Témata
Reklama

Obrábění s podporou ultrazvuku

Ultrazvuk nepomáhá pouze v chirurgii. Může být výhodně použit také v obrábění. Nákladný vývoj však většinou brzdí jeho zavedení a rozšíření. Ve výzkumném ústavu Fraunhofer - IPT proto zkoumali efektivní použití a optimalizaci ultrazvukových systémů při obrábění.

Využití ultrazvuku jak v medicíně, tak také v obrábění a v technologii svařování získává stále na významu. Aby se daný nástroj uvedl do vysokofrekvenčních kmitů v požadovaném směru, byly dříve používány podélně kmitající systémy. V důsledku těchto vysokofrekvenčních kmitů nástroje se při obrábění dosáhlo spojitého záběru. To vedlo k různým efektům, jako je vyšší úběr materiálu a snížení opotřebení břitu nástroje.

Reklama
Reklama
Obr. 1. S nově vyvinutou metodou bočně uloženého kmitajícího systému je možné urychlit obrábění, např. ultrazvukem podporované soustružení.

Návrh a výpočet takových podélných kmitajících ultrazvukových systémů je po-mocí obvyklých metod (analyticky, metodou konečných prvků nebo na základě zku-šenosti) časově velmi náročný, neboť iterativní proces musí probíhat v mnoha kro-cích. Průmyslové použití a rozšíření ultrazvukových systémů je proto dosud značně omezeno.

Správnou dynamiku zajišťují pouze přesné komponenty

S nově vyvinutou metodou interpretace může být nyní tento zdlouhavý proces znač-ně zkrácen a může být též automaticky a rychle vypočítán tvar různých nástrojů. Po-mocí dále uvedeného řešení byl vypočítán a vyvinut nový systém pro velmi přesné soustružení (obr. 1) vnějších povrchů na oceli a skle, které se používají v optice. Pro soustružení byl použit nástroj s monokrystalickým diamantem. Dále byl zkonstruován a vyroben prototyp zařízení a proveden rozbor a vyhodnocení výsledků obrábění. Ultrazvukem podporované systémy musí vybudit kmity nástroje na správnou rezo-nanční frekvenci, aby nástroj kmital požadovaným způsobem. To si vyžaduje použití velmi přesných součástek (komponentů). Ultrazvukové systémy se většinou skládají z generátoru ultrazvukových kmitů, systému pro vytvoření mechanických kmitů (re-zonanční těleso) a z nástroje (obr. 2).


Obr. 2. Princip konstrukce ultrazvukového kmitajícího systému s podélnými kmity. Pro větší robrazení klikněte na obrázek.

Generátor ultrazvukových kmitů vyvolává na principu piezoefektu vyso-kofrekvenční střídavé napětí, které se mění na vysokofrekvenční kmity, ty se dále mění na podélné mechanické kmity, jež se přenáší na nástroj, což vede k efektu „pumpujícího pohybu“. Kvůli neuspokojivým výsledkům dosavadních výpočetních metod byla vypracována nová automatizovaná varianta optimalizace procesu. Jejím cílem bylo značné zmenšení interaktivních kroků při výpočtu optimálních ultrazvuko-vých kmitů. Další výhodou nové metody je uživatelsky snadno srozumitelné progra-mování, které pomáhá uživateli při stanovení optimálních kmitů.

Vyvinutý algoritmus nahrazuje konvenční metody výpočtu

Mnoho interaktivních kroků probíhá během optimalizace v podstatě automatic-ky. Protože systém počítá v trojrozměrném systému, může uživatel ověřovat podélně a příčně kmitající součástky, jakož i smíšené kmity. Pro ověření byly kombinovány matematický software Matlab a software pro výpočet struktury Ansys. Byly stanoveny požadavky a podmínky, které vyplývají z daného procesu obrábění pro kmitající komponenty. Dále byl v Matlabu generován výchozí tvar a parametry materiálu (E modul, hustota, příčná kontrakce), tvarové (geometrické) varianty a řešení úkolu. Ta-to počáteční geometrie je pomocí vyvinutého algoritmu automaticky optimalizována, až je dosaženo konečného cíle řešení. Algoritmus najde optimální řešení a provede nutné iterační kroky sám – dříve se toto provádělo ručně. Optimalizaci geometrie provede Matlab a vyhodnocení geometrie provede Ansys – vše bez zásahu uživate-le. Každé takto nalezené řešení je ukázáno uživateli na obrazovce společně se vše-mi potřebnými parametry, jako je tvar komponentů, frekvence kmitání, mód kmitání, posuv a napětí. Podle komplexnosti a složitosti úkolu trvá výpočet několik minut, ale také několik hodin.

