Témata
Zdroj: Intemac Solutions

Ocelobetonové konstrukce zvyšují výkonnost obráběcích strojů

Ocelobetonové konstrukce představují zajímavé řešení pro nosné části obráběcích strojů. Výrobce TOS Kuřim společně s výzkumnou organizací Intemac Solutions a Vysokým učením technickým v Brně vyvinuli řešení, které významně zlepšuje vlastnosti strojů a umožňuje zvyšovat výkon obrábění díky potlačení nežádoucího chvění.

Josef Knobloch

Výzkumný pracovník ve společnosti Intemac Solutions se specializací na průmyslovou metrologii, diagnostiku a zvyšování přesnosti výrobních zařízení, vývoj metod pro pokročilé kompenzace strojů a projektový management VaV projektů. Jeho zkušenosti zahrnují sed let s VaV projekty a pět let se zaváděním nových metrologických metod ve výrobních podnicích.

Petr Kupka

Vystudoval na VUT Brno obor Dopravní a manipulační technika. V roce 2005 nastoupil do firmy TOS Kuřim-OS na pozici zkušební technik. Později pracoval u firmy DMG Mori Czech na pozici servisní technik. Od roku 2017 pracuje opět v TOS Kuřim-OS na pozici vedoucího technologie a technického rozvoje, kde se podílí na směrování vývoje a inovací obráběcích center, zkouškách vývojových prototypů a v neposlední řadě vede agendu dotačních projektů.

Reklama

Proč využívat kompozitní materiály pro konstrukce obráběcích strojů

Na nosné díly obráběcích strojů jsou kladeny vysoké a často protichůdné požadavky. Musejí dostatečně efektivně nést veškeré zatížení, tlumit vibrace, být dlouhodobě geometricky a teplotně stabilní. Zároveň je nutné, aby rámy byly co nejlehčí a přitom vyrobeny z cenově dostupného materiálu. Méně tradičním materiálům se nedaří prosadit a většina výrobců stále raději spoléhá na litinové, ocelolitinové nebo svařované nosné díly. Důvod je nasnadě – jedná se o dlouhými desetiletími prověřená a postupně optimalizovaná řešení. Na druhou stranu dnes již nemůžeme od konvenčních materiálů očekávat výrazný posun kupředu.

Nosné díly obráběcích strojů musejí být schopny odolávat zátěži. (Zdroj: Intemac Solutions)

Firma TOS Kuřim se rozhodla na svých strojích aplikovat tzv. ocelobetonové nosné díly. Společně se specialisty centra Intemac a Fakulty stavební VUT v Brně vyvinula vlastní řešení, které se aplikovalo na ložích a stojanech horizontálních frézovacích center FUT a FU. Výzkum a vývoj v oblasti ocelobetonových kompozitních dílů byl podpořen grantem Ministerstva průmyslu a obchodu v rámci projektu FV20595, což umožnilo optimalizovat řešení a dosáhnout dalšího zlepšení užitných vlastností.

Unikátní ocelobetonová konstrukce vykazuje menší vibrace a menší teplotní deformace

Tradiční kovové materiály mají omezení z hlediska vysoké tepelné vodivosti a objemové hmotnosti, ale také nízkého koeficientu materiálového tlumení. Vhodným řešením, s ohledem na maximalizaci užitných vlastností výsledného stroje, jsou právě kompozitní dílce na bázi konstrukční oceli a vysokohodnotných betonů (HPC/HSC). Spojením těchto materiálů vzniká unikátní kompozit, který efektivně využívá vysoké tahové a tlakové pevnosti oceli a značné tuhosti, útlumu a tepelné setrvačnosti HSC betonu. Díky těmto vlastnostem je ideální pro použití právě na nosné díly obráběcích strojů.

Ocelobetonové díly nelze na první pohled rozeznat, unikátní jsou díky své betonové výplni. (Zdroj: Intemac Solutions)

Ocelový svařenec vyplněný betonem tvoří formu a zároveň obálku, na které jsou obrobeny veškeré funkční plochy. Díky tomu je zachována vysoká přizpůsobitelnost svařovaných nosných dílů, což umožňuje provádět dodatečné úpravy v případě nově vzniklých požadavků (na stroj). Spojení obou materiálů je zajištěno pomocí spřahovacích prvků, jejichž návrh musí zajistit vzájemný silový přenos a kompatibilitu přetvoření mezi oběma materiály a musí respektovat očekávané namáhání výsledného dílce.

Reklama
Reklama

Technickou předností ocelobetonového kompozitu je dosažení vyšší statické a dynamické tuhosti a tepelné stability, přičemž výrobní náklady jsou zde srovnatelné s díly z tradičních kovových materiálů. Tyto vlastnosti jsou základními předpoklady vysoké přesnosti obrábění. Ocelobetonové kompozity navíc vykazují vysoké hodnoty materiálového tlumení díky betonu, který se skládá z více makroskopických fází. Ocelobetonová struktura je charakteristická velkým množstvím vnitřních materiálových rozhraní. To spolu s vyšší dynamickou tuhostí posouvá oblast stabilitního obrábění do vyšších otáček a větších úběrů materiálu a umožňuje zvýšit výkon obrábění bez nežádoucího chvění. Z hlediska trvanlivosti nosných dílů je další vynikající vlastností betonu jeho vysoké pH (12,0 až 12,5), které způsobuje tzv. pasivaci oceli. Díky této charakteristice nedochází ke korozi vyplněných částí ocelového svařence ani ve vlhkém prostředí.

Nově vyvinuté nosné díly je možné vyrábět modulárně s možností využití pro horizontální frézovací centra s pohyblivým/pevným stojanem a pro portálová obráběcí centra.

Zkouška dynamických vlastností ocelobetonového dílu. (Zdroj: Intemac Solutions)

Vývoj ocelobetonových komponent

Od roku 2017 je problematika ocelobetonových konstrukcí řešena v grantovém projektu FV20 595, podporovaném Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR, společně se spoluřešiteli TOS Kuřim, Ústavem betonových a zděných konstrukcí a Ústavem technologie stavebních hmot a dílců při VUT v Brně.

V rámci tohoto projektu byla vyvinuta a dále vylepšena speciální receptura tzv. vysokopevnostního betonu (HSC), která dosahuje pevnosti v tlaku v rozmezí 85 až 120 MPa. Klíčovou materiálovou vlastností navrženého betonu je ovšem hodnota statického modulu pružnosti. Vhodným složením směsi HSC a též optimalizací výrobního postupu bylo dosaženo ve srovnání s běžnými betony vysokých hodnot modulu pružnosti, který se pohyboval na úrovni 40 GPa. Pro účinné spojení betonového jádra a ocelového svařence bylo také nutné minimalizovat celkové hodnoty negativních objemových změn betonu (smrštění) na úroveň pod 0,5 mm.m–1. Toho se docílilo tzv. superplastifikačními přísadami, které redukovaly množství záměsové vody a zároveň zachovaly potřebnou reologii v čerstvém stavu betonu. Pomocí těchto přísad se zajistilo zatečení betonu do všech částí ocelového svařence a dokonalé obalení ocelové výztuže. Vedle toho se doplnily další chemické přísady k urychlení náběhu pevnosti. Tím došlo k dostatečnému nárůstu pevnosti betonu dříve, než by jinak došlo (vlivem smrštění) k odtržení betonové výplně od ocelových prvků.

MKP model musí postihovat reálné chování kompozitu. (Zdroj: Intemac Solutions)

Při návrhu ocelobetonových dílů byl použit MKP topologický model, který zohledňuje materiálové vlastnosti betonové výplně a její chování ve vztahu k ocelovým prvkům. Pro zpřesnění výpočetního modelu bylo nutné vyrobit funkční vzorky reprezentující klíčové prvky ocelobetonových komponent. Na těchto vzorcích byla provedena řada (ne)destruktivních zkoušek, které si kladly za cíl kvantifikovat klíčové materiálové vlastnosti, parametry vazeb a též okrajové podmínky ovlivňující chování kompozitního dílce. Na základě získaných dat byl vytvořen MKP model postihující reálné chování ocelobetonových struktur, který simuloval především jeho statické, dynamické a teplotní namáhání. Vedle toho byly finální ocelobetonové rámy osazeny senzorikou (tenzometry) pro měření vnitřního napětí a teplotními čidly pro stanovení přestupu a šíření tepla. Takto získaná data později umožnila ověřit, že reálné vlastnosti dílců odpovídají jejich teoreticky uvažované charakteristice.

