Technologická platforma oboru strojírenské výrobní techniky TPSVT sdružuje 31 komerčních společností, sdružení a výzkumných organizací, které realizují výzkum a vývoj vlastních produktů z oblasti obráběcích strojů, tvářecích strojů, nástrojů, příslušenství strojů a automatizace výroby. Platformu vede a zajišťuje Svaz strojírenské technologie. Platforma v příštím roce oslaví deset let existence a současně bude ukončovat tři období aktualizace svých strategických dokumentů, které obsahují přehled aktuálních dlouhodobých i krátkodobých trendů a významných směrů a témat výzkumu. Členové Platformy společně v loňském roce vypracovali Technologický foresight pro obor strojírenské výrobní techniky, v polovině letošního roku dokončili aktualizaci Strategické výzkumné agendy oboru a nyní aktualizují a konkretizují tzv. Implementační plán, který obsahuje konkrétní vhodná a potenciálně možná výzkumná témata pro řešení v oborovém aplikovaném a základním orientovaném výzkumu. Strategie oboru strojírenské výrobní techniky představuje klíčové užitné vlastnosti strojů, zařízení, obecně produktů a služeb, které podporují konkurenceschopnost a které je třeba výzkumem, vývojem a inovacemi rozvíjet: 1. Zvyšování přesnosti – především zvyšování geometrické a rozměrové přesnosti v malých i velkých rozměrech dílců, komponentů, strojů a metod. 2. Zvyšování jakosti – především zvyšování jakosti povrchů, cílené pozitivní ovlivňování charakteristik integrity povrchů. 3. Zvyšování výrobního výkonu – zvyšování krátkodobého i dlouhodobého výrobního výkonu strojů a zařízení, ale také výkonových charakteristik dílců a komponentů. 4. Zvyšování spolehlivosti – zvyšování spolehlivosti produktů, funkcí a procesů. 5. Zvyšování hospodárnosti – minimalizace jednotkových nákladů na produkty, minimalizace nákladů provozu, nákladů na obsluhu a minimalizace nákladů na samotné pořízení produktů. 6. Snižování negativních dopadů na životní prostředí – minimalizace negativních dopadů produktů na životní prostředí v rámci celého životního cyklu. Optimalizace procesu Pokud nahlédneme oborovou strategickou výzkumnou agendu, pak na nejvyšších místech významnosti a důležitosti najdeme několik témat silně orientovaných na optimalizaci procesu obrábění. Jedná se například o následující témata, která podniky TPSVT určily v oblasti výzkumu a vývoje technologií obrábění za primární: a. Aplikace nových technik umožňujících generovat optimalizovaný NC kód s ohledem na dynamické vlastnosti stroje, vřetene, pohonů a řídicího systému. b. Optimalizace řezných podmínek z hlediska minima nákladů, maximální produktivity výroby, maximální dosahované jakosti povrchů, predikovatelné životnosti nástrojů, predikovatelné stability řezu, predikovatelných energetických nároků na obrábění a dopadů na životní prostředí. Nové matematické modely řezného procesu, zdokonalování experimentálních technik pro analýzu řezného procesu a tvorba softwaru pro spolehlivou a rychlou optimalizaci řezných podmínek dle zvolených kritérií. Rozšíření oblasti CAM o oblast optimalizace řezných podmínek již ve fázi návrhu obrábění. Optimalizace řezných podmínek s využitím širších znalostí o dynamickém chování nástroje, vřetene, stroje, obrobku s cílem zvýšení výkonnosti a využití instalovaného výkonu. Zásadní je rovněž optimalizace s ohledem na zvýšení spolehlivosti řezného procesu. c. Optimalizace technologie výroby tvarově náročných obrobků, jako např. turbínových kol, lopatek, forem, zápustek a medicínských implantátů. Zaměření VaV na maximální využití existujících CAM systémů, strategie obrábění, konfigurace postprocesorů, měření a vyhodnocování výsledků pro zpětné ovlivnění technologie obrábění. d. Nové techniky