Vzrůstající potřeba obrábět miniaturní struktury vede výrobce nástrojů k rozšiřování nabídky stopkových nástrojů s průměrem činné části okolo 1 mm a méně; v nabídce lze již nalézt sériově vyráběné stopkové frézy a vrtáky s průměrem 0,1 mm. Takové nástroje samy o sobě musí splňovat řadu podmínek, z nichž k těm zásadním patří sofistikovaná řezná geometrie a ostrý břit.
Také podmínky kladené na použitý obráběcí stroj se vymykají běžným parametrům, ať již jde o házivost vřetene, házivost upnutého nástroje nebo otáčky nutné k tomu, aby nástroj pracoval s takovými řeznými parametry, které vyžaduje obráběný materiál. Na trhu se sice již vyskytují obráběcí stroje, primárně navržené pro práci s miniaturními nástroji – jsou ale drahé, a pokud nejsou plně využity, jejich pořízení se nevyplatí. Řešením tedy je použití vhodného přídavného zařízení ke stávajícímu stroji. Při bližším posouzení běžně nabízených přídavných vysokootáčkových hlav však zjistíme, že ani zde nabídka neodpovídá plně požadavkům mikroobrábění. Například Sandvik Coromant doporučuje pro monolitní stopkové frézy CoroMill® Plura k obrábění neželezných slitin řezné rychlosti řádově 1000 m/min a posuv na zub pouhých 0,002–0,023 mm dle aplikace! Prostým výpočtem zjistíme, že nástroj ø 1 mm při 100 000 ot/min dosahuje řezné rychlosti 314 m/min a pokud vyžaduje obráběcí úloha nutnost práce s nástroji ø 0,4–1 mm při opracování lehké slitiny, není požadavek na otáčky vřetene v rozsahu 80 000–200 000 ot/min a výše nic přehnaného. Pro přesnost prováděné operace je nezbytná neměnná tuhost vřetene v radiálním i axiálním směru – standardní ložiska v režimech těchto otáček jsou ovlivňována odstředivou silou, působící na jejich rotující elementy, a tudíž tuhost je otáčkami výrazně ovlivňována. Částečné řešení nabízí užití keramických ložisek, ale pro oblast otáček okolo 200 000 ot/min ani ta nedostačují a je nutno volit jiné uložení. Důležitá je momentová charakteristika vřetene – jeho otáčky musí být stabilní, bez ohledu na měnící se zatížení krouticím momentem, daným aktuální řeznou silou. Pokud by totiž pod zatížením poklesly otáčky vřetene, pak by při konstantním posuvu nástroje – daném nastavením stroje – nežádoucím způsobem vzrostla hodnota posuvu na zub a hrozila by jeho destrukce. Rozpor mezi požadavky a nabídkou přídavných zařízení na trhu vedl k rozhodnutí vedení Výzkumného centra pro srojírenskou výrobní techniku a technologii ČVUT zahájit vývoj přídavné vysokootáčkové hlavy se vzduchovým pohonem a zpětnovazební regulací, vyrobit a odzkoušet prototypy, splňující postupně zvyšované požadavky a ověřit funkčnost při výrobě reálných dílů (obr. 1). Vzhledem k charakteru těchto úkolů se na jejich zajišťování podílejí pracovníci Výzkumného centra skupiny Výroba a skupiny Technologie; praktické ověřování dosažených poznatků z pohledu uživatele a vlastností funkčních vzorků probíhá na disponibilních strojích v provozu centra. Předmětem vývoje jsou jednotlivé komponenty přídavného zařízení – rotor s pohonnou turbínkou včetně řešení vstupu stlačeného vzduchu, ložiska a jejich tuhost, systém zpětnovazební regulace a řešení optimálního připojení na vlastní obráběcí stroj stavebnicovým principem, aby bylo možné připojení na všechny běžné konce vřeten. Cílem je zvýšit otáčky tak, aby se přiblížily teoreticky požadovaným hodnotám při práci s frézami malého průměru, zvýšit výkon a dynamickou stabilitu vřetena, dosáhnout požadované vysoké tuhosti uložení ve všech režimech otáček a výrazně zlepšit momentovou a výkonovou charakteristiku (obr. 2, 3). Nezbytnou podmínkou je „uživatelský komfort“ přídavné hlavy, projevující se v její bezpečné a snadné obsluze i instalaci. V prvé řadě byly definovány oblasti použití vysokootáčkových hlav – prvá oblast s 30 000–80 000 ot/min, vhodná