Technologie obrábění po skandinávsku

Sandvik Coromant patří ke světovým leaderům v produkci nástrojů a komponent pro oblast soustružení, frézování a vrtání. Od svého založení v roce 1942 má stále centrálu ve švédském Sandvikenu, přes hodinu cesty severně od Stockholmu. Je zastoupen ve 130 zemích světa, kde symbol žluté barvy ctí na 8 000 zaměstnanců. Po celém světě se nachází na 25 center produktivity, kde se proškolení inženýři snaží svým zákazníkům navrhovat optimální řešení pro jejich technologie obrábění. Díky centrálním skladům v Evropě, USA a na Dálném východě jsou schopna dodat kompletní sériově vyráběný sortiment do 24 hodin. Výrobní portfolio obnáší na 25 000 produktů, ročně firma představuje neuvěřitelných 3 000 nových modifikací řezných destiček. Dle jejich tvrzení investují minimálně dvojnásobně vyšší objemy financí do výzkumu a vývoje, než jejich konkurence. O jakou částku se však jedná, nechtějí sdělit.

Představených novinek během dvou dní programu nabytých prezentacemi a ukázkami obrábění bylo nespočet, vybíráme ukázku toho, co zajisté najde odezvu v aplikacích v tuzemských výrobních provozech.

Vrtání kompozitních materiálů

Strojní obrábění našlo novou výzvu v podobě dynamicky se rozvíjející skupiny materiálů - kompozitů. Jejich obrábění není ve své podstatě natolik obtížné. V současnosti představuje problém výroba otvorů s vyšší přesností a kvalitou opracování a dostatečně vysokou efektivitou a spolehlivostí, ale také pokud jsou součástí kompozitních materiálů rovněž kovové vrstvy. Při obrábění kompozitních materiálů převládá výroba děr, při které jsou využívány různé typy zařízení a také vrtáky, které jako obráběcí nástroje prošly intenzivním technologickým vývojem.

Spotřeba kompozitních materiálů v podobě plastů s vyztuženými uhlíkovými vlákny CFRP (carbon-fibre-reinforced plastic) neustále roste nejenom v leteckém průmyslu, ale také v dalších odvětvích, především v automobilovém a zbrojním průmyslu. Velký počet děr pro spojovací prvky, které je třeba vyrobit v souladu s kvalitativními požadavky a které navíc mají zcela zásadní význam pro bezpečnost výrobku, se stává otázkou konkurenceschopnosti výroby. Vrtání CFRP materiálů je doprovázeno řadou různých, pro tyto materiály charakteristických problémů, jako je např. delaminace, třepení atd. Když se ještě u různých leteckých konstrukcí připojí požadavek, že stejný nástroj musí být schopen vrtat také kovové materiály, např. hliník nebo titan, stává se požadavek na specializovaná řešení přizpůsobená dané aplikaci o to naléhavější. Nastroj pak také musí  vyhovovat s ohledem na naprosto odlišnou a někdy také obtížnou obrobitelnost a zabezpečit uspokojivé utváření třísek a jejich odvádění.    

Správné použití vhodného specializovaného obráběcího nástroje je klíčem k dosažení uspokojivé kvality děr a potlačení tvorby prachových částic při obrábění součástí z CFRP a plátovaných kompozitních materiálů. Kvalitativní parametry díry používané při vrtání kovových materiálů nelze přímo aplikovat také na vrtání kompozitů. Nedochází totiž ke vzniku třísek a konvenční posuzování kvality opracování obvykle není vhodným ukazatelem. Kvalita díry je obvykle spojována se stupněm oddělení vrstev ve spodní části obráběného materiálu (delaminací na výstupu z díry) a také s množstvím zbytkových vyčnívajících částí vláken uvnitř otvoru (třepením). Ty však jako takové nejsou přímo měřitelné, a navíc představují složitý problém z hlediska vytvoření podmínek pro správný záběr obráběcího nástroje. Kromě toho ke zhoršení kvality díry často dochází dříve, než jsou na nástroji patrné známky opotřebení.   

Firmy Sandvik Coromant a Precorp, které se již etablovaly na poli inovací, jako spolupracující dodavatelé řešení v oblasti obrábění, připravily pod společným obchodním označením vzájemně provázanou nabídku nejmodernějších nástrojů pro obrábění CFRP a kompozitních materiálů s kovovými vrstvami.

