Obráběcí stroje přetvářejí polotovary na hotové dílce s vysokými nároky na geometrickou přesnost a jakost povrchů. Hlavními užitnými vlastnostmi obráběcích strojů jsou přesnost výroby, jakost dosahovaných povrchů a výkon výroby. Rostoucí požadavky na přesnost dílců a produktivitu výroby se spojily s požadavky na schopnost obrábět těžko obrobitelné materiály a především obrábět velmi složité tvary dílců. Motivace pro uplatnění multifunkčních strojů Mnoho strojírenských dílců je nutné dokončovat více druhy technologických operací, jako jsou například různé druhy soustružení, frézování, broušení aj., v některých případech tváření, často tepelné zpracování povrchů, přidávání materiálu (Additive Manufacturing) a různé modifikace povrchů. Dalším požadavkem je pak schopnost rentabilní výroby komplexně vyráběného (obráběného) dílce v malých sériích nebo jen jednoho kusu (obr. 1). Všechny uvedené požadavky vedly k postupné evoluci integrující více jednotlivých strojů do jednoho stroje s jedním pracovním prostorem s více řízenými osami a s více druhy výrobních nebo alespoň obráběcích technologií. Tato evoluce vedoucí k integraci dala vzniknout dnes již velmi široké skupině multifunkčních výrobních strojů. Z nich tvoří dominantní skupinu stroje schopné v jednom pracovním prostoru integrovat plnohodnotné soustružení a frézování. Tato skupina multifunkčních strojů umožňuje zpracovávat velmi komplexní a složité geometrie malých dílců s vysokou přesností a s vysokou produktivitou. Hlavními představiteli jsou multifunkční stroje vycházející ze soustružnických center, rozšířené o plnohodnotné frézování a multifunkční stroje vycházející z frézovacích strojů, rozšířené o plnohodnotné frézování. Historie multifunkčních strojů Samostatnou cestou se vyvíjely multifunkční stroje vycházející ze soustružnických strojů a z frézovacích strojů. Vývoj strojů vycházejících ze soustruhů prodělal delší cestu a na trhu jsou tyto stroje výrazně šířeji zastoupené, než stroje vycházející z frézovacích strojů. Prvním krokem ke vzniku multifunkčních soustružnických strojů byly soustružnická centra umožňující mimoosé operace, soustruhy rozšířené o osu Y, doplněné o malá přídavná frézovací vřetena a interpolovanou osou C (možnost řízení hlavního soustružnického vřetene v režimu polohové zpětné vazby) a v nejvyšší konfiguraci o osu B na straně nástroje. Jedním z prvních představitelů soustružnických center na cestě k multifunkčním strojům byl stroj Okuma (obr. 2). Stroj, který v této skupině lze označovat skutečně za multifunkční musí umožňovat plnohodnotné soustružení, ale také frézování. Postupně začala malá přídavná frézovací vřetena nahrazovat velká plnohodnotná frézovací vřetena a kinematické řetězce nesoucí frézovací vřeteno zmohutněly. Výkonné, robustní vřeteno však svojí velikostí zcela vyčerpalo konstrukční prostor určený pro revolverové hlavy a tak muselo vřeteno převzít roli nožového suportu. Dnes tak již zevšedněl pohled na stroje, které zcela bez rozdílu upínají do svého nástrojového rozhraní jak frézovací a vrtací nástroje, tak i soustružnické nože všeho druhu. Jedním z prvních skutečně multifunkčních strojů v této skupině byl stroj řady MSCY firmy Kovosvit MAS, který vznikl pod vedením Ladislava Borkovce ve spolupráci s VÚOSO na přelomu 70. a 80. let 20. století (obr 3). Dnes tato skupina multifunkčních strojů vycházejících ze soustružnických center zahrnuje širokou paletu strojů. Systematickému vývoji se v této kategorii strojů věnuje v ČR společnost Kovosvit MAS (obr. 4). Druhou nejvíce zastoupenou skupinou multifunkčních strojů jsou stroje vycházející z 5osých frézovacích center. Tyto stroje jsou rozšiřovány o možnost soustružení, pomocí rozsáhlé rekonstrukce otočného stolu (osy C), který