Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Produktivní obrábění velmi přesných válcových otvorů
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Produktivní obrábění velmi přesných válcových otvorů

Brněnská firma Final Tools s dlouholetou tradicí ve vývoji a výrobě obráběcích nástrojů ve spolupráci s plzeňskou ZČU ukončila vývoj nové nástrojové jednotky pro produktivní obrábění velmi přesných válcových otvorů, zejména v hydraulických komponentech.

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.

Nová nástrojová jednotka (Zdroj: Final Tools)

Požadavky na nástrojové jednotky

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 nástrojové jednotky

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.  


Fotografie z testů na CNC centru na ZČU v Plzni. (Zdroj: Final Tools)

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.

Průběh vývoje

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.


Graf závislosti kruhovitosti na vystružené délce pro dva různé materiály obrobků zachycující i změnu velikosti posuvu. (Zdroj: Final Tools)

Při dlouhodobých zkouškách byla vyhodnocena také stabilita procesu. Na základě společného vyhodnocení výsledků pracovníky Final Tools se ZČU byly sestaveny doporučené pracovní podmínky pro novou nástrojovou jednotku. 


Drsnost obrobeného povrchu Ra a v závislosti na vystružené délce. (Zdroj: Final Tools)

Testování výstružníků na ZČU

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

Zkoušky v praxi

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.


Zatížení vřetena při vystružování (Zdroj: Final Tools)

Doposud získané výsledky s novou nástrojovou jednotkou Final vedly k dosažení vyšší přesnosti vystružené díry a vyšší provozní spolehlivosti.

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.

Těleso hydromotoru (Zdroj: Final Tools)

V současné době Final Tools připravuje zařazení nově vyvinuté nástrojové jednotky mezi katalogové produkty pod obchodním označením HAFA. Vzhledem k tomu, že výsledek vystružování válcových otvorů je ovlivněn ještě mnoha dalšími faktory, které nejsou v článku uvedeny, chystá firma vytvořit technologický portál obsahující příklady z praxe obrábění, které pomohou technologům vždy určit nejlepší technické a ekonomické řešení výroby komponentů s velmi přesnými válcovými otvory.
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

Další články

Nástroje pro obrábění / řezné materiály

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: