Vývojové trendy soustružnických strojů malé a střední velikosti

Soustružnické stroje jsou univerzální stroje vhodné pro obrábění součástí především rotačního tvaru. Moderní soustružnická centra umožňují komplexní opracování obrobku více technologiemi, především soustružením a frézováním. Jak ukázala světová výstava obráběcích a tvářecích strojů EMO konaná letos v září v Miláně, jsou soustružnické stroje a centra stále významným prvkem malosériové i velkosériové produktivní výroby širokého spektra součástí. Na výstavě se kromě všech nejvýznamnějších světových výrobců prezentovala i řada menších producentů se širokou škálou strojů.

Soustružnické stroje s horizontální osou a s jednou revolverovou hlavou

Kategorie strojů s jednou revolverovou hlavou obsahuje několik odlišných koncepcí a velikostí strojů. Patří sem levné stroje střední velikosti, těžké stroje pro větší obrobky i vícestrojové výrobní buňky s integrovanou manipulací.

Na EMO bylo možno vidět dvě cesty, které volí výrobci soustruhů v současné náročné ekonomické situaci. Soustruhy vybavené osami X a Z (eventuálně i osou C) mají zákazníka oslovit především nízkou cenou a snadnou obsluhou. Renomovaní výrobci nabízejí rozšíření možností strojů buď množstvím doplňujících opcí, nebo naopak předem definovanými technologickými balíčky. Příkladem prvního přístupu je firma Mazak, která vystavovala nové stroje řady Quick Turn Smart ve velikosti 200 a 350. Stroje se vyznačují výrazně jednodušší kapotáží s jednoduchým hranatým designem (obr. 1), absencí harddisku pro ukládání dat a řídicím systémem fungujícím na platformě DOS, u kterého jsou přesto zachovány všechny technologické funkce jako v poslední verzi systému Matrix. Druhý přístup zvolila firma DMG, která nabízí soustruhy CTX velikosti 310 a 510 v levnějším provedení označeném ECO. Stroje mají původní design kapotáže, vřeteno poháněné řemenem z externího motoru (místo koaxiálního pohonu obvyklého u řady CTX) a řídicí systém Sinumeric 810D (místo 840D). Počet doplňujících opcí mimo tři základní balíčky výbavy je omezen. Firma Mori Seiki vystavovala svůj nejlevnější soustružnický stroj DuraTurn 2550 MC doplněný šestiosým robotem pro automatickou manipulaci obrobků. Je to ukázka toho, že základem výrobní technologie může být i levný a jednoduchý stroj, který však musí mít možnost rozšíření o další technologické periférie.

Na výstavě bylo vidět i poměrně velké množství soustruhů pro obrábění větších obrobků - tj. dílců s průměrem nad 600 mm v délce 2 000÷3 000 mm. Prezentovanými příklady byly stroje Hwacheon Hi-Tech 7026, Mazak Slant Turn Nexus 550, Hyundai-Kia SKT700LM, YCM NT-2500SY aj. Tyto stroje jsou obvykle vybaveny jednou revolverovou hlavou pro 12 až 15 nástrojů a mohou mít NC řízený koník a opěrné lunety. Stroje mohou být nestandardně vybavovány i dlouhými soustružnickými nebo vyvrtávacími nástroji, jak bylo vidět na stroji Doosan Puma 480XLM (obr. 2).

Pro produktivní obrábění přírubových dílců jsou určeny stroje s horizontálními příčně umístěnými vřeteny. Obvykle se jedná o dvoustroje s integrovanou manipulací obrobků pomocí gantry manipulátoru. Stroje mohou být vybaveny i automatickou čisticí a měřicí stanicí, takže fungují jako ucelená výrobní buňka. Tyto stroje bylo možno vidět na stánku firmy Doosan, Muratec, Jyoti nebo Kitako. Stroj Kitako HS 4200i má zajímavou koncepci čtyř vřeten umístěných v jednom bubnu otočném po 180° okolo horizontální osy. Spodní dvojice vřeten je určena k paralelnímu obrábění dvou obrobků dvěma revolverovými hlavami. Na horní dvojici vřeten přitom probíhá výměna obrobků. Tím je dosaženo překrytí hlavního a vedlejšího času a maximalizována produktivita stroje.

