Témata

Kuličkové šrouby a matice ve stavbě CNC obráběcích strojů, část 5.

V současné době se jako jedna z několika možných alternativ využívá ve stavbě obráběcích center pro realizaci přímočarých posuvů elektromechanická posuvová soustava tvořená servomotorem s kuličkovým šroubem a maticí. Princip kuličkového šroubu a matice je znám více než sto let. V tomto seriálu vás krok za krokem provedeme zajímavým světem tohoto typu pohybových (polohovacích) šroubů.

Díly
Prof. Jiří Marek

Je profesorem na Ústavu výrobních strojů, systémů a robotiky FSI VUT v Brně. Zastával manažerské pozice ve výrobních společnostech Toshulin, KŠ Kuřim a TOS Kuřim. V praktické a pedagogické činnosti je zaměřen především na konstrukci obráběcích strojů a obráběcích center pro rotační i nerotační obrobky, teorii konstrukčního procesu a životního cyklu produktu a v neposlední řadě na systémovou metodologii. Jeho dlouholetou snahou je spojovat teorii s praxí do vzájemně se respektujícího celku. Je členem řady odborných organizací, členem redakční rady MM Průmyslového spektra a spoluzakladatelem MM Science Journal. Je autorem celé řady monografií, mj. i legendární knižní edice Konstrukce CNC obráběcích strojů (MM publishing).

V pátém pokračovaní se budeme zabývat moderními způsoby obrábění matic a šroubů.

Tradiční způsob obrábění

Pro výrobu hřídelí přesných kuličkových šroubů se používá ocel jakosti 14 260, CF53 nebo 42CrMo4. Matice se vyrábějí z oceli 14 109 nebo 14 209. Kvalita provedení valivých drah jednotlivých komponentů převodu určuje kvalitu funkce kuličkového šroubu, a proto jsou tyto prvky kaleny na tvrdost 58–60 HRC a u přesných kuličkových šroubů následně broušeny s cílem zajištění definovaného bodového styku kuliček v tzv. gotickém profilu závitu. Tradiční způsob obrábění znamená to, že jsou závity v hřídeli šroubu a závitu matice nejprve vyhrubovány s přídavkem na ploše závitu a posléze dojde k zakalení a broušení závitu. Tento způsob označovaný jako tradiční souvisí s tím, že v dřívějších dobách neexistovaly nástroje umožňující obrábění v tvrdém (zakaleném) stavu.

Moderní způsob obrábění KŠM

Jako progresivní se dnes ukazuje obrábění profilu závitu a ostatních rotačních ploch v zakaleném stavu. Tento způsob obrábění přináší následující výhody:

• úspora nákladů: okružování umožňuje obrábění závitu na jedno upnutí, čímž se eliminují neproduktivní operační časy. Investuje se tedy do jednoho stroje, který zvládne téměř všechny operace tvorby profilu závitu, ale v přesnosti IT5;

• úspora času: okružování dokáže odebírat více materiálu na jednu obráběcí operaci než broušení, čímž se stává rychlejším, poněvadž se provádí více operací při jenom upnutí. Dochází k dramatickému snížení doby potřebné k manipulaci s obrobky;

• zlepšená přesnost: díky obrábění na jedno upnutí se zlepšuje přesnost, obzvláště u povrchů obrobků, které jsou funkčně ve vzájemné souvislosti (házení, rovnoběžnost,…);

• ekologie: soustružení je prováděno za sucha. Tříska buď shoří, anebo tvoří charakteristické „tenké ostré vlasy“.

