnosti nástroje a zvýšení kvality závitů a otevírá potenciál pro použití vyšších hodnot řezných parametrů. Tento pozitivní vliv ještě více vyniká při obrábění problematických materiálů.

Progres v navyšování podílu na trhu

Skupina Plansee Group dosáhla v hospodářském roce 2017/18 konsolidovaného obratu 1,3 miliardy euro, což znamenalo nárůst o 11 % ve srovnání s předchozím obdobím. V rámci bilanční tiskové konference konané v Reutte o tom informovali členové představenstva Bernhard Schretter a Karlheinz Wex.

Chytré měření upínací síly

Společnost Kelch uvede ve 3. čtvrtletí 2018 na trh novou generaci přístroje Safecontrol 4.0. Osvědčený systém měření upínací síly ve vřetenu obráběcího stroje je kompletně přepracován a poskytuje nyní uživatelům prostřednictvím vlastní aplikace maximální flexibilitu. Další výhodou je vysoká spolehlivost a v neposlední řadě moderní ergonomický design a jednoduché ovládání.

Nové perspektivy v obrábění titanových draků letounů

Rostoucí využití titanu pro aplikace v leteckém průmyslu je za poslední léta velmi dobře zdokumentováno. Stejně tak se tématem diskuze a zkoumání staly i problémy spojené s efektivním, produktivním a vysoce kvalitním obráběním tohoto oblíbeného materiálu. Každá obrobna chce samozřejmě při frézování titanu optimalizovat výkonnost použité frézy, ale bez vhodných technologií a správného know-how to nemusí být až tak snadné. Díky převratnému objevu se však v současnosti začínají v této oblasti věci měnit.

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