Přesnost a produktivita jsou u obráběcích strojů rozhodujícími konkurenčními parametry. Rychlé změny provozních podmínek obráběcích strojů však zvyšování produktivity i přesnosti výrazně komplikují. Při výrobě součástí tak musí být hospodárně a přesně zhotovovány stále menší série. V leteckém a kosmickém průmyslu jsou požadovány co nejvyšší výkony obrábění při hrubování, zatímco při obrábění načisto je vyžadováno frézování s nejvyšší přesností. Při frézování vysoce kvalitních forem jsou požadovány vysoké výkony obrábění při hrubování a dokonalá kvalita povrchu u obrábění načisto. Současně jsou ale používány co nejvyšší rychlosti posuvu, umožňující časově únosné obrábění při nutných jemných odstupech drah. ohledem na silně se měnící provozní podmínky ve výrobě má termická přesnost obráběcích strojů stále větší význam. Zejména při malých sériích a stále se měnících zakázkách nelze dosáhnout tepelně stabilního stavu. Pro hospodárnost zakázek má však současně velký význam přesnost prvního obrobku. Ustavičné změny mezi vrtáním, hrubováním a obráběním načisto zvyšují kolísání tepelného stavu obráběcího stroje. Během hrubování stoupá frézovací výkon k hodnotám nad 80 %, při obrábění načisto klesají pod 10 %. Rostoucí zrychlení a rychlosti posuvu jsou příčinou zahřívání kuličkových šroubů lineárních pohonů posuvu. Měření polohy pohonů posuvu má proto ústřední roli při stabilizaci tepelného chování obráběcích strojů. Tepelná stabilita obráběcích strojů Výroba obráběcích strojů se stále silněji zaměřuje na řešení zamezující rozměrovým odchylkám obrobků vyvolaných tepelnými vlivy. Aktivní chlazení, symetrické struktury strojů a měření teploty dnes již patří k běžným opatřením. Podstatným zdrojem tepelných změn jsou osy posuvu na základě kuličkových šroubů. Rozložení teplot kuličkových šroubů v závislosti na rychlostech a silách posuvu se může velmi rychle měnit. Délkové změny, které přitom vznikají (typicky: 100 μm/m v rámci 20 min), mohou u obráběcích strojů bez lineárních snímačů vést k významným vadám obrobků. Měření polohy pohonů posuvu Polohu NC osy posuvu lze v zásadě zjistit prostřednictvím kuličkového šroubu ve spojení s rotačním snímačem, nebo pomocí lineárního snímače. Když je poloha pohonu zjišťována podle stoupání kuličkového šroubu ve spojení s rotačním snímačem (obr. 2 nahoře), vykonává kuličkový šroub dvojí funkci: jako pohonný systém musí přenášet velké síly, ale v pozici prvku určujícího polohu jsou od něho očekávány vysoká přesnost a opakovatelnost. Regulační smyčka polohy však zahrnuje pouze rotační snímač. Vzhledem k tomu, že v této mechanice pohonu nelze kompenzovat změny podmíněné opotřebením a teplem, hovoříme v tomto případě o polouzavřené smyčce. Polohové chyby pohonů jsou nevyhnutelné a mohou značně ovlivnit kvalitu obrobků. Když je pro zjištění polohy saní použit lineární snímač (obr. 2 dole), zahrnuje regulační smyčka polohy celou mechaniku posuvu. Proto hovoříme o provozu v uzavřené smyčce. Vůle a nepřesnosti přenosových prvků stroje nemají na přesnost zjištění polohy žádný vliv. Přesnost měření závisí prakticky pouze na přesnosti a místě montáže lineárního snímače. Toto základní posouzení lineárních os platí stejnou měrou pro rotační osy. Také zde lze zjistit polohu pomocí redukční převodovky ve spojení s rotačním snímačem na motoru nebo pomocí vysoce přesného snímače úhlu na ose stroje. Při použití snímačů úhlu lze dosáhnout výrazně vyšší přesnosti i