Nejmodernější typ vrtáku pro vrtání CFRP a kompozitních materiálů s kovovými vrstvami využívá technologii armování. Ta umožňuje přímou integraci PCD břitů do karbidového těla vrtáku. Jedná se o moderní high-tech metodu, využívající patentovaný postup vyvinutý během několika posledních desetiletí, která umožňuje dosažení nejlepší funkce tvrdých, otěruvzdorných PCD břitů usazených v houževnatější karbidové stopce. Až do určité vzdálenosti od špičky, která je dostatečně velká, aby umožnila použití vysoce pevného pájeného spoje, je část vrtáku tvořena PCD břitem. Nástroj má broušenou geometrii a břit je do určité míry chráněn karbidovou částí vrtáku.  

Potlačení vzniku vibrací

Oblasti, jíž Sandvik Coromant věnuje velkou pozornost, je prevence vibrací.  Sklony k vibracím jsou jedním z vůbec nejdestruktivnějších jevů, jehož důsledkem může být nepřijatelná kvalita obráběné součásti, zmetkovitost, problémy s obráběcím strojem způsobené rychlým opotřebením a celkový lom břitu. Pokud již u nástrojové sestavy byla veškerá nezbytná opatření provedena, jedno mimořádně účinné opatření pro řešení problémů s vibracemi stále ještě zbývá: tlumicí systém uvnitř nástroje. V současnosti se ale toto řešení stává také prostředkem pro zásadní zvýšení výkonnosti a nárůst produkce - skutečným nositelem produktivity. 

Koncepce tlumených nástrojů umožňující potlačení sklonů k vibracím při dlouhém vyložení nástrojů byla vytvořena v roce 1960 v Norsku a pro strojní obrábění kovů byla zavedena ve spolupráci s firmou Sandvik Coromant. Původní oblast použití představovaly vrtací tyče, kde vyložení nástroje potřebné pro obrobení díry je často skutečně extrémní. Od té doby se toto pokrokové řešení postupně vyvíjelo a tyto nástroje jsou již delší dobu známé pod označením Silent Tools.

Postupem času se díky nástrojovému vybavení s tlumením vibrací podařilo úspěšně zvládnout řadu dříve „nemožných" operací, v případě vyvrtávání s vyložením nástroje až čtrnáctkrát průměr tyče. Další vývoj nástrojů Silent Tools vedl k tomu, že umožnil použití mnohem razantnějšího záběru nástroje a prováděné operace jsou tak mnohem efektivnější - ne jenom „možné". Skvělým příkladem toho, jak důležitou úlohu mohou plnit tlumené nástroje, jsou multifunkční obráběcí stroje. Jakožto součást jednotlivých nástrojových sestav, ať již stacionárních nebo rotačních nástrojů, musí mít často dlouhý dosah, ale přitom umožňovat obrábění na konkurenceschopné úrovni a také dosažení výsledků s konzistentní vysokou kvalitou opracování. Vyložení přesahující čtyřnásobek průměru nástroje je v současnosti naprosto běžným požadavkem.

Frézování bylo a stále ještě je operací se sklonem ke vzniku vibrací, a to hned z několika důvodů: přerušovaný řez charakteristický pro tuto operaci, kolísání při vstupu a výstupu břitů ze záběru, nestabilita obrobku nebo upínacího přípravku a dlouhý požadovaný dosah nástroje. Je známa řada způsobů, jak těmto sklonům čelit prostřednictvím správného použití vhodné frézy, břitových destiček, dráhy nástroje, pracovní polohy frézy a nástrojových držáků. Ale spolu s tím, jak se vyložení nástroje potřebné pro prováděnou frézovací operaci zvyšuje, objevuje se jiný extrémně náročný požadavek, jehož splnění vyžaduje další zásahy nezbytné pro to, aby operaci bylo možné provádět přijatelnou rychlostí.

Jako prostředek pro řešení problémů při provádění rozmanitých frézovacích operací vyžadujících dlouhý dosah nástroje jsou k dispozici univerzální typy tlumených adaptérů s širokým využitím.  Tlumicí mechanismus se také stal součástí některých delších stopkových fréz a umožnil zvýšení rychlosti úběru kovu při použití těchto štíhlých nástrojů.

Také u frézovacích operací prováděných na čtyř- nebo pětiosých obráběcích centrech je zřejmá rostoucí poptávka po nástrojích s dlouhým dosahem. Současně s tím je dnes zcela nepřípustné jakékoli omezení produktivity z důvodu vzniku vibrací. Zejména nízké hodnoty axiální hloubky řezu a rychlost posuvu mají při frézovacích operacích přímý vliv na produktivitu. To samozřejmě ovlivnilo další vývoj v oblasti tlumených nástrojů a výsledkem je nová generace frézovacích adaptérů, která se stala součástí standardního programu nástrojů Silent Tools.

