Témata
Zdroj: TOS Kuřim – OS

Výzkum pro praxi: technologické aplikace pro špičkové obrábění

04. 10. 2023

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. V loňském roce jsme postupně představovali vybrané projekty, které byly ve spolupráci centra a konkrétních průmyslových firem v praxi řešeny. Dnes navážeme referencí umu pražských výzkumníků v podobě přípravy a odladění nastavení strojů a technologií u portálových center společnosti TOS Kuřim – OS. Jednalo se o náročné výzvy, v jejichž úspěšném zvládnutí se zúročily poznatky a zkušenosti získávané dlouhodobou výzkumnou spoluprací mezi oběma subjekty.

Tento článek je součástí seriálu:
Výzkum pro praxi
Díly
Matěj Sulitka

Zástupce vedoucího pro rozvoj spolupráce Ústavu výrobních strojů a zařízení a Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT) na ČVUT v Praze, fakultě strojní. Vedoucí skupiny Modelování a simulace a odborný garant výzkumného tématu Digitální dvojčata strojů a procesů. Od svého nástupu do RCMT v roce 2005 se zaměřuje zejména na výpočetní modelování a optimalizaci stavby obráběcích strojů, dynamické chování strojů, simulace CNC obrábění a interakci stroj – proces. Je úspěšným řešitelem mnoha projektů spolupráce s průmyslem. Je také vyhledávaným designérem tuzemských výrobců obráběcích strojů

Pavel Zeman

Docent na Fakultě strojní ČVUT v Praze, kde získal inženýrský i doktorský titul. Od roku 2001 pracuje ve Výzkumném centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT), kde zastává pozice garanta témat výzkumu a spolupráce s průmyslem v oblasti technologie obrábění a vedoucího skupiny Technologie. Jeho odbornou specializací jsou zejména problematika obrábění těžkoobrobitelných materiálů, nové způsoby chlazení při obrábění a aplikace laserových výrobních technologií.

Michal Stejskal

Asistent a pedagog na Fakultě strojní ČVUT v Praze. Působí na Ústavu výrobních strojů a zařízení a ve Výzkumném centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT). Odborník v oblasti technologie, vývoje a optimalizací strategií NC obrábění. Specializuje se zejména na pětiosé obrábění tenkostěnných dílců a produktivní využití strojů.

Jan Moravec

Odborný asistent a pedagog na Fakultě strojní ČVUT v Praze, kde získal inženýrský i doktorský titul. Odborník v oblasti pohonů a CNC řízení. Specializuje se zejména na zvyšování přesnosti a dynamiky řízení pohybových os a potlačování chyb regulace.

Reklama

Kuřimský výrobce TOS Kuřim – OS, spadající do skupiny Toshulin, realizoval v poslední době několik významných dodávek portálových center typové řady FRF náročným zákazníkům jak v ČR, tak v zahraničí. Požadavkem bylo stroje dodat s odladěnou technologií a vysokými nároky na produktivitu obrábění a kvalitu výsledných produktů. Produktivní využití strojů představuje komplexní úlohy, v nichž se návrh technologie obrábění snoubí s dokonalou znalostí dynamického chování stroje a obrobku, řízením CNC a řízením pohonů. Představme si některé z těchto příkladů.

Optimalizace obrábění železničních podvozků

Pro obrábění svařenců podvozků vagonů požadoval zákazník vysokou produktivitu, jejíž dosažení současně s požadavky na přesnost a jakost obrábění představovalo řadu výzev. V první řadě se jednalo o optimalizaci upnutí a utahovacích momentů upínek tak, aby byly minimalizovány nežádoucí deformace a upnutí současně vyhovělo procesnímu namáhání dílce. Úloha byla řešena pomocí kombinace výpočetních modelů obráběného podvozku metodou konečných prvků (MKP) a virtuální simulace obrábění s predikcí průběhu procesních sil, v níž disponuje RCMT vlastním unikátním softwarovým řešením procesních digitálních dvojčat MillVis a kalkulátorem řezných sil. Výpočetní modely MKP umožnily také kontrolovat deformace dílce vlastní tíhou při manipulaci a správném umístění na upínací systém s nulovým bodem na stole stroje.

