Témata
Zdroj: Rotana

Výzkum pro praxi: Vývoj řezných nástrojů z ultratvrdých materiálů

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 řezných nástrojů vyráběných z ultratvrdých materiálů.

Tento článek je součástí seriálu:
Výzkum pro praxi
Díly
Reklama

Moderní technologie obrábění vyžadují nová řešení i na straně řezných nástrojů a způsobů jejich použití. Jedním z konkrétních inovačních směrů je aplikace tzv. ultratvrdých řezných materiálů v podobě polykrystalického kubického nitridu boru (PKNB), polykrystalického diamantu (PKD) nebo chemicky nanesené silné diamantové vrstvy (CVD-diamant). Předností takových materiálů je především z tvrdosti plynoucí otěruvzdornost i za vyšších teplot a u diamantových materiálů i vysoká tepelná vodivost. Na druhou stranu je použití nástrojů s břity z těchto materiálů limitováno nízkou houževnatostí, omezeným sortimentem typů obráběných materiálů, vyšší cenou a v neposlední řadě i omezenými možnostmi výrobních technologií. Základní a stále nejpoužívanější technologií výroby konečné podoby geometrie břitu takového nástroje pro kusovou i sériovou výrobu je broušení, případně WEDM proces. Jedná se o zavedené a v řadě případů velmi efektivní procesy, avšak limitované konkrétním typem řezného materiálu, výslednou kvalitou zpracování a variantností provedení geometrie břitu nástroje. Rozvoj laserových, ale i dalších nekonvenčních technologií výroby může dát podobě geometrie zcela jiné aspekty, kterými jsou především maximálně kvalitní řezná hrana, celková vyšší přesnost zpracování a tvarově složitější geometrie s utvařečem třísek. To otevírá nové možnosti použití nástrojů z ultratvrdých materiálů, jak z hlediska aplikací pro další obráběné materiály, tak i způ­sobů použití takových nástrojů při efektivnějších pracovních podmínkách pro vyšší výslednou kvalitu dílce a celkově lepší hospodárnost výroby.

Cílem dlouhodobého společného výzkumu firmy Rotana a RCMT, Fakulty strojní ČVUT v Praze je implementace laserové technologie a doprovodných procesů pro výrobu efektivnějších a kvalitnějších technicky a technologicky unikátních nástrojů z ultratvrdých materiálů.

Nástroje z ultratvrdých materiálů – výběr ze základního portfolia firmy Rotana. (Zdroj: Rotana)

Aktivity týmu RCMT při vývoji nástrojů

Intenzivnější spolupráce firmy Rotana s RCMT byla započata v roce 2016. Tým RCMT, který vedl Ing. Pavel Zeman, Ph.D., byl v rámci společného projektu přizván k vývoji nástrojů firmou již částečně nebo kompletně vyráběných s využitím laseru.

Prvními hlavními aktivitami pracovníků RCMT při spolupráci bylo nastavení inovovaného způsobu sledování a hodnocení kvality zpracování nástrojů, a především vývoj metodiky pro systematické testování a analýzu řezivosti takových nástrojů s potřebou zajištění správného přenosu znalostí na jednotlivé zákaznické případy. Vývoj, na jehož úspěšném vyřešení měli velký podíl další důležití členové týmu RCMT, zejména Ing. Jan Malý a Ing. Petr Mašek, Ph.D., byl směřován ke spolehlivému a rychlému stanovení užitných vlastností a oblastí vhodných pracovních podmínek, a k novým aplikacím z pohledu obráběných materiálů – např. frézování niklových slitin nebo vlákny vyztužených termoplastických kompozitů (FRTP).

Společně s týmem pracovníků firmy Rotana se dále podařilo vyvinout, a hlavně do praktického použití přenést tři unikátní prototypy nástrojů: 

– frézu z vysokoobsahového PKNB;
– frézu z PKD s tvarovým utvařečem třísek;
– minifrézu z CVD-diamantu (patentované řešení).

