Vývojové trendy soustružnických strojů malé a střední velikosti

Inverzně vertikální soustružnické stroje

Mezi malými a středně velkými soustružnickými stroji se pro vysoce produktivní výrobu přírubových součástí již pevně etablovaly inverzně vertikální soustruhy. Tyto stroje mají soustružnické vřeteno s vertikální osou umístěné v horní části rámu. Obrobek je upnut pod vřetenem. Obrábění probíhá tzv. „nad hlavou" nástroji upnutými v revolverové hlavě ve spodní části pracovního prostoru. Hlavní výhodou této koncepce je především bezproblémový odchod třísek od obrobku, neboť tyto snadno spadávají do vynašeče třísek umístěného ve spodní části pracovního prostoru.

Tento typ strojů má obvykle pohyb hlavního vřetena v osách X i Z. Obrobek je tak polohován proti pevně umístěným nástrojům. Protože se jedná o vysoce produktivní stroje, mají integrovanou dopravu polotovarů a hotových dílů - dopravník dílců prochází rámem stroje. Osa X má prodloužený zdvih, který umožňuje vyjetí vřetena mimo pracovní prostor, odložení obrobku na dopravní pás a nabrání dalšího polotovaru. Tuto koncepci měla např. vystavovaná novinka na stánku DMG s označením CTV 160 linear. Jak je zřejmé z označení, stroj je vybaven lineárním motorem v ose X pro maximální urychlení přejezdů mezi pracovním a manipulačním prostorem. Na EMO byl stroj doplněn manipulační buňkou WH10. Tato buňka obsahovala robota, který odebíral hotové obrobky z dopravníku, vkládal je do čisticí a značkovací stanice a následně odkládal do výstupního zásobníku. Firma DMG tak prezentovala ucelené automatizační řešení pro produktivní výrobu. Produktivitu výroby lze dále zvýšit zdvojeným provedením stroje.

Tlak na vysokou produktivitu byl v kategorii inverzně vertikálních soustruhů vidět u všech výrobců. Firma Famar prezentovala naplnění tohoto cíle svými zdvojenými stroji. Stroj Famar Tandem 260 je koncepčně navržen jako zrcadlově symetrický dvojstroj, který má ve střední části stanoviště obsluhy s jedním řídicím panelem. Každá půlka stroje má vlastní nezávislý dopravník polotovarů a obrobků. Jednotlivé stroje mohou obrábět synchronizovaně shodný dílec nebo naopak nezávisle dva rozdílné kusy. Stroj má opět pohyb vřetena s obrobkem v ose X a Z. Revolverová hlava s nástroji může být vybavena osou Y, což je v této kategorii zajímavá opce. Dále může být do pracovního prostoru přidána další technologická jednotka s rotační osou - např. brousicí vřeteno s osou A, manipulační jednotka pro přepínání obrobku ve vřetenu apod. Firma uvádí, že tuhost stroje, instalované výkony vřeten a technologické vybavení jsou vhodné pro tvrdé soustružení. Vystavovanou novinkou na EMO byl u firmy Famar typ biSUB 160 2g. Jak říká název, jedná se o zdvojený stroj SUB 160 2g. Tento soustruh se vyznačuje vysokou dynamikou - kuličkové šrouby ve všech osách umožňují zrychlení 2g, díky čemuž firma uvádí čas 2 s pro výměnu obrobek - obrobek.

Tradiční výrobce inverzně vertikálních soustruhů firma Emag vystavovala pro výrobu přírubových součástí centra VSC 250 a VLC 250. Řadu VSC charakterizuje vřeteno posuvné v ose X a Z a jedna revolverová hlava s dvanácti poháněnými nástroji. Řada VLC má vřeteno pohyblivé v osách X a Z, na přání lze dodat stroj s osou Y. V pracovním prostoru jsou dvě revolverové hlavy pro pevné a rotační nástroje, volitelně pak jedno další vřeteno pro frézovací, vrtací nebo brousicí operace. Hlavní vřeteno je u obou typů umístěno v pinole rotačního tvaru, která je hydrostaticky uložena. To zajišťuje dobré tlumení vibrací při tvrdém soustružení a přerušovaných řezech. Nosná struktura strojů Emag je z polymerbetonu s obchodním označením Mineralit. Stroje VSC jsou nabízeny pro zvýšení produktivity také ve dvou- a třívřetenovém provedení. Obě řady strojů byly prezentovány se širokým spektrem automatizačních periferií.

