Témata
Zdroj: RCMT

Výzkum pro praxi: Soustružnické stroje pro náročnou a přesnou výrobu

Spolupráce s praxí je jedním ze strategických cílů aktivit Ústavu výrobních strojů a zařízení a Výzkumného centra RCMT při FS ČVUT v Praze. Vizi 2030 Fakulty strojní naplňuje RCMT podporou konkurenceschopnosti tuzemských firem. Podněty z praxe jsou motivací výzkumu, jehož výsledky jsou uplatňovány v produktech a službách firem i v modernizaci oborové výuky. Postupně představujeme několik klíčových projektů, které byly ve spolupráci RCMT a konkrétních průmyslových firem v praxi v nedávné době řešeny. V tomto díle nahlédneme do oblasti přesné výroby a zaměříme se na vývoj soustružnického stroje KL 285 z produkce Kovosvit MAS.

Reklama

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, 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.

Soustružnický stroj KL 285. (Zdroj: Kovosvit MAS)

Aktivity týmu RCMT na vývoji stroje KL 285

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.

Reklama
Reklama

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 %.

Jedna z paretooptimálních variant lože při strukturálně-teplotní topologické optimalizací. (Zdroj: RCMT)
Simulace teplotního chování stroje v provozu při odhadu reálného zatížení pohonů. (Zdroj: RCMT)
Výsledkem návrhu stroje s podporou výpočtových simulací je nárůst tuhosti stroje proti předchozí generaci a její vyrovnání ve směrech X a Z při současném poklesu hmotnosti. Druhý obrázek ukazuje tvrdé dokončovací obrábění kalené oceli nástrojem z PKNB v přerušovaném řezu. (Zdroj: RCMT a Kovosvit MAS)

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.

Přehledová grafika shrnující technologické zkoušky stroje KL 285 při tvrdém soustružení. (Zdroj: RCMT)

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.

Přínos spolupráce pro výrobní firmu

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, ZC 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.

Reklama

Přínos spolupráce pro výzkumnou organizaci

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.

Související články
Aktuální trendy v oboru obráběcích strojů

Obor obráběcích strojů prochází velkými změnami, které pravděpodobně nejsou na první pohled tak zřetelné. Požadavky na stroje se mění v důsledku postupných proměn světa okolo nás a výrobci strojů na to reagují, aby si zajistili potřebnou konkurenceschopnost.

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.

Související články
Výzkum pro praxi:
Vývoj v oblasti Hybrid Manufacturing

Spolupráce s praxí je jedním ze strategických cílů aktivit Ústavu výrobních strojů a zařízení a Výzkumného centra RCMT při FS ČVUT v Praze. Vizi 2030 Fakulty strojní naplňuje RCMT podporou konkurenceschopnosti tuzemských firem. Podněty z praxe jsou motivací výzkumu, jehož výsledky jsou uplatňovány v produktech a službách firem i v modernizaci oborové výuky. Postupně představujeme několik klíčových projektů, které byly ve spolupráci RCMT a konkrétních průmyslových firem v praxi v nedávné době řešeny. Dnes se zaměříme na vývoj v oblasti aditivních technologií.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Nebojte se výzev!

Tuto větu mi na konec rozhovoru řekl Ing. Radomír Zbožínek, člen představenstva Tajmac-ZPS, který se stále podílí na dění v mateřské firmě. Slovo "mateřská" pro pana Zbožínka platí dvojnásob, do firmy totiž nastoupil 1. listopadu 1972, takže zde "kroutí" již svou 46. sezonu. Tak akorát na to, aby jeho slova mohla posloužit i dalším lidem.

Lesk a bída českých obráběcích strojů

Česká republika, resp. tehdejší Československo, mělo bohatou historii ve výrobě obráběcích strojů. Kde v období největší slávy byli ve svých inovačních počinech současní světoví lídři, když např. kovosviťácký konstruktér Ladislav Borkovec se již v roce 1977 začal zaobírat myšlenkou multifunkčního soustružnicko-frézovacího stroje? Přes dřevěný kinematický model, který si vytvořil doma v dílně, vedla dlouhá cesta až k prototypu prezentovanému  na EMO v Paříži v roce 1980. Po vyrobení 45 strojů řady MCSY, které nenazval nikdo jinak než „Boháro“, byla z ekonomických důvodů a nedostupnosti kvalitní řídicí elektroniky bohužel výroba v tehdejším Kovosvitu ukončena. Dva bývalé kovosviťáky, srdcem i duší, Jiřího Mindla a Vladislava Čítka, jsem díky jejich letitým zkušenostem celoživotního zasvěcení oboru obráběcích strojů požádal o rozpravu nad současným stavem tuzemského oboru výrobních strojů a nad tím, jaké jsou jeho případné perspektivy.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

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.

Vyvíjet pouze stroje již nestačí

Výroba obráběcích strojů má u nás velmi dlouhou a bohatou tradici. V době, kdy zde získávaly podobu první koncepty produktivních výrobních strojů, současní světoví lídři, ke kterým nyní s respektem vzhlížíme, se zabývali odlišnou komoditou, pro kterou teprve následně začali obráběcí stroje vyvíjet. V rámci globalizace je v oboru výrobních strojů velice silná konkurence a v dnešní době mohou obstát jen ti nejlepší.

Na cestě ke zrození stroje, část 5: Zakázka

Série deseti článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje proces výroby obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, na jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu, technické parametry a návratnost investic.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

Automatizace od kusu po velké série

Ve společnosti Misan v Lysé nad Labem se pravidelně konají odborné semináře, které již po léta mají ustálený a účastníky kvitovaný scénář. Jedná se vždy o tematicky zaměřenou, třídenní akci - dva dny pro odbornou veřejnost, třetí den pak pro školy. Důležitým faktem z hlediska návštěvnického poznání a edukace je skutečnost, že se na obsahové náplni společně s firmou Misan podílí vždy jeden z jejich spolupracujících partnerů, především z řad výrobců a dodavatelů řezných nástrojů. Dopoledne přednášky, odpoledne ukázky na strojích. Nejinak tomu bylo i poslední květnový týden.

CIMT Peking, Část 2. Win Together

Podtitul veletrhu CIMT 2019 byl: 融合共赢 智造未来. Musíte uznat, že motto veletrhu je v této pro nás exotické podobě zahaleno značným tajemstvím. Dáte-li větu do automatického překladače, výsledná myšlenka zní: fúze a výhra. Jednoduchá slova, divný obsah - tento způsob nalezení významu věty opravdu není žádná výhra. Proto se o nápravu "ztráty v překladu" pokusíme v druhém vstupu z veletrhu, ve kterém se tentokrát podíváme i za technikou.

Úspěšné dny otevřených dveří

Ve druhý dubnový týden 2019 pozvala společnost Grob-Werke hosty na letošní první firemní výstavu do svého sídla v Mindelheimu. Přibližně 400 pozvaných zákazníků a hostů kvitovalo inovativní produkty, praktické ukázky, odborné přednášky a zajímavé komentované prohlídky firmy.

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