PKD a CBN nástroje

Vývoj a výroba PKD a CBN nástrojů je od poloviny osmdesátých let minulého století ve firmě Gühring high-tech oborem. V produkčních závodech v Evropě, Americe a Asii vznikají dnes inovativní a zároveň komplexní kombinované nástroje pro vysoce speciální obráběcí operace. Před dvěma lety byla také spuštěna výroba a renovace těchto nástrojů v České republice v závodě Sulkov u Plzně.

Těla nástrojů jsou z oceli nebo ze slinutých karbidů. Do sedel plátků se pájí vlastní řezné destičky. Polotovarem jsou kruhové destičky, které jsou následně v elektroerozivním stroji nařezány do patřičných tvarů. Pro maximální využití destičky polotovaru se využívají speciální programy, které poskládají požadované tvary řezných plátků tak, aby odpad byl minimální. Řezné plátky jsou pak napájeny na vlastní nástroj, který se následně očistí pískováním. Dále přichází na řadu erodování celého nástroje ke konečným rozměrům v toleranci 0,01 mm. Pokud je požadována vyšší přesnost, jsou nástroje broušeny na ultra přesných bruskách až na tisíciny milimetru.

Nástrojový program zahrnuje vrtáky, frézy, výstružníky i řezné destičky. K tomu jsou také vyvíjeny, konstruovány a vyráběny především zákazníky specifikované nástroje pro vysoce komplexní obrábění. Hlavní uplatnění nacházejí tyto nástroje převážně v automobilovém průmyslu. Odlehčování konstrukcí při zvyšování výkonových parametrů a snižování spotřeby paliva u automobilů vede ke stále četnějšímu používání speciálních materiálů, jako jsou hliníkové a magnéziové slitiny. Typickými obrobky jsou motorové bloky, hlavy válců, klikové i vačkové hřídele, stejně jako převodové skříně či turbodmychadla a common raily. Další širokou oblastí pro efektivní využití těchto nástrojů je letectví a kosmonautika. Se stupňujícími se požadavky na letadla, vrtulníky, nosné rakety i vesmírné satelity zrychluje také vývoj nových materiálů především na syntetické bázi kompozitů či speciálních slitin.

Plné využití maximálního potenciálu PKD a CBN nástrojů klade také extrémně vysoké nároky na výrobce strojů. Tyto obráběcí stroje a upnutí obrobků musejí být maximálně stabilní, stroje musejí být enormně tuhé při vysokých parametrech otáček vřetena a extrémně vysokých posuvů, absolutně bez chvění. To vyžaduje důsledně konstrukčně propracované uložení vřeten i vedení posuvových částí, stejně jako tuhostí celých posuvových soustav a pohonů. Minimální házivost vřetena a vnitřní chlazení s vysokým tlakem jsou samozřejmostí.

Moderní automobilový průmysl v současné době využívá supervýkonné materiály, které je třeba kvalitně a efektivně v co nejkratším čase obrobit. Typické součásti motorů, převodovek, zadních i předních os, prvků řízení, brzd i další speciální díly kladou zvlášť vysoké požadavky na precizní řezné nástroje při zachování jejich odolnosti proti opotřebení. S ohledem na omezený rozsah tohoto článku byly vybrány dvě aplikace.

Obrábění dílů, jako jsou hlavy válců a motorové bloky ze slitin hliníku vyžaduje vrtání blízko k sobě ležících otvorů, na jejichž výslednou přesnost působí silné tepelné zatížení. Díky extrémnímu tepelnému působení při výkonném obrábění hrozí riziko, že se vyvrtané otvory následně zdeformují. K eliminaci těchto rizik mají nástroje pro tyto aplikace vyvinutou speciální řeznou geometrii.

Nástroje pro obrábění otvoru pro ucpávky chladicího okruhu v hlavě válců mají ještě další vylepšení, neboť zde se nesmí odchozí třísky dostávat dovnitř obrobku. Speciální geometrie nástroje v souladu se správným usměrněním chladicí kapaliny se starají o to, aby třísky vznikající při tomto řezném procesu byly stáčeny do optimálního tvaru i rozměru a následně byly vytlačovány chladicí kapalinou směrem ven z obrobku. Náklady na čištění těchto členitých uzavřených obrobků jsou pak silně zredukovány.

Pro vývoj a konstrukci optimálního nástroje musí být v první řadě kompletní obráběcí proces posouzen jako celek. To platí obzvlášť pro konstrukce složitějších kombinovaných nástrojů, kde se využívá zároveň více pracovních kroků. Zde již od prvotního definování procesu až po sériové nasazení nástrojů poskytuje firma Gühring své dlouholeté zkušenosti. K dispozici jsou také speciální techničtí poradci pro PKD a CBN nástroje s celosvětovou působností, s cílem pomoci uživatelům při jejich aplikacích přímo v jejich podnicích. Příklad progresivního inovačního přístupu dokumentuje následující aplikace obrábění montážních otvorů a sacích kanálů v hlavě válců ve třech krocích:

