HSC obrábění rotačních obrobků

Problematika vysokorychlostního obrábění nabývá stále více na významu, zejména v dnešní době. Důkazem rozvoje tohoto oboru je stále vyšší počet vyrobených strojů umožňujících obrábění při vysokých řezných rychlostech. Na začátku vývoje vysokorychlostního obrábění byla snaha o zkrácení výrobních časů. Vedle úsilí o zkrácení vedlejších časů nasazením stále rychlejších systémů výměny nástrojů, seřizování, programování atd., se projevuje snaha o zkracování hlavních časů při obrábění. Pokud jsou stroje dodávány s otáčkami vřetena například 10 000 min^-1, neznamená to ještě, že jsou určeny pro vysokorychlostní obrábění. Aby se dalo hovořit o vysokorychlostním obrábění, musí být dosaženo určité řezné rychlosti, která je však různá jak pro obráběný materiál, tak pro různé operace. Můžeme například uvažovat pro různé obráběné materiály rozsahy řezných rychlostí podle obr. 1.

Podle výzkumu ústavu technologie obrábění a obráběcích strojů na Technische Hochschule Darmstadt jsou hlavními charakteristikami vysokorychlostního obrábění tyto:

• objem odebraného materiálu vzroste tři- až pětkrát;
• pět- až desetkrát se zvětší posuvové rychlosti;
• o 30 % klesají řezné síly, protože dochází k menšímu pěchování třísky, tzn. že podstatně klesá pasivní síla deformující obrobek, takže lze vyrábět tenkostěnné součásti;
• významně klesá tepelné namáhání nástroje, protože téměř veškeré teplo je odváděno třískami a nepřechází do nástroje. Toto je obzvlášť výhodné pro obráběné materiály, které by se mohly vznikajícím teplem poškodit či deformovat;
• při vysokorychlostním obrábění je dosahováno vysoké kvality povrchu;
• snížené namáhání nástroje i stroje řeznou silou má za následek vyšší dlouhodobou přesnost obrábění;
• obrábění při vysokých otáčkách znamená velmi vysokou budicí frekvenci nástroje, takže je velká pravděpodobnost, že obrábění probíhá mimo oblast kritických frekvencí soustavy stroj - nástroj - obrobek;
• je možné používat jednodušší upínací zařízení, protože síly, kterým se musí odolávat, jsou nižší, než při užití klasické technologie.

Motivace pro HSC obrábění rotačních součástí

Ve firmě Toshulin, a. s., jsou se střídavým podílem úspěchu a neúspěchu prováděny testy s obráběním kalených i nekalených součástí (rotačních i nerotačních), které mají za cíl eliminovat z technologických postupů co největší podíl brousicích operací. Testy jsou prováděny za vydatné pomoci firmy Walter CZ, s. r. o. Vzhledem k rozsáhlé revitalizaci strojního parku Toshulinu a nasazení špičkové obráběcí techniky, zejména pak japonských strojů od firmy Mori Seiki (dodavatel fy Newtech) bylo při řešení zadání bakalářské práce logickým krokem spojit tyto firmy s cílem provést další testy za jejich laskavé pomoci.

Vzhledem k charakteru zadání bakalářské práce, jejímž jedním z bodů je vytipovat vhodnost součástí používaných ve stavbě obráběcích strojů ve společnosti Toshulin si autor zvolil rotační součásti typu vřetena (obr. 2), které firma používá ve svislých i vodorovných rotačních adaptérech. Vřeteno bylo kalené na 54-62 HRC (14220) s přídavkem na brousicí operace.

Bylo dohodnuto, že se bude postupovat obráběním kalené součásti jednak válcových ploch (plochy označené pozicemi 1 až 6 na obr. 3), jednak přerušovaným řezem přes šestidrážkový profil. Posléze bude proveden test obrábění součásti 14220  bez jakéhokoliv tepelného obrábění.

