Hybridní obráběcí stroje

Hybridní obráběcí stroje představují snahu o sdružení několika různých technologií do jednoho obráběcího stroje. Zkrátí se tím na minimum nevýrobní časy a v důsledku i výrobní cykly. V širším obecném pohledu můžeme říci, že každé současné obráběcí centrum je hybridní stroj, ve kterém jsou sdruženy různé technologie třískového obrábění, např. frézování a vrtání. Většinou však je pod pojmem hybridní stroj myšlen stroj sdružující technologie založené na rozdílných principech.
Ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT) jsme vyvinuli a realizovali v letech 2000 až 2012 dva hybridní stroje. Volili jsme kombinaci technologie třískového obrábění a laserových technologií. Laser byl zvolen pro jeho rozmanitost možností prováděných technologií. Laserem lze provádět řezání, gravírování, mikrofrézování (je možné vyrábět ostré rohy v dutinách), popisování, různé technologie tepelného zpracování (např. kalení), nanášení materiálu, opravu poškozených nebo špatně vyrobených součástí (např. zavařování mikrotrhlin), opotřebovaných součástí a nástrojů (formy, zápustky, střižné nástroje), svařování, navařování materiálu pro renovaci součástí, nanášení povlaků, čištění povrchu součásti atd. Další výhodou laseru je schopnost opracovávat velmi rozmanité materiály: všechny druhy kovů, plasty, dřevo, sklo, keramiku i papír.

První hybridní stroj byl v RCMT na Fakultě strojní při ČVUT v Praze vyvinut a realizován skupinou Laserové technologie ve spolupráci s firmou Kovosvit MAS Sezimovo Ústí. Jedná se o obráběcí centrum typ MCVL 1000 Laser s vestavěným pevnolátkovým laserem.

Základem stroje je osvědčené obráběcí centrum MCV 1000, u kterého je na vřeteníku připevněn Nd:YAG laser o výkonu 50 W. Stroj je dále doplněn numericky řízeným otočným a naklápěcím stolem. Toto uspořádání umožňuje provádět obrábění řeznými nástroji, až v pěti řízených osách a vestavěným laserem lze provádět výše uvedené laserové operace. Podle požadované technologie je nutné volit typ a parametry laseru. Základní parametry námi zvoleného laseru jsou uvedeny v tabulce.

Obráběcí centrum bylo úspěšně používáno například pro výrobu elektrod pro EDM, kalení drobných výrobků, popisování součástí, svařování, řezání trubek malého průměru bez deformací a bez ostřin ve vnitřní ploše trubky, k dekoraci skla a keramiky a k zavařování trhlin vzniklých při lití speciálních slitin.

Ve spolupráci s firmou Intos Žebrák jsme vyvinuli a realizovali další stroj s vestavěným laserem. Jedná se o nástrojařskou frézku FNG 50 CNC Laser. Základem je komerčně dodávaná a v praxi osvědčená nástrojařská frézka s typovým označením FNG 50 CNC, do níž byl na vřeteník opět zabudován Nd:YAG laser o výkonu 50 W. Zabudováním laseru jsme rozšířili použití stroje o laserové technologie uvedené výše. V obou případech jsme použili jako základ v praxi osvědčený stroj, čímž jsme ušetřili náklady na vývoj zcela nového stroje.

Ve spolupráci s firmou Kovosvit MAS bylo dále navrženo několik variant možného umístění laseru v CNC soustruhu typ SPM 16, který je určen pro výrobu menších přesných součástí. Cílem řešení bylo posoudit možnost optimálního umístění laseru pro opracování součástí a zhodnotit výhody a nevýhody jednotlivých řešení. Varianty řešení:

1. Laser je umístěn na nástrojové hlavě nad nástrojovou deskou.

Výhodou je jednoduchá a krátká optická cesta paprsku laseru nevyžadující žádná zrcadla, lze jej použít pro jakoukoliv nástrojovou hlavu. Nevýhody – je nutné zvětšit výšku stroje, optická cesta zmenší počet nástrojů upnutých v nástrojové hlavě a laser je nutné pečlivě zakrytovat.

2. Laser je umístěn na horní ploše tělesa nástrojové hlavy. 

Výhody – paprsek laseru je veden mimo nástrojovou hlavu, krátká optická cesta, laser je kryt nástrojovou hlavou. Nevýhody – je nutné zvýšit výšku pracovního prostoru, optická cesta zmenší počet nástrojů upnutých v nástrojové hlavě, pro nasměrování paprsku laseru je nutné použít zrcadlo a krytovat optickou cestu.

3. Laser je umístěn za nástrojovou hlavou rovnoběžně s osou vřetena, paprsek laseru je veden osou nástrojové hlavy.

Výhody – dobré zakrytování optické cesty paprsku, laser je kryt nástrojovou hlavou, optická cesta zmenší počet nástrojů upnutých v nástrojové hlavě pouze o jeden a není třeba měnit vnější rozměry a uspořádání pracovního prostoru stroje. Nevýhody – je nutné použít nástrojovou hlavu s dutým vřetenem a rozšířit prostor za nástrojovou hlavou. Laser je zranitelnější, protože trčí volně do prostoru.

4. Laser je umístěn za nástrojovou hlavou, osa laseru je kolmá na osu vřetena nástrojové hlavy. 

Výhody – nehrozí poškození laseru při obrábění řeznými nástroji, snížení počtu upínacích míst v nástrojové hlavě pouze o jednu pozici, není nutné zvětšovat rozměry stroje. Nevýhody – je nutné použít dvě zrcadla.

Uvedené příklady různých konstrukcí strojů ukazují, že laser je možné zabudovat do každého obráběcího stroje. Kromě uvedených strojů jsme navrhli a realizovali též tři stroje pouze s laserem. Základem byl vždy starší stroj, v našem případě například frézka z roku 1966, kde jsme odstranili konzolu a nahradili ji laserem. Využití starých strojů šetří investice.

Dále byla naše pozornost zaměřena na kombinaci výrobních metod 3D tisku s frézováním a vrtáním, což by umožnilo vyrábět tvarově velmi složité součásti s kvalitním povrchem a přesnými rozměry, včetně dutin.

Velmi atraktivní je spojení třískového obrábění s tepelným zpracováním, zejména kalením. Výrobní náklady by se výrazně snížily. Pro kalení součástí do větších hloubek má však laser oproti třískovému obrábění podstatně menší pracovní rychlost. To je nevýhoda všech hybridních obráběcích strojů, kde naladění pracovních časů bývá obtížné. Výhodná je konstrukce modulární, která umožňuje navrhnout optimální řešení. Ve výzkumu by bylo vhodné věnovat se možnosti nahrazení povrchového kalení kuličkováním nebo válečkováním.

Malá pozornost je zatím věnována kombinaci třískového obrábění s dokončovacími metodami obrábění. Nabízí se např. kombinace vyvrtávání a honování vložek do válců motorů.

Z uvedeného je zřejmé, že je potřebné věnovat pozornost výzkumu optimálního naladění technologií třískového obrábění a tepelného zpracování, případně s dokončovacími technologiemi.

Na řešení projektu se vedle autora článku podíleli: Ing. Ladislav Kraus, Ing. Zuzana Kerečaninová, Ph.D., a Ing. Radka Bičišťová.

Tyto výsledky byly získány za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci podpory projektů výzkumu a vývoje.

RCMT, ČVUT v Praze, Fakulta strojní

Jaroslav Řasa

jar.rasa@seznam.cz