Výzkum pro praxi: Soustružnické stroje pro náročnou a přesnou výrobu

Firma Kovosvit MAS je v současné době jednou z mála firem, které v ČR vyvíjejí a vyrábějí soustružnické stroje. Tradičně tvořila páteř nabídky soustruhů uživatelsky aplikačně odstupňovaná linie strojů vyráběných v několika velikostech: od jednoduchých strojů s manuálním a NC řízením řady Masturn přes soustružnická centra řady SP až po multifunkční centra na bázi soustruhů řady Multicut. Počátkem roku 2017 se firma rozhodla vyvinout nový soustružnický stroj pro menší dílce. U nového stroje byla požadována základní jednoduchá koncepce charakterizovaná kinematikou s osami X, Z a C, (přísuv a posuv nástroje do řezu, natáčení vřetena v polohové vazbě) a jedna vřetenová hlava. Maximální rozměry soustruženého dílce byly nastaveny na průměr 285 mm a délku 550 mm. Oč byl koncept stroje jednodušší ve srovnání s dříve vyvíjenými multifunkčními stroji, o to více požadavků bylo na jeho provozní chování. Klíčovým požadavkem byla kompaktní vnější obálka s malou půdorysnou plochou, která měla být menší než u předchozího soustruhu typu SP 280. Dále byla požadována zvýšená tuhost na úrovni o řadu většího stroje SP 430, která měla být základem pro zajištění stabilního a přesného obrábění např. při náročných aplikacích tvrdého soustružení a v přerušovaných řezech. Třetím zásadním požadavkem byla vynikající teplotní stabilita, která měla zajistit dlouhodobou přesnost stroje v třísměnném bezobslužném provozu.

Pracovníci RCMT byli firmou přizváni k vývoji stroje v okamžiku, kdy existoval první konstrukční návrh stroje, který definoval některé jeho zásadní rozměry. Základním úkolem byla výpočtová podpora návrhu. Jednání vedl za univerzitní tým a zadání pro simulační úlohy definoval doc. Petr Kolář. Hlavní část výpočtové optimalizace provedl Jaroslav Šindler, který vytvořil unikátní koncept sdružené strukturálně-teplotní topologické optimalizace. Tento výpočtový návrh umožňoval na jednom simulačním modelu posuzovat změnu strukturálních vlastností (zejména statické tuhosti) ve vazbě na konkrétní hmotnost struktury a současně sledovat teplotní deformace stroje vyjádřené chybou průměru obrobku ve 24hodinovém pracovním cyklu s kolísající teplotou okolí.

Zvolená konstrukční varianta vykazovala snížené teplotní deformace v místě nástroje ve směru X i Z. Po úpravě konstrukce se zohledněním výsledků těchto koncepčních simulací proběhlo ještě několik iterací zaměřených na lokální optimalizace konstrukce. V rámci toho byla optimalizována např. poloha kotvicích patek stroje pro dosažení dobré přesnosti stroje při sníženém počtu ustavovacích bodů. Dále došlo k úpravě uspořádání žeber lože s ohledem na manipulaci se strojem. Finální verze návrhu stroje vykazovala ve srovnání s typovým předchůdcem zvýšení tuhosti ve směru X a Z cca o 20 % při současném snížení hmotnosti nosné struktury cca o 30 %.

Na jaře roku 2018 byl vyroben první kus stroje KL 285, který prošel řadou provozních a technologických zkoušek. Při nich byla potvrzena dobrá tuhost stroje a výborné teplotní chování v provozu. Zkoušky provedli zkušební technici firmy Kovosvit MAS. Tým RCMT pod vedením doktora Pavla Zemana realizoval ve spolupráci s pracovníky Kovosvitu dvě fáze technologických zkoušek stroje. Cílem bylo ověřit, jak je stroj provozně vhodný pro zamýšlené aplikace tvrdého soustružení s použitím supertvrdého řezného materiálu – polykrystalického kubického nitridu boru (PKNB). K tomu byla připravena a provedena série testů soustružení výkovku z ložiskové oceli ČSN 14109.4 s tvrdostí 52 HRC. Obvodové a čelní soustružení plynulým a přerušovaným řezem proběhlo na dílci s funkčními plochami na průměrech 69 a 59 mm. Pro zajištění přerušovaného řezu byla v jednom případě na povrchu dílce umístěna podélná drážka. Sledováno bylo chování stroje ve vztahu k dosahované drsnosti, kruhovitosti a válcovitosti obrobených ploch, a to při plynulém a přerušovaném řezu a v různých řezných prostředích.

Pro dosažení nejvyšší kvality dílce byly ve spolupráci s firmou Iscar zvoleny břitové destičky typu DNGA dvou typů PKNB. Tento supertvrdý řezný materiál je současně vysoce otěruvzdorný, ale i křehký, což při produktivním obrábění klade zvýšené nároky na stroj. Ten spolu s nástrojem nesmí vibrovat, protože jinak by docházelo k nežádoucímu vyštipování břitu nástroje.