Soustružnické stroje s horizontální osou a s více revolverovými hlavami

Pro produktivní opracování tvarově náročných dílů jsou určeny soustružnické stroje se dvěma nebo třemi revolverovými hlavami a protivřetenem, které vystavovalo mnoho výrobců. Stroje jsou často vybaveny osou Y, takže umožňují provádět mimoosé vrtací a frézovací operace. Pohyb v ose Y je obvykle realizován pomocí pohybu revolverové hlavy po klínovém nosném dílci a současném pohybu v ose X. Skládáním těchto dvou vzájemně šikmých pohybů vzniká pohyb hlavy ve virtuální ose Y, která ale obvykle má pouze malý zdvih. Některé stroje mají ortogonální uspořádání os, tzn. osa Y je fyzicky kolmá na osu X, což umožňuje mít v této ose větší zdvihy. Příkladem takového řešení ve velmi kompaktním uspořádání je nosná struktura stroje Mori Seiki NZ (obr. 3). Tato kategorie strojů má modulární stavbu, která umožňuje provést konfiguraci stroje přesně podle potřeb zákazníka. Jednotlivé varianty se liší především počtem a uspořádáním revolverových hlav. Parametry protivřetena jsou obvykle stejné jako u hlavního soustružnického vřetena, takže díky počtu revolverových hlav může na obou vřetenech probíhat nezávislé obrábění dvou kusů. Vřeteno i protivřeteno mají řízenou osu C.

Revolverové hlavy jsou klíčovým prvkem, který určuje výrobní možnosti tohoto typu strojů. Přímé rotační pohony prstencovými motory se tak začínají prosazovat jako kompaktní a výkonné řešení i pro poháněné rotační nástroje v revolverových hlavách. Průkopníkem v této oblasti je firma Mori Seiki, která prstencový motor integrovaný v revolverové hlavě nazývá DDM - Direct Drive Motor. Podobné řešení s integrovaným prstencovým motorem bylo možno vidět i na hlavách Sauter, kterými byly osazeny stroje DMG CTX Alpha a Beta. Přímý pohon může pohánět nástroje maximálními otáčkami 6 000 min^-1, výkonem 5,5 kW a krouticím momentem 40 Nm. Firma Sauter měla na EMO vlastní stánek, kde prezentovala další vývojové novinky. Kromě zmíněného přímého náhonu rotačních nástrojů, u kterého na vystaveném exponátu uváděla maximální otáčky až 12 000 min^-1, to byla i revolverová hlava s přímým pohonem pro natáčení hlavy a souvislým řízením polohy. Pro práci v konkrétní poloze lze osu hydraulicky zpevnit. Protože konstrukce neobsahuje žádné převody, má celá hlava velmi kompaktní rozměry (obr. 4). Přímý pohon má maximální otáčky 10 000 min^{-1 a výkon 13 kW.}

Možnosti soustružnických strojů s horizontální osou a s více revolverovými hlavami byly na veletrhu prezentovány velkým množstvím tvarově složitých obrobků s velkým podílem mimových vrtacích a frézovacích operací. Dobře vybavené soustružnické stroje se v tomto ohledu snaží vyrovnat multifunkčním soustružnickým centrům. Rostoucí parametry pohonů rotačních nástrojů umožňují plnohodnotné výkonné frézování. Např. firma Mori Seiki uvádí, že stroje série NZ mohou být osazeny frézovacími hlavami až do průměru 80 mm. Technologické možnosti strojů mohou být rozšířeny i speciálními nástroji upínanými do revolverových hlav. Na stroji Doosan Puma TT1800SY tak bylo možno vidět přídavné zařízení pro frézování ozubení odvalováním a na stroji Biglia B765 Y3 přídavný obrážecí nástroj od firmy Mario Pinto.

