Témata
Zdroj: ZČU v Plzni

S 3D tiskem k efektivnějšímu obrábění

Chce-li Evropa zachovat svou konkurenceschopnost a držet krok se strojírenskými velmocemi, bude muset zvýšit efektivitu výroby. V oblasti soustružení k tomu může přispět i zdánlivá drobnost, a to účinné chlazení nástrojů.

Luboš Kroft

Vědeckovýzkumný pracovník Regionálního technologického institutu při ZČU v Plzni s více než desetiletou praxí v oblasti strojírenské technologie a výrobních procesů. Jeho hlavní specializací je optimalizace technologie výroby, vývoj řezných nástrojů a chladicích systémů obráběcích nástrojů, za který v roce 2022 získal Zlatou medaili na MSV Brno za "Specifický systém chlazení ECHO".

Jindřich Sýkora

Věnuje se vývoji řezných nástrojů a návrhům technologií pro obrábění superslitin a velmi tvrdých materiálů. Působí v Regionálním technologickém institutu ZČU v Plzni. V rámci výzkumu a vývoje aplikuje do praxe nejnovější technologie v oblasti obrábění. 

Reklama

Nedaleko Pardubic, v jedné z výrobních hal společnosti Bohemia Rings, vznikají ocelové kruhy impozantních rozměrů. Právě teď se ve zbrusu novém českém karuselu Omos otáčí dílec o průměru 3,35 m. Vyroben je z oceli 42CrMoS4+QT, jejíž pevnost přesahuje 1 000 MPa. Nástroj se čtvercovou břitovou destičkou najíždí do řezu: posuv 1,5 mm na otáčku, hloubka záběru 20 mm. Halou se rozléhají ohlušující zvuky – tóny, které by při běžném obrábění znamenaly problém. Ale tohle není běžný případ. Použitý nástroj Pramet SSBCL 6060 je osazen efektivním systémem chlazení, částečně vyrobeným technologií 3D tisku. Emulze je vedena na čelo skrz upínku a zároveň ze hřbetu nástroje přes speciální podložku – a to po celé aktivní délce břitu. Výsledek? Břitová destička zvládá bez potíží jedenáctiminutový záběr, během něhož je z čela dílce odebráno 270 kilogramů oceli.

Speciální chladicí elementy: podložka a upínka jsou upraveny tak, aby skrz ně chladicí kapalina proudila přesně do místa řezu. (Zdroj: ZČU v Plzni)

Účinnější chlazení prodlužuje životnost nástroje

Zvýšení účinnosti chlazení se přímo promítá do delší životnosti nástroje. To následně umožňuje volit vyšší řezné rychlosti a posuvy a tím i zrychlit celý proces. Výsledkem je nižší spotřeba nástrojů, kratší doba obrábění a celkové snížení výrobních nákladů. Přínos účinného chlazení však závisí na kombinaci konkrétního nástroje a obráběného materiálu. Obecně platí: čím hůře obrobitelný materiál, tím větší význam má optimalizace chlazení. Zatímco u běžných aplikací může vylepšený systém prodloužit životnost břitové destičky přibližně o 40 %, při soustružení náročnějších slitin, například titanu, bylo dosaženo prodloužení až o 70 %. Klíč spočívá v přechodu od tradičního, záplavového chlazení k přesně směrovaným tryskám. Chladicí médium je přivedeno jak z čela nástroje, tak z jeho hřbetu, a to z těsné blízkosti řezné hrany. Výhodou tohoto řešení je mimo jiné jeho modularita: zachovávají se původní břitové destičky a není nutné investovat do výkonnějších čerpadel. Mění se pouze podoba tělesa nástroje.