tvorby a generování postprocesorů pro složité víceosé NC stroje, multifunkční a hybridní stroje. Významnost optimalizace samotného procesu, resp. výrobní technologie vyplynula také z průzkumu mezi podniky v oboru strojírenské výrobní techniky, který byl proveden s využitím struktury odborných priorit dle projektu NUCLEI (https://www.interreg- central.eu/Content.Node/NUCLEI. html). Optimalizace výrobního procesu a modelování výrobního procesu se umístilo hned na druhém a čtvrtém místě z dvaceti nejvýznamnějších priorit pro podporu konkurenceschopnosti. Uvádíme prvních pět priorit, které identifikovaly významnost jednotlivých odborných témat dle struktury EU (NUCLEI) pro dlouhodobou budoucnost 2020–2030 dotazovaných firem oboru strojírenské výrobní techniky. Dlouhodobý systematický výzkum a vývoj v oblasti pokročilých simulací obrábění a optimalizace procesu obrábění realizuje v ČR uskupení sedmi podniků a tří výzkumných organizací: TAJMAC ZPS, a. s.; KOVOSVIT MAS, a. s.; TOS VARNSDORF, a.s.; TOS KUŘIM – OS, a. s.; TOSHULIN, a. s.; ŠKODA MACHINE TOOL, a. s.; ŠMERAL Brno, a. s.; RCMT, FS, ČVUT v Praze; UVSSR, FS, VUT v Brně; KKS, FS, ZČU v Plzni. Partneři společně řeší projekt oborového výzkumu Centrum kompetence strojírenské výrobní techniky, za podpory TA ČR, ale také řadu dalších navazujících výzkumných a vývojových projektů. Příklady řešení několika výzkumných témat z oblasti simulací a optimalizací řezného procesu, které ukazují potenciál pro zlepšení produktivity i přesnosti obrábění, představíme v následujících odstavcích. Konkrétně jsou prezentovány možnosti zvyšování produktivity a efektivity při obrábění tvarových dílců, které s průmyslovými partnery řeší RCMT. Výzkum a vývoj prostředků pro zvyšování produktivity a efektivity při obrábění tvarových dílců Třískové obrábění stále zůstává jedinou technologií, kterou je možno dosáhnout nejvyšších nároků na přesnost rozměrů a tvaru a jakost funkčních ploch. Bohužel obrábění patří také mezi nejdražší technologie. Snaha zvýšit efektivitu obrábění a snížit náklady je tedy jedním z hlavních motivů aktuálního výzkumu. Při uceleném pohledu na proces výroby dílce pomocí obrábění lze jednotlivé části, ve kterých je možné uplatňovat optimalizační přístupy, rozdělit způsobem, který je patrný na obr. 1. Znázorněnou část označenou jako „Řezný proces“ by bylo možné samozřejmě rozdělit na detailnější části, jako je volba nástrojů, polotovaru, upnutí, technologických podmínek, řezných emulzí apod. Často je nutné optimalizovat výrobu z hlediska produktivity např. na úkor snížení jakosti nebo přesnosti výroby. V rámci MSV BRNO 2018 proběhla rekapitulace spolupráce členů TPSVT i dalších partnerů s RCMT v oborovém výzkumu. Z reflektovaných projektů jsme vybrali tři zajímavá témata, která ilustrují významnost technologicky orientovaného výzkumu akcentovanou ve strategii TPSVT. V následujícím jsou představeny vybrané možnosti pro zvyšování produktivity, jakosti a hospodárnosti obrábění, jejichž aplikace nevyžaduje vysoké investiční náklady. Dynamické řízení otáček Prvním příkladem takové optimalizace je např. uplatnění dynamického řízení otáček při bodovém frézování (řádkování) s využitím nástrojů s kruhovou řeznou hranou, jako jsou např. kulové nebo toroidní frézy, za účelem dodržení žádané řezné rychlosti v průběhu dráhy nástroje. Při řádkování nástroji s kruhovou řeznou hranou se zejména při tříosém obrábění neustále mění kontaktní bod mezi nástrojem a obrobkem a tím se zároveň v každém bodu dráhy nástroje mění aktuální řezný průměr nástroje. Neustálá změna řezného průměru má samozřejmě přímý dopad na skutečnou řeznou rychlost, která se tak při konstantních otáčkách vřetena během obráběcí