Produktivní obrábění velmi přesných válcových otvorů

V současné době známé nástroje a koncepce obrábění uplatňované na moderních automatizovaných CNC strojích v mnoha případech nezaručují požadovanou reprodukovatelnou přesnost výroby obrobků, u kterých je vyžadováno obrobení velmi přesných děr se stupněm přesnosti IT4–IT6, zejména v průměrech od 3 do 32 mm, hloubkou do 120 mm, kvalitou povrchu od Ra 0,6 µm, s vysokou tvarovou a polohovou přesností, především v hydraulických komponentech leteckého a automobilového průmyslu. To v některých případech vede k velkým výrobním ztrátám v důsledku prostojů velmi drahých multifunkčních robotizovaných obráběcích strojů a také k velkému podílu zmetkovitosti. Aby bylo dosaženo požadovaných přesností, je proto v některých případech nutné dokončovat obrábění děr abrazivním způsobem, tj. například honováním nebo broušením na dalších pracovištích, a to na úkor několikanásobně vyšších výrobních nákladů.

Velký vliv na řešení uvedených problémů mají nástrojové jednotky, které se skládají z výměnného pracovního nástroje a upínače, který je propojujícím členem pro spojení pracovního nástroje s vřetenem obráběcího stroje. V našem případě jde o nově vyvinutou samostředicí upínací část nástrojové jednotky.
S ohledem na požadované parametry rozměrové, tvarové a polohové přesnosti a požadavky na kvalitu obrobeného povrchu se jedná o upínače pro osové nástroje s válcovou upínací stopkou, které musejí splňovat tyto základní požadavky:

• dostatečný přenos krouticího momentu ze stroje na nástroj;
• spolehlivou reprodukovatelnost vysoce přesného středění nástroje vůči ose rotace vřetena stroje;
• dostatečnou výkyvnou pružnost a tuhost upnutého pracovního nástroje ve vřetenu stroje;
• dostatečný přívod množství procesní kapaliny k řezné části pracovního nástroje;
• dostatečná statická a dynamická vyváženost nástrojové jednotky;
• vysoká životnost upínače.

Nové technické řešení (obr. 1) spočívá v tom, že nástrojová jednotka sestává z upínacího tělesa s velmi přesným soustředným válcovým otvorem 2, v němž je uložena válcová upínací část 3 pracovního nástroje s předdefinovanou radiální vůlí. Pracovní nástroj 5 je s upínacím tělesem rotačně propojen pomocí unášecího prvku 4, který rotačně propojuje těleso s upínací částí výstružníku a axiálně zajišťuje jeho polohu definovaným silovým axiálním odpružením 1. Konstrukční provedení nástrojové jednotky umožňuje při vystružování kyvný (plovoucí) pohyb upínací části pracovního nástroje v radiální volnosti řádově v tisícinách milimetru, čímž ustavuje řeznou část vystružovacího nástroje do tzv. ideální osy vystružování, kdy všechny břity odebírají stejnou šířku průřezu třísky. K tomu je využíván přetlak procesní chladicí kapaliny, přičemž vstupní tlak procesní kapaliny musí být min. 40 barů.

Výhody oproti známým technickým řešením:

• uspořádání vystružovací jednotky je řešeno maximálně ergonomicky a uživatelsky přívětivě s ohledem na jednoduchost a rychlost upnutí vystružovacího nástroje;
• vysoká životnost upínače;
• vyšší provozní spolehlivost;
• vyšší přesnost vystružených děr;
• vyšší trvanlivost řezných břitů.

Spolupráce se ZČU v Plzni probíhala od počátku řešení projektu při návrhu nové vystružovací jednotky. Samotnému návrhu nástrojové jednotky předcházely rozbory modelových případů silového zatížení výstružníku upnutého v systému upínání Final Tools s označením RC metodou konečných prvků. S využitím výsledků těchto simulací byla navržena nová nástrojová jednotka.

V dalším kroku byly provedeny experimenty k ověření užitných vlastností nástrojové jednotky. Pro experimentální ověření užitných vlastností byly vybrány obráběné materiály s ohledem na materiály běžně používané v praxi, především v hydraulickém průmyslu. Jednalo se o ocel ČSN 12 050 a litiny ČSN 42 2304 (GGG40) a ČSN 42 2306 (GGG60). Vyhodnocovány byly rozměrové i tvarové parametry vystružených děr. Dále parametry kvality obrobeného povrchu, reprezentované především drsností povrchu. Měření probíhalo ve třech nebo sedmi hladinách hloubky vystružené díry.

