Ocelobetonové konstrukce zvyšují výkonnost 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).