Termostabilní koncept obráběcích strojů - část 2.

Termostabilní koncept obráběcích strojů firmy Okuma je systém regulace či chcete-li potlačování dilatací stroje způsobených změnami teploty jeho struktury.
V minulém vydání MM Průmyslového spektra MM5/170513 jsme uvedli principy termostabilního konceptu obráběcích strojů Okuma. Nyní přinášíme druhý díl článku, který ukazuje výsledky ze zkoušek účinnosti termostabilizace tohoto japonského výrobce, který při návrhu a výrobě obráběcích strojů řeší každý detail, jež by mohl ovlivňovat kvalitu obráběného dílu.

Na vertikální frézce MB-46V (obr. 1) byla provedena zkouška účinku termostabilizačního systému při silném a rychlém poklesu okolní teploty o 12 °C díky otevření vjezdových vrat výrobní haly. Termostabilizace byla nejprve vypnuta. Jak je vidět na grafu v obr. 2, frézovaný rozměr se ve směru osy Z změnil o 22 μm. Při zapnutém termostabilizačním systému byla tato změna pouze 7 μm – viz obr. 3.

Obr. 1, 2, 3. Frézka MB-46V, dilatace ve svislé ose bez termostabilizace (vlevo) a dilatace ve svislé ose se zapnutou termostabilizací (vpravo)
Pro zvětšení klikněte

V minulém vydání bylo také ukázáno, jak mají změny řezné rychlosti, a tedy i otáček vřeten značný vliv na teplotu vřeteníku. Vřeteno je největším interním tepelným zdrojem. Nashromážděná energie se pak rychle přenáší do okolních dílců konstrukce, např. smykadla nebo stojanu. U tepelně nesymetrické konstrukce je ohřev stěn nerovnoměrný, takže dilatace jsou nerovnoměrně rozloženy a výsledkem je často ohyb nosných dílců vřeteníku. Vzniklé úhlové deformace vyvolají velké prostorové posuvy hrotu nástroje. Proto firma Okuma vyvinula speciální tepelně odolnou konstrukci svých strojů. Vřeteníky mají symetrické, dvouplášťové chlazení skříně i vřetena. Avšak sama tato opatření ještě nemohou zajistit dostatečnou termostabilitu. Proto byl vyvinut termostabilizátor pro vřeteno. Na obr. 4. 24 je uveden příklad jeho funkce u horizontálního vřetena. Vřeteno bylo zatěžováno stejným způsobem jak při vypnuté, tak při zapnuté termostabilizaci. Otáčky byly nejprve konstatní, 15 000 min^-1, a ve druhé části zkoušky se měnily v určitém režimu znázorněném červenými sloupci na spodu grafu. V grafech na obr. 5 a obr. 6 je příznivý účinek termostabilizace zřejmý. Deformace ve směru osy vřetena vynesené na svislých osách grafů se v obou otáčkových režimech radikálně snížily účinkem termostabilizačního systému vřetena.

Obr. 4, 5, 6. Horizontální vřeteno, posun nástroje ve směru osy vřetena bez termostabilizace a posun nástroje ve směru osy vřetena s aktivní termostabilizací.
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Na horizontálním centru MA-600HII (obr. 7) byla provedena zkouška vlivu vertikální změny pozice obrobku na účinek termostabilizátoru. Schematicky je pokus znázorněn na obr. 8. Teplota okolí se během čtyř hodin změnila o 8 °C, z počátečních 20 °C na 28 °C, podle grafu na obr. 9 a obr. 10. Tato změna teploty se považuje za obvyklou změnu během dne. Bez stabilizace ukazují křivky na obr. 9 proměnlivé tepelné deformace ve směru osy Y až o 10 μm. Křivky barevně odpovídají pozicím obrobku v obr. 8. Naproti tomu aktivní termostabilizátor dokázal snížit tyto deformace na maximální rozdíl 3 μm, přičemž okamžitá velikost deformací prakticky nezáleží na pozici obrobku, neboť křivky mají téměř identický průběh, obr. 10.