Multifunkční soustružnická centra

Multifunkční soustružnická centra jsou stroje, ve kterých je obrobek upnut do soustružnického vřetena, které má C osu. Stroje jsou vybaveny plnohodnotným frézovacím vřetenem na pohybové struktuře se třemi lineárními osami a naklápěním vřetena v ose B. Obrobek tedy může být opracován buď soustružením nástrojem umístěným v zabrzděném frézovacím vřetenu nebo ve spodní revolverové hlavě nebo plnohodnotným pětiosým frézováním. Jedná se o produktivní univerzální stroje, jejichž konstrukce vykazuje typické prvky v závislosti na velikosti stroje.

Stroje malých velikostí nejsou obvykle vybaveny soustružnickým protivřetenem. Místo toho disponují pomocnou manipulační jednotkou, která může sloužit jako pomocná manipulační jednotka pro otočení kusu v hlavním vřetenu, jako koník nebo obrobkový manipulátor pro odležení hotových kusů. Zásobník nástrojů je umístěn nad nebo před soustružnickým vřetenem a je tedy obsluze dobře přístupný z přední strany stroje. Mezi největší stroje této koncepce patří stroj Mazak Integrex i-150, který byl představen jako novinka na EMO Hannover2005. Letos v Miláně byl vystavován se zdvojeným zásobníkem nástrojů s kapacitou až 72 pozic (obr. 5). Firma Mori Seiki představila stroj podobné koncepce s označením NT1000 (obr. 6). Jedná se o velmi kompaktní stroj, který umožňuje připojit automatický podavač tyčí nebo práci z přířezu. Místo protivřetena je stroj osazen univerzální jednotkou, která umožňuje opření dlouhých kusů a odložení hotového obrobku do výstupního zásobníku. Základní konfiguraci stroje je možno rozšířit o pravou nebo levou spodní revolverovou hlavu. Porovnání technických parametrů obou strojů je v tab. 1.

Tab. 1. Porovnání základních charakteristik strojů Mazak Integrex i-150 a Mori Seiki NT 1000

Menší multifunkční stroje podobné koncepce vystavovaly např. firma Bumotec, Willemin Macodel nebo Realmeca. Stroje se vyznačují frézovacími vřeteny s maximálními otáčkami v řádu 30 000 ÷ 50 000 min^-1, výkonem v rozsahu 3 ÷ 10 kW a nástrojovým rozhraním HSK-E 25 nebo 40. Soustružnická vřetena mají otáčky okolo 6 000 min^{-1 a výkon cca 5 kW. Z hlediska konstrukce jsou zajímavé stroje Bumotec S-191, které mají přímé pohony všech os lineárními nebo prstencovými motory. Vystavené stroje byly prezentovány především velkými galeriemi obrobků, na kterých bylo možno vidět komplexní obráběcí schopnosti strojů. Jednoznačný prim hrály ukázky zubních a kloubních implantátů, což jsou díly s množstvím tvarových ploch, vyráběné ze speciálních materiálů (slitiny Ti, Zr) a s extrémními požadavky na přesnost a kvalitu povrchu.}

Větší multifunkční soustružnická centra jsou vždy vybavena soustružnickým protivřetenem, které má stejné parametry jako hlavní vřeteno. To zaručuje široké možnosti při přípravě obráběcí technologie. Téměř všechny vystavené stroje této kategorie byly vybaveny i spodní revolverovou hlavou, která mj. umožňuje ve spolupráci s nástrojem upnutým ve frézovacím vřetenu výkonné soustružení dvěma nástroji. Novinkou v této kategorii u firmy DMG prezentovanou na EMO je největší stroj řady CTX Beta s označením 1250 TC linear, u něhož byla horní revolverová hlava nahrazena frézovacím vřetenem (obr 7). Stroj je vybaven lineárním motorem v ose X, která má největší zdvih. Stroj může být vybaven místo standardního diskového zásobníku nástrojů řetězovým zásobníkem s kapacitou až 120 nástrojů. Stroje této kategorie umožňují kromě běžných soustružnických a frézovacích operací i vyvrtávání dlouhými vyvrtávacími nástroji, které jsou schopné automaticky vyměňovat. K tomu slouží speciální přídavné zásobníky nástrojů, které bylo možné vidět na strojích DMG CTX Gama 2000 TC nebo Okuma Multus B750-W x3000. Stroje Okuma mají tento zásobník umístěný za hlavním soustružnickým vřetenem. Stroje DMG mají tento zásobník v levé horní části pracovního prostoru. Zásobník má kapacitu pro tři speciální nástroje. Vystavený stroj DMG CTX Gamma byl kromě toho vybaven spodní revolverovou hlavou s integrovanou lunetou (obr. 8). Hlava byla osazena redukcemi z rozhraní VDI 40 na HSK-63T. Stroj byl osazen dvoukanálovým řízením umožňujícím nezávislé programování dvou nástrojů - ve frézovacím vřetenu a v revolverové hlavě. Stroj se tak chová prakticky jako dva nezávislé stroje. Synchronizace obou kanálů je prováděna pomocí čekacích bodů. Firma Okuma prezentovala nové přímé rotační odměřování pro soustružnická vřetena multifunkčních center Multus, které má zaručit vyšší přesnost obrábění a lepší kvalitu povrchu obrobku. Funkčnost strojů Multus je možné rozšířit s pomocí speciální sady i o operaci vyvažování obrobku, při které osa C funguje jako vyvažovací přístroj a určuje, kam je potřeba navrtat vyvažovací otvory.

Racionalizace správy nástrojů pro tento typ multifunkčních center si vynucuje sjednocení nástrojového rozhraní pro nástroje upínané ze zásobníku do frézovacího vřetena a pro nástroje upínané do spodní revolverové hlavy. Sjednocení rozhraní zrychluje a zjednodušuje osazení stroje nástroji při přípravě nové technologie. Z tohoto důvodu se začalo ve frézovacích vřetenech rozšiřovat rozhraní Capto, které bylo tradičně určeno především pro upnutí nerotačních nástrojů. Dosednutí na dvě plochy (čelní a kuželovou) zaručuje tuhé spojení, trojboký profil umožňuje přenášet i velké krouticí momenty. Na EMO Milano se znatelně projevila nová konkurence tomuto rozhraní - HSK-T. To se od běžného rozhraní HSK-A odlišuje větší šířkou unášecích kamenů ve vřetenu a menší šířkou unášecí drážky v nástroji (obr. 9). Protože mezi drážkou a kamenem zůstává minimální vůle, je rozhraní vhodné i pro upínání soustružnických nástrojů, které vyžadují zajištění nástroje proti pootočení. Rozhraní HSK-T je plně kompatibilní s běžným rozhraním HSK-A - do vřetena HSK-T lze upnout nástroj HSK-A a obráceně. Nové rozhraní je výrazně podporováno širokou skupinou především německých výrobců strojů a nástrojových systémů sdružených v tzv. „Arbeitskreis HSK-T". Z výrobců strojů a jejich komponent lze uvést např. firmy DMG (soustružnické stroje), Sauter (revolverové hlavy), Ott-Jakob Spanntechnik, Röhm, Haimer (stacionární i rotační rozhraní a systémy pro upínání nástrojů). Výrobci nástrojových držáků z uvedeného sdružení již na EMO nabízeli jako katalogové výrobky s držáky velikostí 63 a 100 s tím, že další velikosti budou uvedeny v příštím roce. Velikosti 40 a 50 nabízejí již nyní např. firmy Mapal a Swiss Tool System. Tato masivní podpora standardu HSK-T by mohla pomoci jeho prosazení, protože pro soustružnické nástroje bylo již na EMO vidět množství řešení různých adaptérů (přímých, úhlových, zdvojených apod.) do revolverových hlav a nabídka držáků frézovacích nástrojů ve standardu HSK-A je již nyní velmi široká. Bude zajímavé sledovat, jak se tento trend sjednocování nástrojových rozhraní bude vyvíjet dále a zda se výrobci strojů přikloní k rozhraní HSK a kam dále se posune používání rozhraní Capto.

Pokračování příště

Ing. Petr Kolář, Ph.D.

ČVUT v Praze, Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii

Tyto výsledky byly získány za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci podpory projektu výzkumu a vývoje 1M0507.

P.Kolar@rcmt.cvut.cz