Nástroje | 20. 4. 2020

Ako prekonať súčasné výzvy obrábania s dlhým dosahom

Moderní trendy ve výrobě přivádějí stále více pozornosti také k problematice obrábění pomocí nástrojů o velké délce, zejména pak k  vyvrtávání či soustružení přesných otvorů. Poptávka po přísnějších tolerancích a opakovatelné přesnosti neustále roste. Nové materiály polotovarů se obrábějí obtížněji, což dále zvyšuje namáhání nástrojových systémů. Konstruktéři se snaží v rámci úspory času i nákladů spojovat více dílů do složitých monolitických obrobků, které pak zahrnují i obrábění hlubokých otvorů či soustružení komplexních tvarů na víceúčelových obráběcích strojích.

Výrobci, kteří se pokouší tyto skutečnosti zvládnout, musí vyhodnotit všechny prvky svých obráběcích systémů a aplikovat metody i nástroje, které zaručí úspěch. Mezi klíčové faktory patří stabilita stroje, uchycení nástrojů, upnutí obrobku a řezné geometrie nástrojů. Obecně platí, že základem úspěchu v procesech přesného a výkonného vyvrtávání a soustružení s dlouhým vyložením jsou pevnost upnutí, tuhost nástroje a pečlivost při aplikaci.

Hlavními kandidáty pro využití moderních nástrojů a obráběcích metod jsou výrobci dílů pro těžbu ropy a zemního plynu, energetický  průmysl a leteckou techniku, neboť ti pravidelně zpracovávají velké a složité obrobky s prvky, které vyžadují použití nástrojů s větší délkou. Mnoho dílů se též vyrábí z houževnatých slitin s obtížnou obrobitelností, takže vznikají velké řezné síly způsobující vibrace. Obecně lze říci, že zlepšení procesů v ohledu produktivity, nákladů i bezpečnosti při operacích s dlouhým vyložením ocení prakticky každý výrobní provoz.

Průhyb a vibrace
Hluboké vyvrtávání se od jiných operací odlišuje tím, že břit nástroje pracuje ve velké vzdálenosti od připojení ke stroji. Obdobné podmínky existují i při operacích vnitřního soustružení ve velkých hloubkách, přičemž mohou oba typy operací zahrnovat i otvory s přerušovanými řezy – třeba v případě takových obrobků, jako jsou skříně čerpadel a kompresorů. Délka vyložení nástroje je pak určena hloubkou otvoru a může vést k průhybům vyvrtávací tyče nebo tělesa soustružnického nože.

Průhyb zvětšuje proměnlivost síly v procesu obrábění a může způsobit vibrace a chvění, které snižují kvalitu povrchu obrobků, nebo vedou k rychlému opotřebení či zlomení nástrojů a poškození některých konstrukčních celků obráběcích strojů. Zejména v případě vřeten to znamená nákladné opravy a dlouhé prostoje. Proměnlivé síly jsou způsobeny nevyvážeností, malou tuhostí nebo rezonančními vibracemi prvků v soustavě stroj-nástroj-obrobek. Řezné tlaky se mění také s tím, jak pulsuje zatížení nástroje v průběhu různých fází řezu, včetně utváření a odvodu třísek. Mezi negativní účinky vibrací při obrábění patří nízká kvalita povrchu a nepřesné rozměry obrobku, rychlé opotřebení  nástroje, menší úběr materiálu, vyšší výrobní náklady a poškození nástrojových držáků i obráběcích strojů.

Tuhost stroje a upnutí obrobku
Základní přístup k tlumení vibrací při obráběcích operacích zahrnuje zvyšování tuhosti jednotlivých prvků obráběcího systému. Aby se omezil nežádoucí pohyb, musí být obráběcí stroj vyroben z tuhých a hmotných konstrukčních prvků, zesílených pomocí betonu nebo dalších materiálů utlumujících vibrace. Ložiska a pouzdra stroje musí být pevná a bez vůlí.

Obrobky je nutno v obráběcím stroji přesně polohovat a bezpečně upnout. Upínací systém by měl být navržen s hlavním důrazem na  jednoduchost i tuhost a upínací body by se měly nacházet co nejblíže k obráběným prvkům. Z hlediska obrobku jsou k vibracím při obrábění náchylné zejména tenkostěnné nebo svařované díly a nevyztužené skořepiny. Některé díly lze v zájmu zlepšení tuhosti překonstruovat –  takové změny však mohou navýšit hmotnost nebo narušit funkční výkonnost finálního produktu.

Uchycení nástroje
Pro využití maximální tuhosti musí být vyvrtávací nebo soustružnické nástroje co nejkratší, ale současně dostatečně dlouhé, aby dokázaly obrobit celou délku otvoru nebo součásti. Průměr tělesa by měl být co největší, přitom však musí umožňovat volný pohyb v otvoru i účinný odvod třísek.