Experimentální analýza vlivu přívodu chlazení na opotřebení břitu a měření jeho úbytku. (Zdroj: ZČU v Plzni)

Jak už bylo uvedeno, nástroj zmíněný v úvodu se opírá o 3D tisk kovů. Ten se v posledních letech často skloňuje, ale praktických aplikací, kde jeho výhody skutečně vyniknou, je zatím překvapivě málo. Nabízí se proto otázka: Jak může kovový 3D tisk pomoci při obrábění? Jednou z jeho klíčových předností je schopnost vytvářet složité vnitřní struktury a složité kanály s nebývalou volností. Této vlastnosti jsme využili při návrhu chladicích prvků pro soustružnické nože. Díky aditivní výrobě lze kanály orientovat způsobem, který by byl při použití konvenční technologie prakticky nerealizovatelný. Chladicí kapalina tak proudí přesně tam, kde ji proces nejvíce potřebuje – do bezprostřední blízkosti místa řezu. Výhodou je rovněž možnost vytvořit větší počet kanálů s malým průřezem, které rovnoměrně pokrývají celou délku řezné hrany. Tento přístup se nejlépe osvědčuje u čtvercových a kruhových destiček, používaných při velkých hloubkách řezu. A protože se aditivně vyrábějí pouze drobné chladicí elementy, nikoli celé těleso nástroje, dopad na celkovou cenu zůstává minimální.

Reklama
Reklama
Reklama

Jak se hledá optimální přívod chlazení?

Než se podíváme na průmyslové aplikace, je vhodné ukázat, jaký vliv má geometrie chlazení na opotřebení nástroje. V rámci kontrolovaného testu jsme se zaměřili výhradně na vliv hřbetního chlazení. Obráběným materiálem byla titanová slitina Ti6Al4V a operace spočívala v čelním soustružení pomocí nepovlakované břitové destičky Pramet ze substrátu H07. Opotřebení jsme kvantifikovali jako objemový úbytek břitu, a to při řezné rychlosti 135 m.min−1, posuvu 0,085 mm a hloubce řezu 0,5 mm. Čelní chlazení bylo navrženo pro maximální účinnost a zůstalo konstantní.

Rozdíl v opotřebení břitu nástroje je dobře patrný. (Zdroj: ZČU v Plzni)

Hřbetní chlazení, dnes v praxi často opomíjené, jsme nejprve otestovali v základním uspořádání – s tryskou umístěnou přibližně 15 mm pod řeznou hranou, podobně jako u běžných nástrojů typu ISO C. Výsledkem bylo snížení opotřebení o 49 %, přestože geometrie přívodu nebyla ideální. Dále jsme zkoumali vliv tlaku: i při výrazně nižším tlaku (20 barů místo původních 60) bylo díky hřbetnímu chlazení možné zachovat stejné opotřebení. To naznačuje vysoký potenciál pro energeticky úspornější obrábění. Poté přišel ke slovu 3D tisk. Díky jeho schopnosti integrovat trysky přímo do tělesa nože jsme mohli zkrátit vzdálenost trysky od břitu na 5 mm. Tento jediný konstrukční krok vedl k dalšímu snížení opotřebení, a to o 40 %. Tyto výsledky nám nejen poskytly hlubší vhled do chování chladicích systémů, ale zároveň posloužily jako základ pro návrh optimalizovaných řešení v průmyslové praxi.

Na hřbet nástroje byl přidán 3D tištěný element z nástrojové oceli, vybavený čtveřicí přesně orientovaných trysek. (Zdroj: ZČU v Plzni)

Přínos cíleného chlazení při výrobě leteckých motorů

Jednou z oblastí, kde optimalizace přívodu chladicího média přináší mimořádný přínos, je obrábění žárupevných slitin. Tyto materiály, běžně používané v letectví, kladou extrémní nároky na nástroje i procesní stabilitu. Pro společnost Precision Castparts CZ, zaměřenou na výrobu dílců do leteckých motorů, jsme proto upravili standardní zapichovací nástroj s kruhovými břitovými destičkami RCMT 1204, určený pro obrábění slitiny Ti6Al4V. Vnější tvar tělesa i čelní přívod chladicí kapaliny zůstaly beze změn. K zásadní inovaci došlo na hřbetu nástroje, kde byl přidán 3D tištěný element z nástrojové oceli, vybavený čtveřicí přesně orientovaných trysek. Tyto trysky přivádějí emulzi ze hřbetu v těsné blízkosti břitu a rovnoměrně pokrývají celou délku aktivní řezné hrany. I přesto, že obráběcí stroj disponoval pouze čerpadlem s tlakem 12 barů, dopad této úpravy byl výrazný: opotřebení břitové destičky se snížilo o 71 %.