Pro prezentaci byly vybrány výsledky z experimentu na ZČU při vystružování díry ø 14,511 + 0,005 mm. Mezi vyhodnocované parametry rozměrové a tvarové přesnosti patřil skutečný průměr, kruhovitost a válcovitost vystružené díry, kdy bylo v každém materiálu vystruženo jedním výstružníkem přes 22 m děr. Velmi úzká tolerance skutečného průměru vystružené díry (tolerance průměru 5 μm) byla dodržena po celou dobu testování jednotlivých výstružníků. Stejně tak tomu bylo i pro parametr kruhovitosti (tolerance 3,5 μm) a válcovitosti (tolerance 4 μm). Výsledky vybraných měření jsou znázorněny na obr. 3. V případě kruhovitosti bylo dosaženo o minimálně 30 % lepší tvarové přesnosti oproti původně deklarované.

Faktorů ovlivňujících výslednou kvalitu obrobeného povrchu je celá řada. Patří mezi ně geometrie nástroje, řezné podmínky, stabilita řezného procesu, obráběný materiál apod. Z hlediska podmínek experimentu byly nejvýznamnějšími faktory obráběný materiál, posuv na zub a opotřebení břitu. Výsledky v grafu na obr. 4 prokazují, že vyšších hodnot drsnosti Ra bylo dosaženo při obrábění tvárné litiny GGG40. Stejných hodnot Ra bylo dosaženo navýšením posuvu při obrábění materiálu GGG60. Nízký posuv, použitý u materiálu GGG60, měl sice krátkodobě pozitivní vliv na Ra, ale negativní vliv na průběh opotřebení břitu, a tedy na trvanlivost. Dvojnásobné navýšení posuvu pro materiál GGG60 mělo dokonce pozitivní vliv na snížení zatížení vřetena během vystružování (viz graf na obr. 5). Při navýšení posuvu tedy bylo dosaženo: snížení velikosti opotřebení řezného břitu, snížení zatížení vřetena při vystružování a dodržení požadovaných tvarových a rozměrových tolerancí v průběhu vystružování. Navýšení posuvu na otáčku, potažmo posuvové rychlosti má přímý vliv na zvýšení produktivity obrábění.

Testování výstružníků na ZČU v Plzni a následné vyhodnocení naměřených dat, které byly porovnány s výsledky získanými společností Final Tools, jednoznačně prokazují, že nová nástrojová jednotka a navržená technologie jsou přenositelné na jiné pracoviště. Přitom je zajištěna reprodukovatelnost dosažených výsledků a vysoká provozní spolehlivost, což jsou parametry, které jsou v současné době nezbytnou podmínkou pro aplikaci v Průmyslu 4.0.

Pro zvětšení klikněte na tabulku

Nová nástrojová jednotka pak byla dlouhodobě zkoušena v praxi u renomovaného výrobce hydraulických motorů. Výrobce standardně používá rozpínací výstružníky, u kterých musí vždy po 15–20 minutách řezu přenastavovat průměr řezné části a následně změřit první kus, což způsobí prostoj stroje cca 5–10 minut. To při produkci 1,5 mil. děr za rok způsobuje ztrátu cca 500 Nh.

Vyšší přesnost vystružené díry umožňuje v mnoha případech odstranit následné operace broušení, případně honování. Dalším přínosem při případné montáži je možnost odstranění třídění do montážních skupin. Obojí znamená značné zjednodušení a zlevnění výroby, respektive montáže. Vyšší provozní spolehlivost je předpokladem k možnosti zavedení více strojové obsluhy, případně využití robotizovaných výrobních systémů v kontextu přechodu k Průmyslu 4.0.

Nové řešení nástrojové jednotky je chráněno užitným vzorem č. 33886. V řízení je patentová přihláška č. PV2019-773.

Vyhodnocení nasazení nové nástrojové jednotky v praxi:

• obrobek: těleso hydromotoru (viz obr. 6);
• materiál: tvárná litina GGG60;
• produkce: 1,5 mil. děr za rok;
• počet obrobených děr v testu: 2 000;
• nástroj: výstružník Final s břity z cermetu a PVD povlakem;
• pracovní podmínky: vc = 160 m.min^-1, vf = 2 380 mm.min^-1.

Výsledky testů jsou uvedeny v tabulce.

Tento článek vznikl v rámci řešení projektu FV20637, který byl řešen s finanční podporou MPO v programu Trio.

Příklad aplikace nové nástrojové jednotky: https://prezentace.finaltools.cz, heslo: 12345

Final Tools