Hluboké vrtání ve výrobě klikových hřídelí

Jak název napovídá, historie společnosti Strojírny Poldi souvisí s kladenskými hutěmi. Počátek tradice hutní výroby na Kladensku můžeme datovat do poloviny 19. století. Ke konci století, přesněji v roce 1889, zde byla v sousedství stávajících železáren založena huť Poldi, která byla zaměřena na výrobu ušlechtilých ocelí a záhy v tomto oboru dosáhla značné proslulosti. Brzy zde vyvstala potřeba dalšího zpracování některých výrobků, a tak postupně vznikaly takzvané mechanické provozy orientované na obráběcí technologie. Zde se již od roku 1897 začaly obrábět i klikové hřídele. „Ty se v Poldině huti vyráběly kompletně,“ upřesňuje Ing. Vladimír Trubač, ředitel dnešní společnosti Strojírny Poldi. „Nalila se ocel, vykovala v kovárnách a obrobila v mechanických provozech. Nejslavnější bylo asi předválečné období, kdy si tady objednával klikové hřídele pan Porsche nebo firma Junkers. Kliková hřídel vyrobená v Poldovce v roce 1928 byla použita v motoru letadla Junkers W-33 Bremen, které jako první přeletělo nonstop Atlantik ve směru z Evropy do Ameriky.“ Tradice výroby klikových hřídelí byla přes všechny spletitosti osudu a zejména zpackanou privatizaci hutí v 90. letech zachována dodnes. Jen ta ocel se zde již nevyrábí a polotovary ke zpracování se nevozí ze 100 metrů vzdálené kovárny, ale z Anglie, Švédska nebo Německa.

Privatizací části mechanických provozů v roce 1993 vznikly dnešní Strojírny Poldi, a. s. „Od začátku privatizace bylo cílem udržení zdejší výroby,“ podotýká ing. Trubač. „Nebylo to zcela jednoduché, neboť za socialismu byla výroba zaměřena na tuzemský trh. Jen Zetor tehdy vyráběl 45 000 motorů ročně.“ Další klikové hřídele se vyráběly pro všudypřítomné avie nebo vojenské obrněné transportéry BVP. „Jelikož tato výroba padla, museli jsme se zaměřit na export,“ vysvětluje ředitel. „To se celkem podařilo, a tak nyní dosahujeme téměř 90% podílu exportu, a to jak u klikových hřídelí, tak i u našich dalších výrobků, což jsou válce pro válcování plechů za studena a nástroje z rychlořezné oceli.“

Současný export směřuje především do Německa, Skandinávie, Švýcarska, Brazílie, USA nebo Jižní Afriky. Ke známým odběratelům patří firmy Liebherr, Volvo, AGCO (výrobce zemědělské techniky) nebo MAN. Kromě toho společnost dodává prototypy pro automobilky, zejména pro Škodu VW. Ročně se v Kladně vyrobí 70 až 80 tisíc klikových hřídelí. V plánu jsou další investice, jejichž cílem je zvýšení výrobní kapacity na 130 000 klik ročně.

V souvislosti s exportním zaměřením firmy musela společnost investovat do obnovy výrobního zařízení, které je nyní srovnatelné s technickým vybavením konkurence. Z podstatné části jde o jednoúčelová zařízení pro výrobu klik. Technickou úroveň vybavení přitom ovlivňuje jedna zásadní skutečnost: „Současné učňovské školství neprodukuje, co je potřeba,“ konstatuje ing. Trubač. „To znamená, že dnes neseženete žádného obráběče, takže de facto musíte kupovat stroj, který je za určitých předpokladů schopen vyrobit to sám, bez velkého ovlivňování obsluhou. To je prakticky jediná cesta. Druhou věcí je, že takovýto stroj to vyrobí kvalitně a ve velmi zajímavém čase.“ Strojírny tak dnes disponují high-tech zařízením, ať už jde o brusky, vyvrtávačky či další CNC stroje.