Vliv cíleného chlazení při soustružení běžné oceli

Optimalizovaný přívod chladicí kapaliny nepřináší benefity pouze při obrábění exotických materiálů. Výrazně se uplatňuje i při soustružení běžných konstrukčních ocelí. Příkladem je Pražská strojírna, kde se mimo jiné vyrábějí kola pro kolejová vozidla. Polotovary pro tyto dílce jsou kovány z oceli 42CrMo4 a při hrubování se používají nástroje Pramet, typ DCLNR 3232 P19. Aby se zásah do výrobního procesu omezil na minimum, byla upravena pouze originální tělesa nástroje. Hřbetní podložka byla nahrazena 3D tištěným dílem, který cíleně přivádí chladicí médium ze hřbetu a je dimenzován podle maximální hloubky řezu. Také čelní upínka byla nahrazena 3D výtiskem, který kromě vedení kapaliny zachovává i svou původní, tedy mechanickou funkci. Účinnost tohoto řešení byla ověřena při obrábění dávky 27 tramvajových kol. Výsledek: Díky novému systému chlazení bylo možné s každou břitovou destičkou obrobit v průměru o 87 % více dílců než s původní konfigurací chlazení.

Úprava tělesa DCLNR 3232 P19 pro obrábění tramvajových kol. (Zdroj: ZČU v Plzni)

Přínos cíleného chlazení při výrobě dílců pro parní turbíny

Moderní keramické řezné materiály patří mezi nejproduktivnější řešení pro obrábění žárupevných slitin, jako je např. slitina Inconel. Díky vysoké teplotní odolnosti umožňují dosahovat řezných rychlostí až 200 m.min−1, a to i při použití chlazení, které je u těchto nástrojů často považováno za problematické.

Reklama

Při hrubování se běžně využívají kruhové břitové destičky, ale standardní nástroje často postrádají dostatečně dimenzovaný přívod chladicí kapaliny. Z tohoto důvodu jsme opět vyvinuli 3D tištěnou podložku a čelní upínku pro destičku RNGN 12, aby se zajistilo přesné a rovnoměrné chlazení z těsné blízkosti místa řezu – po celé délce aktivní řezné hrany. Výsledkem je nejen prodloužení životnosti břitové destičky, ale i výrazně lepší kontrola třísky. Přestože keramické destičky nemají integrovaný utvářeč, cílené čelní chlazení umožňuje optimalizaci tvaru třísky i při relativně nízkém tlaku kapaliny (20 barů).

3D tištěná podložka a čelní upínka pro destičku RNGN 12 zajišťují přesné a rovnoměrné chlazení z těsné blízkosti místa řezu. (Zdroj: ZČU v Plzni)

Tento nástroj byl nasazen ve společnosti Doosan Škoda Power při výrobě svorníků M100 z materiálu Inconel 718. Chlazení přesně směrované na čelo břitu i na jeho hřbet umožnilo snížit spotřebu řezných hran – v průměru o jednu na každý vyrobený kus. Při sérii 54 svorníků se tak podařilo ušetřit 7 břitových destiček. Ještě výraznější dopad měl nový systém na zkrácení neproduktivních časů – ať už při výměně VBD, nebo při manipulaci s třískami. Celková úspora dosáhla více než 7 hodin na jednu výrobní dávku. Výsledkem tak bylo nejen snížení nákladů na nástroje, ale i zvýšení celkové efektivity výroby.

Na základě mimořádně pozitivních výsledků výzkumu v oblasti cíleného chlazení nástrojů vznikla spin-off firma Echo Tools, která tyto poznatky převádí do průmyslu – při návrhu a výrobě vysoce efektivních řezných nástrojů.

Využití moderních technologií bylo odjakživa klíčem k hospodářské prosperitě – a jinak tomu není ani dnes. Česká republika má v oblasti strojírenství silnou tradici a právě zvýšení efektivity obrábění je jednou z cest, jak tuto tradici do budoucna přetavit v konkurenční výhodu. Díky cílenému nasazení 3D tisku kovů lze výrazně snížit výrobní náklady bez nutnosti zásadních investic do nových strojů. Inovace v oblasti chlazení ukazují, že i drobné změny v konstrukci nástrojů mohou mít zásadní dopad na výkon, životnost a ekonomiku výroby.

