Za klasické materiály pro výrobu komponent obráběcích strojů se považují ocel a litina; po dlouhou dobu jejich vlastnosti vyhovovaly požadavkům na ně kladeným. Zvládnutá metalurgie i používané technologie zpracování dílců zabraňovaly nežádoucím překvapením, projevujícím se neočekávaně odlišnými vlastnostmi dílce. Postupem doby však požadavky na obráběcí stroje rostly, bylo třeba zhotovovat komponenty lehčí, s lepšími dynamickými vlastnostmi. Stále vyšší požadavky na dynamické vlastnosti strojů i na úsporu energie si vynucují provedení pohyblivých dílců s vylepšeným poměrem tuhosti k hmotnosti; tlak na zvýšení řezných parametrů s sebou nese i tlak na odolnost pohyblivých a nepohyblivých komponent stroje proti vzniku vibrací a na vylepšování schopnosti vibrace tlumit. Hledání nových materiálů, lépe splňujících současné požadavky na komponenty obráběcích strojů, se proto stalo stále naléhavějším a objem výzkumných prací na toto téma se zvyšuje. NOVÉ METODY NÁVRHU DÍLCŮ Začínají se používat nové, nekonvenční materiály na bázi betonů, vláknových kompozit i sendvičových struktur; probíhá výzkum vlastností těchto materiálů, technologií vhodných pro jejich zpracování a zkoumání vlivu těchto technologií na jejich vlastnosti. Pro jednotlivé druhy nových materiálů se hledají metody návrhu dílců z nich zhotovených a jejich optimální použití. Porovnání některých vlastností materiálů klasických i nekonvenčních obsahuje tabulka. Předností uhlíkových vláken je vysoký modul pružnosti (230 až 800 GPa) oproti materiálům klasickým. I přesto, že výsledný kompozit, složený z vláken a matrice vykazuje hodnoty nižší v důsledku podílu epoxidové matrice, lze v případě vhodného návrhu dosáhnout vysoké tuhosti dílce při značně nižší hmotnosti ve srovnání s dílcem, zhotoveným z klasického materiálu. Oproti klasickým materiálům je však nutné brát v úvahu, že vlastnosti kompozitu se zásadně mění s ohledem na orientaci vláken vzhledem ke směru namáhání. Pro namáhání na ohyb nebo tah v jednom směru si lze vystačit s vlákny, orientovanými jedním směrem. Pro kombinované namáhání je nutno volit kompozity s vrstvami s rozdílnou orientací vláken s tím, že výsledná tuhost je proti kompozitům s vlákny jednosměrně orientovanými nižší. Pro namáhání ve smyku je proto například vhodné volit skladbu +/– 45°. V případech kombinovaného zatížení tahem a smykem, kdy je žádoucí dosáhnout srovnatelné tuhosti kompozitu k oceli, se volí kompozit složený z vrstev s orientací vláken 0° a +/–45°. Takovýto kompozit by měl ve srovnání s ocelí ekvivalentní tuhosti sice o 40 % větší tloušťku, avšak o 70 % nižší hmotnost. Schopnost tlumit vibrace konvenčních a nekonvenčních materiálů charakterizují následující hodnoty průměrného poměrného útlumu: ocel 0,0001, šedá litina 0,0011, polymerbeton 0,0041, cementový beton 0,0049 a kompozitní materiály v rozmezí 0,001 až 0,006 (případně až 0,015 po integraci tlumicích vrstev). Nové materiály vykazují minimálně srovnatelné, spíše však výrazně lepší vlastnosti oproti materiálům konvenčním. Kompozitní dílce jsou vhodné pro prvky, kde se vyžaduje dynamická tuhost a nízká hmotnost a jejich použití je výhodné zejména u dlouhých a štíhlých těles, namáhaných na ohyb nebo krut. Rozsáhlou a ne úplně dostatečně probádanou oblast představuje problematika návrhu kompozitního dílce pro funkční provoz v obráběcích strojích. Ta zahrnuje návrh kompozitní skladby pro požadovanou tuhost (druh a orientace vláken, materiál matrice), technologii zpracování dílců, řešení spojovacích rozhraní (uložení ložisek, připojení dalších dílců z konvenčních i nekonvenčních materiálů) a v neposlední řadě i otázky provozní bezpečnosti a životnosti. V oborech, kde