Reklama
Reklama
Reklama

Velkou výzvu představovala optimalizace hrubování s cílem minimalizace času obrábění. Využita byla adaptivní strategie s využitím inprocesního měření obrobkovou sondou. Změřené velikosti přídavků na polotovaru byly zaneseny jako parametry do řídicího systému stroje, a podle parametrického programování byl následně adaptivně měněn NC program s cílem minimalizace neřezných pohybů. Takovýto postup nese velká rizika kolizí, proto bylo přistoupeno k virtuální simulaci obrábění pomocí softwaru MillVis. Kromě kontroly kolizí, silového zatížení a realistického času obrábění umožnil MillVis i simulaci parametrických NC programů, což není běžné v komerčních softwarových nástrojích. Simulace času obrábění byla použita pro návrh skladby strategií a pro predikci celkového času obrábění. Posledním úkolem bylo ověřování a zlepšování časově nejnáročnějších strategií. Takto byla například změněna strategie řádkování větších vertikálních ploch na progresivní strategii vypichování. Aplikace všech uvedených přístupů nejenže splnila požadovaný čas a kvalitu obrábění, ale ještě navíc přinesla další významné časové úspory a umožnila úspěšné předání technologie zákazníkovi.

Požadavkem na obrábění podvozku železničního vagonu bylo významné zkrácení času obrábění a zajištění požadované geometrické přesnosti. (Zdroj: TOS Kuřim – OS)

Výroba segmentu trupu raketoplánu

Obrábění přesných rotačních tenkostěnných dílců z hliníkových slitin vytváří vysoké nároky na technologické znalosti. Rizika spočívají zejména v nedodržení rozměrové stability, náchylnosti ke vzniku vibrací a v neposlední řadě v komplikacích způsobených nutností mezioperačního přeupínání dílce. Rotační dílec pro kosmické účely představoval složitou geometrii, jejíž výroba vyžadovala operace soustružení a víceosého frézování s až sedmi přeupnutími a několika výměnami vřetenových hlav stroje. Rozměry dílce svědčí samy o sobě o náročnosti celé úlohy: průměr 4 000 mm, výška 400 mm, tloušťka stěny v nejtenčím místě po dokončení 7 mm. Zvládnutí složité zakázky bylo řešeno spoluprací technologů TOS Kuřim – OS, kteří se věnovali zejména vlastní realizaci u zákazníka a návrhu soustružnických operací, a specialistů RCMT, kteří zpracovali především návrh a verifikaci frézovacích operací. Soustružnické operace bylo nejefektivnější realizovat přímým programováním v řídicím systému stroje. Složitější dráhy při frézovacích operacích byly náročnější na přípravu a vyžadovaly využití CAM softwaru. Plochy na vnitřním průměru rozměrného dílce bylo nutné hrubovat i dokončovat dvouosou vřetenovou hlavou VKE z produkce této kuřimské firmy. Zdánlivě jednoduchý úkol komplikovaly omezené možnosti generování drah nástrojů v CAM. Běžná kontrola kolizí v CAM musela být tudíž nahrazena kontrolou pomocí MillVis. V dalším kroku byla vyvinuta metoda pro realizaci víceosého dokončování vnitřních kapes s dodržením nezbytné plynulosti pohybů rotačních os stroje. Součinnost popisovaných kroků přinesla bezchybnou výrobu již prvního technologicky velmi náročného dílce a nezanedbatelnou úsporu nákladů.

Tenkostěnný dílec segmentu trupu raketoplánu, při jehož obrábění bylo výzvou zejména zvládnutí frézovacích operací vzhledem ke kinematice frézovací hlavy a dostupnosti obráběných kapes na vnitřní straně dílce. (Zdroj: TOS Kuřim – OS)

Výroba pláště raketoplánu

Posledním z představených špičkových příkladů je výroba dílce pláště raketoplánu z hliníkové slitiny na centru FRFQ 350/8. Jednalo se o geometricky relativně jednoduchý dílec v podobě rovinné desky s vyfrézovaným rastrem velkého množství kapes o straně 62 mm, hloubce 13 mm a vnitřními zaoblenými přechody o poloměru R = 7 mm. Výzvou byl požadavek zákazníka na vysoce produktivní obrábění s minimálními odchylkami od žádané trajektorie. Klíč k řešení spočíval v optimálním nastavení CNC řídicího systému a nastavení pohonů stroje v kombinaci s vhodnou technologií obrábění. Obrábění v rovině stolu tudíž vedlo k vysokým nárokům na dynamické řízení celé portálové skupiny.