Co se týká nástrojového vybavení, to je poptáváno v rámci dodávky technologie již u výrobců nových strojů. Výrobce pak musí stroj dodat včetně prvního vybavení, seřízený a dále musí zdokladovat a předvést, že stroj je schopen provádět požadované operace. První vybavení tak může pocházet buď od dodavatele technologie, nebo je na základě zkušeností požadováno nástrojové vybavení od konkrétní firmy. „Jednou z variant je, že máme mašiny, kde jsme požadovali nástrojové vybavení od firmy Walter, protože s ní dlouhodobě spolupracujeme,“ vysvětluje ing. Trubač. „Také jsme ale měli mašiny, které byly vybaveny nástroji různých jiných výrobců. Tato roztříštěnost byla nevyhovující, a tak jsme postupem doby díky dobré spolupráci s firmou Walter vybavení sjednotili. V případech, kde se jedná o speciální nebo špičkové nářadí, se tak Walter zapojuje buď hned při výrobě stroje, anebo nahrazuje první vybavení svými nástroji.“

Nyní se již můžeme podívat do výroby. Zdejší výrobní haly by mohly o historii naší země, která se zde odrážela v podobě vyráběných hřídelí určených pro konkrétní motory, leccos vyprávět. Je však třeba říci, že na svou dobu byly postaveny velkoryse, a tak v prostorách, které pamatují transmisemi poháněné obráběcí stroje, dnes najdeme nejmodernější „céencéčka“ pracující s přesností na tisíciny milimetru. Mými průvodci po výrobě byli Pavel Novák, referent nákupu Strojíren Poldi, technolog Jan Sůva a Pavel Büttner, obchodník společnosti Walter CZ. Hlavní pozornost byla věnována technologiím hlubokého vrtání, ale myslím, že nejlépe bude představit je v kontextu celého technologického postupu výroby klikových hřídelí.

V současnosti již polotovarem pro obrábění klikových hřídelí nebývají klasické zápustkové výkovky vyráběné pod buchary, ale výrobky z lisů, které přicházejí do strojíren již se zarovnanými čely, navrtanými středicími důlky a dynamicky předvážené. První operací je tak soustružení obou konců, jehož účelem je připravit hřídel pro upnutí při dalších hrubovacích operacích. Následuje hrubovací frézování hlavních a klikových čepů, během něhož se vytvářejí průměry čepů, boky ramen, obvody protizávaží a další plochy. Provádí se na okružních frézovacích strojích, kde jako nástroje slouží okružní frézovací hlavy, jejichž vnitřní průměr je osazen výměnnými kazetami s břitovými destičkami. Další operací je opět soustružení obou konců, nyní již na čisto nebo s přídavkem na broušení.

Poté přichází na řadu vrtání mazacích otvorů sloužících k rozvodu oleje z hlavních čepů – tedy z bloku motoru – do klikových čepů, tj. pod ojnice. Jedná se náročnou operaci, v níž excelují právě nástroje Walter. Obvykle jde o výrobu dlouhých otvorů s průměrem 5 až 8 mm. Ty mohou být buď šikmé pro spojení hlavního čepu s klikovým, nebo kolmé, procházející hlavním nebo klikovým čepem kolmo k jeho ose.

Pro tuto výrobu se v současné době používá několik technologií. Historicky nejstarší je vrtání ocelovými vrtáky mazanými volně tekoucí emulzí na jednoúčelových strojích. Tento postup je nyní již prakticky opuštěn, neboť je poměrně zdlouhavý a neumožňuje dosáhnout takové kvality povrchu vývrtu jako u modernějších technologií. Na těchto strojích bylo možné za jednu směnu vyvrtat 5 klikových hřídelí, přičemž ještě bylo nutné v další operaci vytvořit zahloubení.

^-1. Také v tomto případě ještě následuje operace zahloubení a odjehlování, avšak technologie je podstatně produktivnější a umožňuje za jednu směnu vyvrtat asi 40 klik.

