Kombinace obrábění a jeden nástroj

Protahování je osvědčená metoda obrábění používaná tehdy, když je zapotřebí vysoká přesnost. Při správném použití může být vnější protahování velice efektivní z hlediska dosažení úzkých tolerancí a kvality opracování a často se používá pro operace prováděné na jeden zdvih, kde nástroj je buď tažen, nebo tlačen. Při rotačním protahování se nástroj otáčí a současně je přitlačován k obrobku, přičemž často vytváří nějaký tvar. Princip protahování je založen na postupném odebírání materiálu s malou hloubkou řezu pro jednotlivé zuby, přičemž zuby jsou uspořádány v daném sledu. Obecně se jedná o vysoce produktivní, bezproblémovou metodu s minimálními nároky na seřízení nástrojů, určenou pro hrubovací až dokončovací řezy prováděné na jeden průchod.

Frézování samozřejmě také patří k osvědčeným metodám obrábění, je však mnohem pružnější. V tomto případě jde o rotující, mnohobřité nástroje, využívající moderní technologie s vyměnitelnými břitovými destičkami, které jsou dostupné v mnoha tvarech tak, aby bylo možné provádět široké spektrum operací a vytvářet rovné nebo zakřivené plochy a různé dutiny, drážky, hrany apod. V situacích, které umožňují použití rotující frézy, která se radiálně posouvá po obráběné součásti a je nastavena tak, že vytváří určitou tloušťku třísky, stále dominuje čelní frézování – univerzální, vysoce produktivní metoda vhodná pro hrubování i dokončování, při kterém je obvykle vyžadován určitý stupeň seřízení nástrojů.

Dvě metody obrábění – jediný nástroj

Technologie využívané u moderních obráběcích nástrojů se nyní dostaly do stadia, kdy spojením výše popsaných metod obrábění bylo možné vytvořit jejich jedinečnou kombinaci v jediném nástroji. Díky moderním technologiím výměnných břitových destiček byly tyto dvě základní metody obrábění úspěšně spojeny, což přineslo zlepšení výsledků při obrábění rovinných ploch na součástech ze slitin hliníku, zvláště vík a hlav válců v automobilovém průmyslu. Zcela nová koncepce, která usnadňuje nastavení řezných hran, umožňuje vysokou rychlost obrábění a dovoluje vysoce kvalitní opracování povrchu s dodržením přísných tolerancí, aniž by docházelo k vytváření výrazných otřepů typických pro hliníkové slitiny. Řešení pro dlouhotrvající, často problematické, ve velkém počtu prováděné operace, které je skoro až příliš dobré na to, aby bylo vůbec reálné.

Fréza CoroMill 5B90 byla vyvinuta s využitím kombinace těchto dvou metod, přičemž celkový pohyb (zdvih při protahování) v axiálním směru (axiální hloubka řezu při konvenčním frézování) je vykonán během jedné otáčky frézy, zatímco posuv probíhá stejně jako u frézování. Např. sada deseti břitových destiček je umístěna tak, aby každá z nich mírně vyčnívala vůči předchozí a měla určitý přesah na jeden zub tak, aby se axiální hloubka řezu rozdělila na jednotlivé zuby frézy. Velikost záběru každé břitové destičky může běžně dosahovat 0,1 mm a běžný krok v radiálním směru (posuv na zub) je 2 mm. Tím je tedy určena tříska odebíraná jednotlivými břity. Každou břitovou destičku lze považovat za hrubovací břit doplněný jedním širším břitem, který plní úlohu hladicího břitu a určuje konečnou kvalitu obrobené plochy a velikost tolerancí.

Náročné požadavky – náročné materiály

Tato koncepce čelních fréz nyní způsobila převrat v oblasti čelního obrábění hliníkových součástí, kde se náročnost obráběných součástí neustále zvyšuje a pro výrobce může být náročné najít řešení, která jsou z hlediska nákladů efektivní. Požadavky na materiály se s rostoucími provozními teplotami motorů a rostoucími spalovacími tlaky, které zvyšují jejich mechanické namáhání, stávají stále přísnějšími a jako součást zdokonalování systému spalování jsou víka/hlavy válců navrhovány s ještě více multiportálovou konstrukcí. Slitiny se také mění podle příslušného typu paliva. Nároky na slitiny hliníku tak značně narůstají, což ovlivňuje slitiny samotné, jejich odlévání, tepelné zpracování – a následně i obrobitelnost.

Pokud jde o nástrojové materiály, jediným reálným řešením jsou dnes moderní nástrojové třídy z polykrystalického diamantu (PCD). Vzhledem k tomu, že jsou extrémně tvrdé – více než dvakrát tvrdší než slinutý karbid – mohou pouze břitové destičky z PCD poskytnout uspokojivou životnost nástrojů – udržují kvalitu v požadovaných mezích po dlouhou dobu. Ve srovnání se slinutými karbidy a ostatními materiály jsou životnosti nástrojů při obrábění slitin s křemíkovými vměstky (8–18 % Si), kvůli kterým obráběné součásti působí na nástroje extrémně abrazivně, často pětinásobné i delší. Správná PCD břitová destička má tedy dobré mechanické vlastnosti, což ji činí méně choulostivou na rázové namáhání při přerušovaných řezech. Nástrojové třídy mohou být také speciálně koncipovány tak, aby co nejlépe odpovídaly parametrům slitiny, a břitové destičky mohou být navrženy s optimální mikrogeometrií – díky tomu je fréza způsobilá pro použití vysokých řezných rychlostí a umožňuje spolehlivý obráběcí proces.

