Soustružení bez chvění

Na obrobeném povrchu se v takovém případě objeví vlny, díky relativnímu, kmitavému pohybu nástroje a obrobku ve směru kolmém k obráběnému povrchu. Vzápětí začne kmitající nástroj obrábět tyto vlny a původně statická řezná síla je modulována na sílu periodicky proměnlivou. Je typické, že amplituda chvění narůstá a po chvíli se ustálí na jisté vysoké hodnotě. Nezmění-li se podmínky, je chvění udržováno energií dodávanou samotným řezným procesem, jeho vnitřní periodickou silou vznikající odřezáváním vln z povrchu obrobku.

Chvění se většinou samo neutlumí, je nutné obrábění přerušit a hledat příčinu chvění. Tou je obecně nedostatečná tuhost systému stroj-nástroj-obrobek. Nedostatečně tuhá mohou být místa na rámu stroje, často stačí například jen velké vyložení smykadla nutné pro obrábění rozměrné součásti. Málo tuhý může být štíhlý nástroj, značně vyložený, aby bylo možné opracovat hluboké otvory. Podobně i tenkostěnný obrobek nebo štíhlý obrobek. Pokud je to možné, pomůže chvění odstranit jiné mechanické uspořádání tohoto systému, které zajistí zvýšení tuhosti. Protože vliv má jak statická, tak dynamická tuhost, může být řešením zvýšení tlumení toho prvku systému, který se nejvíce chvěje. Běžně se používají dodatečně instalované tlumiče umístěné na vhodné části stroje. Na soustružnických strojích je v některých případech možné dosáhnout úspěchu změnou směru řezné síly. Je to však již složitější postup, vyžadující hlubší analýzu situace. To vše jsou opatření proveditelná pouze výrobcem stroje, například v rámci vývoje prototypu.

Uživatele stroje však zajímá, jak odstranit chvění vzniklé při určité aplikaci zakoupeného stroje. Jestliže zjistíme, že se chvěje nástroj, je možné použít speciální tlumený nástroj, který je však nákladný. Méně běžné je tlumení obrobků, ale není to vyloučená metoda. Při frézování se osvědčily k potlačení chvění frézy s nerovnoměrnou roztečí zubů nebo s proměnlivým úhlem šroubovice. Pomoci mohou změny řezných podmínek, například posuvu, je-li to při dané technologii možné. Naopak změna otáček nebo řezné rychlosti u soustružnických operací běžného typu nepomáhá. Pouze snížení řezné rychlosti přibližně na hodnoty 15 až 30 m.min^-1 i méně umožňuje potlačení chvění díky působení tzv. procesního tlumení. Vznikne-li chvění při hrubování, je obvykle možné vyhnout se mu snížením průřezu odebírané třísky, ale většinou za cenu poklesu produktivity.

Jde-li o potlačení chvění při frézovacích operacích, pak je možné využít znalosti teorie stability a vyhledat tzv. stabilní otáčky. Společnost Okuma nabízí pro své stroje k tomuto účelu sofistikovanou opci Navi M-g, která aktivně pomáhá stabilní otáčky najít a potlačit, nebo dokonce úplně eliminovat chvění. Podrobně jsme o této možnosti psali ve vydání č. 1_2/2014.

Vznikne-li chvění při dokončovacím řezu, je už průřez třísky minimální, takže jeho další snížení není vhodné jako východisko z problémů. V takových případech se uplatňuje metoda periodické variace otáček, resp. řezné rychlosti (obr. 1). Společnost Okuma nabízí tuto metodu jako opci pod názvem Machining Navi L-g.

Chvění při obrábění existuje díky časovému posunu vln vzniklých na obráběném povrchu, vůči např. kmitání štíhlého nástroje, případně vůči kmitání štíhlého nebo tenkostěnného obrobku (obr. 2). Časový posun se také vyjadřuje úhlovým posunem neboli fází (ψ). Na schématu je vidět přesazení vln yo(t) vůči kmitům nástroje y(t). Pokud tento posun existuje, odřezává nástroj třísku, jejíž tloušťka je pravidelně zvlněná, a tím se neustále obnovuje periodická složka řezné síly F(t), která dále budí chvění celého mechanického systému.

Odstraníme-li nebo narušíme-li nějakým způsobem posunutí vln a kmitů, amplituda chvění se sníží. Chvění dokonce ustane v případě, že ψ = 0. Opce Okuma Navi L-g pracuje tak, že periodickou variací otáček obrobku mění délku vln vytvářených kmitajícím nástrojem a tím také fázi ψ. Otáčky obrobku se mění podle funkce zobrazené na obr. 3. Parametry Q (amplituda modulace) a P (perioda modulace) používá jako vstupy opce Machining Navi L-g.

