Nové multifunkční centrum

Významným článkem při vývoji nového stroje se ukázala synergie vývojových týmů ze společnosti Kovosvit MAS a Ústavu výrobních strojů a zařízení Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii z Fakulty strojní ČVUT v Praze. Spolupráce obou týmů při vývoji nového multifunkčního centra Multicut 630 umožnila dosáhnout všech náročných cílů vytyčených na počátku projektu. Praktické zkušenosti vývojového týmu společnosti Kovosvit MAS byly doplněny a obohaceny o další informace v podobě výpočtových modelů, výsledků simulací, návrhu designu a nového pohledu na koncepční řešení jednotlivých uzlů nově vznikajícího stroje. Takto široké zapojení obou vývojových týmů bylo umožněno také díky finanční podpoře z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu ČR v rámci programu TIP pod číslem FR-TI3/404 s názvem Multifunkční stavebnicová obráběcí centra Multicut 630 a SP 630.

Centra Multicut 630 jsou podobně jako Multicut 500 nabízena ve dvou základních kinematických variantách, a to v provedení s protivřetenem nebo s koníkem. Dále jsou tato centra dostupná v délkových variantách v točné délce obrobku 1 500, 3 000, 4 500 a 6 000 mm. Maximální obráběný průměr je až 1 150 mm. Všechny kinematické varianty jsou navíc doplněné ještě o různé výkonové a otáčkové rozsahy nástrojového vřetena s volitelným upínacím kuželem nástrojů v provedení HSK-T63, HSK-T100, Capto 6 nebo Capto 8. Volitelným parametrem center je rovněž počet nástrojových míst zásobníku nástrojů pro nástrojové vřeteno, který je nabízen ve třech variantách počtu nástrojových lůžek pro každý specifický typ nástrojového kužele.

Předmětem dalšího volitelného vybavení řady center je možnost instalace spodní nástrojové hlavy s naháněnými nástroji (12 nástrojů) pro délkové varianty stroje s točnou délkou 1 500 a 3 000 mm. Upínací rozhraní nástrojů spodní hlavy může být standardně VDI50 nebo na přání Capto 6. Pro obrábění hřídelových součástí je možnost centra volitelně vybavit jednou až třemi lunetami podle varianty točné délky. Lunety jsou dostupné podle rozsahu upínacího průměru v provedení s výsuvem k ose obrobku v ose X (pro lunety s max. upínacím průměrem až 410 mm) nebo v provedení lunety umístěné v ose obrobku – bez výsuvu v ose X (pro lunety s max. upínacím průměrem až 510 mm).

Jako jedna z volitelných opcí stroje se nabízí možnost upnutí vrtacích a soustružnických tyčí pod saně Y. Díky této opci lze vrtat hluboké otvory do průměru 120 mm a hloubky 1 500 mm a následně soustružit vnitřní průměry.

Úzká spolupráce obou vývojových týmů umožnila cíleně investovat úsilí do nezbytných výpočtových modelů, které s vysokou mírou úspěšnosti pomohly predikovat vlastnosti nově vznikajícího stroje.

Jedním z prvních kroků při vývoji byla topologická a parametrická optimalizace skeletu stroje. Topologická optimalizace je matematická metoda hledající ideální rozložení materiálu v definovaném zástavbovém prostoru pro dané omezení a cílovou funkci. Parametrická optimalizace je matematická metoda hledající hodnoty výstupů (např. tuhost a hmotnost dílce) pro různé kombinace vstupních parametrů (např. počet a tloušťka žeber a stěn dílce).
Parametrická optimalizace lože vedla na rekonfiguraci žeber, jejich tlouštěk a počtu ukládacích bodů. Výsledkem byl modifikovaný návrh lože s hmotností sníženou cca o 10 % a zvýšení tuhosti o 15 %.

V případě topologické optimalizace saní Y stroje MTC 630 byla cílová funkce definována jako minimalizace hmotnosti při omezení minimální tuhosti a minimální první vlastní frekvence. Výsledky topologické optimalizace se staly odrazovým můstkem pro následnou finální konstrukci.

Při strukturální optimalizaci saní Y byl uplatněn rovněž komplexní propojený model pohonu. Mechanická stavba pohonu představuje totiž významný prvek, který se v mnoha případech stává omezujícím při snaze o zvyšování dynamických vlastností pohybových os stroje. Jednotlivé varianty strukturální optimalizace lze relevantně posoudit jen v interakci s pohony. Pro simulaci interakce struktury a pohonu byl vytvořen komplexní propojený model struktury a pohonu, který věrně simuluje tuto interakci. Tento typ modelu je vytvořen svázáním MKP modelu nosné struktury stroje a modelu mechanické stavby a řízení pohonu, přičemž jsou použity pokročilé postupy redukce velkých MKP modelů a silového provázání redukovaného MKP modelu s popisem pohonu.

