S 3D tiskem k efektivnějšímu obrábění

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.

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.

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.

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.

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.

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 %.

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.

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.

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).

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.

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