je nahrazen soustružnickým vřetenem S se současnou funkcí frézovacího stolu v režimu osy C. Takovéto stoly/vřetena musí splňovat tři zcela protichůdné požadavky: vysoká tuhost stolu, vysoké otáčky pro soustružení a minimální výška stavby vřetene. Současně je třeba řešit modifikaci frézovacího vřetene tak, aby mohlo plnit funkci soustružnického suportu. Jedním z prvních modifikovaných 5osých strojů pro karuselové soustružení na stole byl relativně nenápadný stroj OKUMA MU 500VA-L, který umožňuje na stole o průměru 500 mm soustružit při otáčkách 1000 1/min (obr. 5). Stroje této koncepce se jako skupina multifunkčních strojů rozšiřují rychle do oblasti velkých a těžkých strojů, kde jsou tradiční těžké frézovací a vyvrtávací stroje rozšiřovány o možnost soustružení a naopak velké karuselové soustruhy jsou rozšiřovány o výkonná frézovací vřetena a osy Y (obr. 6). Aktuální stav vývoje a výzkumu v oblasti multifunkčních strojů » V současné době jsou nejrozšířenější multifunkční stroje s kombinací technologií obrábění nástroji s definovanou geometrií břitu (soustružení + frézování + vrtání) a stroje jsou nově rozšiřované i o možnosti vyvrtávání. Dále existuje menší skupina strojů schopných obrábět nástroji s definovanou i nedefinovanou geometrií břitu (soustružení/frézování + broušení), ale jedná se o skupinu s menším počtem produkovaných strojů. Mezi novou a velmi nadějnou skupinu multifunkčních strojů se zařadily po EMO 2015 stroje pro Hybrid manufacturing, umožňující v jednom pracovním prostoru obrábět i navařovat materiál (technologie Additive Manufacturing). » Problematice vývoje a zlepšování vlastností multifunkčních strojů se intenzivně věnují přední světoví výrobci i výzkumné organizace. Klíčové shrnutí stavu a vývoje si mohou zájemci prostudovat v keynote paperu prof. Moriwakiho (Moriwaki T. Multi-functional machine tool, CIRP Annals -Manufacturing Technology DOI:10.1016/j.cirp.2008.09.004). » Rozvoj schopností strojů plnohodnotně provádět více druhů obrábění je závislý na vývoji klíčových komponent pro tyto stroje: frézovací vřetena se zpevňovaným rotorem pro práci stacionárními nástroji, vysokootáčkové rotační stoly pro karuselování (ty jsou dnes velkým omezením pro rozvoj soustružení na frézovacích strojích), náhony rotačních poháněných nástrojů. V návaznosti na to se rozvíjí i další prvky strojní technologie, např. inprocesní vyvažování rotujících obrobků, NC řízené lunety, upínací rozhraní pro obrobky (univerzální/ speciální/vyměnitelná/ modulární) aj. » Důležitým parametrem stroje je jeho přesnost. Ta je u multifunkčních strojů kritickým parametrem, protože se jedná o kinematicky složité sériové struktury. Predikce pracovní přesnosti stroje pomocí matematických modelů je významným prvkem, který umožňuje virtuálně verifikovat vlastnosti navrhovaného stroje. V návaznosti na to se pracuje také na vývoji a standardizaci vhodných metod měření pracovní přesnosti víceosých multifunkčních strojů. » Důležitým parametrem pro rozvoj multifunkčních strojů je zvládnutí zpracování složitých postprocesorů a podpora přípravy velmi komplikovaných NC kódu a kontrola kolizí pro zjednodušení a zkrácení přípravy technologie. Důležitým tématem pro další rozšiřování je usnadnění obsluhy těchto strojů, zjednodušení jejich programování a vedení obsluhy při ovládání stroje. » Tématem multifunkčních strojů se zabývají všichni výrobci obráběcích strojů v ČR. Výzkumně čeští výrobci spolupracují v této oblasti zejména s RCMT (výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii), VUT v Brně, ZČU v Plzni, VUTS Liberec (CRSV) a Intemac Solutions. Ing. Jan Smolík, Ph.D., Společnost pro obráběcí stroje Ing. Petr Kolář, Ph.D., RCMT (Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii)