Témata
Reklama

Upnutí obrobku ovlivňuje přesnost a produktivitu obrábění

Přesnost a produktivitu obrábění ovlivňuje mnoho faktorů. Svůj podíl na výsledku má typ a vlastnosti použitého obráběcího stroje, volba nástrojů a řezných podmínek, zvolená strategie obrábění a v neposlední řadě i způsob upnutí a vyrovnání dílce před obráběním. V některých specifických případech je volba upnutí klíčovým faktorem pro realizaci celé technologie v požadovaných parametrech.

Doc. Petr Kolář

Inženýrský i doktorský titul v oboru Výrobní stroje a zařízení získal na Fakultě strojní ČVUT v Praze. Zde se i následně habilitoval. Od roku 2001 pracuje ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT), které je od roku 2012 organizační součástí Ústavu výrobních strojů a zařízení FS ČVUT. V letech 2015-2019 pracoviště vedl. Působí též na Českém institutu informatiky, robotiky a kybernetiky, ČVUT v Praze a na Fraunhofer IWU Dresden. Odborně se zabývá výzkumu a spolupráci s průmyslovými firmami v tématech dynamického chování výrobních strojů, chytrými výrobními stroji a Průmyslem 4.0.

Právě na vývoj automatického upínacího systému obrobků je zaměřen projekt INTEFIX řešený konsorciem firem a institucí pod vedením španělského výzkumného ústavu IK4 Tekniker. Česká republika je v konsorciu zastoupena třemi členy: firmami Strojírna Tyc a Compotech a Výzkumným centrem pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT), které je organizační součástí Ústavu výrobních strojů a zařízení Fakulty strojní ČVUT v Praze. Projekt sleduje návrh speciálních upínek z pohledu polohování obrobku, minimalizace jeho vibrací a deformací při obrábění. Dvě případové studie řešené v projektu jsou představeny v tomto příspěvku.

Reklama
Reklama

Obrábění tenkostěnných velkoplošných dílců

Prvním příkladem je obrábění tenkostěnných obrobků z Al slitin typických pro strukturální letecké dílce. Při jejich obrábění se negativně projevují dva významné faktory. S postupným odfrézováním materiálu klesá statická i dynamická tuhost dílce, takže roste jeho odtlačení řeznými silami a dílec není obroben v potřebné přesnosti. To má za následek různou tloušťku žeber či ploch vlivem elastického chování tenké stěny. Navíc nižší dynamická tuhost vede k riziku vzniku samobuzených kmitů obrobku. Druhým faktorem je jeho zkroucení po odepnutí v důsledku zbytkových pnutí v materiálu.

Finální obrábění tenkostěnného dílce na stroji TYC FPPC
Hydraulické podpěry s vakuovými upínači – měření tvarové odchylky dílce

Jednou z častých možností je upínání dílců pomocí vakua na přípravek s negativním tvarem dílce. Takový způsob upnutí zajišťuje celoplošné podepření obrobku a tedy zvýšení jeho tuhosti. Výroba speciální upínací formy je však časově náročná a drahá a z ekonomických důvodů se proto hodí spíše pro sériovou výrobu. Pokud je vnitřní pnutí obrobku velké, může dojít k odtržení dílce z upínacích vakuových polí, a pokud není tento stav včas detekován, může dojít i při tomto způsobu upnutí k významným tvarovým odchylkám.

Postup měření a automatického vyvrovnání polohy dílce před obráběním. Ovládání je realizováno vyvinutým softwarem LECLIN.

V projektu bylo testováno alternativní řešení: podepření velkých tvarových ploch dílce diskrétními podpěrami, ke kterým je dílec přitahován vakuovými upínkami. Skupina těchto podpěr představuje univerzální upínací řešení, které může být použito pro různé typy obrobků. Protože obráběný kus není celoplošně podepřen jako v předchozím případě, je nutno této skutečnosti přizpůsobit strategii obrábění.

On-line propojení inspekčního softwaru s řídicím systémem stroje

Technologie byla testována na příkladu plošného leteckého strukturálního dílce s vnějšími rozměry 1 100 x 3 000 mm. Charakteristická tloušťka stěny je 3 mm s lokálními odlehčeními na 2 mm. Požadavek na dílec je dodržení jakosti povrchu Ra 0,8 a dodržení tolerance tloušťky dílce ±0,05 mm. Zvětšení tloušťky obrobené stěny s sebou totiž nese nárůst hmotnosti součásti a tato skutečnost má ve výsledku negativní vliv na celkovou hmotnost letadla, jeho užitné zatížení a zvýšení spotřeby paliva. Redukce tloušťky stěny naopak znamená zmenšení nosného průřezu a tedy riziko poškození či časté opravy dané součástky. Dodržení správné tloušťky stěny při definované jakosti povrchu je tedy klíčovým požadavkem.

