Multifunkční obráběcí centra

Podobně jako v nedávné technické minulosti, tak i dnes je trend sdružovat různé operace třískového obrábění na jednom stroji s cílem:

• docílit větší přesnosti obrábění – obrábí se co nejvíce operací na jedno upnutí;
• zajistit komplexní opracování obrobku bez přepínání na jiný stroj z důvodů minimalizace ztrátových časů;
• zkrátit čas obrábění a zvýšit jakost opracování;
• co nejméně zaplatit za další, mnohdy zbytečně nakupované stroje.

Dalo by se říci, že na shora uvedené požadavky postačí stroj typu obráběcí centrum. Pro obráběcí centra je charakteristické, že jedna ze dvou základních operací třískového obrábění je dominantní. Tedy např. soustružení je dominantní a frézování doplňkové, anebo naopak. Pak jsou tato obráběcí centra používána převážně pro obrábění nerotačních obrobků, anebo převážně pro obrábění rotačních obrobků. Pro multifunkční obráběcí centra je charakteristické, že ani jedna ze dvou základních operací třískového obrábění není z hlediska přenášení výkonu dominantní. Dnešním trendem je tyto rozdíly instalovaných výkonů pro různé operace třískového obrábění (frézování a soustružení) přibližovat. Kromě toho dalším trendem je, že stroje mají velkou kinematickou adaptabilnost v obrobku a nástroji – tzn. že jsou vybavovány různými hlavami, kyvnými a posuvnými stoly. Ve své morfologii mají multifunkční obráběcí centra stejný stavební rys jako obráběcí centra.

Pokud chceme hovořit o obráběcím centru, musí tento stroj umožňovat různé třískové operace (např. vrtání, frézování, soustružení, broušení), mít automatickou výměnu nástrojů a v neposlední řadě pracovat v automatickém cyklu. K těmto třem základním atributům přistupuje i automatická výměna obrobků, prvky diagnostiky a měření, případně vybavení prvky inteligence. Multifunkční obráběcí centra jsou konstrukčně odvozena z CNC soustružnických anebo frézovacích obráběcích center.

• vlastnosti obráběcího centra;
• navíc přidanou hodnotou spočívající v tom, že různé druhy třískového obrábění mají oproti obráběcímu centru pro různé operace třískového obrábění přiblížené velikosti instalovaných výkonů (zejména pak krouticího momentu);
• velkou kinematickou adaptabilnost v obrobku a nástroji;
• výrobcem umožněno v co největší možné míře obrábět různé tvary obrobků na jedno upnutí a na jednom stroji (např. soustružení a frézování skříní, smykadel), což přináší nejenom časovou, ale i strojovou a lidskou úsporu výrobních kapacit.
  
  

Pohybová a nosná soustava strojů řady GMS (Goodway)
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Vzhledem k tomu, že soustružnické nože jsou pomocí držáků upínány do výměnných anebo pevných hlav pro rotační nástroje, je nutné zajistit polohu břitu vůči obrobku. To může být realizováno různým způsobem, např. Hirthovými věnci anebo elektronickou vazbou. U některých výrobců je možné pozorovat konstrukce, které jsou napůl mezi obráběcími centry a multifunkčními obráběcími centry. Do jejich pohybových os je vložen soustružnický stůl (frézovací stroje) anebo frézovací vřeteno (soustružnické stroje), ale technicky využitelné instalované parametry (výkon, moment) jsou výrazněji rozdílné. Takovéto stroje nazýváme semimultifunkční obráběcí centra.