Použití této metody nevyžaduje od obsluhy stroje žádné složité úkony. Ve spolupráci s technologem se připraví zavedení vstupních parametrů P, Q, R do programu pro danou součást v případě, že obsluha aktivuje Machining Navi tlačítkem ON/OFF (obr. 4). Zkušebnímu řezu předchází měření setrvačného odporu rotujících částí pohonu soustruhu s upnutým obrobkem. V programu Navi k tomu je zapotřebí dvojí roztočení obrobku v opačných smyslech otáčení. Podle toho Navi stanoví doporučené hodnoty parametrů Q a P. Tato příprava je nutná kvůli možnému přetížení pohonu stroje příliš vysokým, periodickým zrychlováním a zpomalováním otáček později při obrábění.

Jestliže chvění zcela nezmizelo po nastavení doporučených hodnot nebo se požaduje další zlepšení kvality povrchu, je možné naladit amplitudu Q a periodu P pomocí arrow key na NC. Ladění sleduje obsluha na malém displeji (obr. 5, viz www.mmspektrum.com/140443). Uprostřed kontrolního displeje je možné sledovat hlukový signál snímaný mikrofonem umístěným na boku NC panelu (sound). Uprostřed se objeví vizualizace periodické změny otáček vřetena (spin speed) a dole také měřená zátěž pohonu (load). Pro kontrolu jsou ještě vpravo zobrazeny údaje nastavených nominální otáček a změřená velikost setrvačného odporu pohonu.

Prvním příkladem je vyvrtávání štíhlým nástrojem (obr. 6a, viz www.mmspektrum.com/140443). Poměr L/D = 5 znamená, že nástroj je velmi pružný a při obrábění vytvoří kmitavý systém. V příkladu bylo vyzkoušeno, že bez použití Navi je možné chvění zamezit pouze snížením řezné rychlosti na 54 m.min^-1, kde začne působit procesní tlumení a chvění se utlumí. S použitím Navi se podařilo obrobit součást rychlostí 180 m.min^-1 bez chvění. Ve druhém příkladu byla soustružena štíhlá hřídel L/D = 23 (obr. 6b, viz www.mmspektrum.com/140443). Chvění zhoršilo drsnost obrobeného povrchu na Rz = 23,5 μm. S Navi L-g bylo chvění eliminováno a drsnost byla pouze 6,7 μm.

Další dva příklady (obr. 7a, b, viz www.mmspektrum.com/140443) ukazují, že s použitím Navi L-g lze zvýšit řeznou rychlost (aniž by vzniklo chvění) a snížit počet použití lunety a tím zkrátit čas obrábění.

Zatímco předchozí příklady byly zpracovány podle podkladů společnosti Okuma, v následujícím příkladu ukážeme výsledek obrábění tenkostěnné součásti na stroji Multus B300IIW v předváděcí hale firmy Misan. Koncepčně je příklad podobný prvému. Šlo o vnitřní soustružení tenkostěnného obrobku. Nástrojový držák pro vnitřní soustružení měl L/D = 5,3. Použita byla dokončovací VBD s 35° úhlem špičky. Polotovar obrobku a držák nástroje vidíme na obr. 8. Na obr. 9 je zobrazen počátek obrábění, kdy polotovar obrobku byl ještě silnostěnný. Přesto se již objevilo chvění, takže bylo zřejmé, že kmitavý systém tvoří především štíhlý držák nástroje. Již v této fázi bylo Navi úspěšné. Ke zlepšení drsnosti povrchu byla použita ruční optimalizace amplitudy Q. Obrábění pokračovalo až do tloušťky stěny obrobku 2,2 mm, obr. 10. Z obrázků je vidět, že Navi L-g umožňuje obrobit kvalitně velmi tenkou stěnu obrobku.

Machining Navi L-g pomáhá najít optimální řezné podmínky k potlačení samobuzeného kmitání při soustružení, a tím zlepšuje produktivitu. Řídicí funkce mění otáčky vřetena během obrábění, čímž zabrání rozvoji chvění a stabilizuje obrábění. Když tuto funkci použijeme, je důležité zvolit správnou amplitudu Q změn otáček a délku cyklu změn P. Větší amplitudy a kratší cykly jsou sice efektivnější při potlačení chvění, ale mohou způsobit změny průměru součásti (páskování, odstupňování na povrchu) nebo i zabrání změnám otáček vřetena díky tomu, že pohon překročí svůj limitní výkon. Proto je taková volba obtížně nastavitelná. Funkce Navi L-g proto vypočte doporučené hodnoty a pomocí grafů zobrazených na displeji NC zkrátí čas hledání optimálního nastavení řezných podmínek. Výsledkem je zvýšení produktivity soustružnických operací a výrazné zlepšení jakosti povrchu při použití standardních nástrojů.

Pavel Bach, Ondřej Svoboda
Misan
o.svoboda@misan.cz
www.misan.cz