Během utváření a dělení třísek řezné síly stoupají a klesají. Kolísání síly představuje další zdroj vibrací, které mohou rezonovat s vlastními kmity držáku nástroje nebo soustavou stroje, takže se začnou udržovat nebo dokonce zvyšovat vlastním buzením. Mezi další zdroje vibrací patří opotřebené nástroje nebo nástroje, které nezabírají dostatečně hluboko. To působí nestabilitu procesu nebo rezonanci, která se  synchronizuje s přirozenou frekvencí kmitů vřetena stroje nebo nástroje a následně způsobí nežádoucí vibrace.

Příčinou vibrací v obráběcím systému mohou být také dlouhá vyvrtávací tyč nebo soustružnický nůž. Základním přístupem k eliminaci  vibrací je použití krátkých a tuhých nástrojů. Čím větší je poměr délky tyče vůči jejímu průměru, tím větší je pravděpodobnost, že vibrace nastanou.

Různé materiály tyče vykazují také různé vibrační charakteristiky. Ocelové tyče jsou vůči vibracím obecně odolné do poměru délky vůči průměru tyče L/D až 4:1. Těžké kovové tyče vyrobené z wolframové slitiny mají vyšší hustotu než ocel a zvládnou rozsah L/D až do poměru 6:1. Monolitní karbidové tyče poskytují ještě vyšší tuhost a umožňují dosahovat vyložení L/D až 8:1. Cenou za takovouto tuhost jsou však vysoké náklady, zejména pak u tyčí velkých průměrů.

Alternativní způsob tlumení vibrací představuje antivibrační tyč. Ta je vybavena interním hmotovým tlumičem, který je zkonstruován tak, aby kmital v protifázi s nežádoucí vibrací, absorboval její energii a minimalizoval vibrační pohyb. Systém Steadyline® společnosti Seco Tools (viz postranní panel) nabízí systém laděného tlumení vibrací, využívající hmotu tlumiče vyrobeného z materiálu o vysoké hustotě, uloženého uvnitř tyče pomocí radiálních elastických prvků. Hmota tlumiče pohlcuje vibrace ihned poté, co se přenesou z řezného nástroje do tělesa tyče.

Složitější a dražší aktivní tlumení vibrací nástroje může mít podobu elektronicky aktivovaných zařízení, které snímají průběh vibrací, a elektronických aktuátorů, které v držáku vytvářejí sekundární pohyb rušící nežádoucí kmitání.

Materiál obrobku
Vlastnosti materiálu polotovaru také mohou přispět ke vzniku vibrací. Různá tvrdost materiálu, tendence k utváření nárůstků na břitu nebo deformační zpevňování či obsah tvrdých částic ve struktuře vedou k proměnlivému mechanickému zatěžování a způsobují vibrace. U  některých materiálů může do jisté míry přispět k minimalizaci vibrací také vhodná kombinace řezných parametrů.

Geometrie řezného nástroje
Nástroj samotný podléhá tangenciálnímu a radiálnímu průhybu. Radiální průhyb ovlivňuje přesnost obráběného průměru. V tangenciálním průhybu je břitová destička stlačována směrem dolů od osy dílu. Při obrábění otvorů o malých průměrech navíc zmenšuje vnitřní profil otvoru úhel hřbetu mezi břitovou destičkou a povrchem otvoru.
Tangenciální průhyb tlačí nástroj směrem dolů a od osy obráběné součásti a také zmenšuje úhel hřbetu. Radiální průhyb zmenší hloubku řezu, což ovlivní přesnost obrábění a mění tloušťku třísek. Změny hloubky řezu způsobují pulsování řezné síly a mohou vést k vibracím.

Prvky geometrie břitové destičky, jako jsou úhel čela, úhel nastavení ostří a poloměr špičky, mohou vibrace zvětšovat nebo tlumit. Destičky s pozitivním úhlem čela například snižují tangenciální složku řezné síly. Současně však mohou snižovat efektivní úhel hřbetu, což způsobí tření a vibrace. Velký úhel čela a malý úhel břitu vytvářejí ostrou geometrii, která snižuje řezné síly. Ostrý břit je však náchylnější k rázovému poškození či nerovnoměrnému opotřebení, což ovlivní kvalitu obrobení povrchu otvoru.

Malý úhel nastavení ostří zvětšuje axiální složku řezné síly, zatímco velký úhel zvětšuje působení síly v radiálním směru. Axiální síla má na  operace vyvrtávání minimální vliv, takže malý úhel nastavení může být žádoucí. Současně však koncentruje řezné síly na menší část břitu nežli konfigurace s velký úhlem, což může mít negativní vliv na životnost nástroje. Kromě toho ovlivňuje úhel nastavení ostří nástroje  tloušťku třísek a směr jejich odvodu. Poloměr špičky břitové destičky by měl být menší než hloubka řezu, aby se minimalizovala radiální složka řezné síly.