Pokud jsou obráběny větší součásti v sériové produkci, často se vyskytují problémy. Větší součásti (cca nad pět tun hmotnosti), zejména pak součásti použité ve stavbě letadel a kosmických lodí, vyžadují nové obráběcí technologie. S tím logicky souvisí i požadavek na vysokou pružnost a zejména pak komplexní soustružnicko-frézovací operace, kdy jsou sloučeny obě operace do jednoho stroje s cílem obrobit přesně v co nejkratším čase a na jedno upnutí. Z těchto důvodů byly vyvinuty také stroje umožňující obrábět z pěti stran. Technologie obrábění, kterou poskytují multifunkční stroje, je často výrobci označována jako multitasking. Multitasking je jedna z technologií, která se nedávno začala ve zpracovatelském průmyslu masově zavádět. Používání 3D modelovacích nástrojů umožňuje konstruktérům v předvýrobních etapách navrhovat velmi složité dílce rotačně prizmatických tvarů, které je výhodné na tomto typu strojů obrábět. A tak je možné pozorovat, že obrobky rotačních tvarů mají na svém obvodu řadu komplikovaných rovinných tvarů a naopak.

Historie těchto strojů úzce souvisí se státním úkolem zahájeným v roce 1973. Jeho název byl Vývoj obráběcích strojů 3. vývojového stupně. V Kovosvitu Sezimovo Ústí se měla uskutečnit výroba jednoho prototypu hřídelového stroje a jednoho prototypu stroje v univerzálním provedení. V roce 1974 a 1975 probíhal vývoj. Současně se vedlo jednání o nasazení strojů do pružných výrobních systémů (PVS). V Kovosvitu byla zpracována studie v několika variantách na realizaci tohoto úkolu. Ze studie byla vybrána varianta tvořená trojicí strojů propojených manipulátorem. Ukázalo se však, že tento způsob výroby a přenosu součásti má řadu úskalí, že bude těžké jej uvést do provozu a že nebude řešením pro opakovanou výrobu. Na jedné z podnikových konferencí v r. 1977 Ladislav Borkovec tehdejšímu technickému náměstkovi na kus papíru načrtl myšlenku odlišného řešení stroje podle svých představ. Náměstek to tehdy komentoval slovy, že je to neuskutečnitelné, že má velkou fantazii. Přesto o tomto novém způsobu řešení stroje pan Borkovec dále přemýšlel.

Po mnoha peripetiích a úskalích, které musel Ladislav Borkovec překonat, bylo obráběcí centrum MCSY 80A představeno v roce 1983 na výstavě EMO v Paříži, kde toto nové řešení zaujalo pozornost návštěvníků. Stroj umožňoval sestavení několika variant. Po vyrobení 45 strojů MCSY byla výroba zastavena z ekonomických důvodů a nedostupnosti kvalitní řídicí elektroniky. Přestože Kovosvit MAS předběhl vývoj té doby, ale nedokázal jej dotáhnout do konce, stal se alespoň inspirací pro cizí firmy. Špičkoví světoví výrobci ve vývoji pokračovali a nyní prezentují takovéto stroje jako novou cestu k metodám obrábění jednadvacátého století.

Pohybová soustava multifunkčního stroje F-MT s pohyblivým stojanem (Soraluce)

Pro stroje tohoto typu je charakteristické šikmé lože jako u soustružnických obráběcích center, na kterém jsou většinou dvě protilehlá vřetena a nástrojové revolverové hlavy. Navíc je pro tento multifunkční soustružnický stroj typická souvisle naklápěcí, tzv. B hlava (rotace kolem osy Y). Souvisle naklápěná hlava (osa B) umožňuje soustružnický nebo rotační nástroj nastavit do požadovaného úhlu.

Dalším konstrukčním řešením u soustružnických multifunkčních obráběcích center je, že nástroj vykonává lineární pohyb ve třech osách vůči většinou dvěma protilehlým vřetenům a spodní nástrojové revolverové hlavě. Navíc také pro tento multifunkční soustružnický stroj je typická naklápěcí, tzv. B hlava (rotace kolem osy Y) a souvisle naklápěná hlava (osa B), která umožňuje soustružnický nebo rotační nástroj nastavit do požadovaného úhlu. Někteří výrobci ji dělají polohovatelnou pomocí Hirthova ozubení. Místo pomocného vřetena může být proti hlavnímu vřetenu situován koník. Existují dvě základní provedení tohoto typu multifunkčních obráběcích center. Jejich hlavní konstrukční odlišnost spočívá ve výsuvu vřeteníku nesoucího rotační anebo soustružnický nástroj. Buď je vřeteník posouván s celým stojanem, anebo je vysouváno pouze smykadlo nesoucí tento vřeteník a stroj má většinou box in box konstrukci.