opakovatelnosti. Dodatečná opatření při polouzavřené smyčce Kuličkové šrouby bývají někdy duté a vnitřně chlazené kvůli zamezení ohřevu vřetena z okolních součástí. V polouzavřené smyčce je polohová přesnost podmíněna tepelnou roztažností kuličkového šroubu, způsobenou rychlými změnami teploty chladicího média. Se zvýšením teploty již o 1 kelvin vznikne při rozsahu pojezdu 1 m polohová chyba až 10 μm. Při požadavku kolísání teploty výrazně pod 1 kelvin jsou však běžné mechanismy chlazení brzy přetížené. U pohonů s polouzavřenou smyčkou bývá ojediněle tepelná roztažnost kuličkového šroubu korigována pomocí modelu v řídicím systému. Protože je v provozu teplotní profil jen obtížně měřitelný, a kromě toho závisí na mnoha dalších faktorech (stav opotřebení matice kuličkového šroubu, posuv, síly při obrábění, použitý rozsah posuvu atd.), mohou při tomto postupu vznikat zbytkové chyby až 50 μm/m. Pro vyztužení mechaniky pohonu bývají někdy kuličkové šrouby opatřeny na obou koncích pevnými ložisky. Prodloužení z důvodů lokálního zahřátí však nelze zamezit ani velmi tuhým provedením uložení. Vznikající síly jsou značné. Deformují i nejtužší uložení a mohou dokonce deformovat i díly vlastní konstrukce stroje. Mechanickými deformacemi se navíc mění třecí poměry pohonu, což má následně vliv na dráhovou přesnost stroje. Vzhledem k výše uvedeným omezením nelze dodatečná opatření ve vztahu k dosažitelné přesnosti pohonu srovnávat s provozem v uzavřené smyčce s použitím lineárních snímačů. Kromě toho nelze kompenzovat dodatečnými opatřeními polouzavřené smyčky účinky změn předpětí, podmíněné opotřebením, nebo elastickými deformacemi mechaniky pohonu. Úč inky přesnosti pohonu ve výrobě součástí Rostoucí požadavky na výrobu drobných součástí v malých sériích se významně promítají do konstrukce strojů. Přesnost prvního obrobku se tak pro výrobní provozy stává jedním z nejdůležitějších ekonomických faktorů. Obráběcí stroje pro přesnou výrobu malých sérií jsou tak stavěny před skutečnou výzvu. Soustavné změny mezi přípravou, vrtáním, hrubováním a obráběním načisto vedou k permanentním změnám tepelného stavu stroje. Typické rychlosti posuvu při hrubování jsou při výrobě součástí mezi 3 m/ /min a 4 m/min, zatímco při obrábění načisto činí posuvy 0,5 m/min až 1 m/ /min. Průměrné rychlosti dále výrazně zvyšují pohyby rychloposuvem při výměně nástrojů. Při vrtání a vystružování jsou střední posuvy ve vztahu k zahřívání kuličkových šroubů zanedbatelné. Distribuce teploty v kuličkovém šroubu se tak v jednotlivých výrobních krocích mění vlivem velmi rozdílných rychlostí posuvu. Proměnlivé stavy zatížení kuličkových šroubů mohou v polouzavřené smyčce, i při kompletním obrobení na jedno upnutí, vést ke ztrátě přesnosti obrobku. Pro přesnou výrobu malých součástí jsou proto nezbytným předpokladem obráběcí stroje s lineárními snímači (uzavřená smyčka). Příklad obrábění: Výroba více dílců z jednoho polotovaru Hliníkový polotovar délky 500 mm se bude na obráběcím stroji nejdříve vrtat a potom vystružovat. Střední rychlosti posuvu u obou druhů obrábění jsou nízké a vyvíjení tepla v kuličkových šroubech lze zanedbat. V následujícím výrobním kroku se bude frézovat obrys, přičemž střední rychlosti posuvu, a tím i vývoj tepla v kuličkových šroubech, budou výrazně vyšší (obr. 3). Pokud by byla frézka provozována v polouzavřené smyčce, vznikaly by tepelnou roztažností kuličkových šroubů odchylky rozměrů mezi vrtacím