Při technologických zkouškách tvrdého soustružení prokázal stroj KL 285 své kvality, jak deklaruje přehledová grafika. Průměrná dosažená drsnost do Ra 0,4 µm ve všech případech je na úrovni broušení. Na zkušebních vzorcích s drážkou byla měřena kruhovitost do 5 µm a válcovitost do 12 µm. Avšak pro plynulý řez byly tyto výsledky ještě výrazně lepší. Navíc bylo při identickém testu na tužším stroji vyšší velikostní řady (SP 430) potvrzeno, že dílce z obou strojů vykazují srovnatelné hodnoty drsnosti, kruhovitosti i válcovitosti. Analýzou opotřebení břitu nástroje bylo zjištěno opotřebení výhradně otěrem na hřbetě. Nebylo tedy identifikováno vyštipování a ani vylamování břitu, což je jednoznačný důkaz stability stroje při tvrdém obrábění i při přerušovaném řezu.

Vývoj stroje na straně firmy Kovosvit MAS vedl její technický ředitel Ing. Petr Heinrich, který k tomu uvedl následující: „Koncepční zadání vzniklo v roce 2016 a bylo rozpracováno konstruktéry do velmi zdařilého návrhu nového soustruhu. Cílem byla zejména kvalita, trvanlivost, přesnost a vysoké výkonové parametry. Vše z kvalitních komponentů z Evropy nebo Japonska. První jednoduchá varianta s koníkem, osou X, Z a C byla představena na MSV v Brně 2018 a setkala se se zájmem zákazníků. V roce 2019 byla představena varianta doplněná o osu Y a protivřeteno s výkonem 14 kW. Tím stroj nahradil plně předchozí typ SP280 a dnes již existují desítky spokojených zákazníků. Díky optimalizaci nosné konstrukce ve spolupráci s RCMT došlo k ideálnímu poměru tuhosti a hmotnosti, která se projevila nejen v kompaktnosti nového soustruhu, ale také k dosahované přesnosti. To potvrdily jak technologické testy, tak zejména přejímky na přesných dílcích ze strany našich zákazníků nejen z Čech, ale i z Německa. Poznatky získané na tomto projektu ve spolupráci s RCMT budeme dále rozvíjet. Dnešní požadavky na co nejmenší půdorysnou plochu obráběcího stroje a důraz na co nejnižší spotřebu energií vyžadují optimalizační výpočty. Pokud máte například poddimenzované vřeteno, tak se jeho pohon zbytečně přehřívá, když hýbete těžkým suportem, je to též ztráta, jestli na místo v hale dokážete umístit místo dvou strojů tři, také šetříte. A to jsou kromě zmiňované přesnosti další oblasti na nové projekty s RCMT.“

Výpočtové a simulační aktivity týmu RCMT koordinoval doc. Petr Kolář. Ten to okomentoval následovně: „Spolupráce s firmou na vývoji reálného stroje ve všech souvislostech jeho budoucího reálného provozu byla příležitostí, jak rozšířit naše know-how v oblasti výpočtů a uplatnit získané zkušenosti v oblasti rozhodování o uplatněných simulačních postupech. Práce probíhaly v úzké spolupráci s vývojovým týmem Ing. Polanského, Ing. Sachra, Ing. Muzikáře a Ing. Havlíka. Zkoušky byly realizovány v součinnosti se zkušebním technikem firmy Ing. Šnajdrem. Příležitost být součástí vývojového projektu od prvních návrhů až po finální zkoušky stroje a testy technologií umožňuje doplňovat naše teoretické znalosti o řadu praktických postřehů a souvislostí. V tom jsme velmi ocenili přímou a otevřenou komunikaci na každodenní bázi s kolegy z firmy.“

Popsanou část technologických zkoušek stroje připravoval a vedl doktor Pavel Zeman, který k tomu uvedl následující: „Technologicky a aplikačně zaměřeným testům strojů se ve spolupráci s Kovosvit MAS věnujeme řadu let. Hlavní motivací spolupráce je dále zvyšovat parametry produktivity, kvality a efektivity výroby prostřednictvím vhodného způsobu provozování strojů v praxi. Konkrétně se snažíme nalézat především vhodné způsoby použití strojů a ověřovat jejich žádané a deklarované parametry. Do této spolupráce však mimo jiné patří i tvorba postprocesorů se speciálními funkcemi, vývoj a aplikace nových obráběcích strategií nebo zvyšování efektivity vlastní výroby komponent strojů Kovosvit MAS. Tato konkrétní spolupráce s aplikačním týmem firmy pod vedením Ing. Heinricha a Ing. Šnajdra umožnila využít a dále rozšířit know-how v oblasti použití nástrojů ze supertvrdých řezných materiálů pro náročné aplikace v těžkoobrobitelných materiálech. Tuto oblast v RCMT dlouhodobě rozvíjíme jakožto jedno ze strategických výzkumných témat.“

Stroj KL 285 měl premiéru na veletrhu MSV 2018. Od té doby firma dodala desítky strojů spokojeným uživatelům v ČR i zahraničí. Pro RCMT FS ČVUT v Praze byla v projektu cenná úzká spolupráce v oblasti vývoje stroje i v procesu. V obou oblastech došlo k rozvoji dlouhodobého know-how, které bylo doplněno mnoha praktickými postřehy, jež se prostřednictvím oborové výuky přenášejí do výchovy budoucích inženýrů v oboru strojírenské výrobní techniky a technologie.