V kategorii inverzně vertikálních strojů byly na EMO vystavovány i stroje pro obrábění hřídelových součástí. Ty mají nepohyblivé vřeteno a na spodní straně pracovního prostoru koník pro opření obrobku. Základní pohyby v osách X a Z provádí revolverová hlava s nástroji. Firma Emag vystavovala pro obrábění vertikálních hřídelových součástí stroj VTC 315 DS. Tento multifunkční stroj je vybaven dvěma revolverovými hlavami proti sobě, které umožňují simultánní soustružení nebo broušení dvěma nástroji ve čtyřech (2+2) řízených osách. Manipulaci s obrobkem provádí uchopovací hlavice umístěná v jedné pozici v revolverové hlavě. Podobnou koncepci vystavovala také firma Scherer Feinbau na stroji VDZ 120.

Velmi přesné soustružnické stroje

Velmi přesné soustružení, tj. opracování součástí s tolerancemi v řádu desetin nebo jednotek mikronů, je v současné době úzce spojeno s technologií tvrdého obrábění. Strojům této kategorie se daří v určitých případech úspěšně konkurovat broušení především z důvodu vyšší produktivity.

Firma Hardinge vystavovala dva inovované stroje série Super-Precision: menší stroj RS T-42 MSY s průchozím průměrem vřetena 42 mm a osou Y a větší stroj GS 51 A  s průchozím průměrem 51 mm. Stroje mají litinový rám a novou konstrukci revolverové hlavy. Ta se vyznačuje především umístěním motorů mimo vlastní hlavu, aby se minimalizovalo tepelné ovlivnění geometrické polohy nástrojů. Ze stejného důvodu má i vřeteno externí motor s převodem řemenem. Ke strojům lze dokoupit tzv. Thermal Package, který obsahuje možnost přidání samostatného chladiče pro vřeteno, přídavné chlazení nádrže s hydraulickým olejem a pravítka s přímým odměřováním. Stroje jsou nabízeny se řídicími systémy Fanuc i-series nebo novým systémem Siemens 828D. Stroje série GS mohou být doplněny integrovaným obrobkovým manipulátorem a zakládací stanicí.

Firma Kümmer prezentovala pro tvrdé soustružení malých dílů stroj k250 hydrospeed. Soustruh má hydrostaticky uložené vřeteno s max. otáčkami 12 000 min^-1. Nástroj je polohován v osách X a Z pomocí konceptu LSK (Linear Slide Kinematics). Tato pohybová struktura poháněná lineárními motory umožňuje podle firemních údajů realizovat zdvihy 250 x 100 mm, max. posuvovou rychlost 60 m.min^-1, zrychlení 10 m.s^-2 a submikronovou přesnost polohování. Kompaktní rám stroje připravený pro snadnou manipulaci jeřábem je tvořen ocelovým svařencem vyplněným cementovým betonem.

Konstrukce strojů Microturn holandské firmy Hembrug je založena na nosných dílech ze žuly, hydrostatických lineárních vedeních a pohonech kuličkovými šrouby. Firma uvádí opakovatelnost polohování v 0,1 µm. Hydrostaticky uložené vřeteno má maximální házivost 0,2 µm. Stroje série V umožňují obrábět dílce o tvrdosti 50 ÷ 70 HRC o průměru 650 ÷ 1 400 mm. Menší stroje série Base Line jsou mj. připraveny i pro vybavení přídavným brousicím vřeteníkem.

Stroje pro obrábění malých rotačních dílů

Malými díly myslíme obrobky z tyčových polotovarů do průměru cca 30 až 50 mm. Pro velkosériovou výrobu se obvykle používají z důvodu vysoké produktivity vícevřetenové soustruhy. Firma DMG na výstavě EMO prezentovala v této kategorii soustruhy série GMC, které jsou v osách X osazeny lineárními motory, což umožňuje dosáhnout rychlosti rychloposuvu až 50 m.min^-1. Vícevřetenové stroje pro velmi malé obrobky vystavovala firma Wolf. Průměr tyčového polotovaru je maximálně 26 mm.

Větší univerzalitu nabízejí stroje s jedním hlavním vřetenem. Obvykle jsou vybaveny i protivřetenem, které rozšiřuje výrobní možnosti i technologickou flexibilitu stroje. Při obrábění malých dílů je výhodné, aby vřetena konala hlavní i některé vedlejší pohyby. U obrobku polohovaného po drahách s malým zdvihem vůči stacionárním nástrojům je možné dosáhnout vyšší dynamiky pohybu, potažmo rychlejší výměny nástrojů a zkrácení vedlejších strojních časů. Tyto stroje jsou označovány jako tzv. soustruhy švýcarského typu.