Výsledky testů použití nástrojů v zákaznických aplikacích předčily původní očekávání.

Reklama
Reklama

Další oblastí aktivit vývoje se zapojením RCMT byla optimalizace nastavení laserové výrobní stanice na základě poznatků o interakci paprsku laseru s různými variantami výše uvedených řezných materiálů. Tým RCMT s výrazným přispěním skupiny vedené Ing. Tomášem Primusem provedl výzkum pro popis vlivu pracovních parametrů laseru na efektivitu a kvalitu opracování řezného materiálu. Společně s kolegy z firmy Rotana se podařilo definovat oblasti parametrů laserového záření a strategií výroby, a aplikovat je pro různé typy a konkrétní varianty nástrojových materiálů. Tento přístup napomáhá efektivnější výrobě nástrojů laserem. Nedílnou součástí tohoto úkolu je i spolupráce při výzkumu vhodných způsobů dokončování nástrojů po použití laseru, broušení a EDM metodách výroby.

Součástí optimalizace procesu výroby nástrojů z ultratvrdých materiálů laserem je i aktuálně vedený vývoj komplexního modelu pro stanovení výrobních nákladů laserového pracoviště. Opět v úzké spolupráci obou pracovišť a s významným zapojením dalších odborníků z Fakulty strojní, ČVUT v Praze, vzniká aplikace s možností parametrického zadání charakteristik vyráběného obráběcího nástroje a s výstupem přesné a rychlé predikce výrobních nákladů. Tento SW nástroj je jedním ze směrů dalšího rozvoje uplatňování kvalitních, výkonných, spolehlivých a cenově dostupných nástrojů z ultratvrdých materiálů na trhu.

Reklama

Prozatím poslední fází oběma subjekty společně vyvíjených nástrojů je nová generace soustružnických nožů pro opracování titanových a niklových slitin a také MMC (Metal Matrix Composite - kompozit s kovovou matricí) materiálů. Nástroje vznikají v podobě unikátních řešení s průmyslově chráněnými prvky. RCMT se širším týmem pracovníků se zapojuje především výzkumnými aktivitami při společné definici vhodné podoby nástroje a jeho aplikace a při experimentálním určení optimálního způsobu použití s vytyčením oblastí vhodných pracovních podmínek a vlastností řezného prostředí.

Výroba PKD nástroje laserem. (Zdroj: Rotana)

Přínos spolupráce pro firmu

Vývoj výše zmiňovaných řezných nástrojů probíhá po celou dobu pod přímým vedením a organizací prací Ing. Pavla Vítka, t. č. vedoucího vývoje a prodeje nástrojů z ultratvrdých materiálů ve společnosti Rotana. Právě on je hlavním nositelem původních myšlenek společného výzkumu a iniciátorem spolupráce. Do spolupráce je nicméně zapojený celý vývojový tým společnosti pod vedením Ing. Antonína Novotného.

Ing. Pavel Vítek hodnotí spolupráci následovně: „Vývoj trendů v posledních letech v oblasti použitých materiálů pro moderní konstrukce dílů zejména pro automobilový a letecký průmysl nese další požadavky pro jejich zpracování. Mimo hledání nových možností, jak zhotovit požadované konstrukce, je kladen velký důraz na výslednou hospodárnost celého procesu. V této problematice se mohu spolehnout nejen na vývojový tým Ing. Novotného. Velkou zásluhu na dosažených výsledcích a nově získaných poznatcích mají kolegové z ČVUT v Praze, kteří se podílejí na kolaborativním výzkumu. Přinášejí mimo hledisek denní praxe odborníků z Rotany jiné pohledy na problematiku. Výsledky spolupráce jsou komplexní ucelená řešení využitelná právě pro každodenní praxi, a to s možností okamžitého uplatnění. To je pro firmu velmi důležité. Věřím, že probíhající spolupráce nejsou posledními, protože otevřených témat je stále mnoho.“

