Témata
Reklama

Využití uhlíkových kompozitů při stavbě nástrojových upínačů

V současnosti lze v oblasti konstrukce strojních součástí pozorovat trend využívání moderních konstrukčních materiálů, které se zpravidla od těch obvyklých vyznačují zajímavými fyzikálně-mechanickými vlastnostmi. Jednou takovou skupinou jsou uhlíkové kompozitní materiály.

Využitím uhlíkových kompozitních materiálů v oblasti upínačů řezných nástrojů se ve svých vývojových laboratořích zabývají pracovníci firem Hofmeister, s. r. o., Compo Tech PLUS, spol. s r. o., a Regionálního technologického institutu (RTI) na ZČU v Plzni. Některé výsledky společného vývoje v případě konstrukce rotačního hydraulického upínače s využitím uhlíkových kompozitů jsou předmětem tohoto příspěvku.

Reklama
Reklama
Reklama

Motivace pro využití uhlíkových kompozitů

V našem případě návrhu rotačního upínače jde o kompozitní materiál s označením CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer), který je tvořen kombinací uhlíkových vláken o vysokém modulu pružnosti a o vysoké pevnosti, která jsou navíjena pod úhlem +45°, –45° a 0° vůči středové ose upínače v polymerní matrici.

Použití těchto kompozitních materiálů s sebou přináší následující výhodné vlastnosti [1]:
  • sníženou hmotnost součásti (cca 4x lehčí ve srovnání s ocelí);
  • vysokou tuhost (cca 1,5x vyšší ve srovnání s ocelí);
  • zvýšení vlastní frekvence součásti (cca 2x);
  • vysoký útlum (až 12krát vyšší než u oceli);
  • zvýšení dynamické tuhosti (cca 7x ve srovnání s ocelí);
  • vysokou pevnost;
  • potenciální zvýšení produktivity (závislé na aplikaci);
  • směrově orientované vlastnosti;
  • chemickou odolnost;
  • odolnost proti korozi.

Jestliže se při aplikaci vyřeší i jejich možné nevýhody – například vznik zbytkových napětí nebo snížení lomové houževnatosti KIC –, nabízí se výše uvedený kompozitní materiál pro využití v takovém dynamickém procesu, jako je právě strojní obrábění.

S ohledem na výhodné vlastnosti uhlíkového kompozitu bylo cílem vyvinout rotační hydraulický upínač s vyššími tlumicími schopnostmi, než je tomu u konvenčního celokovového provedení, a tyto vlastnosti objektivně prokázat.

Ocelový upínač versus ocelový upínač s využitím CFRP

Pro porovnání zmíněných tlumicích vlastností byly navrženy dvě nástrojové sestavy skládající se z odlišných nástrojových upínačů s HSK-A63 stopkou a čtyřbřité čelní válcové rychloposuvové frézy o průměru 20 mm, které byly následně podrobeny příslušným analýzám. Variantu A reprezentoval konvenční ocelový upínač, variantu B ocelový upínač s cca 20% podílem CFRP.

Vyobrazení zkušebních nástrojových sestav

Na uvedených sestavách byla provedena modální analýza s vyhodnocením frekvenčních charakteristik (na základě FRF funkce – frekvenční odezvová funkce) a měření rychlosti kmitání na stopce nástroje v řezném procesu pomocí laserového vibrometru PDV-100 při konstantní vzdálenosti 75 mm od čel upínačů. Při měření byl vyloučen vliv radiálního házení řezného nástroje na jeho stopce v jednotlivých upínačích.

Výsledky zkoušek

Z hodnocení frekvenčních charakteristik vyplynuly pro obě varianty průběhy uvedené v grafu 1. Z nich je možné vypozorovat nebo odvodit z imaginární části komplexní přenosové funkce Φ téměř shodné vlastní frekvence obou nástrojových sestav (ΩA = 1 569 Hz, ΩB = 1 570 Hz), ale rozdílné schopnosti tlumení, přičemž lepší vlastnosti vykazuje varianta B s využitím CFRP.