Obr. 9, 10. Bez teplotní stabilizace se frézovaný rozměr liší až o 10 μm (vlevo), termostabilizace snižuje odchylky frézovaného rozměru obrobku na 3 μm.
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Na soustruzích může rozměr obrobku ovlivnit velikost tepelných deformací. Ukazuje to příklad víceúčelového soustružnického centra Multus B750. Schéma zkoušky vidíme na obr. 12. Teplota okolí se celkově změnila během 24 hodin o 8 °C s gradientem 8 °C/4 hod., podle spodního grafu na obr. 13. i obr. 14. Obráběly se obrobky o průměru 50 mm a 500 mm, postupně bez a s termostabilizací. Horní křivky v obou grafech ukazují změnu průměrů obrobků v μm. Výsledek je zřejmý z porovnání obou grafů. Zatímco bez stabilizace průměr obrobku značně ovlivní teplotní změnu, v tomto případě 12 μm u malého oproti 27 μm u velkého obrobku, tak při aktivní termostabilizaci je maximální deformace obou obrobků prakticky stejná. Čili přesnost stroje ve směru osy X nezávisí na průměru obrobku.

Obr. 12. Při zkoušce se obráběly obrobky Φ 50 mm a Φ 500 mm

Obr. 13, 14. Bez termostabilizace se průměry obrobků změní o 12, resp. 27 μm (vlevo).
Termostabilizace sníží odchylku průměru velkého obrobku na polovinu (vpravo).
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Tato zkouška byla provedena na horizontálním centru MA-500HII (Obr. 15). Výsledky vidíme na obr. 16 a Obr. 17.1117. Jako v předchozích příkladech i zde byl termostabilizátor nejprve vypnutý a pak zapnutý. V obou případech se frézovalo buď bez, nebo s chladicí kapalinou. Z průběhu křivek vidíme, že termostabilizace značně snížila maximální změny frézovaného rozměru obrobku (ve směru osy vřetena). Udržet toleranci frézovaného rozměru (bez i s chlazením) na úrovni 8 μm během 24 hodin, při změně teploty okolí o 8 °C, je velmi dobrý výsledek.

Obr. 15, 16, 17. Horizontální centrum MA-500HII, změny frézovaného rozměru při vypnuté termostabilizaci (vlevo) a změny frézovaného rozměru snížené díky teplotní stabilizaci (vpravo).
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Z uvedených příkladů zkoušek vidíme, že termostabilizační systém obráběcích strojů firmy Okuma velmi dobře plní svou funkci. Stroje, na kterých pracují termostabilizační systémy, jsou schopny udržet vysokou přesnost obrábění. Firma Okuma začala s vývojem svého vlastního systému potlačování tepelných deformací obráběcích strojů již v 80. letech minulého století. Koncepce tohoto systému je vytvořena tak, aby potlačoval nejen tepelné deformace od interních tepelných zdrojů stroje, tj. od různých agregátů a od řezného procesu, ale kompenzoval také tepelné deformace vyvolané vnějšími zdroji tepla, tj. změnou teploty okolí stroje. Stroje Okuma tak mohou pracovat s vynikající přesností bez ohledu na proměny okolních teplotních podmínek a nemusejí být dlouhodobě zahřívány před započetím výroby v ranních hodinách nebo po přestávkách. Neztrácí se čas nutným náběhem strojů na optimální pracovní teplotu, snižuje se četnost teplotní kontroly strojů a odpadá nutnost klimatizovaných výrobních provozů. To přispívá k vyšší výrobní výkonnosti. Pozitivní je i snížení spotřeby energie. Firma Okuma tak vychází vstříc uživatelům, pro které bylo dříve zajištění teplotně stabilního prostředí velmi problematické a nákladné.

Misan

Ondřej Svoboda

o.svoboda@misan.cz

www.misan.cz