Vliv chlazení na tvar třísky. (Zdroj: ZČU v Plzni)

Otázka tedy nezní, zda je čas na změnu. Otázka zní: Jste připraveni posunout efektivitu své výroby na novou úroveň?

Toto video ukazuje vliv přesného chlazení na výkon řezného nástroje při obráběcí operaci a na tvar třísek. (Zdroj: Echo Tools)
Vydání #5
Kód článku: 250538
Datum: 30. 04. 2025
Rubrika: Servis / Obrábění
Související články
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 2. Win Together

Podtitul veletrhu CIMT 2019 byl: 融合共赢 智造未来. Musíte uznat, že motto veletrhu je v této pro nás exotické podobě zahaleno značným tajemstvím. Dáte-li větu do automatického překladače, výsledná myšlenka zní: fúze a výhra. Jednoduchá slova, divný obsah - tento způsob nalezení významu věty opravdu není žádná výhra. Proto se o nápravu "ztráty v překladu" pokusíme v druhém vstupu z veletrhu, ve kterém se tentokrát podíváme i za technikou.

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.

Související články
Perspektivy čínského draka

Již několik let vám pravidelně v tomto čase přinášíme reportáže ze dvou klíčových strojírenských veletrhů celého asijského kontinentu, které jsou určitým barometrem srovnání postupného vývoje čínských výrobců obráběcích strojů a komponent, ale i pohledem na zvolené marketingové strategie nadnárodních společností při jejich penetraci na zdejší čínský trh – největší a nejprogresivněji rostoucí na světě. V lichých letech se v Pekingu v dubnu koná veletrh CIMT (China International Machine Tool Show), v sudých přibližně ve shodné době pak v Šanghaji veletrh CCMT (China CNC Machine Tool Fair). Aktuální postřehy z každého dne veletrhu jsme přinášeli prostřednictvím redakčního portálu mmspekturm.com a sociální sítě facebook, s tradičním komplexnějším pohledem na veletrh a čínský komoditní trh jako takový přicházíme nyní.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
EMO zrcadlem pokroku a inovací

Při příležitosti prezentace veletrhu EMO 2017 Hannover před evropskou novinářskou obcí se uskutečnilo i pražské zastavení. Zastoupení Deutsche Messe pro ČR zorganizovalo tiskovou konferenci, které se vedle generálního ředitele EMO Hannover Christopha Millera účastnil i tiskový mluvčí hannoverského veletržního komplexu Hartwig von Sass spolu s ředitelem českého svazu SST Ing. Paclíkem a předsedou Společnosti pro obráběcí stroje doktorem Smolíkem.

Odlehčovací optimalizace 3D tištěné frézy

Vývoj v oboru obrábění se tradičně potýká s mimořádným dynamickým zatížením soustavy na straně jedné a požadavky na přesnost a produktivitu obrábění na straně druhé. Nalezení takové konstrukce nástroje, která odolá extrémním provozním podmínkám, a přitom umožní proces obrábění urychlit, může vést k zefektivnění výrobního procesu. Příkladem toho může být vývoj odlehčené frézovací hlavy. Dosavadní konstrukce obráběcích nástrojů vycházely z jednolitých plných tvarů zaručujících vysokou tuhost na úkor dynamických vlastností nástroje. Změnou vnitřní struktury je však možné najít optimum mezi těmito protichůdnými požadavky.

Významný posun v oblasti strojírenství

Ve dnech 7.-9. února proběhl "pod taktovkou" Katedry technologie obrábění Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni devátý ročník mezinárodní konference Strojírenská technologie Plzeň. Podrobnostem jejího průběhu se v tomto vydání našeho časopisu věnuje nejen naše reportáž, ale i tento rozhovor s doc. Miroslavem Zetkem, hlavním organizátorem konference.