Při okružování profilu závitu do zakaleného polotovaru tříska často shoří anebo má tmavě modrý vzhled. (Zdroj: KSK Kuřim)
Okružovací stroje Leistritz řady LWN řídí posuv rotujících okružovacích nožů v závislosti na požadovaném stoupání vyráběného šroubu. (Zdroj: KSK Kuřim)
Obdobným způsobem, tedy v zakaleném stavu, je prováděno obrábění konců kuličkových šroubů. Výrazným způsobem se na odladění této technologie na strojích Puma podílela firma Walter CZ. (Zdroj: KSK Kuřim)

Obrábění šroubů

Rotační okružování závitu kuličkových šroubů je obrábění zakaleného povrchu hřídele nástroji s profilem závitu s cílem získat přesný výsledný profil a stoupání závitu kuličkových šroubů. Technologie je vhodná pro sériovou i kusovou výrobu kuličkových šroubů, výsledná přesnost je ovlivněna přesností okružovacího stroje a kvalitou použitých nástrojů a jejich seřízením. Standardně se zhotovují kuličkové šrouby ve třídě přesnosti IT5.

Okružuje se na strojích, u kterých sada rotujících nožů postupně na jednu otáčku odebere plný profil kuličkového šroubu. Přitom dojde k posunutí o hodnotu stoupání. Pro různé průměry kuliček existují sady nožů, které jsou zhotoveny z PCBN. Velmi záleží na kvalitě zhotovení tvaru nože.

Obrábění matic

Stroje, které jsou používány k dokončovacímu soustružení profilu závitu matic, mají extrémní odolnost proti vibracím a vynikají velkou tuhostí. Jedním z takových strojů je Mikroturn 500 XL od firmy Hembrug. Hlavní vřeteno je uloženo hydrostaticky. Ultrapřesné tvrdé obrábění vyžaduje extrémně tuhé hlavní vřeteno a rovněž tuhé vedení saní. Významnými vlastnostmi hydrostatických ložisek a saní jsou jejich tuhost, tlumení a absence kontaktu s kovem. Posledně jmenovaná znamená velmi dlouhou životnost. Další neméně důležitou výhodou hydrostatické konstrukce vedení je vysoká přesnost chodu vřetena, pokud jde o házení (0,1 μm), což znamená také absenci trhavých pohybů.

Soustružením lze progresivně dokončovat v zakaleném stavu kromě povrchů matice také profily kuličkových závitů. Pohled do pracovního prostoru stroje Mikroturn 500 XL (firma Hembrug) s upnutým polotovarem matice. (Zdroj: KSK Kuřim)

Olej se reguluje termostatem na teplotu 20 ± 0,2 °C. Dvě radiální a jedno axiální ložisko podepírají vřeteno. Model 500 CNC používá pro náhon tzv. elektrovřeteno a je chlazen ložiskovým olejem. Dále je do vřetena integrováno odměřování s rozlišením 0,001°. Řídicí software stroje tak může velmi přesně interpolovat otáčení vřetena (osa C) s posunem nástroje (osa X) kolmo k ose vřetena. Je minimalizován vliv vývoje zbytkového tepla ve vřetenu, a proto je vřeteno součástí pevného vřeteníku vyrobeného z přírodní žuly.

Tento materiál má velmi nízký koeficient teplotní roztažnosti a vysokou hodnotu specifického tepla. Znamená to, že tepelné dilatace vřetena jsou zanedbatelně malé. Vedení saní posunující řezný nástroj ve směrech X a Z mají rovněž hydrostatické vedení. Odměřování Heidenhain snímá posuvy saní s rozlišením 10 nanometrů.

Celkový pohled na kompaktní stroj Mikroturn 500 XL. (Zdroj: Hembrug)

Vysoká tuhost a tlumení jsou pro proces tvrdého obrábění nanejvýš důležité. Unikátní konstrukce strojů Slantbed-Mikroturn splňuje požadavek na vysoké tlumení. Silná žulová základová deska spočívá na těžkém ocelovém pomocném rámu za pomoci gumových tlumičů. Masa základové desky o hmotnosti 2 500 kg, malá tuhost tlumičů a částečně jejich vnitřní tření – to vše dohromady zajišťuje extrémně nízkou vlastní frekvenci se sníženou amplitudou.

Název Slantbed označuje náklon 45° základní desky. Znamená to snadnější odstraňování třísek a lepší přístupnost pracovního prostoru ve srovnání s konvenčními soustruhy.

Společnost Hembrug kompletuje své stroje v dílně klimatizované na 20 ± 1 °C. Teplotní stabilita měřicí místnosti činí 20 ± 0,5 °C. Kontrolní místnost je stabilizována na 20 ± 0,3 °C a vybavena podlahou, která je prakticky bez vibrací.

Závěrem

Moderní způsoby obrábění kuličkových šroubů a matic, zejména pak v dokončování v tvrdém (zakaleném) stavu s sebou přinášejí mnoho výhod. Tou velmi důležitou je zkrácení neproduktivních časů souvisejících s mezioperační dopravou. Domníváme se, že tudy vede cesta, jak zrychlit reakční dobu na požadavky zákazníků. Tímto příspěvkem náš pětidílný seriál o kuličkových šroubech a maticích končíme.

Prof. dr. Ing. Jiří Marek
KSK Kuřim

jiri.marek@ks-kurim.cz

Související články
MM Podcast: Každé vítězství má svůj příběh

Olga Girstlová byla v 90. letech nepřehlédnutelnou součástí vznikajícího podnikatelského prostředí tehdejšího Československa. Společně se svým otcem a manželem založili v květnu 1990 společnost GiTy. Vsadili na komoditu s obrovským potenciálem technologického růstu. Po 15 letech manželé Girstlovi však dospěli k rozhodnutí společnost prodat a dále se věnovat jiným komoditám, jako například ekologickému stavitelství. 

CIMT 2021 plně prezenční

Zatímco je celý svět paralyzovaný restrikcemi proti šíření koronaviru covid-19, v Pekingu byl dnes zahájený veletrh obráběcích a tvářecích strojů China International Machine Tool Show CIMT 2021 v plné prezenční formě a téměř shodného rozsahu, jako ročníky předešlé. Ve stejný den a po celý týden, jako Hannover Messe Digital Edition – průmyslový veletrh v plně digitální platformě.

Hannover Messe 2021

Inovace, vytváření sítí a sdílení zkušeností ve věku průmyslové transformace – to jsou klíčová motta, která představují letošní ročník digitálního Hannover Messe, na kterém více než 1 800 vystavovatelů představí svá řešení pro výrobu a energetické systémy budoucnosti. Od umělé inteligence po robotiku, od ochrany klimatu po vodík. Nejdůležitější světový průmyslový veletrh plní svoji roli jako inovační a síťová platforma a vytváří uprostřed koronové pandemie globální platformu pro výměnu zkušeností v době průmyslové transformace.

Související články
MM Podcast: Glosa - God Save the Queen

V naivní představě ekonomického perpetuum mobile zaměstnáváme v poměru k reálné ekonomice nejvyšší počet lidí ve státní a veřejné správě v rámci nejrozvinutějších zemí OECD. Rakovinotvorný rozbujelý a nevýkonný úřednický aparát, vědomě bojkotující vznik e-státu, dokonale paralyzuje správu věcí veřejných. A jeho solidarita s aktuálně zdecimovaným privátním sektorem? Home office na 100 % mzdy, její valorizace, statisícové odměny na MF za ušetřené miliardy (…). 

Související články
V hlavní roli strojař

Fakulta strojní VŠB-TUO se pro letošní rok v rámci náborové kampaně vrací k úspěšné sérii V hlavní roli strojař. Kampaň komunikuje myšlenku, že strojaři jsou hvězdy hrající hlavní roli v moderním světě. Jejím cílem je zlepšit vnímání oboru strojírenství, posílit brand fakulty, a samozřejmě také nalákat uchazeče ke studiu strojařiny.

Chytrá kombinace systémů

Vývoj obráběcích technologií v minulém století nabral na obrátkách. Dnes jsme tuto technologii dotáhli téměř k dokonalosti – jsme schopni vyrobit předměty libovolných tvarů v přesnostech na tisíciny milimetru. Dalo by se říct, že pro zlepšení zde už příliš prostoru nezbývá, přesto nás přední výrobci obráběcích strojů a nástrojů pravidelně přesvědčují o opaku. Progresivní a inovativní přístup společnosti Ceratizit je toho jen dalším důkazem. Nedávno na trh uvedla přesnou vyvrtávací hlavu Komflex z produktové řady Komet, která umožňuje automatickou korekci průměru v případě vyvrtávání přesných otvorů. Jak to nástroj dokáže, upřesňuje v následujícím rozhovoru technický ředitel společnosti Ceratizit Česká republika Ing. Jan Gryč.

