Obrábění se složeným pohybem zvyšuje přesnost a produktivitu

Nové přístupy v optimalizaci procesů prostřednictvím složených pohybů při obrábění ve směru posuvu zde otevírají nové možnosti k lepší tvorbě třísky, nižším procesním silám, vyšší kvalitě vyráběných povrchů a maximální dosahované trvanlivosti nástroje. Firma Gühring je v povědomí technické veřejnosti vnímána hlavně jako jeden z vedoucích inovátorů v oboru precizních rotačních nástrojů i upínací techniky a ani v tomto případě rozhodně není pozadu – rozvoji tohoto oboru věnuje maximální pozornost.

Pro skládání axiálních pohybů s kontinuálním posuvovým pohybem se využívají v závislosti na příslušné obráběcí operaci frekvenční rozsahy od několika Hz až po několik tisíc Hz. Přitom dochází k definované změně úhlu směru působení a ke zvýšení rychlosti ostří nástroje. V závislosti na aplikaci a typu nástroje je dosahováno následujících pozitivních účinků při třískovém obrábění s vibrační podporou:

• lepší tvorby třísky – lepšího lomu třísky;
• lepšího odvodu třísky;
• vytváření předurčených bodů zlomu v třísce;
• snížené tvorby nárůstků na břitu;
• prodloužení trvanlivosti nástroje;
• nižší síly při obrábění;
• nižší teploty obráběcího procesu.

Třískové obrábění se složeným pohybem má v současné době největší využití při zpracování těžkoobrobitelných materiálů, jako jsou superslitiny, vláknové kompozity a sendvičové materiály, ale také pro slitiny s dlouhou třískou, jako jsou například bezolovnaté slitiny mědi. Při skládaných vibracích je velký rozdíl mezi nízkofrekvenčními a vysokofrekvenčními vibracemi.

Tato nová technologie byla vyvinuta na základě zpětné vazby od zákazníků, kteří požadují drobivou třísku. Při obrábění materiálů, u kterých je složitá kontrola tvorby třísky (např. Inconel, korozivzdorná ocel, měď, hliník, nylon), se velmi často stává, že je utvářená tříska velmi dlouhá. Hromadí se v pracovním prostoru stroje, namotává se na obrobek a v konečném důsledku zhoršuje kvalitu obrobeného povrchu obrobku. Dlouhá tříska má negativní vliv i na trvanlivost a celkovou životnost nástrojů, jelikož podporuje vznik opotřebení a komplikuje přívod procesní kapaliny do místa řezu.

Při nízkofrekvenční stimulaci se používají frekvence do 1 kHz a amplitudy do 0,5 mm. Do této kategorie patří rovněž programované odstranění třísky zdvižením nástroje nebo přerušovaný posuv. Na konvenčních obráběcích centrech však nelze tento přerušovaný posuv z důvodu omezené dynamiky pohybu os libovolně zvyšovat. Proto se k dosažení složených pohybů s frekvencemi, které jsou mnohonásobně vyšší než otáčky vřetena, používají speciální mechanické převody. Tyto převody mohou být integrovány přímo do stroje nebo mohou být provedeny jako převodové hlavy nasazené na vřeteno. Zdvih se vytváří mechanicky převodovým poměrem na ose posuvu nebo objetím příslušného vačkového kotouče. Na rozdíl od konstantního průřezu třísky při spirálové dráze břitu při vrtání s konstantním posuvem vzniká díky skládání axiálního pohybu proměnlivý průřez třísky.

Nízkofrekvenčně axiálně skládané pohyby umožňují i při velmi tvárných materiálech vytváření třísek o definované délce a průřezu. Amplituda skládaného pohybu s axiální složkou přitom řídí maximální tloušťku třísky. Nastavení amplitudy se může měnit od zúžení průřezu třísky až po definované zdvižení břitu z povrchu obrobku a tím přerušení tvorby třísky. O velikosti zúžení tloušťky třísky, resp. o počtu zdvižení na otáčku nástroje rozhoduje většinou mechanická frekvence propojená s otáčkami.

Experimentálně bylo provedeno vrtání v běžné slitině titanu (TiAl6V4), přičemž byla měněna amplituda vibrací. Všechny pokusy byly provedeny identickými vrtáky o průměru d = 6,35 mm zcela nasucho. Řezné parametry činily vc = 30 m.min-1 a f = 0,08 mm.ot.-1. Vytvořené třísky jasně ukazují vliv amplitudy na tvorbu třísky. Již při amplitudě rovné tloušťce třísky se výrazně zkracuje délka třísky. Aby se dosahovalo bez výjimky velmi krátkých třísek, musí být u tvárných materiálů zvolena amplituda výrazně vyšší než posuv břitů. Přitom se břit zcela zvedne z povrchu obrobku a proces tvorby třísky se cíleně přeruší. Při obrábění hybridních kombinací materiálů – takzvaných sendvičových nebo stack materiálů – se již prosadilo obrábění s vibrační podporou posuvu. Tímto způsobem lze zajištěním lomu třísky zabránit vyplavování pryskyřice ve vrstvách vláknových kompozitů díky podstatnému snížení teploty při obrábění.