V tomto případě byla vyvinuta technologie frézování dílce s adaptivní úpravou dokončovací dráhy nástroje podle skutečné tloušťky stěny. Pro podepření obráběného dílu byly vyvinuty hydraulicky stavitelné podpěry s vakuovým upínáním součásti. Hydraulika je též použita pro zpevnění pístnice vysunuté do požadované polohy integrovanou brzdou. Tím vzniká tuhá opora pod obráběnou součástí. Středem pístnice je přivedeno vakuum do savky na konci pístnice, které umožňuje připnutí dílce k podpěře. Upínka má velmi kompaktní integrovanou stavbu a vznikla ve spolupráci RCMT a německé firmy Roemheld, která je také členem projektového konsorcia. Pro zkušební obrábění byla vybrána jen část dílce, která měla shodné strukturální vlastnosti jako celá součást.

Výroba s adaptivní úpravou dráhy spočívá v následujícím postupu: Nejprve je obrobena vnější strana obrobku. Následně dojde k otočení součásti a obrábění vnitřní strany obrobku. Dílec je upnut za vnější obvod, plocha je podepřena upínkami. Volba řezných podmínek a typů řezných nástrojů byla provedena vzhledem k potřebné produktivitě procesu a také vzhledem k dynamickým vlastnostem součásti tak, aby se předešlo vzniku samobuzeného kmitání při obrábění. Takto je provedeno vyhrubování a předdokončení plochy. Následuje dokončení s přídavkem na selektivně vybraných plochách. Na těch je následně dotykovou sondou změřena poloha plochy v prostoru a pomocí ultrazvukové sondy její aktuální tloušťka. Z toho lze rekonstruovat skutečný tvar a polohu vnější strany, resp. jak je dílec deformovaný před dokončením. Dráhy pro finální dokončovací obrábění jsou upraveny tak, aby vzhledem k aktuální deformaci a tloušťce (reálná naměřená data) a poddajnosti obrobku (data ze simulačního modelu) došlo k obrobení dílce s požadovanou tolerancí tloušťky. Měření tloušťky je prováděno automaticky ultrazvukovou sondou. Pro snadné ovládání měření tvaru dotykovou sondou a měření tloušťky UZ sondou byl vyvinut specifický metrologický SW, který obsluze stroje výrazně zjednodušuje definici bodů měření i konečné vyhodnocení výsledků. Tento software je přímo propojen s řídicím systémem Heidenhain iTNC530.


Pro zvětšení klikněte na tabulky.

Ustavení rozměrných dílců

Aby bylo možné provést frézování požadovaného kusu z polotovarů typu svařenec nebo odlitek, je nutno jednak zajistit zarovnání souřadného systému obrobku vůči souřadnému systému obráběcího stroje a dále je nutno správně určit nulový bod obrábění, aby bylo možno obrobit všechny potřebné plochy v rámci objemu přídavků na těchto plochách. Po vložení polotovaru do stroje musí být tedy nejprve proměřena jeho poloha v pracovním prostoru a jeho skutečný tvar. Vzájemné natočení souřadných systémů stroje a obrobku lze kompenzovat u tříosého portálového stroje v rovině XY uživatelským natočením souřadného systému stroje. Natočení dílce v rovinách YZ a XZ se obvykle provádí fyzicky podkládáním dílce tak, aby došlo k jeho hrubému vyrovnání podle indikátorových hodinek. Následuje správné určení nulového bodu obrábění. To je časově náročné a vyžaduje zkušenou obsluhu stroje. Část prací je možné provést mimo stroj tzv. orýsováním dílce. Tento postup se používá většinou v sériové výrobě; šetří se tím čas na stroji, ale je nutné mít opět zkušeného rýsovače a prostor pro orýsování součástí.

Řešení v projektu se zaměřilo na zkrácení doby vyrovnání dílce. Z toho důvodu byly vyvinuty a realizovány prototypy aktivních upínek, které mohou v rámci zdvihu 50 mm změnit automaticky svou výšku s vysokou přesností a v této poloze se uzamknout. Součástí řešení je také ovládací SW pro jednoduché měření aktuální polohy dílce pomocí dotykové sondy a automatické ustavení obrobku. Operátor proměří dotykovou sondou reálnou polohu klíčových ploch polotovaru přímo z externího ovládacího SW, který je propojen s řídicím systémem Heidenhain iTNC530. Následuje výpočet potřebného natočení dílce v rovinách YZ a XZ a souřadnice nulového bodu, která je automaticky zaslána do řídicího systému. Po automatickém vyrovnání dílce dojde k jeho upnutí hydraulickými upínkami v dané poloze a lze zahájit obrábění. Ovládací SW byl navržen pro maximální jednoduchost a snadné zvládnutí operátorem stroje, celý proces je tak ovládán z jednoho prostředí. Aktivní upínky se servopohony se mohou využít nejen k vyrovnání dílce, ale též k jeho řízené předdeformaci (pokud je to požadované pro zjednodušení přípravy drah nástroje).