Reklama

Spolupráce odborníků TOS Kuřim – OS a RCMT se v první řadě zaměřila na nastavení regulace pohonů. Zde se zúročily detailní znalosti dynamických vlastností nosné stavby stroje a jejich vazby na regulaci pohonů, díky čemuž mohly být pohony nastaveny na dynamičtější pohyby. Výsledkem bylo, že dosažené zesílení i přesnost polohové regulace nezaostávaly za stroji menších rozměrů a jednodušší koncepce. Dále byla uplatněna pokročilá řešení vyhlazování žádaných drah vhodným nastavením limitů zrychlení, ryvu, interpolačních filtrů nebo spline interpolace v CNC řídicím systému stroje. Testy pomocí virtuální simulace s využitím digitálního dvojčete stroje i testy na reálném stroji prokázaly dosažení akceptovatelného poměru překmitů a přijatelných odchylek od žádaných drah při minimalizaci strojního času. Dosažena byla zákazníkem požadovaná rychlost posuvu 5 000 mm.min-1 na více než 40 % celkového strojního času. Splněním této úlohy tak stroj prokázal vysokou produktivitu a kvalitu výsledných povrchů.

Obr. 3. Vysoce produktivní frézování tenkostěnných kapes na dílci pláště raketoplánu vyžadovalo pokročilé nastavení řízení CNC a regulace pohonů. (Zdroj: TOS Kuřim – OS)

Díky úzké spolupráci technologů TOS Kuřim – OS a specialistů výzkumného centra RCMT při FS ČVUT v Praze jsou dlouhodobě úspěšně řešeny náročné technologické aplikace strojů tohoto výrobce. Kvality strojů se daří plně využívat díky pokročilým znalostem technologie, vlastností stroje a procesní interakce stroje a obrobku. Předpokladem úspěšného zvládnutí všech zakázek je v neposlední řadě také vynikající odborný soulad obou týmů.


Související články
Průmyslová hybridní výroba a aditivní technologie

Tento článek se zabývá aktuálním vývojem v průmyslové hybridní výrobě a aditivních technologiích pro zpracování kovů. Rovněž je v textu prezentován výzkum a vývoj pro praxi v této oblasti, který v současné době probíhá v České republice.

Nastal čas změnit přístup, nastal čas změn, 1. Firemní přístup k zákazníkovi

Žijeme v turbulentní době. To co bude zítra, už pravděpodobně bude vypadat jinak, než to, co bylo včera. Je to dáno různými aspekty, které však znamenají, že výrobní podniky nemohou mít vzorce chování odvozené na základě svých zkušeností z minulosti. Pokud chtějí firmy přežít, musejí se pokusit předvídat přání zákazníků, musejí být proaktivní a zejména musejí mít zaměstnance schopné inovovat a přebírat zodpovědnost za své činy a chování. V tomto seriálu budeme popisovat naše úvahy tímto směrem.

160 let strojařského vzdělávání v Praze: Tištěné implantáty i oční endoskop

Moderní lékařství se neustále vyvíjí a stále více se spoléhá na inovativní materiály, diagnostické metody a technologie z jiných oborů. Proces zavádění nových materiálů a diagnostických metod v oblasti lékařství je zároveň nemyslitelný bez dlouhodobé spolupráce mezi výrobci a výzkumnými institucemi.

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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
EMO: o strojích a datech

EMO Hannover – veletrh, kde se tisíce a tisíce návštěvníků z celého světa mohou setkat s tím nejlepším a nejnovějším, co se v poslední době v průmyslovém světě událo. MM Průmyslové spektrum pravidelně přináší z této události postřehy českých odborníků. Co nejvíce letos zaujalo pracovníky Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii RCMT při Fakultě strojní ČVUT v Praze, se dočtete v následující reportáži.