Pomocí metody konečných prvků (MKP, angl. zkratka FEM) byla simulována tvorba třísky na řezné hraně pro různé provozní podmínky. Trojice obrázků ukazuje schematické znázornění tvoření třísky a příslušné výsledky simulace MKP.

Porovnání tepelného zatížení břitu bylo provedeno během třískového obrábění materiálových kombinací uhlíkového kompozitu a titanu. Při pokusu byly použity identické vrtací nástroje s průměrem d = 6,35 mm nasucho. Řezné parametry zde byly opět vc = 30 m.min-1 a f = 0,08 mm.ot.-1. Termografickou kamerou bylo v reálném čase zaznamenáno teplo vznikající při obrábění sendvičového materiálu z uhlíkového kompozitu a titanu. Testovací deska měla celkovou tloušťku 20 mm, z toho 6 mm byl uhlíkový kompozit a 14 mm titanová slitina (TiAl6V4). Do desky byl vyvrtán otvor tak, aby zbývající tloušťka stěny činila 1,5 mm k boční ploše desky. Srovnání teploty břitů vrtáku přímo na výstupu na spodní části materiálu a teploty třísky pomocí kumulovaného znázornění ukazují rozdíl mezi konvenčním obráběním a obráběním s vibrační podporou. Bez vibrační podpory byla při pokusu na břitu naměřena maximální teplota více než 600 °C. Při obrábění s vibrační podporou se maximální teplota za stejných podmínek snížila zhruba o třetinu na méně než 450 °C. Také se lepším lomem třísky dosáhlo výrazně lepší kvality otvoru a zvýšení trvanlivosti nástroje.

U vysokofrekvenčně stimulovaných třískových výrobních procesů – nazývaných také jako procesy s ultrazvukovou podporou – dochází ke skládání konvenční kinematiky procesu s oscilačním pohybem nástroje v axiálním směru, který pracuje oproti nízkofrekvenční stimulaci ve větších hodnotách 16 až 55 kHz – má tedy podstatně vyšší frekvenci. Maximálně dosažitelná amplituda na hrotu nástroje, která se obvykle pohybuje mezi 2 až 30 μm, je vysoce závislá na kombinaci nástroje, stimulujícího systému a dodaného výkonu, neboť oscilace je výsledkem stimulace nástroje a jeho rezonanční frekvence.

Stimulace se provádí pomocí aktorových prvků sestávajících z generátoru, konvertoru, boosteru a kombinace nástroje a upínače, takzvané sonotrody. Generátor převádí elektrickou energii na vysokofrekvenční sinusovou oscilaci, která se přenáší na konvertor. Booster transformuje kmitovou amplitudu přicházející z konvertoru a předává ji zesílenou na sonotrodu, ve které se elektrická energie transformuje pomocí piezoaktorů na mechanickou energii.

Kombinace posuvového pohybu a oscilačního lineárního pohybu umožňuje mimo jiné úspornější obrábění vysokopevnostních materiálů, jako jsou keramické kompozity. Třískové obrábění s ultrazvukovou podporou našlo původně uplatnění především při zpracování současných moderních tvrdých materiálů, například skla, keramiky a slinutých karbidů, pomocí nástrojů s geometricky nedefinovaným ostřím. V poslední době se vysokofrekvenčně stimulované třískové obrábění stále více prosazuje také při obrábění s definovaným ostřím, zejména pro aplikace vrtání a frézování kompozitních materiálů, jako jsou vláknové kompozity, sendvičové materiály a pěny. Při obrábění s definovaným ostřím je proces třískového obrábění materiálu podporován mikrovibracemi, což se projevuje zlepšením kvality povrchu a vede ke snížení procesních sil.

Techničtí odborníci, kteří pracují s obráběcími technologiemi, se musejí dále vzdělávat, aby byli schopni udržet krok se současným rozvojem vědy a techniky. Pravým důvodem je na jedné straně obrovský rozvoj nových konstrukčních materiálů – nelegovaných či legovaných ocelí, litin, slitin, korozivzdorných ocelí, neželezných kovů – a v poslední době kompozitních materiálů a na straně druhé různorodost technologií při využívání obráběcích nástrojů. Tyto důsledky nutí výrobce nástrojů pružně reagovat na stupňující se nároky na řezné materiály, nástroje, na spolehlivost a ekonomiku celého obráběcího procesu. Jedním současným moderním inovativním směrem je právě obrábění se složeným pohybem. V tomto oboru firma Gühring provádí rozsáhlé inovace a uvedené principy popsané v tomto článku využívá v maximální možné míře při aplikacích svých obráběcích technologií v top technice, ke které dnes určitě patří i letecký a kosmický průmysl.

Gühring

sekretariat@guehring.de

www.guehring.cz