Široké aplikační pole se u nově vyvinutého upínacího systému složeného z vlastních upínek a ovládacího SW dá předpokládat i v dalších aplikacích, kde je v praxi věnováno mnoho času vyrovnání dílce před obráběním. Příkladem může být vyrovnání dlouhých obrobků před konečným broušením. Zde je po prvním upnutí proměřen reálný tvar dílce a ten je následně automaticky upínkami vyrovnán do požadovaného tvaru.

Shrnutí

Upínací systém je důležitým prvkem přípravy celé technologie obrábění. Popsané automatické upínací prvky jsou centrálně ovládány jedním SW. Ten umožňuje operátorovi i pohodlnou spolupráci s metrologickými vstupy, např. údaji z dotykové sondy nebo senzoru pro měření tloušťky. Pořizovací náklady na takový systém jsou samozřejmě vyšší než v případě běžných mechanických upínek a sady podkládacích plechů; hlavní výhodou je však univerzálnost systému a možnost výrazně zkrátit čas přípravy obrobku na stroji. Pokud je řešení porovnáváno se speciálními upínacími přípravky, kde je cena srovnatelná, je nutno zdůraznit univerzálnost uvedených řešení, neboť popsané prvky jsou univerzální a umožňují rekonfigurovat upínací systém (v mnoha případech automaticky) podle potřeb aktuálního obrobku.

Popsané výsledky byly financovány ze zdrojů Evropské unie v rámci projektu INTEFIX č. 609306.

RCMT, ČVUT v Praze
Strojírna Tyc

Ing. Petr Kolář, Ph.D., Miroslav Kolář

E.Kopecka@rcmt.cvut.cz

Reklama
Související články
Analýza ozubení rychlostí světla

Nároky na ozubení v automobilovém, leteckém a kosmickém průmyslu, ale i v oblasti klasických průmyslových převodovek neustále rostou. Jednou z výzev je kromě snížení ztrát způsobených třením v převodovce také zvyšující se požadavek na nehlučnost. To se týká zvláště hybridních vozů a elektromobilů. Je pochopitelné, že u součástek těchto převodovek stále roste důležitost vlastností povrchu při kluzném a valivém tření. Jednou z hlavních součástí převodovky jsou ozubená kola.

Kroky k excelentní spolupráci akademické a průmyslové sféry

Pracovníci Ústavu výrobních strojů systémů a robotiky z Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně usilují o těsné sepětí školy s praxí, které nelze realizovat jinak než úzkou spoluprací s průmyslem. Transfer výsledků této praktické činnosti přenesený do některých částí výuky je potom zárukou, že studenti budou mít aktuální informace o stavu strojního průmyslu, vědy a techniky.

Cena MM Award na EMO

Ocenění MM Award od našich německých kolegů z časopisu MM MaschinenMarkt je specialitou veletrhů pořádaných nejen v Evropě, ale po celém světě. Nejinak tomu bylo i na letošním hannoverském EMO, kde proběhlo slavnostní předání exponátům, které odbornou porotu zaujaly. Ceny jsou udělovány ve spolupráci se svazem VDW. Protože se jedná o jediné oficiální ceny udělované na veletrhu EMO a značky MM, VDW a EMO jsou dobře známé v oboru výrobní techniky, věnujeme jim svoji pozornost v retrospektivě veletrhu.

Související články
Úspěšný vývoj technologií pro zpracování termoplastových kompozitů

Konstruktéři tlačení požadavky na nižší hmotnost a lepší parametry svých konstrukcí stále více neváhají využít ve svých návrzích materiály, které byly dříve vyhrazeny pouze pro nejnáročnější high-tech aplikace. Díky tomu roste také poptávka po nenáročných výrobních technologií na výrobu konkrétního dílce z určitého materiálu.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Zvyšování užitné hodnoty obráběcích a tvářecích strojů

Konkurence v oboru prodeje obráběcích strojů je velká a všechny firmy hledají způsob, jak nabídnout koncovému uživateli vyšší užitnou hodnotu. Tato užitná hodnota se posuzuje podle parametrů koncové výrobní technologie (přesnost, jakost, produktivita, celkové náklady) a pro výrobce obráběcích strojů je to jeden z bodů, kde mohou technickými znalostmi a inovacemi ovlivnit svou konkurenceschopnost na trhu.