Nástroj pro čelní obrábění hliníkových bloků

Fréza CoroMill 5B90 je nástroj s relativně malou zubovou roztečí, pro který je zapotřebí menší počet břitových destiček a který je navrhován s ohledem na optimalizaci jednotlivých aplikací. Tangenciálně upínané PCD břitové destičky jsou uchyceny v ocelovém prstenci s pevnými lůžky břitových destiček, který je namontován do hliníkového tělesa frézy. Vlastní záběr nástroje je kombinací protahování a frézování, přičemž pro posunutí této výrobní oblasti vpřed bylo využito to nejlepší z obou těchto metod. Fréza je navržena podle několika aplikačních hledisek, jako jsou: ideální průměr frézy, žádné navazující stupně na obrobené ploše součásti, otáčky vřetena, přídavek na obrábění/hloubka řezu a posuv stolu. Zapotřebí je pouze jedna hladicí/dokončovací břitová destička a  individuální přednastavení břitových destiček není nutné – přestože jde o vysoce přesnou frézu. Tangenciální břitové destičky byly u této frézy s relativně malou zubovou roztečí navrženy a umístěny tak, aby byla zajištěna přesnost, nízké řezné síly a plynulý průběh záběru nástroje. Dosahovaná kvalita opracování a tolerance bez problémů splňují požadavky automobilového průmyslu.

Náročnost úkolů v této oblasti obrábění neustále roste a výrobci součástí z hliníkových slitin mají na svém seznamu požadavků řadu myšlenek a hledisek, z nichž se při vývoji frézy CoroMill 5B90 vycházelo: dlouhá, konzistentní životnost nástrojů, vysoká, spolehlivá produktivita, jednoduché a rychlé seřízení nástrojů, dobrá kontrola utváření třísek, úplná kontrola všech kvalitativních parametrů součásti, odstranění nebo značné omezení tvorby otřepů. Právě tento poslední faktor se ve stále větší míře stává překážkou toho, aby z pohledu moderního obrábění operace splňovaly všechny podmínky. Tvorba otřepů představovala v této oblasti převládající problém. U mnoha čelních fréz pro frézování hliníkových slitin dochází v průběhu záběru k neuspokojivému utváření třísek, které navíc odcházejí špatným směrem, a když se fréza dostane na konec řezu a opouští frézovanou plochu, často zde zanechává otřepy, které časem narůstají do nepřijatelných rozměrů, což má za následek předčasné ukončení životnosti břitových destiček frézy. Řada fréz pak vyžaduje výměnu břitových destiček a pracné nastavení jednotlivých břitů. Opakovaně dochází k prostojům strojů a manipulace s nástroji je častá a drahá.

Příklady aplikace frézy

Fréza CoroMill 5B90 je využívána řadou výrobců hliníkových bloků. Jako ideální oblast použití se ukázalo obrábění hlav válců v automobilovém průmyslu, kde tento nástroj nabízí značné výhody. V jednom případě byla požadována fréza o průměru 315 mm, která by měla jedenáct zubů včetně jedné hladicí břitové destičky – bez nutnosti seřizování nástroje. Byly zvoleny nástrojové třídy PCD břitových destiček, jedna třída pro deset hrubovacích destiček a jedna pro hladicí destičku umožňující optimalizaci výkonnosti při velikosti přídavku na obrábění 0,7 mm. Použitá řezná rychlost byla 2 500 m.min-1 a posuv na otáčku 2,2 mm. Posuv na zub tedy vychází na 0,19 mm a posuv stolu na 5 600 mm za minutu. Obsah křemíku se u těchto hliníkových slitin pohybuje v rozmezí 6 a 9,5 %. Dříve používaná fréza pro čelní obrábění hliníkových slitin na průběžné výrobní lince umožňovala obrobení v průměru 12 000 bloků, než bylo nutné provedení výměny nástroje kvůli nepřijatelné, rozsáhlé tvorbě otřepů na čelní straně a hranách obráběné plochy. Fréza CoroMill 5B90 na jedno seřízení obrobila přes 40 000 bloků, přičemž naměřené hodnoty rovinnosti dosahovaly velikosti jedné třetiny tolerance pro danou plochu.

V případě další aplikace spojené s obráběním bloků z hliníkové slitiny s obsahem křemíku 9 % byla použita fréza CoroMill 5B90 o průměru 160 mm při řezné rychlosti 1 800 m.min-1, posuvu stolu 7 000 mm.min-1 a posuvu na otáčku 2 mm. Naměřená kvalita povrchu byla Rmax 2,40, Wt 1,70, Rz 2,20 a Ra 0,35 – což celkem dobře odpovídá požadavkům výrobce a s podstatně delší životností nástroje než u nahrazené frézy. Hlavní výhodou bylo to, že během prvního roku se ve výrobě podařilo ušetřit téměř 150 hodin – právě díky výměně za nový nástroj.

V případě další aplikace v automobilovém průmyslu se u čelně obráběných ploch hliníkových hlav válců podařilo zamezit nadměrné tvorbě otřepů. Při použití frézy CoroMill 5B90 se životnost nástroje ztrojnásobila, sklon k tvorbě otřepů se snížil na minimum a díky mnohem rychlejším výměnám nástrojů, prováděným ve vlastní režii, se podařilo eliminovat nákladné prostoje. Dalším kladem bylo odstranění drahé manipulace s nástroji: dříve musel být nástroj odeslán zpět dodavateli na seřízení pokaždé, když potřeboval nové břitové destičky. Kromě toho, namísto 30 břitových destiček u původní frézy, jich má fréza CoroMill 5B90 jen 12.

Birgit Schöniger

b.schoeniger@pinnaclemarcom.com

www.sandvik.coromant.com/cz