pro frézování nástroji ø 1–4 mm; dále druhá oblast s 90 000–150 000 ot/min, určená pro mikroobrábění nástroji s ø 0,1–1,0 mm a konečně pro extrémní případy, zahrnující mimo mikrofrézování také broušení brusnými vřeténky, osazenými řeznými materiály na bázi PCB, přídavné hlavy s otáčkami v rozmezí 150 000–250 000 ot/min. Jako nezbytná podmínka úspěchu výzkumně-vývojových prací bylo souběžně budováno zkušební zařízení s měřicím pracovištěm, schopné zjišťovat dynamické parametry rotoru, vlastnosti používaných ložisek při různých otáčkách a různém stupni předpětí a vlastnosti a parametry konkrétně navrhovaných regulačních obvodů. Z rozborů možných variant, prováděných před vlastním započetím výzkumných prací, vyplynulo jako optimální použití radiální dostředivé turbíny, kde maximální otáčky rotoru závisí na co nejvyšší rychlosti vzduchu na vstupu do lopatkování – požadovaná pracovní rychlost se dosáhne expanzí plynného média do lopatkování rotoru. Vývojové práce se proto zabývaly optimalizací tvaru vstupních trysek, tvořených soustavou mezilopatkových kanálů a volbou mezi radiálním či tangenciálním přívodem vzduchu na rozváděcí kolo statoru, což ovlivňuje momentovou charakteristiku a výkon vysokootáčkové hlavy. Dále se pozornost soustředila na vlastnosti ložisek rotoru, resp. jeho uložení a z měření jejich charakteristik vyplynulo jako z mnoha hledisek optimální užití keramických, standardních ložisek pro prvou oblast a keramických ložisek s regulovatelným předpětím pro oblast druhou. Pro oblast třetí, kde odstředivá síla, působící na rotující elementy ložiska již způsobuje velmi těžko zvladatelné změny jeho vlastností, se jako optimální jeví užití ložisek aerostatických. Rozsáhlý objem prací si vyžádal výzkum a vývoj obvodů zpětnovazebné adaptivní regulace, které musí poskytovat dostatečně rychlou odezvu systému na poruchu – například na změnu zatěžujícího krouticího momentu nebo vznik nežádoucích vibrací i přípustný překmit regulovaných hodnot. Z cenových důvodů bylo rovněž žádoucí užití běžně dodávaných komponent (např. jako pneumatický servoventil byl zvolen typ Festo MPYE-5-1/8 HF-010-B, jako PID regulátor byl použit PLC automat Tecomat Foxtrot CP-1004 firmy Teco, dále vysokocitlivý akcelerometr firmy CTC ke snímání vibrací, nutný pro adaptivní řízení otáček vřetena v závislosti na vibracích a další). Výsledkem těchto prací je externí řídicí modul, který v sobě integruje řídicí PLC automat, servoventil, zdroj napětí a rozšiřující modul, generující napětí pro ovládání proporcionálního servoventilu; na jeho horní straně je umístěn grafický ovládací panel (obr. 4). V současné době je v ověřovací fázi vysokootáčková hlava V1, dosahující maximálně 86 000 ot/min při běhu naprázdno. Z porovnání momentových i výkonových charakteristik hlavy V1 a komerčně vyráběné hlavy Deuschle vyplývají podstatně lepší parametry hlavy, vyvinuté ve Výzkumném centru. Hlava V2 (obr. 5) s vylepšenou turbínou, lepší dynamickou stabilitou vřetena a podstatně lepší přesností běhu – házivost pod 0,001 mm a hlava V2.5 s přidanou regulací předpětí ložisek jsou ve fázi zkoušek a dosahují rychlostí okolo 140 000 ot/min. Hlava V2 prokazovala své schopnosti na Dnu otevřených dveří v Tajmac-ZPS při obrábění drážky ve vysokopevnostní hliníkové slitině AlZn5, 5MgCu s pevností 500 MPa a tvrdostí 145 HBW. Šířka zhotovované drážky činila 0,8 mm, hloubka 8 mm a byla zhotovována posuvem 690 mm/min (0,0043 mm/ /zub při 86 000 ot/min) s axiální hloubkou řezu 0,05–0,15 mm. Oproti dosud běžné technologii elektrojiskrového hloubení takovéto drážky se tedy dosahuje výrazného zvýšení produktivity, nehledě na to, že odpadá nutnost zhotovovat elektrodu. Vývoj vysokootáčkových hlav není ukončen a je snaha dále posunout hodnotu maximálních otáček. Ing. Petr Borovan