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.

Koncept Industry 4.0 v oboru Machine Tools

Stejnojmenný seminář uspořádala v červnu letošního roku Společnost pro obráběcí stroje ve spolupráci s RCMT, se společností Siemens a za mediální podpory časopisu MM Průmyslové spektrum. Přednáškový blok byl určen pro pracovníky managementu i různých úrovní technických a obchodních úseků strojírenských podniků, výrobců obráběcích strojů i pro pedagogy technických vysokých a středních škol.

Výzkum v oblasti výrobní techniky a technologie

MM Průmyslové spektrum se po dlouhá léta systematicky věnuje problematice výzkumu, vývoje a inovací. V rámci spolupráce nabízíme prostor zveřejňovat své názory a postoje jak zástupcům výzkumné sféry, tak i komerčním firmám.

Výzkum v oblasti výrobní techniky a technologie

MM Průmyslové spektrum se po dlouhá léta systematicky věnuje problematice výzkumu, vývoje a inovací. V rámci spolupráce nabízíme prostor zveřejňovat své názory a postoje jak zástupcům výzkumné sféry, tak i komerčním firmám.

Nastal čas změnit přístup, nastal čas změn, 5. Případová studie TOS Kuřim I.

Žijeme v turbulentní době. To co bude zítra, už pravděpodobně bude vypadat jinak, než to, co bylo včera. Je to dáno různými aspekty, které však znamenají, že výrobní podniky nemohou mít vzorce chování odvozené na základě svých zkušeností z minulosti. Pokud chtějí firmy přežít, musejí se pokusit předvídat přání zákazníků, musejí být proaktivní a zejména musejí mít zaměstnance schopné inovovat a přebírat zodpovědnost za své činy a chování. V tomto seriálu budeme popisovat naše úvahy tímto směrem.

Nastal čas změnit přístup, nastal čas změn, 4. Jsou high-tech technologie zárukou úspěchu?

Žijeme v turbulentní době. To co bude zítra, už pravděpodobně bude vypadat jinak, než to, co bylo včera. Je to dáno různými aspekty, které však znamenají, že výrobní podniky nemohou mít vzorce chování odvozené na základě svých zkušeností z minulosti. Pokud chtějí firmy přežít, musejí se pokusit předvídat přání zákazníků, musejí být proaktivní a zejména musejí mít zaměstnance schopné inovovat a přebírat zodpovědnost za své činy a chování. V tomto seriálu budeme popisovat naše úvahy tímto směrem.

Výzkum v oblasti výrobní techniky a technologie

MM Průmyslové spektrum se po dlouhá léta systematicky věnuje problematice výzkumu, vývoje a inovací. V rámci spolupráce nabízíme prostor zveřejňovat své názory a postoje jak zástupcům výzkumné sféry, tak i komerčním firmám.

Nastal čas změnit přístup, nastal čas změn, 3. Směr vývoje CNC obráběcích strojů

Žijeme v turbulentní době. To co bude zítra, už pravděpodobně bude vypadat jinak, než to, co bylo včera. Je to dáno různými aspekty, které však znamenají, že výrobní podniky nemohou mít vzorce chování odvozené na základě svých zkušeností z minulosti. Pokud chtějí firmy přežít, musejí se pokusit předvídat přání zákazníků, musejí být proaktivní a zejména musejí mít zaměstnance schopné inovovat a přebírat zodpovědnost za své činy a chování. V tomto seriálu budeme popisovat naše úvahy tímto směrem.

Nastal čas změnit přístup, nastal čas změn 2. Řízení podnikových procesů

Žijeme v turbulentní době. To co bude zítra, už pravděpodobně bude vypadat jinak, než to, co bylo včera. Je to dáno různými aspekty, které však znamenají, že výrobní podniky nemohou mít vzorce chování odvozené na základě svých zkušeností z minulosti. Pokud chtějí firmy přežít, musejí se pokusit předvídat přání zákazníků, musejí být proaktivní a zejména musejí mít zaměstnance schopné inovovat a přebírat zodpovědnost za své činy a chování. V tomto seriálu budeme popisovat naše úvahy tímto směrem.

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