Firma Tornos prezentovala v této oblasti stroje řady Mikro, Delta a Deco. Jedná se o stroje určené pro obrábění z dlouhých tyčí, proto jsou vybavovány jejich automatickými podavači. Hlavní vřeteno je vždy průchozí (maximální průměr 7 až 26 mm) a provádí pohyb v ose Z. Stroje jsou vysoce modulární a umožňují vybavení podle potřeb zákazníka. Nejjednodušší variantou je tříosý stroj řady Mikro vybavený paletou, na které jsou upnuty pevné či poháněné nástroje. Paleta je pohyblivá v ose X a Y, pohyb v ose Z je realizován na vřetenu. Pokud je stroj vybaven protivřetenem, disponuje zároveň dvěma nezávislými nástrojovými systémy, tzn. že můžeme současně obrábět dvěma nástroji. Nejvybavenější stroj řady Deco disponuje čtyřmi nezávislými nástrojovými systémy, které vyžadují 10 řízených os. Jako opci lze počet řízených os rozšířit ještě o dvě osy C. Zatímco dvě nižší řady jsou vybaveny řídicím systémem Fanuc, u řady Deco výrobce použil vlastní řídicí systém PNC-DECO, který úzce spolupracuje s programovacím nástrojem TB-DECO. Technologické možnosti strojů jsou především díky jejich variabilitě opravdu široké. Je možné sestavit konfiguraci, která umožňuje obrobení obou konců obrobku, vrtání děr v obecném směru, frézovací operace i souběžnou práci na dvou obrobcích.

Podobné koncepce byly i vystavované stroje řady ECAS firmy Star nebo série STL firmy Hanwha. Navíc jsou ale vybaveny jednou nebo více revolverovými hlavami s až deseti pozicemi pro pevné i rotační nástroje, přičemž hlavy mohou vykonávat pohyb až ve třech osách. Soustruh švýcarského typu firmy Nexturn s označením SA 20e je vybaven protivřetenem, které se pohybuje v osách X a Z. Na vřeteníku je hned vedle protivřetena ještě nástrojové rozhraní pro dva rotující a dva pevné nástroje. Toto řešení umožňuje osové i mimoosé operace.

Firma DMG vystavovala soustruhy se slovem Linear v názvu. Stroje jsou vybaveny lineárními motory v osách X. Série SPEED linear je určena pro menší obrobky do průměru 33 mm. Je vybavena protivřetenem a platformami pro pevné i rotující nástroje. Stroje série SPRINT linear jsou navíc vybavovány revolverovými hlavami, které mohou realizovat pohyb až ve třech osách. Tato série je určena pro obrobky až do 70 mm.

Shrnutí a závěr

Na EMO vystavovali všichni významní světoví výrobci soustružnických strojů. Navzdory současné složité ekonomické situaci většina dodavatelů strojů potvrzovala poptávku po sofistikovaných výrobních řešeních s velkou výrobní produktivitou. Z investičních důvodů je však vyžadováno rozšiřitelné řešení, které bude možné v budoucnu doplnit dalšími moduly. Komplexní řešení požadované výroby a její vysoká produktivita jsou tedy hlavními požadavky na současné stroje. V oblasti soustružnických strojů se výrobci snaží dosáhnout těchto požadavků různými způsoby. Soustružnické stroje s více revolverovými hlavami a soustruhy švýcarského typu dosahují komplexnosti pomocí své modulární stavby. Díky široké paletě kinematických konfigurací může výrobce stroje osadit stroj podle konkrétních požadavků zákazníka. Pro flexibilní výrobu komplexních součástí jsou nabízena multifunkční centra, která integrují možnosti několika obráběcích technologií a manipulace. Mezioperační manipulace s obrobky je výrazným faktorem, který ovlivňuje vedlejší výrobní časy. Pokud nemůže stroj zajistit manipulaci vlastními prostředky, jsou stroje vybavovány gantry zakladači nebo roboty, které zajišťují větší výrobní flexibilitu. Ve snaze zkrátit vedlejší časy a zvýšit produktivitu výrobního pracoviště nabízejí firmy provedení strojů s více vřeteny. Velký potenciál pro zvýšení produktivity výrobního procesu je skryt v přípravě nástrojů a v upínání obrobků do stroje.

Ing. Petr Kolář, Ph.D.

Ing. Petr Fojtů

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.

VCSVTT, ČVUT v Praze

P.Kolar@rcmt.cvut.cz