MSV ve znamení materiálů i technologií

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro Mekku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, mimo lidi z dalších oborů, setkají i výrobci plastů a též špičkových zařízení pro plastikářskou výrobu. Na naše otázky odpovídají Pavel Tuláček, jednatel společnosti Gorilla Machines, a David Svoboda, jednatel Sumitomo (SHI) Demag Plastics Machinery Česko.

Aditivně s nadzvukovou rychlostí

Společnost Hermle je známá především pro svá přesná pětiosá obráběcí centra a nadstandardní servis. Už málokdo ví, že vyvinula také stroj pro aditivní výrobu kovových dílů. Přestože je i tato technologie založena na postupném vrstvení kovového prášku na součást, nedochází zde ke spékání prášku laserovým paprskem, ale kovový prášek je tryskou doslova nastřelován na díl nadzvukovou rychlostí. Na detaily jsme se zeptali technického zástupce společnosti Hermle Pavla Němečka.

Názorové fórum odborníků

Respondenty jsme požádali o jejich názor na podobu budoucích technologií. Současná situace přinesla mnoho omezení, mezi jinými postihla také dodavatelské řetězce, znemožnila včasné dodávky do výrobních podniků a přinesla vyšší nároky na bezpečnost zaměstnanců. Jaké nové technologie podle vás mají v současné situaci největší potenciál se prosadit?

Svařování mědi pomocí vláknového laseru

Rychlý rozvoj v oblasti elektromobility vede ke zvýšení poptávky po svařování mědi. To, co ji činí pro danou aplikaci ideální (tj. vysoká elektrická a tepelná vodivost), ji zároveň činí obtížně svařitelnou konvenčními vláknovými lasery. Díky vyšší efektivitě, zhruba dvojnásobné, někteří výrobci zkoušejí používat zelené pevnolátkové lasery. Výsledkem je stabilnější a méně citlivý proces, než jaký byl možný u standardních vláknových laserů.

Procesně stabilní zpracování recyklátů

Do roku 2025 si Evropská unie klade za cíl ročně více než zdvojnásobit používání recyklátů při výrobě plastových výrobků [1, 2]. K dosažení tohoto cíle jsou kromě závazku firem působících na trhu a vyšší kapacity při zpracování plastového odpadu zapotřebí především nové technologie zpracování. Recykláty je nutné používat v daleko větší míře a v ještě vyšších poměrech. S novými procesy vstřikování na jedné straně a inteligentní podporou na straně druhé sleduje výrobce vstřikovacích strojů Engel různé a často velmi slibné přístupy. Výroba boxů a kontejnerů ukazuje na velký potenciál.

Uplatnění kovového 3D tisku

Společnost Misan z Lysé nad Labem se aditivními technologiemi kovových dílů zabývá a tato zařízení v České republice distribuuje už osm let. Dalo by se říct, že je jedním z průkopníků s těmito technologiemi na českém trhu. Z toho pochopitelně vyplývají také její bohaté zkušenosti s touto relativně mladou výrobní disciplínou. Na otázky, kde tyto technologie nacházejí uplatnění a v jakých oblastech mohou vyniknout, jsme se ptali aplikačního inženýra pro kovové aditivní technologie Jana Hudce.

Aditivní výroba velkých dílů

Porto patří k největší průmyslové oblasti Portugalska. Od roku 1956 zde sídlí přední světový výrobce strojů technologie tváření – společnost Adira.

Fórum výrobních průmyslníků

Jaké zásadní problémy vám současná doba přináší do chodu firmy, jak se je snažíte řešit a s jakým výsledkem?

Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členy 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