Graf 1. Frekvenční charakteristika nástrojových sestav obou variant

Další hodnocení spočívalo v chování jednotlivých sestav v řezném procesu frézování bez použití procesní kapaliny při nastavení různých řezných podmínek uvedených v tabulce a řazených podle hodnoty posuvu na zub, přičemž základním parametrem pro hodnocení byla efektivní rychlost kmitání vef [m.s-1] (RMS – Root Mean Square), viz graf 2.

Z grafu 2 vyplývá, že rychlost kmitání a s tím spojená energie kmitání byla takřka v celém rozsahu u varianty B nižší než u varianty A, což v celkovém důsledku znamená vyšší schopnost nástrojové sestavy s využitím CFRP tlumit nežádoucí vibrace v procesu frézování. Větší či menší rozdíly pramení z rozdílného příznivějšího nebo méně příznivého „dynamického naladění“ nástrojových sestav vzhledem k jednotlivým kombinacím řezných podmínek a z toho plynoucí dynamické stability obrábění.

Graf 2. Hodnota efektivních rychlostí kmitání pro jednotlivá nastavení experimentů

Shrnutí

Návrh rotačního hydraulického upínače s využitím uhlíkového kompozitu podle zveřejněných výsledků prokázal zajímavý potenciál v podobě schopnosti tlumit nežádoucí vibrace v procesu obrábění, což společně s nižší hmotností a budoucím vyšším zastoupením CFRP umožní zajistit ještě vyšší očekávané přínosy v této oblasti, než je tomu doposud. Zároveň se toto řešení může stát zajímavou nabídkou například v případech frézování hlubokých kapes, kde vibrace v mnoha případech bývají důvodem nízké produktivity frézování a snížené trvanlivosti břitů frézovacích nástrojů.

Hofmeister, RTI

Ing. Pavel Kožmín, Ph.D., Bc. Miloslav Štýs

kozmin@hofmeister.cz

www.hofmeister.cz

Citace:
[1] //cz.compotech.com/content/files/CompoTech%20Machine%20Building%20Article.pdf

Reklama
Vydání #5
Kód článku: 160531
Datum: 11. 05. 2016
Rubrika: Trendy / Obrábění
Autor:
Firmy
Související články
900 000 nástrojových datových záznamů navíc

Nové rozhraní výrazně rozšiřuje datovou nabídku pro uživatele systému TDM. Ti mají nově k dispozici nástrojová data od více než 40 výrobců, tedy téměř pro každou obráběcí operaci.

Čištění upínacích kuželů nástrojů

Při obrábění je zpravidla věnována značná pozornost kvalitě řezných nástrojů a také způsobu jejich upnutí. Již menší pozornost ale bývá věnována rozhraní upínací kužel - vřeteno stroje. Přitom právě upnutí nástrojové sestavy ve vřetenu obráběcího stroje výrazným způsobem ovlivňuje jak celý proces obrábění, tak i trvanlivost ostří, bezpečnost a v neposlední řadě také životnost upínačů i drahých vřeten strojů.

Pohodlné upínání magnetem

Pokud jde o úsporu času při seřízení a upnutí obrobků bez deformace, je elektricky aktivovaná technologie permanentních magnetů považována za špičkový systém. S trochou konstrukční zručnosti mohou být během sekundy a bez deformace upnuty a z pěti stran obrobeny především velkoformátové díly. Ani v oblasti standardních modulů nezůstává vývoj bez odezvy. Moderní magnetické upínací desky umožňují optické nebo automatizované monitorování upínacího procesu.

Související články
Doplňkový katalog nástrojů

Specialista na třískové obrábění, společnost Ceratizit, vydává svůj nový doplňkový katalog Up2date, v němž opět představuje inovované nástroje, produktové doplňky i zcela nová nástrojová řešení - mezi nimi i čtyřbřitý vrták WTX HFDS.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Nové rozšíření řady WTX vrtáků

TK vrtáky typu WTX jsou již dlouhá léta stálicí na trhu. Pod produktovou značkou WNT nabízí Ceratizit Group prémiovou řadu vrtáků WTX z produktové kategorie Perfomance. Díky realizovaným inovacím se v nedávné době podařilo výrazně zvýšit výkonnost a životnost u řady vrtáků WTX Feed a WTX Speed. Do rodiny WTX vrtáků od ledna přibude další výjimečný a jedinečný nástroj, a to TK vrták se čtyřmi břity.