Nejmodernější technologii představuje centrum pro hluboké vrtání. Zde odpadá nutnost zafrézování, a to díky unikátnímu pilotnímu vrtáku Walter A7191TFT Xtreme Pilot 180 se 180° úhlem špičky. Ten si dokáže poradit i v tak nepříznivých podmínkách, jako je najíždění pod úhlem 36° do válcové plochy pod osou čepu. Poté již přichází ke slovu dvoubřitý spirálový vrták ze slinutého karbidu A6994 Xtreme DH30 umožňující vrtání do hloubek až 30x D. Také u těchto vrtáků je použito vnitřní chlazení, avšak stlačeným vzduchem s olejovým přimazáváním (tzv. chlazení s minimálním mazáním). Otáčky nástroje dosahují hodnoty až 3 800 min^-1 při posuvu 800÷850 mm.min^-1 dle typu hřídele. Stroj navíc dokáže provést zahloubení a odjehlování, vyfoukat vyvrtané kanálky a přitom během směny obrobit kolem 75 klikových hřídelí. Nárůst produktivity ve srovnání s původní technologií je skutečně obdivuhodný, zvláště pokud si uvědomíme geometrické parametry vrtaných děr. Přitom jsou pro tuto práci používány katalogové nástroje. Odladění technologie však vyžaduje zkušenosti a aktivní přístup nejen ze strany výrobce hřídelí, ale i dodavatele nástrojů.

Po provedení zmíněných operací následuje indukční povrchové kalení a následné popouštění pro snížení vnitřního pnutí. Cílem je zlepšení pevnostních parametrů a zvýšení odolnosti funkčních ploch na hřídeli. Během kalení se však do hřídelí vnáší velké vnitřní pnutí, čímž dochází k jejich deformaci. Řízeným postupem ohřevu a chlazení na CNC kalicích strojích jsou tyto nepříznivé vlivy do jisté míry eliminovány.

Po tepelném zpracování se již provádějí dokončovací operace. K těm nejnáročnějším patří broušení hlavních a klikových čepů s přesností na tisíciny milimetru, které se provádí se na konvenčních nebo CNC bruskách brusnými kotouči z kubického nitridu boru. Poté následuje ještě broušení obou konců klikové hřídele.

Další operací je vrtání a závitování konců, kde opět přicházejí ke slovu i nástroje Walter. Historicky se tyto operace prováděly na speciálních jednoúčelových strojích a vrtačkách s použitím vrtacích šablon. Jako nástroje se používaly běžné vrtáky, výhrubníky, výstružníky a závitníky z rychlořezných ocelí. Jeden dělník tímto způsobem dokázal zpracovat 6 až 7 klik za směnu. Tyto konvenční stroje byly postupně nahrazeny horizontálními obráběcími centry, kterým na obrobení jedné hřídele stačí 6 až 9 minut. Zde se již používají vícestupňové vrtáky, buď monolitní nebo s vyměnitelnými břitovými destičkami a obvykle jde o nástroje z povlakovaných karbidů. Ještě rychleji si se svou prací poradí nejnovější bezobslužné obráběcí centrum doplněné robotickým pracovištěm, kterému na jednu hřídel postačí strojní čas v délce 1 minuty a 40 vteřin. Dosažení takto krátkého času by již nebylo možné bez speciálních nástrojů sdružujících několik operací do jedné. Jejich dodavatelem je právě společnost Walter CZ a jde o sdružené nástroje vyvinuté a vyrobené na zakázku pro co nejrychlejší obrobení konkrétních typů hřídelí.

Podle konkrétního typu hřídele ještě následuje obrobení drážek, případná montáž příslušenství a poté dynamické vyvážení, při němž se provede odvrtání nebo odfrézování nevývažků na určených místech, obvykle na protizávažích. Nakonec zbývá provést leštění hlavních a klikových čepů, při němž je dosaženo požadované drsnosti, obvykle Ra 0,2–0,4, jehož není možné dosáhnout broušením. Úplně na závěr se provádí defektoskopická kontrola, jejímž účelem je odhalit případné trhliny nebo povrchové vady na hřídeli. Jejím principem je zmagnetování hřídele a její polití detekční kapalinou obsahující detekční částice. Ty se shluknou okolo případné trhliny, čímž dojde k jejímu zvýraznění. Většího zvýraznění těchto vad se dosáhne použitím fluorescenční detekční kapaliny pod UV lampou. Nyní zbývá jen zabalit a expedovat.

Spolehlivou funkci klikových hřídelí v provozu ovlivňuje kromě jiného řada špičkových technologií použitých při jejich výrobě. Jednou z nich je technologie hlubokého vrtání, v níž hrají prim nástroje Walter.

Pavel Marek

Foto: autor
Historické záběry: archiv Strojíren Poldi

pavel.marek@mmspektrum.com