Broušení a leštění jsou technologie běžně používané v optice pro výrobu sférických ploch. Všechny vnější plochy však musejí být vyrobeny nákladnými technologi-emi, jako je přesné leštění. K tomu se používají vysoce přesné negativní formy vyro-bené většinou z oceli. Optická kvalita forem se dosahuje velmi přesným obráběním nástrojem s břitem z monokrystalického diamantu. Diamant se ale při obrábění oceli rychle opotřebovává a má malou trvanlivost. Pro zvýšení trvanlivosti břitu jsou proto plochy formy opatřeny drahým niklfosforovým povlakem. Pracovní plochy jsou pak za tepla a tlaku obtisknuty do skleněného polotovaru. Posledním krokem je vyhodnocení optických vlastností. Tato výroba je časově i finančně nákladná.

Ultrazvukem podporované soustružení optických ploch

Vysoké opotřebení břitu nástroje a drahé povlakování ocelových forem vede k vysokým výrobním nákladům, které je možné snížit využitím ultrazvuku.


Obr. 3. Princip soustružení podporovaného ultrazvukem. Pro větší robrazení klikněte na obrázek.

Konvenční kinematika soustružení je doplněna axiálními kmity (obr. 3). To vede k vysokofrekvenčnímu dělení třísky, což zmenšuje řezné síly a dobu styku břitu s třískou. Přerušovaný záběr nástroje zvyšuje trvanlivost břitu. Toto umožňuje obrá-bět ocel monokrystalickým diamantem. Podélně buzený nástroj umístěný na konci rezonančního tělesa (generátoru mechanických kmitů) je uváděn do kmitavého po-hybu. Tak se daří vyrobit ocelové formy v požadované optické kvalitě hned napoprvé.

S takto podélně kmitajícím systémem však není možné obrobit formu komplex-ně. Příklad konstrukce podélně kmitajícího systému ukazuje obr. 4 vlevo, zde je vidět omezení podélného systému kmitání při obrábění silně konkávních ploch. Tento pro-blém řeší nástroj umístěný kolmo k ose rezonančního tělesa („bočně uložený ná-stroj“).

Obr. 4. Omezené podélné obrábění a řešení pomocí bočně uloženého kmitavého systému

Bočně uložený kmitající nástroj optimalizuje soustružení

Protože běžné podélné ultrazvukové systémy mají při přesném soustružení ne-výhodu v omezení obrábění některých tvarů ploch, byl vyvinut speciální systém s bočně uloženým kmitajícím tělesem (obr. 5). Tato konstrukce kmitajícího systému umožňuje obrobit přímo v oceli jak vnější tvarové plochy, tak také hluboké konkávní plochy. Aby se zajistilo požadované chování špičky břitu nástroje s diamantem, byl ultrazvukový kmitající systém vybaven speciálně vypočítaným rezonančním módem. Ten umožňuje téměř kolmé (ne obloukové nebo eliptické) kmity špičky nástroje ve směru obrábění. Z důvodu vysoké variability tvarů obrobků se novým ultrazvukovým kmitavým systémem otevírají v optickém průmyslu nové možnosti. Ultrazvukový kmi-tající systém je konstruován jako vestavný modul, takže je použitelný na velmi přes-ných soustruzích a také pro téměř všechny nástroje. Z důvodu probíhajícího patento-vého řízení není možné sdělit žádné podrobnější informace o funkci, provedení a vývoji vibračního tělesa.