Patentované řešení nástroje s řeznou částí z monolitického CVD diamantu o průměru 1 mm. (Zdroj: ČVUT v Praze)

Přínos spolupráce pro výzkumnou organizaci

Spolupráci v oblasti vývoje PKD, PKNB a CVD-D nástrojů s firmou Rotana vede na ČVUT v Praze Ing. Pavel Zeman, Ph.D.: „Nástroje z ultratvrdých materiálů z mého pohledu skrývají potenciál, který z větší části doposud ne vždy umíme v praxi využít. Důvodů pro tuto situaci je více. Z pozice partnera v kolaborativním výzkumu se snažíme s firmou Rotana odhalovat a překonávat tyto nedostatky novými řešeními nástrojů, způsoby jejich výroby a použití. Ukazuje se, že v porovnání s jinými typy nástrojů je pro ty z ultratvrdých materiálů mnohem důležitější pochopit podstatu jevů doprovázejících obrábění ve spojitosti s chováním nástroje. Vhodné aplikační oblasti pro efektivní nasazení nástrojů se totiž zpravidla nacházejí jen ve velmi úzkém rozsahu. Nové řezné materiály, tvary a vyšší kvalita geometrie břitu dávají této problematice nový rozměr. Možnost spolupráce v uvedených oblastech s firmou Rotana nám proto umožňuje významně rozšiřovat teoretické i praktické znalosti a dovednosti. Spolupráce dále etabluje naše pracoviště v problematice řešení high-tech obráběcích technologií, myšleno jak z hlediska materiálu, kvality a produktivity výroby, tak i její spolehlivosti a opakovatelnosti. Díky přímé podpoře výzkumu majitelem firmy p. Radkem Švihálkem se společným úsilím obou pracovišť daří vyvíjet nové nástroje, které jsou konkurenceschopné originalitou designu, vlastnostmi a způsobem použití. Nástroje již prokazují svůj potenciál v praxi. Celkově mohu hodnotit spolupráci jako zajímavou, otevřenou a perspektivní. Jsem proto přesvědčen, že v ní můžeme a budeme dále pokračovat.“


Vývoj nástrojů byl spolufinancován z projektů s veřejnou podporou MPO.
Vydání #4
Kód článku: 220409
Datum: 06. 04. 2022
Rubrika: Servis / Vývoj a inovace
Autor:
Související články
Téma: technologie pro výrobu forem

Díly, součásti či výrobky, které spatřily světlo světa díky tomu, že byly vylisovány, odlity či vykovány ve formě, jsou doslova všude kolem nás. Forma je zařízení často velmi složité a komplexní a k její výrobě je potřeba řada špičkových technologií. Následující článek představuje některé z nich.

Stroje a technologie: letět ještě výš

Okolo nás pole, před námi malá obecní silnice a nápis „Business Park Holzhausen“. Nic nenaznačuje, že v tomto malém městě poblíž letiště v Linci za okamžik objevíme obrovský technologický potenciál. Společnost Peak Technology byla založena v roce 2007 Dieterem Grebnerem. Zaměřuje se na dodávky komplexních ultralehkých kompozitů na bázi karbonových vláken pro Formuli 1 či letecký průmysl.

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.

Související články
Vývoj UHT nástrojů
v plném proudu krizi navzdory

Hlavním motivem založení VaV centra Rotana byla připravenost na nové trendy v automobilovém a leteckém průmyslu a výroba vlastních produktů s vysokou přidanou hodnotou – konkrétně ultratvrdých (UHT) nástrojů pro speciální aplikace. Centrum je vybaveno nejmodernějšími technologiemi a stále se rozrůstá. Na kontě má několik úspěšně zakončených projektů v podobě prototypových nástrojů a užitných vzorů. O tom, na jakých projektech v centru pracují nyní a jaké mají plány do budoucna, jsme si povídali se třemi hlavními osobnostmi celého projektu vývoje a výroby UHT nástrojů.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