Použité technické prostředky

Jako stroj bylo vytipováno obráběcí centrum NL 3000/Y s koníkem a revolverovou hlavou s 12 nástroji. Obráběcí centra s vodorovnou osou řady NL vycházejí z více než 35leté zkušenosti firmy Mori Seiki ve stavbě soustružnických strojů. Tyto stroje vynikají vysokou tuhostí a přesností. Jsou určeny pro široký sortiment obrobků. Vyrábí se pod typovým označením NL 1500/NL 2000/NL 2500/NL 3000. Na tomto stroji je aplikován princip BMT (vestavěný náhon rotačních nástrojů  pomocí přímého náhonu), což vede k tomu, že revolverová hlava se stává tuhou a vede to též ke zvýšení tuhosti spojení hlava - držák nástrojů. Tímto konstrukčním provedením se tuhost nástrojového držáku zvedla na 180 % původního řešení. Y osa má zdvih ±50 a ±60 mm (pro největší model). Skrz vřeteno lze prostrčit materiál o průměru 61-91 mm podle velikosti stroje.

Novou konstrukcí lože bylo dosaženo torzní tuhosti, která byla zvýšena o 100 % oproti předešlému modelu. Taktéž byly rozšířeny vodicí plochy pro lepší přenos zatížení z hlavních prvků (vřeteník, koník, suport). Stroj může být dodáván v provedení s hlavním vřetenem a protivřetenem anebo s koníkem. U vřetena byla zvýšena tuhost o 50 % proti předešlému modelu. Jako náhonový prvek vřeten je použit princip DDM (přímý náhon), samozřejmostí je jeho chlazení. Stroj je navržen tak, aby bylo eliminováno ztrátové teplo a nedocházelo k ovlivňování přesnosti práce stroje.

Firma Walter dodala pro obrábění následující vybavení: soustružnické nože DCLNR 2525 M12 a DCLNR 2525 M12 s tvrdokovovou podložkou, vyměnitelné břitové destičky CNMA120412 BBN33 S202, CNMA120408 BBN33 S202 a VBD_S-CNMN120412 STB30 S202 a sadu PK245-SET.

Jednalo se o vyměnitelné břitové destičky z kubického nitridu boru a povlakované nástroje s novým utvařečem třísek.

Měřicí přístroj, jenž by obsáhl potřebné požadavky změření obrobených ploch, je kruhoměr Rondcom 44 firmy Zeiss. Na tomto přístroji z roku 2010 byla také úspěšně provedena předávací měření vřeten broušených na nově instalované brusce na vřetena Grindor. Přesnost kruhoměru pod

1 µm zajistila objektivní proměření parametrů vřeten, kde kruhovitost ložiskových průměrů se pohybuje v hodnotách 1,5 μm, válcovitost 1,5 až 2,5 μm, souosost ložiskových válcových ploch mezi 1 a 2,5 μm.

Dále byly použity běžné měřicí přístroje pro měření tvrdosti (firma EQOU typ 2, firma Prominent) a digitální teploměr pro měření teploty povrchu obrobku (GTH 175/MO fy Greisinger eletronic).

Dosažené výsledky

Celkem proběhlo pět hlavních testů a v těchto bylo uskutečněno několik podtextů. Při zkoušení vyměnitelných břitových destiček se prováděla postupně přibližování k hodnotám HSC obrábění (testy č. 1 a 2,), abychom pak provedli obrábění za podmínek, které se mohou oprávněně nazvat  HSC obrábění (test č. 3). Poté bylo provedeno obrábění s přerušovaným řezem (test č. 4) a konečně zkouška nové VBD s utvařečem za podmínek HSC obrábění na tepelně nezpracovaném materiálu (test č. 5).

•1.       test

Byl použit řezný nůž DCLNR 2525 M12 s VBD CNMA120412 BBN33 S202. Obráběný průměr se pohyboval v rozmezí 80 mm, 79,6 mm, 79,2 mm, 78,8 mm a 78,4 mm. Řezná rychlost byla měněna v rozmezí 140 m.min^-1, 180 m.min^-1, 200 m.min^-1, 300 m.min^-1, 450 m.min^-1. Posuv na otáčku byl nastaven na hodnotu 0,15 mm.ot^-1 při hloubce řezu 0,2 mm. Dosažená drsnost povrchu činila Ra = 0,50, Ra = 0,48, Ra = 0,54, Ra = 0,59, Ra = 0,54. Teplota povrchu obrobku t = 25,2 stupňů Celsia.

Nejednalo se o HSC obrábění.