Obr. 5. Schéma konstrukce nového ultrazvukového systému pro soustružení
Obr. 6. Ultrazvukový systém umístěný ve stroji (vlevo)

Prototyp systému byl použit na velmi přesném soustruhu Procitech 250 (obr. 6). Pracovní parametry a výsledky velmi přesného soustružení válcových ploch kalené-ho ocelového tělesa nástrojem s monokrystalickým diamantem jsou na obr. 7. Byla dosažena jakost povrchu Ra = 7,4 nm. Obr. 8 potvrzuje možnost výroby hlubokých konkávních povrchů do kalené oceli s jakostí povrchu Ra = 16 až 19 nm. Výsledek přímé výroby tvarů v optickém skle (nejprve jednoduché konvexní plochy) s prototypem ultrazvukového kmitajícího systému, kdy byla dosažena drsnost po-vrchu Ra = 2 až 3 nm, ukazuje obr. 9.

Obr. 7. Pracovní parametry a výsledky experimentů z obrábění kalené oceli
Obr. 8. Pracovní parametry a výsledky experimentů z obrábění hlubokých konkáv-ních ploch v oceli
Obr. 9. Výsledek experimentů z obrábění optického skla

Výzkumné práce a výsledky přehledně

Použití navrženého systému výpočtu pomocí vyvinutého algoritmu snižuje ča-sové i finanční nároky na proces vývoje ultrazvukových systémů. První výsledky obrábění ukazují na vysoký potenciál možnosti snížení nákladů, financí a času na výrobu optických součástí.

Popsaný vývoj a výsledky byly získány při řešení projektů AiF „Efektivní kon-strukce ultrazvukových systémů“ a „Velmi přesné obrábění oceli“.

Sophia Hannig, Christian Brecher a Christian Wenzel
MM Das Industriemagazin č. 38/2012
Zpracoval: VŘ

dana.benesova@mmspektrum.com

Reklama
Vydání #6
Kód článku: 130605
Datum: 04. 06. 2013
Rubrika: Trendy / Obrábění
Autor:
Firmy
Související články
Současný vývoj v oblasti řezných nástrojů

Vývojové trendy v segmentu obráběcích řezných nástrojů jsou navázány na progresi ve strojírenské výrobě a reagují na aktuální potřeby průmyslu. Výzkum a vývoj již dlouhodobě soustřeďuje svou pozornost na vývoj řezných materiálů, systémů povlakování, konstrukce moderních nástrojů využívajících princip minimálního mazání a chlazení MQL, koncepty inovativních upínacích soustav. V současnosti jsou rozvíjeny technologie pro inteligentní výrobu s aplikací předností Průmyslu 4.0, včetně automatizace výrobního procesu, sběru dat o zařízeních, procesech a vyráběných dílcích. Na veletrhu EMO Hannover 2019 byly společnostmi představeny chytré technologie a řešení inteligentního řízení procesu obrábění. Digitalizace a konektivita jsou nyní důležitější než kdykoliv předtím.

Progres v navyšování podílu na trhu

Skupina Plansee Group dosáhla v hospodářském roce 2017/18 konsolidovaného obratu 1,3 miliardy euro, což znamenalo nárůst o 11 % ve srovnání s předchozím obdobím. V rámci bilanční tiskové konference konané v Reutte o tom informovali členové představenstva Bernhard Schretter a Karlheinz Wex.

Bezdotykové orovnávání brousicích kotoučů

Exaktní orovnávání diamantových brousicích kotoučů musí zajistit jak vytvoření požadovaného tvaru, tak i optimální topografii povrchu. U mechanických technologií vznikají vždy síly mezi nástrojem a kotoučem. Bezkontaktní strategie nyní používá pro orovnávání kotoučů technologii elektroerozivního řezání drátovou elektrodou.