i frézovacím obrazcem. Maximální odchylky, k nimž by docházelo v polohách blízko plovoucích ložisek kuličkového šroubu, činí až 135 μm. V uzavřené smyčce lze těmto chybám zcela zamezit (obr. 4). Funkční rozměr mezi polohou díry a osou souměrnosti jednotlivého obrobku činí 12 mm a je ve sledovaném příkladu v mezích tolerance třídy IT8. To znamená přípustnou odchylku ±13 μm. Při obrábění v uzavřené smyčce spadají všechny obrobky do mezí této tolerance, resp. jsou zřetelně pod ní. Měřené odchylky v polouzavřené smyčce činí až 135 μm. Místo požadované třídy tolerance IT8 je dosaženo pouze třídy IT13. Integrální konstrukční díly s vysokým stupněm obrobení pro letecký a kosmický průmysl Výhody integrálních konstrukčních dílů v letecké a kosmické technice spočívají v možnosti sjednocení optimálního využití materiálových vlastností při minimální hmotnosti daného dílu. Typické integrální konstrukční díly mají stupeň obrobení 95 % a výše. Výrobní postupy jsou dnes realizovány na výkonných HSC obráběcích strojích s vysokými rychlostmi posuvu a řeznými rychlostmi. Vzhledem ke značnému stupni obrobení součástí mají velké objemy třísek při hrubování značný ekonomický význam. Vzhledem k výsledným rychlostem posuvu a silám při obrábění však také vzniká značné třecí teplo v kuličkových šroubech. Třecí ztráty a s tím spojená tepelná roztažnost kuličkových šroubů se v průběhu procesu obrábění mění, například rozdílnými rychlostmi posuvu při hrubování a obrábění načisto. Pokud budou pohony posuvu realizovány s polouzavřenou smyčkou (bez lineárních snímačů), budou se při malých sériích a krátkých průběžných dobách tolerance dílů lišit u každého zhotoveného dílce. Působeních tepelné roztažnosti případně nebude možné dosáhnout požadovaných výrobních tolerancí. Takovýmto zdrojům chyb je možno zamezit použitím lineárních snímačů, protože v uzavřené smyčce je tepelná roztažnost kuličkových šroubů plně kompenzována. Příklad obrábění: Ovládací páka výškového kormidla Na obr. 5 je popis výroby ovládací páky, při které je nutno zhotovit dvě díry s roztečí 350 mm ve třídě tolerance IT7. Pro posouzení dosažitelné přesnosti v polouzavřené smyčce se zhotovení integrálního dílce opakuje dvakrát na stejném polotovaru. Druhý obrobek se přitom obrábí s odsazením pouze 10 mm směrem dolů. Mezi oběma obráběními proběhne dvacet obráběcích cyklů stejného dílce z daného polotovaru. Při obrábění v polouzavřené smyčce se obrysy obou obrobků od sebe liší, což se projevuje hranou (obr. 6). Tepelná roztažnost kuličkového šroubu se na obrobku projevuje tím patrněji, čím více se během obrábění pohony vzdalují od pevných ložisek kuličkového šroubu. Funkční rozměr 350 mm ve třídě tolerance IT7, který je třeba dodržet, odpovídá přípustné odchylce ±28 μm. V polouzavřené smyčce jej již pro druhý vyrobený dílec nelze dodržet. Odchylka činí 44 μm. Při použití lineárních snímačů v uzavřené smyčce nevznikají mezi oběma obrobky žádné hrany. Zbytkové odchylky v uzavřené smyčce činí 10 μm a souvisejí s tepelnou roztažností rámu stroje. Uvedenou rozteč obou děr tak lze zlepšit dokonce na třídu IT5. Tímto způsobem je možno zajistit reprodukovatelnou přesnost již od prvního dílce. Úč inky při výrobě forem Výroba forem pro tlakové odlitky je z důvodu požadované kvality povrchu až do nejjemnějších detailů časově náročná úloha. Kvůli obejití časově a cenově náročného elektroerozivního procesu se dnes mnoho forem frézuje. Používají se