se kompozitní materiály již běžně používají, jako je například letectví, je materiál a technologie jeho výroby, konstrukce dílce a technologický postup jeho zhotovení podroben důkladnému certifikačnímu procesu a teprve po jeho vyhodnocení lze z kompozitu zhotovený dílec vyrábět a používat. V oboru obráběcích strojů se používají odlišné typy vláken a výrobních technologií; navíc by tento postup znamenal neúměrné zdražení konečného produktu. Proto se volí cesta hledání a používání vhodné metodiky, která zaručí s dostatečnou mírou spolehlivosti dosažení očekávaných výsledků. Tabulka Obr. 1: Hybridní smýkadloObr. 2: Hybridní smýkadlo s kompozitní výztuží VÝZKUMNÉ PRÁCE PROVÁDĚNÉ V RCMT Výzkum, týkající se nových materiálových struktur, optimalizace dílců, zhotovených z kompozit nebo sendvičových materiálů a způsobu jejich návrhu, se v RCMT ČVUT provádí v rámci pracovního balíčku WP07 – Nekonvenční materiály ve stavbě obráběcích strojů, který je součástí projektu Centrum kompetence – Strojírenská výrobní technika. Úkolem výzkumných prací je navrhovat vhodné materiálové struktury, které vyhovujícím způsobem rozšíří paletu běžně používaných materiálů, a tím umožní zvýšit užitné vlastnosti obráběcích strojů. Nedílnou součástí je i návrh výpočtových modelů a konstrukční metodiky struktur na bázi kompozit – kov a hybridních dílců sendvičového typu. Vyvinuté postupy a metodiky jsou postupně ověřovány a uplatňovány u členů konsorcia projektu Centra kompetence s cílem přenesení získaných poznatků do stavby strojů. PŘÍKLADY PRACÍ A DOSAŽENÉ VÝSLEDKY Obr. 3: Zkušební stojan se sendvičovými bočnicemiVe spolupráci s výrobcem kompozitních komponent, společností Compo Tech PLUS, bylo vyvinuto několik prototypů vřeteníků, kombinujících kovové materiály a vláknové kompozity. Výzkum prokázal možnosti zlepšení dynamických vlastností těles, pokud byly správně navrženy parametry kompozitní skladby. Byly odladěny výpočtové modely v prostředí ANSYS a získané zkušenosti umožnily navrhování pokročilých kompozitních nebo hybridních struktur pro použití v obráběcích strojích. Ve spolupráci s TAJMAC ZPS bylo zhotoveno hybridní smykadlo s kompozitní výztuží (obr. 1 a obr. 2) se zvýšenou tuhostí oproti referenčnímu smykadlu pro další využití v TAJMAC ZPS. Proběhla řada zkoušek vlastností sendvičových struktur na bázi ocelový potah a jádro z hliníkových pěn nebo ocelový potah a jádro ze sypaných směsí a byly verifikovány příslušné výpočetní postupy. Tyto struktury umožnily snížit hmotnost pohyblivých dílců při zachování tuhosti a zvýšení tlumení. Jako příklad lze uvést stavbu zkušebního Obr. 4: Torzní zkouška kompozitního hřídele s kovovými koncovkamiObr. 5: Varianty připojení kovových koncovek ke kompozitnímu hřídelistojanu reálných rozměrů se sendvičovými bočnicemi (obr. 3), provedenou ve spolupráci s firmou DAM Ústí nad Labem, kde byla získána 20% úspora hmotnosti proti referenčnímu dílci. Vláknové kompokompozity jsou vhodné pro zhotovování komponent s rotační osou, kde v důsledku snížení hmotnosti a zvýšení tuhosti je možné zvyšovat produktivitu obrábění; podmínkou úspěchu je však vhodné spojovací rozhraní. Detailními rozbory, provedenými pomocí metody konečných prvků, byly proto analyzovány různé typy rozhraní (obr. 4 a obr. 5) a koncipována doporučení k jejich vhodnému použití. Návrh kompozitního či sendvičového dílce a volba vhodných kroků, vedoucích k jeho zhotovení není jednoduchou záležitostí. Odborníci Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii získali za roky prací v tomto oboru dostatek zkušeností, aby mohli přispět účinnou radou každému, kdo se hodlá vydat na tuto dosud málo probádanou půdu. Ing. Petr Borovan