Výsledky simulace procházely experimentální validací. (Zdroj: Intemac Solutions)

Snížili jsme hmotnost dílů a zachovali jejich vynikající vlastnosti

U ocelobetonových dílů je daní za dobré fyzikálně-mechanické vlastnosti obecně vyšší hmotnost. Jednou z motivací projektu bylo tedy snížit celkovou hmotnost dílů a přitom zachovat vynikající fyzikálně-mechanické vlastnosti. Na horizontálních centrech FUT tvoří pohyb ocelobetonového stojanu strojní osu Z. Snížení setrvačné hmotnosti má vliv na zlepšení dynamické odezvy řízené osy, a tedy na zvýšení přesnosti, zejména při pětiosém obrábění. Pro snížení hmotnosti byla na sestaveném MKP modelu ocelobetonového kompozitu provedena topologická optimalizace, kde hlavními parametry byly tloušťky ocelových plechů svařence, topologie vnitřního žebrování, rozmístění spřahovacích prvků a armování betonu a v neposlední řadě objemové rozložení betonu uvnitř svařence. Zatímco na teplotní stabilitu dílců prováděné změny měly vliv minimální, na statickou a dynamickou tuhost byl vliv značný. Cílem optimalizace bylo tedy maximalizovat koeficient, který v sobě zahrnuje přímou úměrou statickou a dynamickou tuhost a nepřímou úměrou celkovou hmotnost. Tento poměrný koeficient byl optimalizací nakonec zvýšen o 9 % u lože, resp. 7 % u stojanu.

Na ložích a stojanech horizontálních frézovacích center FUT společnosti TOS Kuřim-OS byly aplikovali nově vyvíjené kompozitní materiály. (Zdroj: TOS Kuřim-OS)

Vlastní frekvence ocelobetonových komponent jsou posunuty výše v porovnání se stejnou rozměrovou variantou v litém provedení, a to jak u lože, tak u stojanu. V kombinaci s vyšším útlumem vibrací ocelobetonová varianta výrazně převyšuje dynamické vlastnosti litých a svařovaných dílů. U svařovaných dílů bez betonu se také vyskytují výraznější akustické emise, které jsou po vyplnění betonem utlumeny. Díky datům o zatěžování během jejich životního cyklu bylo možné dále upravit betonovou směs za účelem lepší adheze a dále lépe dimenzovat armování a spřahovací prvky svařence, čímž došlo k rovnoměrnějšímu rozložení napětí a k snížení celkových deformací.

Ocelobetonové díly – lože. (Zdroj: Intemac Solutions)

Dále byla u dílců provedena opatření pro lepší zatékání betonu a zabránění vzniku vzduchových kavit. Byly stanoveny postupy pro výrobu, která je v mnoha ohledech specifická. Zejména bylo nutné stanovit časové uzly zrání betonu, po jejichž uplynutí může následovat fáze obrábění, geometrická montáž a osazení komponenty.


Článek vznikl v rámci projektu FV20595 „Ocelobetonová konstrukce přesných obráběcích strojů“, podpořeného v programu TRIO Ministerstva průmyslu a obchodu (MPO).

Související články
Proporcionální ventily s IO-Link technologií

Emerson Aventics proporcionální ventily Sentronic Plus (614 serie) a Sentronic LP (617) jsou nyní k dispozici s integrovanou IO-Link komunikační technologií.

Slabina subdodavatelských řetězců

Díky pandemii koronaviru si v uplynulém roce našlo cestu k cyklistice spousta lidí a trh s koly, komponenty a cyklistickými doplňky, který dlouhodobě roste, nyní zažívá obrovský boom. To, že začíná více a více lidí jezdit na kole, se ale děje kontinuálně posledních několik let. Pandemie však tento nárůst zájmu výrazně urychlila. Zároveň však ale také odhalila některé slabiny globálního cyklistického trhu, které budou s největší pravděpodobností mít pro některé výrobce a prodejce kol či cyklo servisy vážné následky. Co se tedy vlastně stalo a co nás zřejmě čeká?  

Čtrnáctý ročník soutěže Ocenění českých podnikatelek úspěšně odstartován

Ve čtvrtek 3. června 2021 byl zahájen další ročník prestižní soutěže Ocenění českých podnikatelek, který odstartovala online konference Women in Business s podtitulem Nová realita roku 2021 a společný (re)start, most k jednotě a spolupráci. Tuto soutěž již tradičně vyhlašuje podnikatelská platforma Helas – Budujeme hrdé Česko. Patronkou letošního ročníku je Kateřina Kadlecová, generální ředitelka společnosti USSPA. 

Související články
Třpytivý svět krystalů

Turnovská společnost Crytur patří svým pojetím ke světovému unikátu. V přesně definovaných podmínkách pěstuje umělé krystaly z vlastního výzkumu a vývoje, které následně po opracování dodává buď jako specifické optické díly pro další celky, nebo přímo kompletní výrobky.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Implantáty z Čech až na konec světa

V 70. letech minulého století stál u zrodu prvních ortopedických implantátů v Čechách. V roce 1992 pak v rámci privatizace založil vlastní firmu téhož zaměření, jejíž výrobky dodnes pomáhají lidem znovu se hýbat. Ano, hovoříme o Stanislavu Beznoskovi a české firmě téhož jména, kterou dnes úspěšně řídí členové rodiny zakladatele.