Související články
EMO Hannover 2013: část 8 - upínání obrobků

V tomto vydání se již naposledy v ucelené monotematické retrospektivě poohlédneme po loňském veletrhu obráběcí techniky EMO Hannover. Autor tohoto příspěvku se zaměřil na problematiku upínání obrobků. A co nového v této oblasti firmy nabízejí? Čtěte dále.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Soustružení abrazivním kapalinovým paprskem zvyšuje trvanlivost

Soustružení abrazivním vodním paprskem je technologie, která spojuje kinematiku konvenčního soustružení s abrazivním vodním paprskem jako nástrojem. Toto spojení je výhodné zejména při obrábění těžkoobrobitelných materiálů, např. titanových slitin, kde nahrazuje hrubování konvenčním soustružením řezným nástrojem.

Sedm celoživotních návyků

Ve věku, kdy se většina lidí spokojeně těší do důchodu, podnikatel z americké Indiany, Don Wood, založil firmu, která se ukázala být jeho největším celoživotním úspěchem. Růst firmy s názvem 80/20 je záviděníhodný a vznikl díky perfektním organizačním dovednostem a energii vložené zakladatelem firmy. Jeho recept na úspěch přesto není přísně střeženým tajemstvím.

Aditivní výroba unikátních řezných nástrojů

Aditivní technologie jsou jedním z nosných pilířů Průmyslu 4.0. Od roku 2014, kdy v ČR 3D tisk kovů odstartoval „ve velkém“, byla o této problematice napsána celá řada publikací, díky nimž je tato technologie považována za poměrně známou. Jedním z průkopníků 3D tisku v ČR je firma Innomia, která přinášela informace o technologii DMLS do povědomí českého průmyslu již několik let před tímto zmiňovaných boomem.

Ekodesign výrobních strojů

Pojem ekodesign zejména v Evropské unii již téměř zdomácněl. Je nazírán jak z té lepší stránky - co je "eko", je dobré pro životní prostředí a tím i pro společnost -, tak i z té kontroverzní stránky - legislativa hájící zájmy životního prostředí může být problematická z jiných pohledů.

Závěrečné oponentní řízení CK-SVT

V dubnu 2012 byl na půdě Fakulty strojní ČVUT v Praze oficiálně zahájen osmi letý projekt Centrum kompetence - Strojírenská výrobní technika v rámci dotačního programu Technologické agentury ČR. Projekt byl úspěšně ukončen ke konci roku 2019 a v červnu 2020 proběhlo Závěrečné oponentní řízení ve firmě TOS Varnsdorf, jednoho ze spoluřešitelů.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

CIMT Peking, Část 1. Obecný pohled

V předvelikonočním týdnu se v Pekingu uskutečnil veletrh obráběcích strojů CIMT 2019. V asijském regionu se jedná o obdobu veletrhu EMO Hannover. A stejně jako EMO je velkou měrou národní výstava německé výrobní techniky, tak CIMT je převážně čínský. V tomto prvním vstupu se podíváme na letošní ročník trochu s odstupem, aniž bychom se zaměřili na konkrétní exponáty.

Horké komory pro práci s radioaktivním materiálem

V Řeži u Prahy bylo vybudováno nové výzkumné centrum, jehož součástí byla také výstavba kom-plexu horkých komor. Účelem výstavby bylo vytvořit pracoviště pro bezpečnou práci s vysoce radi-oaktivním materiálem. Po pěti letech budování se na začátku roku 2017 podařilo úspěšně zahájit aktivní provoz laboratoří, které jsou schopné zpracování, mechanického testování a mikrostrukturní analýzy radioaktivních materiálů (tlakové nádoby, vnitřní vestavby reaktorů, pokrytí paliva) s aktivi-tou až 300 TBq 60Co, materiálů pro reaktory III. a IV. generace a fúzní reaktory.

Hlavní trendy EMO Hannover 2017 očima výzkumníků

Hannoverský veletrh EMO je právem považován za výkladní skříň toho nejlepšího, co inovační týmy světových leaderů i jejich následovníků navrhli a v prototypech či již sériově nabízejí. Sektor výrobních strojů bývá na špici technického pokroku v oblasti strojírenství a udává směr dalším oborům, které jej následují. U nás má velkou tradici a není proto s podivem, že letos do Hannoveru zavítalo na 2 200 českých návštěvníků.

Reklama
Předplatné MM

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