Vřeteno nesoucí rotační anebo soustružnický nástroj je naháněno pomocí vestavěného torzního motoru stejně jako levý a případně pravý obrobkový vřeteník. Vřeteník je možné natáčet plynule (Direct Drive Motor), anebo polohovat a indexovat pomocí Hirthova věnce. Vzhledem k tomu, že u těchto strojů je deklarováno v mnoha případech obrobení na jedno upnutí, musí být tento stroj důkladně ošetřen z hlediska teplotních vlivů, a proto jsou jednotlivé hlavní konstrukční celky vydatně chlazeny a temperovány. Náhon jednotlivých lineárních os je realizován pomocí kuličkových šroubů buď pro konstrukční uspořádání box in box, anebo pouze jedním motorem se šroubem (obr. 6). Polohy jsou určovány přímým odměřováním pomocí lineárních odměřovacích pravítek.

Některá provedení strojů tohoto typu mohou mít ve svislé ose zdvojeny náhony zdvihající nástrojové vřeteno, aniž je použita konstrukce box in box. Zásobník nástrojů je realizován ve velké rozmanitosti. Může být diskový, řetězový nebo speciálního provedení pro dlouhé vyvrtávací tyče.

Stroj řady Integrex eV s pevným stojanem s možností různých provedení. Buď je v pracovním prostoru polohován pouze vřeteník pro rotační nebo soustružnický nástroj, nebo je zde vedle umístěno i výsuvné smykadlo s vestavěným náhonem rotačních nástrojů. Smykadlo je použito v případech, kde nelze použít pro soustružení soustružnický nůž upnutý v B hlavě. Jedná se zejména o vysoké obrobky s menším průměrem. Integrace obráběcích operací (soustružení a frézování) je možná i na strojích s pohyblivým stojanem F-MT, které svojí konstrukcí připomínají horizontální vyvrtávací stroje. Stroj má tři lineární pohyby v nástroji (X, Y, Z). Na výsuvném vřeteníku je situována diagonální hlava – buď napevno, nebo výměnná.

Portálové multifunkční obráběcí centrum Vertiram 2000 GT typu horní gantry je tvořeno dvěma pevnými bočními stojany, na nichž je připevněno valivé profilové vedení, které vede příčník. Na příčníku se pohybují saně nesoucí vřeteník smykadlového typu. Všechny tyto základní komponenty nosné soustavy jsou zhotoveny ze šedé litiny. Multifunkčnost stroje je tvořena tím, že v pracovním prostoru jsou dva soustružnické stoly s C osou. Stroj je možné vybavit také paletizací.

Spodní gantry multifunkčního obráběcího centra FRU FQ má hlavní díly nosné soustavy zhotoveny z bohatě žebrovaných odlitků ze šedé litiny. Stojany se pohybují pomocí pastorku a hřebenů. Vodicí plochy mohou být valivé anebo hydrostatické. Po vodicích plochách stojanů se pohybuje příčník pomocí rotačního kuličkového šroubu. Jeho váha je vyvažována dvěma hydraulickými válci. Soustružnický stůl je situován v přední části stroje, v zadní části je potom deskový upínací stůl.

Je nad rámec tohoto příspěvku stručně vystihnout všechna rozmanitá konstrukční řešení výrobců obráběcích strojů. Nicméně tyto stroje mají před sebou ještě bouřlivý rozvoj. Jedno je však jisté: trend a směry bude určovat jenom a jenom uživatel (zákazník). Z těchto důvodů by tedy měli všichni výrobci bez výjimky naslouchat jejich hlasu.

Prof. Dr. Ing. Jiří Marek

marek@fme.vutbr.cz

http://www.uvssr.fme.vutbr.cz/