Kompaktní horizontální seřizovací přístroj pro Průmysl 4.0

Systémový dodavatel Kelch představil na veletrhu EMO v Hannoveru inovativní výsledky vývoje pro optimalizaci procesů, mezi nimi poprvé nově koncipovanou konstrukční řadu H3 z úspěšné série seřizovacích přístrojů Kenova set line.

Novinka z varnsdorfské líhně

Přední evropský výrobce obráběcích strojů, TOS Varnsdorf, letos představil nečekanou novinku, která významně rozšiřuje nabídku výkonných obráběcích strojů z varnsdorfské líhně.

Pro větší efektivitu ve výrobě

Spolupráce mezi výrobcem obráběcích strojů Hurco a dodavateli automatizovaných nakládacích systémů má za následek vyšší produktivitu a větší výnosy. Automatizované nakládání umožňuje rozšíření kapacity v kusové a malosériové výrobě bez potřeby dalšího personálu pro obsluhu strojů. Nakládací roboty je možno také využít v bezobslužných směnách nebo o víkendech.

Nová generace tangenciálních rohových fréz

Nové tangenciální rohové frézy se vyznačují inovativním trojúhelníkovým tvarem okraje břitové destičky, který poskytuje řezným hranám výjimečnou pevnost.

Československá stopa u nového rekordu

Nový rekord počtu návštěvníků jsme zaznamenali na letošním technologickém setkání WFL Millturn Technologies.

Automatický systém hlídání použitého adaptéru

Společnost Kelch, která se specializuje na periferie a služby pro výrobce a uživatele strojů pro třískové obrábění, představuje plně automatické monitorování modulů MoDeTec. Tento patentovaný systém zabraňuje výběru nesprávných adaptérů ve výrobě, čímž se předchází vysokým následným škodám v podobě poklesu kvality, poškození stroje a zastavení výroby.

Vyvrtávání hlubokých otvorů

V současné době jsou kladeny stále vyšší nároky na nástroje pro obrábění. Čím dál více se obrábí těžkoobrobitelné a různé nestandardní materiály. K tomu jsou obrobky po konstrukční stránce čím dál složitějšími.

Efektivní identifikace nástrojů a přenos dat

Systémový dodavatel Kelch GmbH uvádí na trh řešení Kelch QR pro kompletní, procesně spolehlivou identifikaci nástrojů, která zároveň přenáší data nástrojů do obráběcího stroje. Kelch QR je koncipováno jako jednoduché ekonomické řešení, které umožňuje podnikům zavést bez velkých dodatečných nákladů standardy Smart Factory a Průmyslu 4.0. Následující text představuje běžné metody, jako jsou tištěné etikety, postprocesor a moderní systémy, například RFID čipy a systémy pro správu nástrojů, a porovnává je s Kelch QR jako s jednoduchou a ekonomickou alternativou.

Optimalizace soustružení korozivzdorných ocelí

Použití korozivzdorných ocelí pro inženýrské aplikace vždy do určité míry vedlo k technickému paradoxu. Zatímco konstruktéři jsou nadmíru spokojeni s tím, jaké pevnostní vlastnosti a korozní odolnost tyto běžně používané materiály nabízejí, výrobní inženýři už jsou asi méně okouzleni jejich typickým deformačním zpevňováním a všeobecně špatnou obrobitelností. Avšak průmyslovými odvětvími, jako jsou výroba čerpadel a ventilů, výroba zařízení pro ropný a plynárenský průmysl, automobilový a letecký průmysl, jsou součásti z korozivzdorných ocelí výslovně požadovány i nadále.

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