Vrtání montážních otvorů (pro šrouby, kterými je hlava přitažena k bloku motoru) bylo realizováno dvěma monolitními tvrdokovovými vrtáky. Obrábění sacích kanálů, vodítek a sedel ventilů probíhalo pomocí čtyř PKD i CBN kombinovaných nástrojů. První nástroj s PKD pájenými plátky provede úpravu tvaru sacího kanálu a vytvoří pilotní otvor pro vodítko ventilu. Druhý nástroj je opět PKD a v základním tělese vystruží nejdříve otvor pro vodítko ventilu a potom zahloubí otvor pro kroužek sedla ventilu. Po těchto operacích se do hlavy zalisují vodítka ventilů ze slitiny mědi a také dojde k zalisování kroužku sedla ventilu ze speciální oceli. Třetí nástroj provede pilotáž ve vodítku PKD výstružníkem a vyhrubuje kroužek sedla ventilu. K této operaci slouží masivní část nástroje, která je opatřena třemi břity, jež jsou tvořeny výměnnými CBN plátky, úhlově i axiálně nastavitelnými. Čtvrtý nástroj je kombinovaný ve stejném duchu jako předešlý a slouží jako dokončovací – obrobí vodítko i kroužek sedla ventilů načisto do konečných rozměrů, tvaru a kvality.

Při opracování vodítek ventilů byly používány jen čtyřbřité vystružovací nástroje.

Nástroje používané před optimalizací procesu. Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Počet nástrojů pro obě operace zůstal zachován. Pro vrtání montážních otvorů byl však dokončovací tvrdokovový vrták nahrazen PKD vrtákem s vyššími řeznými parametry.

V případě obrábění sacích kanálů, vodítek a sedel ventilů byly kombinované nástroje s výstružníky překonstruovány na modulární bázi držáků pro dokončovací obrábění s nejpřesnějším provedením 6x6 pro PKD nástroje. Ten díky blíže k sobě uspořádaným seřizovacím šroubům pro radiální a axiální nastavení umožňuje provádět velmi snadno úpravy a korekce v bezprostřední blízkosti měřeného bodu. Nástroje jsou pak nastaveny pro obrábění bez kymácivého efektu v mikrometrické přesnosti.

Také počet břitů výstružníku byl zvýšen ze čtyř na šest, zde byly použity konstrukční principy z programu PKD výstružníků označeného PR 1000 M.

Sada nástrojů používaná po optimalizaci obrábění. Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Počet nástrojů pro obě operace byl zredukován. Pro vrtání montážních otvorů byl vynechán pilotovací tvrdokovový vrták. V případě obrábění sacích kanálů, vodítek a sedel ventilů byly kombinované nástroje zredukovány z původních čtyř na pouhé dva. Zde tyto dva nástroje byly přepracovány na základě zkušeností a zpětných informací z výrobních procesů. Díky inteligentní konstrukci a zlepšení koncepce rozložení vlastních břitů ve spojení s optimalizovaným systémem chlazení pro odchod třísek je možné v jednom nástroji spojit více pracovních kroků. V těchto případech jsou hrubovací operace sloučeny s operacemi dokončovacími.

Pokrokové řešení spojující více kroků s jedním nástrojem. Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Tyto technicky unikátní nástroje vznikají v nejmodernějších provozech, kde je dispozici 200 špičkových pracovníků pro vývoj, konstrukci a výrobu. Nejnovější CAD programy a počítačové vybavení jsou využívány při podpoře vývojových a konstrukčních prací. Vlastní výrobou však péče o nástroje zdaleka nekončí. V rámci služeb zákazníkům se provádějí také přeostřování a renovace těchto velmi drahých nástrojů. Zákazník pošle otupené nástroje zpět nebo je přiveze naše svozová služba. Vstupní inspekce určí míru opotřebení a eventuální poškození a určí, jaké pracovní kroky jsou potřeba k obnovení bezvadné funkčnosti nástrojů. Na základě této vstupní kontroly je zvolena po konzultacích se zákazníkem ekonomicky optimální varianta. Buď je stávající nástroj renovován, nebo jsou dodány nástroje nové. V rámci renovací jsou silně opotřebené plátky nahrazeny novými, v případě lehkého opotřebení jsou nástroje přeostřeny. Následuje výstupní kontrola a zpětné dodání zákazníkům.

Již v úvodu bylo řečeno, že před dvěma lety byla také spuštěna výroba a renovace těchto exkluzivních špičkových PKD a CBN nástrojů v České republice v závodě Sulkov u Plzně. Díky identickému strojnímu a měřicímu zařízení jako v ostatních závodech koncernu, kde se PKD a CBN nástroje zhotovují, a na základě celosvětových zkušeností včetně rozsáhlé databáze konstrukčních linií a postupů, je i v tomto případě zaručena nejvyšší výsledná kvalita. Kompetentní pracovníci jsou vysoce kvalifikovaní a s velkou motivací pomoci uživatelům v maximální možné míře zefektivnit jejich výrobu.

Dr.-Ing. František Plánička
Gühring

frantisek.planicka@guehring.de

www.guehring.cz