Jejich nová řada nabízí dvě délky tlumených adaptérů určených pro frézování, s vyložením 4- až 5krát průměr nebo 6- až 7krát průměr adaptéru. Dosah větší, než je tato hranice, pak nabízejí speciálně navrhované tlumené adaptéry.

Silent Tools je označení pro skupinu výrobků z nabídky firmy Sandvik Coromant. Centrum pro vývoj a konstrukci nástrojů s tlumením vibrací a metod jejich použití je umístěno v Norsku ve městě Trondheim, kde byla celá tato koncepce vytvořena. Společnost Sandvik Coromant v dlouholeté úzké spolupráci s bývalou firmou Teeness razila cestu vývoji a použití této koncepce po celá čtyři desetiletí. Četné dříve „nemožné" obráběcí operace se staly možnými, výsledky dosahované při strojním obrábění se v řadě případů podařilo zlepšit a výkonnost zvýšit.

Obrábění ozubených kol

Jedním z nejhospodárnějších a nejpřesnějších způsobů výroby ozubení je odvalovací frézování. Tato metoda, stejně jako je tomu u šnekových soukolí, využívá pro opracování na odvalovací fréze nepřetržitý záběr obrobku a nástroje. Tento nástroj vytváří v obrobku požadovaný tvar zubových mezer a zubů, potřebný pro správný záběr ozubených kol. Tradiční nepřesnosti svázané s klasickými způsoby obrábění ozubení - odchylky tvaru a velikosti zubové rozteče - se v tomto případě nemohou vyskytovat, protože při odvalovacím frézování vzniká  tvar ozubení pomocí obálkových řezů při nepřetržitém vzájemném záběru obou hlavních částí, tedy nástroje s obrobkem.

Odvalovací fréza na ozubení má podobu jednoduchého nebo složeného válcového nástroje s břity rozloženými po jeho obvodě a oddělenými drážkami pro odvod třísek. Až doposud se jako nástrojové materiály používaly převážně vysokolegované rychlořezné oceli (HSS). Pro obrábění jsou vedle HSS nástrojů využívány také práškovou metalurgií vyráběné monolitní karbidové frézy a nástroje s pevně vsazenými karbidovými hlavami nebo různými typy karbidových břitů. Přesto ale stále dosahuje podíl klasických HSS nástrojů na trhu více než 50 procent. 

Během několika posledních let se staly značně populárními nástroje s tangenciálně uchycenými výměnnými břitovými destičkami, které nacházejí uplatnění u ozubení s velkým modulem. Toto řešení nabízí zcela jednoznačné výhody: slinuté karbidy lze jako nástrojový materiál díky tomu použít také pro odvalovací frézy velkých průměrů, tělesa fréz se navíc vyznačují dlouhou životností a nástroje lze celkem snadno přizpůsobit pro obrábění konkrétního materiálu a tvaru zubu výběrem příslušné třídy nástrojového materiálu. Stejné těleso nástroje lze proto využít pro různé úlohy, díky tomu se snižuje počet potřebných nástrojů a tudíž také náklady na jejich skladování.

Firmu Sandvik Coromant lze v současnosti považovat v oblasti výroby nástrojů pro obrábění ozubení za relativně novou. Úspěšný vstup do oblasti výroby nástrojů pro obrábění ozubení znamenaly dva nové nástroje: kotoučová fréza CoroMill 170 pro rozsah modulů 12-22 a velké odvalovací frézy pro výrobu ozubení s tangenciálně uchycenými břitovými destičkami. Oba tyto nástroje umožnily značné zvýšení výkonnosti a produktivity.

Při výrobě odvalovacích fréz na ozubení osazených vyměnitelnými břitovými destičkami využila firma Sandvik Coromant odborné znalosti renomovaných partnerů. Vedle firmy Höfler Maschinenbau GmbH, známého výrobce speciálních strojů pro odvalovací frézování a broušení ozubení, byla ke spolupráci přizvána také firma Carl Zeiss GmbH, která doplnila pracovní tým jako výrobce specializovaný na průmyslové měřicí metody pro přesné měření zhotovených nástrojů i ozubení. Do této spolupráce se také zapojili někteří známí výrobci převodových ústrojí a několik renomovaných univerzit, např. Lunds Institute of Technology (Švédsko) nebo pracovní skupina WZL (Laboratory for Machine Tools, RWTH Aachen) zabývající se ozubenými převody.

