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
Made in Česko - Romantické tóny z Hradce Králové

V roce 1948 byla doslova ze dne na den znárodněna česká firma Petrof vyrábějící dokonalé, světově proslulé klavíry. Její majitel, dědeček dvou dam a pradědeček třetí, tedy těch, které v současné době firmu úspěšně vedou, musel tehdy okamžitě svoji továrnu opustit. O dlouhou řadu let později se, nejen díky revoluci, ale i díky nezměrnému úsilí jeho samého i jeho potomků, podařilo firmu, která figuruje na předním místě mezi českým „rodinným stříbrem“, vrátit do rukou rodiny Petrofů.

Obrábění těžkoobrobitelných materiálů

Stále rostoucí požadavky výrobců proudových motorů vyžadují kontinuální vývoj žárupevných materiálů. Klasické metody obrábění jsou zde na hranici svých možností, efektivní alternativou je elektroerozivní řezání drátovou elektrodou.

Desatero pro export - Marketingový průzkum poprvé

V dnešním díle našeho exportního seriálu se budeme věnovat marketingovému průzkumu. Ten je základním nástrojem pro posuzování jednotlivých vývozních teritorií a sestavování individuálních exportních plánů. Cílem je vytvořit profily potenciálních trhů, které zahrnou jejich charakteristiky, očekávání a preference. Na základě těchto profilů chceme sestavit klasifikaci atraktivity trhů podle předem určených kritérií. Dalšími cíli jsou analýza konkurence na vybraných trzích, identifikace hrozeb a příležitostí a určení právního rámce a systému autorského práva.

Související články
3D technologie letem světem

Vývoj 3D technologií dnes již zasahuje téměř do všech oblastí výroby. Uplatnění nachází u kusové výroby, ale dokáže si najít své místo i v sériové a dokonce velkosériové výrobě, kde nemusí jít nutně o samotné výrobky, ale např. o výrobu nástrojů nebo přípravků.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Úspěšný vývoj technologií pro zpracování termoplastových kompozitů

Konstruktéři tlačení požadavky na nižší hmotnost a lepší parametry svých konstrukcí stále více neváhají využít ve svých návrzích materiály, které byly dříve vyhrazeny pouze pro nejnáročnější high-tech aplikace. Díky tomu roste také poptávka po nenáročných výrobních technologií na výrobu konkrétního dílce z určitého materiálu.

EMO Hannover 2011, Část 8 - Materiály ve stavbě strojů

Dnešním předposledním dílem již pomalu uzavíráme náš profesně tříděný pohled na loňskou výstavu EMO Hannover. Dnes se zabýváme materiály ve stavbě obráběcích strojů, v příštím vydání se můžete těšit na zpracovanou oblast brousicích strojů.

Inženýrská akademie ČR nabízí spolupráci, Sekce Materiálové inženýrství a technologie

Obecným posláním Inženýrské akademie ČR je odborně podporovat rozvoj technických věd a technického školství a zejména využívání nových poznatků vědy a výzkumu a teoretických znalostí průmyslovou sférou. Cílem je přispívat k růstu ekonomického potenciálu a konkurenceschopnosti české ekonomiky. Specializované odborné sekce IA ČR, sdružující přední specialisty daného oboru, poskytují expertní a poradenské služby a vyjadřují se k závažným technickým řešením a rozhodnutím vycházejícím z univerzitní oblasti, průmyslu, vládních i nevládních institucí. Na stránkách MM Průmyslového spektra budeme čtenářům v průběhu roku 2016 jednotlivé odborné sekce postupně představovat.

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.

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.

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.

Výuka a výzkum aditivních technologií

Inovativní výrobní technologie nacházejí své místo také v technickém vzdělávání. Do svých osnov je dříve či později zakomponovaly všechny technické vysoké školy. Avšak pořízení nákladných technologií se neobejde bez podpory ze strany průmyslového výzkumu. Na Fakultě strojní ČVUT v Praze nyní disponují úplně novým zařízením M2 cusing pro výrobu dílů metodou DMLS německého výrobce Concept Laser, dnes působící pod značkou GE Additive. Stroj dodala společnost Misan a technologie slouží primárně pro výzkum v leteckém průmyslu.

Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

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