přitom stále menší frézy s průměrem až 0,12 mm. Při frézování forem jsou kladeny vysoké požadavky nejen na přesnost formy. Pro zkrácení času potřebného k obrábění jsou požadovány vysoké rychlosti posuvu, a to i u kalených materiálů. Typické časy obrábění forem se pohybují v rozsahu od 10 minut až do několika dnů. Rychlému obrábění však nesmí padnout za oběť přesné dodržení rozměrů. První a poslední dráha obrábění spolu musejí lícovat, aby získaný časový náskok nebyl zmařen náročným dopracováváním. Zahřívání kuličkových šroubů v osách posuvu rozhodujícím způsobem závisí na profilech pojezdu jednotlivých os, daných NC programem. Přitom může docházet k délkovým změnám kuličkových šroubů až 150 μm/m. Za těchto podmínek nelze v polouzavřené smyčce zaručit přesnost formy. Typické zahřívání kuličkových šroubů by již u formy o délce 150 mm vedlo na bocích formy k odchylce více než 20 μm. Kvůli roztažení kuličkových šroubů by pánev zápustky byla příliš veliká, což je chyba, kterou již dopracováním nelze odstranit. Příklad obrábění: 3D frézování ploch volného tvaru V následujícím příkladu je ukázáno obrábění formy, která vykazuje markantní profil pověstmi opředené hory Watzmann v okolí Berchtesgadenu. Obrobek dlouhý 500 mm je zhotoven cykly souběžného i protiběžného tvarového frézování ve směru X kulovou frézou o průměru 12 mm a s maximální rychlostí posuvu 4,5 m/min. Doba obrábění obrysu činí cca 60 minut s přísuvem 0,2 mm v ose Z a Y. Vysoká rychlost posuvu 4,5 m/min a stálé zrychlování a brzdění zahřívají kuličkový šroub a způsobují tepelně podmíněné délkové odchylky, které v polouzavřené smyčce činí 130 μm. Vzhledem k tomu, že existující délkové odchylky tohoto dílu formy lze těžko vizualizovat, bylo obrábění úmyslně zahájeno uprostřed obrobku. Počáteční a koncová dráha tak leží vedle sebe a zřetelně ukazují tepelný drift. Čím více je poloha obrobku vzdálená od pevného uložení, tím vyšší je tepelný drift. Pro splnění vysokých požadavků při výrobě forem je tedy nutné kompenzovat roztažnost kuličkových šroubů použitím přesných lineárních snímačů. Na obr. 7 je zobrazeno porovnání obrobku s profilem Watzmann obrobeným v uzavřené smyčce se stejným profilem, zhotoveným v polouzavřené smyčce. Shrnutí Úspěšné zpracování zakázek obrábění předpokládá obráběcí stroje s vysokou tepelnou stabilitou. Ani silně kolísající vytížení stroje nesmí mít žádný významný vliv na jeho přesnost. Proto musí osy posuvu dosahovat požadované přesnosti v celém rozsahu pojezdu i při častých změnách rychlosti a sil při obrábění. Rušivě přitom působí tepelná roztažnost kuličkových šroubů lineárních os posuvu, závislá na rychlosti a zatížení. Pokud je poloha pohonu určována pouze stoupáním vřetena a rotačním snímačem, může při obrábění během 20 minut vzniknout polohová odchylka až 100 μm. Protože při této metodě nejsou závažné chyby pohonu kompenzovány regulačním obvodem, hovoř íme o provozu pohonů posuvu v polouzavřené smyčce. Při použití lineárních snímačů lze tento zdroj chyb zcela potlačit. Pohony posuvu jsou provozovány v uzavřené smyčce, protože se chyby kuličkového šroubu promítají do snímání polohy a mohou být kompenzovány řídicím systémem. Podobné výhody vyplývají i pro úhlové snímače rotačních os, protože i zde dochází u mechanických komponent pohonů k tepelné roztažnosti. Lineární i úhlové snímače zaručují i při silně se měnících provozních podmínkách obráběcího stroje vysokou přesnost vyráběných dílců.