Byly provedeny a vyhodnoceny první ověřovací zkoušky nových odvalovacích fréz a potvrdilo se, že s těmito nástroji s vyměnitelnými břitovými destičkami ze slinutého karbidu přirozeně není možné dosáhnout stejných přesnosti, jaké lze docílit u celistvých odvalovacích fréz zhotovených z HSS nebo slinutého karbidu. Nicméně lze zaručit splnění požadavků pro třídu přesnosti B dle DIN 3968, což dovoluje výrobu ozubených kol ve třídě přesnosti 9 až 11 v souladu s DIN 3962. Pokud tedy obrobek vyžaduje dosažení vyššího stupně přesnosti, je nezbytné provedení následné dokončovací operace s využitím celistvé odvalovací frézy nebo broušení. Kvalitu při odvalovacím frézování však neurčuje pouze stupeň přesnosti odvalovací frézy. Stejně důležité je i spolehlivé upnutí obrobku, přesnost odvalovací frézky a v neposlední řadě také souosost a obvodové házení odvalovací frézy, ale i obrobku. 

Výsledky provedených ověřovacích zkoušek každopádně jasně prokázaly skutečné výhody těchto nových odvalovacích fréz. Vše nejlépe dokládají tyto tři nejdůležitější faktory: zkrácení strojního času, snížení nákladů na odvalovací frézování ozubení a prodloužení životnosti nástroje.

Miniaturní frézování

Je velmi dobře známo, že na obráběcích centrech nebo frézkách není výroba tvarů, jako jsou malé závity nebo sražené hrany v malých otvorech, vůbec jednoduchá, především vzhledem k velikosti frézy, typickému krčku, požadovanému dosahu a s tím spojeným problémům s produktivitou a přesností.

Frézování vnitřních závitů v malých otvorech je stále populárnější, protože se díky němu daří překonat problémy s kontrolou utváření třísek. Při řezání závitů v malých otvorech pomocí závitníků dochází k namotávání třísek okolo závitníku, což má za následek překročení rozměru závitu nebo zalomení závitníku v obráběné součásti. Naproti tomu při frézování závitů, jež využívá vzestupnou spirálovou dráhu nástroje uvnitř díry, vznikají krátké, dobře kontrolovatelné třísky, které lze s využitím řezné kapaliny nebo tlakového vzduchu snadno a rychle odvádět jak ze slepé, tak i z průchozí díry.

Vrtání malých děr

Za nepříznivých podmínek obrábění, které mohou nastat například při porušení souososti revolverové hlavy, může být výroba děr o průměru menším než 24 mm poměrně složitá. Příčinou je především nedostatečná spolehlivost obráběcího procesu, faktor, který má často za následek špatnou kvalitu vnitřního povrchu díry nebo nedodržení předepsaných rozměrů. Firma Sandvik Coromant nabízí řešení tohoto problému v podobě nového vrtáku s vyměnitelnými břitovými destičkami CoroDrill 881.

Tato novinka se snadným použitím umožňuje řešení řady problémů a představuje dobrou volbu zvláště pro aplikace s nízkými až středními rychlostmi posuvu, právě tak jako pro stacionární soustružnické aplikace. Vysoce výkonná univerzální geometrie (GM1) se dvěma řeznými hranami na břitovou destičku vyhovuje pro všechny skupiny materiálů a její použití je možné v širokém okruhu průmyslových odvětví.  

Při zkouškách prováděných na vertikálním obráběcím centru byly do součástí opatřených přírubou a vyrobených z korozivzdorné oceli (CMC 05.21) vrtány pomocí vrtáku o průměru 16 mm otvory do hloubky 17 mm. Vrták CoroDrill 881 díky zvýšené spolehlivosti obráběcího procesu překonal srovnatelný konkurenční výrobek o 25 procent (250 vyvrtaných děr proti 200). V případě jiné aplikace na obráběcím centru umožnil vrták CoroDrill 881 dokončení 72 děr o průměru 19 mm s hloubkou vrtání 25 mm v materiálu Inconel 825 (CMC 20.2), naproti tomu konkurenční vrták pouze 56.

Uvedli jsme výběr ze široké škály nových produktů, se kterými firma Sandvik přichází v těchto dnech na trh. Část z celého portfolia novinek bude prezentována i na letošní výstavě EMO. Snad vhodným výběrem jsme poukázali na zajímavé technologické aplikace, které by mohly do vaší výroby přinést zvýšení produktivity a optimalizaci obráběcích procesů.

Roman Dvořák

roman.dvorak@mmspektrum.com

Sandviken, Švédsko

Při zpracování autor vycházel z materiálů poskytnutých firmou Sandvik Coromant. Především se jednalo o výsledky testů a srovnávacích studií (sestavil Christer Richt, e-mail: christer.richt@sandvik.com).