•2.     test

Byl použit řezný nůž DCLNR 2525 M12 s VBD CNMA120408 BBN33 S202. Obráběný průměr se pohyboval v rozmezí 97 mm, 96,6 mm, 96,2 mm, 95,8 mm. Řezná rychlost byla měněna v rozmezí 140 m.min^-1, 180 m.min^-1, 200 m.min^-1, 300 m.min^-1. Posuv na otáčku byl nastaven na hodnotu 0,15 mm.ot.^-1 při hloubce řezu 0,2 mm. Dosažená drsnost povrchu činila Ra = 0,88, Ra = 0,89, Ra = 0,78, Ra = 0,97. Teplota povrchu obrobku t = 26,8 stupňů Celsia.

Nejednalo se o HSC obrábění.

•3.     test

Byl použit řezný nůž DCLNR 2525 M12 s tvrdokovovou podložkou, sada PK245-SET a VBD S-CNMN120412 STB30 S202. Obráběný průměr se pohyboval v rozmezí 97 mm, 96,2 mm, 96,6 mm, 95,8 mm. Řezná rychlost byla měněna v rozmezí 140 m.min^-1, 180 m.min^-1, 200 m.min^-1, 600 m.min^-1. Posuv na otáčku byl nastaven na hodnotu 0,06 mm.ot.^-1 při hloubce řezu 0,2 mm. Dosažená drsnost povrchu činila Ra = 0,3, Ra = 0,24, Ra = 0,18, Ra = 0,27. Teplota povrchu t = 30,2 °Celsia.

Zde se jednalo se o HSC obrábění (obr. 4).

•4.     test

Byl použit řezný nůž DCLNR 2525 M12 s tvrdokovovou podložkou, sada PK245-SET a VBD_S-CNMN120412 STB30 S202. Obráběný průměr se pohyboval kolem 99,9 mm. Řezná rychlost byla 130 m.min^-1. Posuv na otáčku je nastaven na hodnotu 0,06 mm.ot.^-1 při hloubce řezu 0,2 mm. Dosažená drsnost povrchu činila Ra = 0,49. Teplota povrchu obrobku t = 28,6 °Celsia.

Zde šlo o obrábění s přerušovaným řezem a bylo dosaženo velmi kvalitních výsledků.

•5.     test

Byl použit řezný nůž DCLNR 2525 M12 s VBD-CNMG 120412-RP5 WPP10S. Obráběný průměr se pohyboval v rozmezí  50-90 mm. Řezná rychlost byla 600 m.min^-1. Posuv na otáčku je nastaven na hodnotu 0,35 mm.ot.^-1 při hloubce řezu 3 mm. Zde se jednalo se o obrábění surového materiálu 14220 za podmínek HSC obrábění. Stabilita řezu byla vynikající.

Závěr

Cílem příspěvku bylo seznámit čtenáře s podmínkami HSC obrábění a dosaženými výsledky u experimentu, který souvisí s řešením bakalářské práce na Mendelově Univerzitě v Brně. Dle předběžných úvah lze dosažené výsledky aplikovat při renovacích součástí i z oboru zemědělské techniky. Použití nového utvařeče a povlaku WPP10S umožňuje vyměnitelné břitové destičky nasazovat při větší řezné rychlosti a také posuvu. Tím se zlevní výroba a dojde k uvolnění strojní kapacity pro jiný druh obrobku. Břitovou destičku vyrobenou z CBN půjde použít jako náhradu  hrubovacích brousících operací s tím, že vřeteno bude mít pouze přídavek na finální brus. Popsaným technologickým experimentem se podařilo efekty plynoucí z HSC obrábění přiblížit do praxe. Na závěr děkuji všem firmám za poskytnutí zázemí a mediální pomoc.

Tomáš Marek - student, Mendelova univerzita v Brně , AF

doc. Ing. Vlastimil Chrást, CSc. - školitel, Mendelova univerzita v Brně, AF

prof. Ing. Jan Mareček, DrSc. - Mendelova univerzita v Brně, AF

Ing. Dalibor Kryl - Walter CZ s.r.o

edgar11@seznam.cz

On-line verzi časopisu MM Průmyslové spektrum si můžete zakoupit v digitální trafice PUBLERO.COM