Dokončovací tvrdé soustružení nahrazuje broušení

Ultrapřesné soustružení tvrzené oceli a dokonce slinutého karbidu. Nemožné? Tak tomu bylo dříve, dnes je to však skutečnost. Vysoce přesné dokončovací tvrdé soustružení na plně hydrostatickém soustruhu Mikroturn umožňuje se speciálním řezným nástrojem dokonce i obrábění slinutého karbidu. V mnoha případech je soustružení tvrdých kovů úspornější alternativou ke konvenčnímu broušení, poněvadž tvrzené obrobky lze obrábět na jedno upnutí, což výrazně zkracuje pracovní čas stroje. Další výhodou je, že se lze obejít bez chladicí kapaliny. Firma Hembrug z Haarlemu, Nizozemsko, zdědila zkušenost navrhování soustruhů po „Artillerie Inrichten“, vládních zbrojařských pracích, které v průběhu minulého století produkovaly nejen munici, ale také uvedly na trh kovoobráběcí stroje původně vyrobené pro vlastní použití. Přesnost více než 6000 AI soustruhů typu DR1 nebyla o moc vyšší než 0,01 mm. Během několika desetiletí po skončení 2. světové války začaly Artillerie Inrichtigen tyto přesné soustruhy vyrábět sériově a řada z nich se používá až do současnosti. Dnes dosahují soustruhy z Hembrugu – typy Slantbed-Mikroturn CNC 50 a CNC 100 – v hrubosti a přesnosti tvaru i rozměrů do submikronové oblasti. Rozlišení posuvu je kolem 10 nm, což je nepředstavitelně malé číslo. Pro přiblížení: o tolik vám povyrostou vousy ve tváři za 2 s. Principy designu strojů typu Slantbed- Mikroturn jsou skutečně unikátní: prvotřídní přesnost a tuhost skrz kompletně hydrostatické hlavní vřeteno a posuvy; maximální stabilita díky 2500kg loži z přírodní žuly; tlumiče mezi ložem a základovým rámem; základový rám vyplněný betonem. Stroj doplňuje pokročilý CNC řídicí systém s rozlišením 10 nm Siemens Sinumerik 840-D. Obsahuje speciální servomotory a kódovací zařízení od stejného výrobce. Výhodou je optimální ladění elektromechanických a elektronických součástí do řídicího softwaru. Slavná minulost V roce 1679 založila holandská vláda společnost Artillerie Inrichtingen (AI) s cílem zajistit pro nový stát úplnou zbrojní nezávislost. Kolem roku 1900 se firma přesunula do nových prostor v blízkosti padacího mostu přes kanál ústící do Severního moře. Po více než půl století dostala část firmy jméno právě po tomto mostě: Hembrug. Po skončení 2. světové války spustily AI sériovou výrobu obráběcích strojů vyvinutých pro zbrojní průmysl, které začaly prodávat třetím stranám. V roce 1973 vláda oddělila výrobu obráběcích strojů od zbrojařství. Zbrojařská divize pokračovala pod jménem Eurometaal. Z divize obráběcích strojů se vyvinula firma Hembrug bv („bv“ znamená s.r.o.). Ta se později přesunula do města Haarlem. V současnosti se Hembrug soustřeďuje na vysoce specializovaný vývoj, výrobu a prodej hydrostatických přesných soustruhů. Na jednu stranu firma těží z bohaté minulosti, na stranu druhou přichází pravidelně s mnoha inovacemi. Účastní se evropských kolaborací, např. projektu „Microhard of Brite Euram” spolu s Fraunhoferových institutem v Cáchách a firmami SKF, Bosch a Renishaw. Hlavní vřeteno s přesnou hydrostatikou Na začátku 70. let Hembrug vyvinul své první hydrostatické vřeteno pro obrábění paměťových disků do počítačů. (V té době byl průměr pevných disků kolem 350 mm - neuvěřitelně velký oproti dnešku.) Maximální rychlost vřetene tehdy dosahovala 1500 ot/min. Moderní vřetena pro tvrdé soustružení vyžadují rychlost 12 000 ot/ min a tuhost 1 kN/?m. Kovoobrábění spotřebovává u 10kW motoru kolem 10 % výkonu. Zbytek vstupuje do ložisek jako teplo, které se rozptyluje do mazacího oleje. Olej je teplotně hlídán v rozmezí 20 ± 0,2 ?C. Hlavní vřeteno podpírají dvě radiální ložiska a jedno axiální (tak blízko, jak jen lze vzhledem k výstupní hřídeli). Hřídel z velké části drží speciální kleštinu nebo jiné upínací zařízení, které snese takto vysokou rychlost. Nedeformovatelné upínání obrobku je pro přesné obrábění pochopitelně zcela klíčové. Tvrdé soustružení vyžaduje rovněž vysokou tuhost pohonů vřetene. Proto se nedoporučuje používat řemenový pohon, i když toto řešení by bylo dobré z pohledu odvodu tepla. Maximální tuhost zajišťuje přímé připojení vřetene k bezkontaktnímu střídavému (AC) motoru. V modelu 100 CNC je to realizováno s pomocí vůči torzi odolných spojek. Model 50 CNC je konstruován jinak: má AC motor bez rámu a spoje integrované do vřetene. V obou případech je motor chlazen ložiskovým olejem. Do vřetena je navíc začleněn i úhlový kodér s rozlišením 0,0001°. Řídicí systém stroje tak může spárovat rotaci vřetene (osu C) s posunutím nástroje (osa X) kolmo na osu vřetene. Stroje značky Hembrug tedy obrábějí i obrobky, které nejsou rotačně symetrické. Konstruktéři z Hembrugu se pochopitelně snažili všemi možnými způsoby