Odvod třísky
Odvádění třísek z obráběného otvoru představuje při operacích vyvrtávání zásadní problém. Odvod třísky ovlivňuje geometrie břitové  destičky, řezná rychlost i obrobitelnost materiálu. Při vyvrtávání jsou žádoucí třísky krátké, neboť se z hloubi otvoru snáze odvádějí a snižují síly působící na břit. Výrazně tvarované geometrie destiček podporující dělení třísek však vykazují větší spotřebu energie a mohou způsobovat vibrace.

Dokončovací operace s cílem dosažení dobré kvality povrchu vyžadují menší hloubku řezu, při níž ovšem vznikají tenčí třísky, které problémy s odvodem umocňují. Zvýšení posuvu může vést k lepšímu dělení třísek,navšak současně zvyšuje řezné síly a způsobuje chvění, které opět může negativně ovlivnit kvalitu povrchu. Při obrábění nízkouhlíkových ocelí mohou vést nižší rychlosti posuvu ke vzniku nárůstků, a proto
zabezpečuje v těchto materiálech správný odvod třísek při vyvrtávání kombinace vyšší rychlosti posuvu a optimálního vnitřního přívodu chladicí kapaliny.

Závěr
Operace vyvrtávání hlubokých otvorů a soustružení pomocí nástrojů s dlouhým vyložením jsou při obrábění kovů běžné a často nezbytné. Účinné provádění těchto procesů však vyžaduje hodnocení obráběcího systému jako celku, aby bylo zajištěno společné působení více faktorů zapojených do snižování vibrací a zaručení kvality, a dosáhlo se tak maximální produktivity i ziskovosti.

Produktivita díky nástrojům s pasivním tlumením
Nástrojový systém Steadyline® společnosti Seco umožňuje provádět operace s dlouhým vyložením dvakrát rychleji než s běžnými nástroji, přičemž současně zlepšuje kvalitu povrchu, prodlužuje životnost nástroje a snižuje namáhání obráběcího stroje. Díky technologii pasivně-dynamického tlumení vibrací lze provádět i náročné aplikace, jako je použití nástrojů s poměry L/D většími než 6:1, které by jinak nebylo možné realizovat ani při velmi nízkých parametrech obrábění. Operace soustružení a vyvrtávání do hloubek až 10xD v malých i velkých otvorech pak mohou být spolehlivé a produktivní.

Systém pasivně-dynamického tlumení Steadyline® funguje na základě interakce vibračních sil. V praxi vyvolávají řezné síly pohyb  (vibrace) v držáku. Aby se vibrace omezily, využívá systém Steadyline® vlastnosti sekundární interní tlumicí hmoty navržené tak, aby měla stejnou vlastní frekvenci kmitů jako těleso tyče. Systém je navržen tak, aby tlumič rezonoval s nežádoucí vibrací v protifázi,  absorboval její energii a minimalizoval nežádoucí pohyb.

U systému Steadyline® je hmotný prvek absorbující vibrace umístěn v přední části držáku, kde je potenciál pro vychýlení největší a tlumicí hmota může vibrace eliminovat hned, jakmile jsou přeneseny od břitu nástroje do tělesa držáku. Systém Steadyline® zahrnuje rovněž krátké, kompaktní nástrojové hlavy Seco GL, u kterých jsou břity destiček umístěny co nejblíže tlumicímu prvku, aby se efekt absorpce vibrací maximalizoval. Systém lze využít v širokém spektru aplikací a jeho nasazení je velmi výhodné jak pro hrubovací i jemné vyvrtávání, tak také frézování kapes, konturování či drážkování.

Společnost Seco Tools doplnila svůj sortiment pro operace s dlouhým vyložením rozšířením řady soustružnických a vyvrtávacích tyčí a řezných hlav Steadyline® s tlumením vibrací. Nejnovější varianty představují tyče Steadyline® o průměru 25 mm (1″) a 100 mm (4″), soustružnické hlavy GL25 a řada vyvrtávacích hlav BA pro hrubovací a dokončovací operace až do průměru 115 mm.

Hlavy vyvrtávacích i soustružnických sestav lze rychle vyměnit pomocí připojení typu GL, které poskytuje vysokou přesnost středění s opakovatelností 5 mikronů a možností orientace hlav 0°/180°.

Tyče s průměrem 25 mm (1″) s připojením GL25 na straně obrobku zahrnují také zesílené karbidové provedení pro vyložení 10xD (až 250 mm), spolu s upínacím rozhraním Seco-Capto™, HSK-T/A či klasickou válcovou stopkou. Tyče s největším průměrem – 100 mm (4″) –  využívají stávající soustružnické hlavy GL50 a propojovací adaptéry BA-GL50 s možností využití technologie vysokotlakého chlazení Jetstream Tooling®.

V operacích s dlouhým vyložením, kde již vlastnosti konvenčních nástrojů nestačí, přináší řada Steadyline® přesnost a spolehlivost, snížené namáhání vřetena stroje, vyšší úběr materiálu, lepší kvalitu obrobení povrchu i delší životnost nástrojů.

Autor:
Marketing a tým výzkumu a vývoje oddělení Tooling Systems společnosti Seco Tools


www.secotools.com