MM Podcast: Glosa - Když se země otřásají v základech

Krize vyvolaná pandemií koronaviru v řadě oborů působí jako urychlovač trendů patrných před jejím vypuknutím. Mnoho odvětví si prochází zásadní strukturální transformací, ale část z nich – které se stát snaží podpůrnými prostředky za každou cenu stále držet nad vodou, zanikne. 

Vývoj UHT nástrojů
v plném proudu krizi navzdory

Hlavním motivem založení VaV centra Rotana byla připravenost na nové trendy v automobilovém a leteckém průmyslu a výroba vlastních produktů s vysokou přidanou hodnotou – konkrétně ultratvrdých (UHT) nástrojů pro speciální aplikace. Centrum je vybaveno nejmodernějšími technologiemi a stále se rozrůstá. Na kontě má několik úspěšně zakončených projektů v podobě prototypových nástrojů a užitných vzorů. O tom, na jakých projektech v centru pracují nyní a jaké mají plány do budoucna, jsme si povídali se třemi hlavními osobnostmi celého projektu vývoje a výroby UHT nástrojů.

Odměřovací pravítka, lanovka a Ferrari

Odměřovací pravítko je jednou z klíčových komponent obráběcího stroje. Zpravidla je ukryto hluboko uvnitř stroje a většina uživatelů obráběcích strojů jej nikdy na vlastní oči neviděla. Přesto jsou na ně kladeny velmi vysoké nároky. Musejí pracovat spolehlivě po dobu mnoha let, zaručovat očekávanou přesnost a rozlišení, a musejí být odolná proti znečištění, pronikání kapalin, prachu i třískám a proti spoustě dalších faktorů. A kdyby se náhodou něco pokazilo, musejí být snadno vyměnitelná.

Názorové fórum odborníků

V tomto vydání MM Průmyslového spektra se věnujeme mimo jiné tématu obráběcích strojů. Proto jsme s anketní otázkou oslovili zástupce výrobců a dovozců v této komoditě.
Čas jsou peníze. Každá minuta prostoje výrobního zařízení je nežádoucí, proto se dnes vedle vysoké produktivity u strojů očekává také jejich vysoká spolehlivost.

Stroje v pohybu – Sledování zásilek na dálku

Takzvaný internet věcí (IoT) nabízí mnoho možností. Základem této technologie je bezdrátová komunikace velkého počtu autonomních zařízení prostřednictvím datových sítí, jež jsou navrženy tak, aby datový přenos spotřeboval co nejméně energie. Toho využívají i moderní sledovací jednotky (lokátory), které mohou díky energetické úspornosti pracovat i několik let bez dobíjení baterií.

Fórum výrobních průmyslníků

Jakým způsobem se po 15 měsících od vypuknutí pandemie koronaviru tento stav projevuje ve vaší společnosti – jak z pohledu objemu zakázek, jejich realizace a ekonomiky jako takové (např. vlivem navýšení cen vstupních materiálů, nedostatku některých komponent)? Dokážete predikovat, jak se bude situace ve vaší komoditě vyvíjet ve druhé polovině roku, na čem bude záviset?

Fórum děkanů strojních fakult

Jak současná doba ovlivňuje realizaci smluvního výzkumu na již hotových projektech, resp. při akvizici nových? Zaznamenáváte aktuálně pokles zájmu firem o spolupráci?

Semináře nově s high-tech technologiemi

Školicí a tréninkové centrum společnosti Ceratizit ve Velkém Meziříčí prošlo v loňském roce rozsáhlou modernizací. Nové Technické centrum i technologie v něm bohužel kvůli pandemii covid-19 nemělo možnost navštívit mnoho zákazníků. Všichni pevně věříme, že se to brzy změní. Než se tomu tak stane, požádali jsme Jana Gryče, technického ředitele společnosti Ceratizit, aby nám představil, co je v centru nového a na co se mohou zákazníci těšit. Při té příležitosti jsme oslovili také Pavla Němečka, obchodně-technického zástupce společnosti Hermle, aby pohovořil o pětiosém stroji C 32 U, které je v centru nové.

Švédové jsou féroví a přímí obchodníci

Celosvětová pandemie covid-19 mění světa vytváří nové příležitosti a výzvy pro exportně orientované firmy. Zahraniční kanceláře CzechTrade registrují příležitosti v daných destinacích a vytvářejí partnerství českým výrobním společnostem a jsou jim nápomocni při vstupu na trh a upevnění jejich pozice.

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