minimalizovat vliv zbylého vznikajícího tepla na vřetenu. Proto je vřeteno součástí pevného vřeteníku vyrobeného z přírodní žuly. Žula má velmi nízký koeficient tepelné roztažnosti a vysoké měrné teplo. To znamená, že teplotní výkyvy vřetene jsou zanedbatelně malé. Hydrostaticky přesné pojezdy Ložiska pro pojezdy posunující nástroj v osách X a Z rovněž pracují hydrostaticky. Vznikající teplo je malé, poněvadž i posuvné rychlosti jsou velmi malé. Posuvy pojezdů jsou měřeny optickými měřidly Heidenhain s rozlišením 10 nm. Kontroloři firmy Hembrug jsou kvalitně proškoleni. Jedním z jejich úkolů je kalibrace zobrazených posuvů s pomocí HP laserového interferometru. Cílem je se zbavit systematické chyby. Pojezdy řídí přesné kuličkové šrouby. Soustruhy Hembrug jsou vybaveny řídicím systémem Siemens. Měřiče úhlů jsou začleněny do střídavých servomotorů, které pohánějí šrouby pojezdů. Rychlost motoru je řízena s faktorem 105 s extrémně nízkou minimální rychlostí 0,1 ot/min. Stroje Hembrugu tedy mohou obrábět kužely s jednostranným úhlem o velikosti pouhé jedné úhlové min a s hrubostí ne větší než 0,1 ?m Ra. Vyrábět takové kužely není pro CNC soustruhy vůbec triviální. Konstrukce Slovo „slantbed“ vyjadřuje náklon základové desky o 45°. To přináší lepší odstraňování špon a lepší přístupnost do pracovního prostoru ve srovnání s konvenčními soustruhy. Poprvé zavedl Hembrug nakloněné lože u řady „Ergonomic“. Model Slantbed-Mikroturn 100 CNC je vhodný pro upnuté dílce o velikosti do 310 mm v průměru. Co se center týče, model 100 CNC obrobí díly do velikosti 125 mm v průměru a 350 mm na délku. Konstrukce 100 CNC se liší od menší verze 50 CNC, která je koncipována pro krátké dílce do 120 mm v průměru. Pojezd v ose X spočívá u 100 CNC na pojezdu ose Z, který je dále opřen o základovou desku. U 50 CNC je tomu jinak: zde je na pojezd Z namontován vřeteník. Tomuto uspořádání se říká „do T“ – jakmile se obrábí ve směru osy obrobku, obrobek se otáčí a posunuje v okamžiku, kdy se nástroj nepohybuje. Jednou z výhod je blízkost obrobku měřidlu umístěnému na pojezdu Z. To lépe vyhovuje Abbeho principu, podle kterého má být posuv v linii s měřidlem. Kromě standardních modelů Mikroturn 50 a 100 CNC Hembrug rovněž vyvíjí speciální projektové stroje. Dobrým příkladem je soustruh s hydrostatickým zásobníkem Vertical-Microturn CNC navržený pro německou firmu Zeiss. Tento stroj s velkým žulovým portálem byl navržen pro obrábění extrémně přesných kroužků do průměru 750 mm. Tyto kroužky se používají v optických systémech, včetně krátkovlnných UV čoček pro kotoučkové krokové motorky. Tvrdé soustružení Robert Nefkens, majitel firmy Hembrug, vysvětluje základní rozdíl mezi soustružením a broušením následovně: „Při broušení musí nástroj sledovat řeznou rychlost, zatímco obrobek se otáčí pomalu. Při soustružení je tomu naopak – řeznou rychlost kontroluje obrobek, zatímco nástroj opisuje danou konturu. Vysoká rychlost brusného kamene v důsledku způsobuje, že se obráběný materiál rozmělňuje do velkého množství malinkých třísek, poněvadž kámen sám má na svém povrchu de facto mnoho malinkatých „nástrojů“. Naopak, při soustružení vzniká dlouhá špona, která se téměř vždy rozláme na menší části. Tím je zřejmě každému jasné, že broušení je více náročné na čas a energii (vztaženo na jednotku objemu) než soustružení. Dalším rozdílem mezi soustružením a broušením je, že broušením lze odstranit i extrémně malé množství materiálu o tloušťce pouhý jeden mikron. Pro soustružení je však charakteristická minimální tloušťka třísky kolem setiny milimetru. To je důvod, proč přesné tvrdé soustružení vyžaduje odlišnou strategii, jak dosáhnout přesně požadovaných rozměrů. Hembrug dokázal ve spolupráci s Fraunhoferovým institutem odladit řadu parametrů, které proces těžkého obrábění výrazně ovlivňují. Jako je u broušení obvyklé, i tvrdé soustružení vyžaduje na jedné straně přídavek materiálu o tloušťce 0,15 mm, tzn. celkem 0,3 mm na průměr obráběného dílu. Železným pravidlem je, že Mikroturn začíná s hrubými šponami s hloubkou v řezu kolem 0,10 mm a přísunem kolem 0,10 mm na otáčku. Dokončovací operace vyžadují hloubku řezu asi 0,05 mm a přísun 0,05 mm na otáčku. Na závěr Je zajímavé poznat nizozemskou firmu s tak hlubokými kořeny, která se s velkým nadšením věnuje novým technologiím obrábění. Technologiím, které mohou existovat jen díky speciálním soustruhům s unikátními vlastnostmi. Nejcennějšími prvky jsou zde: přesná hydrostatika, speciálně opracovaná přírodní žula, měřicí systém s vysokým rozlišením, pokročilý řídicí systém, hluboký technologický vhled a obrovská zkušenost. Inovace strojů řady Slantbed-Mikroturn z Hembrugu je nadějí na prosperitu přesných technologií v Evropě. Andrea Cejnarová