Reflexe EMO Milano 2015

Italské výstaviště Fieramilano se první říjnový týden stalo středem pozornosti strojařů především evropské provenience. Po šesti letech, kdy vrcholila hospodářská krize, se prestižní veletrh EMO vrátil do italského průmyslového regionu s „budovatelským“ mottem: Let’s build the future. Na ploše 120 000 m2 ve dvanácti výstavních halách se prezentovalo přes 1 600 vystavovatelů, z toho na 500 tuzemských. Podle závěrečné zprávy navštívilo akci přes 155 tisíc návštěvníků (145 tis. EMO Hannover 2013), polovina ze zahraničí. (Pozn. V neděli před zahájením EMO navštívilo vedlejší Expo přes 260 tisíc návštěvníků. Z České republiky do Milána vycestovalo 2 160 strojařů (2 300 na EMO Hannover 2013). Každý z návštěvníků si domů patrně odvezl svůj osobní rekord v nachozených kilometrech po výstavišti.

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.

High-end technologie pro výrobu ultratvrdých nástrojů

Z důvodů požadavků na snižování hmotnosti, zvyšování pevnosti a odolnosti různých strojírenských sestav se konstruktéři stále častěji přiklánějí k volbě moderních materiálů dílů, které nejsou zcela vhodné pro obrábění. Jsou jimi neželezné slitiny kovů, plasty, kompozity, ale i např. zušlechtěné oceli. Této situace využila společnost Rotana a již před pěti lety zahájila vývoj ultratvrdých řezných nástrojů. Jejich výroba obnáší zpracování speciálních tvrdých materiálů na bázi diamantu či kubického nitridu boru za použití velmi vyspělých, tzv. high-end technologií.

Zvyšování produktivity při obrábění

Obrábění patří ke klíčovým výrobním technologiím. Hlavní předností obrábění je schopnost realizovat téměř neomezenou škálu tvarů a velikostí obrobků s potřebnou přesností a jakostí povrchu v kusové i sériové výrobě. Pro obrábění součástí na CNC strojích jsou dnes běžně komerčně dostupné všechny potřebné nástroje: softwarová CAD+CAM podpora včetně virtuálních simulací a postprocesorů na jedné straně, hardwarová realizace v podobě moderních obráběcích strojů a nástrojů na straně druhé.

Stroje v pohybu:
Fotoprůzkumné družice

Za druhé světové války přinášely informace z fronty filmové týdeníky, při první válce v Perském zálivu vysílala živě CNN z bombardovaného Bagdádu – a nyní na Ukrajině má veřejnost poprvé v historii k dispozici prakticky v reálném čase družicové snímky. Navíc neskutečné kvality. Každopádně jde o materiál, který umožňuje potvrdit, nebo naopak vyvrátit mnohá tvrzení válčících stran.

Další veletržní postřehy z EMO 2019

Z pohledu technika lze veletrh EMO v roce 2019 považovat za zdařilý, protože byl více o invenci, kreativitě, vylepšování stávajícího i hledání nových cest. Na veletrhu bylo možné vysledovat několik řekněme fenoménů, které se objevovaly napříč veletrhem. Přitom bych je přímo nepovažoval za trendy, protože obdobné počiny, technika, software i smýšlení byly (u asijských výrobců) k vidění o šest měsíců dříve na veletrhu obráběcích strojů v Pekingu. Nedávám tímto záminku k mezikontinentální diskusi o tom, kdo trendy určuje. V tomto textu zazní několik dalších veletržních postřehů.

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.

Lasery a optika v průmyslu

Měsíc květen se nesl ve znamení zákaznických setkání, dnů otevřených dveří, seminářů a konferencí. Také společnost Lascam v tomto jarním měsíci uspořádala dvoudenní konferenci. Již druhý ročník ve svém názvu Lasery + optika v průmyslu skrývá témata, která byla na pořadu dne. Představitelé významných světových výrobců laserových a optických technologií prezentovali stovce účastníků novinky a možnosti jejich využití.

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