Závěrečné oponentní řízení CK-SVT

V dubnu 2012 byl na půdě Fakulty strojní ČVUT v Praze oficiálně zahájen osmi letý projekt Centrum kompetence - Strojírenská výrobní technika v rámci dotačního programu Technologické agentury ČR. Projekt byl úspěšně ukončen ke konci roku 2019 a v červnu 2020 proběhlo Závěrečné oponentní řízení ve firmě TOS Varnsdorf, jednoho ze spoluřešitelů.

RCMT - 20 let ve výzkumu obráběcích strojů

Před 20 lety se začaly psát dějiny novodobé tuzemské výzkumné základny strojírenské výrobní techniky. Tento příspěvek nahlíží na klíčové milníky na jeho cestě očima aktérů, kteří stáli a stojí po jeho boku. Vydejme se společně na cestu, která formovala dnešní podobu Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii RCMT (Research Center of Manufacturing Technology) při FS ČVUT v Praze.

Současný vývoj v oblasti řezných nástrojů

Vývojové trendy v segmentu obráběcích řezných nástrojů jsou navázány na progresi ve strojírenské výrobě a reagují na aktuální potřeby průmyslu. Výzkum a vývoj již dlouhodobě soustřeďuje svou pozornost na vývoj řezných materiálů, systémů povlakování, konstrukce moderních nástrojů využívajících princip minimálního mazání a chlazení MQL, koncepty inovativních upínacích soustav. V současnosti jsou rozvíjeny technologie pro inteligentní výrobu s aplikací předností Průmyslu 4.0, včetně automatizace výrobního procesu, sběru dat o zařízeních, procesech a vyráběných dílcích. Na veletrhu EMO Hannover 2019 byly společnostmi představeny chytré technologie a řešení inteligentního řízení procesu obrábění. Digitalizace a konektivita jsou nyní důležitější než kdykoliv předtím.

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.

Hlavní trendy EMO Hannover 2017 očima výzkumníků

Hannoverský veletrh EMO je právem považován za výkladní skříň toho nejlepšího, co inovační týmy světových leaderů i jejich následovníků navrhli a v prototypech či již sériově nabízejí. Sektor výrobních strojů bývá na špici technického pokroku v oblasti strojírenství a udává směr dalším oborům, které jej následují. U nás má velkou tradici a není proto s podivem, že letos do Hannoveru zavítalo na 2 200 českých návštěvníků.

Zvyšování produktivity při obrábění

Obrábění patří ke klíčovým výrobním technologiím. Hlavní předností obrábění je schopnost realizovat téměř neomezenou škálu tvarů a velikostí obrobků s potřebnou přesností a jakostí povrchu v kusové i sériové výrobě. Pro obrábění součástí na CNC strojích jsou dnes běžně komerčně dostupné všechny potřebné nástroje: softwarová CAD+CAM podpora včetně virtuálních simulací a postprocesorů na jedné straně, hardwarová realizace v podobě moderních obráběcích strojů a nástrojů na straně druhé.

Silná geometrie s měkkým řezem

Existují prezentace produktů, které je potřeba přečíst si několikrát, než je člověk pochopí. Tato prezentace k nim ovšem nepatří. S-Cut SC-UNI je fréza, jejíž funkční princip lze přes její unikátní provedení, nebo právě proto, velmi snadno vysvětlit. Její břity ve tvaru S a extrémně nestejné dělení potlačující chvění vyvolané procesem obrábění vytvářejí z této frézy vysoce kvalitní nástroj, který v rámci veškerých srovnávacích testů poráží porovnávané frézy.

Výzkum v oblasti výrobní techniky a technologie

MM Průmyslové spektrum se po dlouhá léta systematicky věnuje problematice výzkumu, vývoje a inovací. V rámci spolupráce nabízíme prostor zveřejňovat své názory a postoje jak zástupcům výzkumné sféry, tak i komerčním firmám.

Reflexe EMO Milano 2015

Italské výstaviště Fieramilano se první říjnový týden stalo středem pozornosti strojařů především evropské provenience. Po šesti letech, kdy vrcholila hospodářská krize, se prestižní veletrh EMO vrátil do italského průmyslového regionu s „budovatelským“ mottem: Let’s build the future. Na ploše 120 000 m2 ve dvanácti výstavních halách se prezentovalo přes 1 600 vystavovatelů, z toho na 500 tuzemských. Podle závěrečné zprávy navštívilo akci přes 155 tisíc návštěvníků (145 tis. EMO Hannover 2013), polovina ze zahraničí. (Pozn. V neděli před zahájením EMO navštívilo vedlejší Expo přes 260 tisíc návštěvníků. Z České republiky do Milána vycestovalo 2 160 strojařů (2 300 na EMO Hannover 2013). Každý z návštěvníků si domů patrně odvezl svůj osobní rekord v nachozených kilometrech po výstavišti.

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