Úspora vedlejších časů

V současné době se firmy v České republice potýkají s nedostatkem pracovníků. Obzvláště citelná je tato situace v oblasti strojírenství, kde jsou na pracovníky kladeny vyšší požadavky na vzdělánV současné době se firmy v České republice potýkají s nedostatkem pracovníků. Obzvláště citelná je tato situace v oblasti strojírenství, kde jsou na pracovníky kladeny vyšší požadavky na vzdělání a praxi v oboru. Nelze ani očekávat, že se situace sama zlepší nebo nás zachrání zahraniční pracovníci. í a praxi v oboru. Nelze ani očekávat, že se situace sama zlepší nebo nás zachrání zahraniční pracovníci.

Nový pohled na moderní CAM programování v praxi

Při své dennodenní praxi se odborníci firmy Grumant u svých zákazníků opakovaně setkávají s tím, že jsou programy připravovány přímo na strojích. Důsledkem toho jsou ztráty strojní kapacity a dále dochází ke ztrátě kontroly nad výrobním procesem z hlediska použitých strategií a řezných podmínek. Ani tam, kde se již používá CAM programování, nemusí být vyhráno. O tom, jak revolučně vidí CAM programování ve firmě Grumant, pojednává tento článek.

Progres v navyšování podílu na trhu

Skupina Plansee Group dosáhla v hospodářském roce 2017/18 konsolidovaného obratu 1,3 miliardy euro, což znamenalo nárůst o 11 % ve srovnání s předchozím obdobím. V rámci bilanční tiskové konference konané v Reutte o tom informovali členové představenstva Bernhard Schretter a Karlheinz Wex.

Věnujte pozornost vedlejším časům při obrábění

Firma Grumant se již 25 let zabývá prodejem nástrojů a strojů pro třískové obrábění. Zároveň je již známo to, že klade silný důraz na podporu svých zákazníků. 25 let zkušeností jejích techniků ukazuje, že řada zákazníků se soustředí hlavně na kontrolu a optimalizaci strojního času a přehlíží ztráty časů vedlejších. A právě zkrácení vedlejších časů je klíčem k razantnímu zvýšení produktivity, zisku a překvapivě i cesta jak odlehčit problému nedostatku kvalifikovaných obráběčů.

Kompozitní materiály z přírodních zdrojů

Veřejnost se stále více snaží být environmentálně odpovědnou. Ani napříč odvětvími průmyslu tomu není jinak. V oblasti kompozitních materiálů můžeme v posledních letech sledovat stále častější tendence využívat přírodní materiály jako náhradu konvenčních syntetických produktů. Roste poptávka po vláknech na rostlinné bázi (například vláknech ze lnu, konopí nebo sisalu) a tyto materiály získávají významný podíl na celkové produkci kompozitních výrobků.

Jste připraveni na budoucnost? Zjistěte to...

Každý den se probouzíme do situace, kdy nekonečný boj o nové zákazníky o kousek přitvrdí, je stále náročnější a vyhraje ten, kdo se nejlépe a nejrychleji přizpůsobí. Jak řekl rakouský psychiatr Viktor Frankl, základní lidskou vlastností je svoboda rozhodnout se, i když její uplatnění nemusí být lehké. Člověk není svobodný ve vztahu k podmínkám, v nichž žije, ale má svobodu v tom, jaké k nim zaujme stanovisko. Jak se rozhodnete vy?

Od vydavatelství po startupy

Jiří Hlavenka není pro mnoho lidí neznámou osobností. Jde o člověka, který stál u zrodu vydavatelství i nakladatelství Computer Press a později i u prvního interaktivního webu o počítačích a počítačových technologiích, kde se neznalci mnohdy dozvěděli i odpověď na svou otázku. Jiří Hlavenka se ale v současné době věnuje investování do projektů, které mají smysl, a tak jeho jméno figuruje především u webu Kiwi.com, který vám najde - třeba i na poslední chvíli - nejlepší a nejlevnější letecké spojení kamkoli. Někdy může let po více "mezidestinacích" sice trvat déle, ale vždy se můžete spolehnout na to, že doletíte tam, kam jste si vysnili nebo kam potřebujete dolétnout.

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