Kromě posouzení vlivu pohonu na dynamické vlastnosti v místě nástroje byla zkoumána rovněž citlivost na délku kuličkového šroubu pro různé délkové varianty pohonu osy Z a vliv tuhosti axiálního vetknutí šroubu. Komplexní model pomohl v tomto případě při vývoji jedné z konzol kuličkového šroubu, kdy se hledalo vhodné řešení umožňující změnu předepnutí v uložení šroubu v závislosti na teplotní dilataci šroubu. Ukázalo se, že snížením tuhosti vetknutí v jedné z konzol se frekvenční přenosová funkce pohonu ve vazbě na dosažitelné zesílení Kv polohového regulátoru významně nezhorší pro délky šroubu až do 3,5 m. Při největší délce šroubu 6,5 m je možné jisté zhoršení očekávat, nemělo by ovšem překročit 15 %.

Obr. 2. Frekvenční přenosová funkce pohonu jako výsledek interakce pohonu s nosnou strukturou stroje a v závislosti na délce kuličkového šroubu. Z grafu je vidět minimální ovlivnění hodnoty první antirezonanční frekvence délkou kuličkového šroubu.

Realizace prototypu umožnila ověření nových technologických a výrobních postupů. Jednou z náročných aplikací byla výroba saní pro osu Y, kde je využita hybridní konstrukce ocelového svařence s výplněmi s hliníkovou pěnou v bočnicích. Sendvičová konstrukce bočnic těchto saní je v tomto provedení náhradou prostorových žeber a přispívá ke zlepšení dynamických vlastností stroje.

Novinkou u prototypu stroje je realizace odpojitelného přímého pohonu osy C realizovaného pomocí prstencového motoru. Výhodou prstencového motoru jsou jeho vlastnosti při nízkých otáčkách, kde je především využíván jako osa C, která je určena pro bezvůlový souvisle řízený pohyb při víceosém frézování. Zároveň díky vysokému momentu je pohon využíván i pro hrubovací operace při soustružení. Vysoké otáčky pro soustružnické operace na obrobcích malého průměru jsou realizovány druhým pohonem s možností přepínání na prstencový motor podle požadavků dané technologie.

Jedinečnost stroje podtrhuje možnost výroby otvorů technologiemi hlubokého vrtání a soustružení. Nástroje lze upnout do spodní nástrojové hlavy nebo do pracovního vřetena, ale i pod saně osy X1. Umístěním vyvrtávacích tyčí na tyto saně je docíleno vysoké tuhosti upnutí a zároveň při obrábění i vysoké přesnosti. Nedílnou součástí navržené koncepce je i zaručení dostatečného přívodu řezné kapaliny. O dostatečně rychlou výměnu nástrojů se stará automatický manipulátor s posuvným zásobníkem a třemi pozicemi pro nástroje určené pro hluboké vrtání a soustružení. Při klasickém frézování nebo soustružení je rozhraní pod saněmi osy X1 opatřeno krytkou ze čtvrté pozice v zásobníku.

I v oblasti výrobní techniky se v posledních letech stává design jedním z významných znaků, kterými se výrobci snaží zdůraznit kvality svých strojů i silné zázemí firmy a podpořit tak své postavení na trhu. Prezentace velkých výrobců na výstavách EMO jen potvrzují, že kvalitní a komplexně pojaté řešení designu celých výrobních řad strojů stojí v současnosti v popředí jejich vývojových aktivit. Kovosvit MAS se rovněž rozhodl vývoj stroje Multicut 630 pojmout komplexně a zařadil do něj i designérský návrh krytování. Návrhy se snažily vytvořit dynamický charakter s prvky, které by mohly být výhledově přenositelné i na další typy strojů a staly by se jednoticími tvarovými znaky strojů tohoto výrobce. V souladu se současnými trendy je počítáno s uplatněním velkoplošného lepeného zasklení plochy čelních dveří. V návrhu je pamatováno i na ergonomii vytvořením optimálních úhlů sklonu funkčních ploch ovládacího panelu a odkládacích kapes v nosném ramenu panelu. Tvarování ovládacího panelu předpokládá rovněž možnou přenositelnost i na další nově vyvíjené stroje v Kovosvitu MAS.

Nově vyvinutý multifunkční stroj Multicut 630 se stává plně konkurenceschopným strojem především díky finanční podpoře z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu ČR v rámci programu TIP, který umožnil zapojení vývojových týmů ze společnosti Kovosvit MAS, a. s., a Ústavu výrobních strojů a zařízení Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii z Fakulty strojní ČVUT v Praze. Výsledkem synergie obou týmů je prototyp multifunkčního stroje, který díky širokému spektru možných konfigurací a délkových variant osloví celou řadu náročných zákazníků, a to jak na českém, tak bezesporu i zahraničním trhu. Současné požadavky zákazníků představují především zvýšené nároky na výkonnost hlavních soustružnických vřeten, větší délky obrobků, možnost realizovat práci s dlouhými vyvrtávacími tyčemi a možnost realizovat výkonné hrubovací operace soustružení. Na koncepci základu center Multicut 630 dále společnost Kovosvit MAS již ve vývoji připravuje řadu CNC soustružnických center SP630, která velikostně rozšíří již širokou řadu soustružnických center zastoupenou CNC soustružnickými centry SP180, SP280 a SP430.

Vývoj nového multifunkčního stroje byl podpořen z prostředků projektu FR-TI3/404 v rámci programu TIP Ministerstva průmyslu a obchodu.

Ing. Jiří Hovorka, Ph.D.

VCSVTT, FS ČVUT v Praze

J.Hovorka@rcmt.cvut.cz