operace v každém bodě dráhy nástroje mění. V rámci projektu CKSVT byl vyvinut algoritmus, kterým jsou efektivně řízeny otáčky vřetena tak, aby docházelo k dodržení řezné rychlosti pokud možno na konstantní hodnotě podél celé dráhy nástroje. Současně se změnou otáček vřetena se mění i posuvové rychlosti, aby byl dodržen konstantní posuv na zub. Výsledkem je dosažení vyšší jakosti obráběného povrchu díky dodržení žádaných technologických podmínek. Tím dosáhneme zároveň zvýšení produktivity obrábění. Tento optimalizační algoritmus je patentově chráněný a lze jej jednoduše integrovat do stávajícího postprocesoru. Technolog tak při generování NC programů neprovádí žádné úkony navíc, vše probíhá automatizovaně postprocesorem. Postprocesor generuje přepočtené hodnoty otáček a přepočtenou posuvovou rychlost v každém bodě dráhy nástroje. Optimalizaci lze uplatňovat jak pro případy tříosého obrábění, tak pro případy víceosých drah nástroje. Makro- a mikrogeome trie nástroje Dalším důležitým prvkem, který významně ovlivňuje produktivitu a efektivitu výroby, je samozřejmě nástroj a jeho upnutí. V případě, že bude docíleno ideálního upnutí dílce, ideálního upnutí nástroje a rovněž stroj a řídicí systém budou ideálně nastaveny, ale nebude použito správného nástroje v kombinaci se správnou strategií drah nástroje a nastavených technologických podmínek, tak obrábění nebude efektivní. Může sice docházet k tomu, že např. při obrábění dílce z těžkoobrobitelného materiálu bude odebírán materiál, ale nástroj bude často otupený či zničený a bude vyžadovat častější výměny. Při vhodné použité strategii, nástroji a technologických podmínkách lze docílit minimálních výměn nástroje a zaručit tak vysokou míru efektivity obrábění. Lze uvést následující praktický příklad. V rámci spolupráce RCMT se společností Rotana, a. s., (přední výrobce nástrojů) byl navržen nástroj pro obrábění niklové slitiny Inconel 718. Nejen, že byla navržena vhodná makrogeometrie břitu pro tento obráběný materiál, ale problematika návrhu byla soustředěna i na mikrogeometrii, konkrétně na finální úpravu ostří nástroje. Bylo prokázáno, že typ technologie finální úpravy břitu má zásadní vliv na vytvořenou hodnotu rádia břitu a jeho pevnost. Lze tedy nalézt nejvhodnější variantu vytvořeného břitu nástroje pro daný obráběný materiál. To je první krok ke zvýšení efektivity obrábění a ve druhém kroku je ještě zapotřebí řešit nejvhodnější strategii obrábění a vhodné technologické podmínky. Pro případy hrubování byly testovány dvě strategie, a to buďto klasická technologie hrubování (v podstatě lineární dráhy), anebo technologie s využitím trochoidálních drah. Technologie s trochoidálními drahami byla využita z důvodu snížení tepelného zatížení břitu v průběhu technologické operace, čímž bylo předpokládáno, že dojde ke zvýšení trvanlivosti nástroje. Opět byl zjištěn velmi výrazný vliv na výslednou efektivitu výroby podle dané použité kombinace úpravy břitu nástroje a strategie obrábění. Výsledky jsou zachyceny na obr. 2, kde je jasně patrné, že použití trochoidálních drah nástroje má zásadní vliv na trvanlivost nástroje a zejména v kombinaci s určitým typem finální úpravy břitu nástroje lze docílit prakticky dvojnásobné trvanlivosti nástroje za rovnocenných technologických podmínek. Jedná se tak o velmi významné zvýšení efektivity obrábění. Tuto skutečnost dosažení vyšší trvanlivosti nástroje můžeme využít i naopak, tedy pokud bychom použili vyšší technologické podmínky (zejména posuvová rychlost), tak by bylo možné zvýšit produktivitu. Základní a plnohodnotná verifikace NC programu V neposlední řadě patří v současné době významná role také prostředkům pro verifikaci NC programu. Do výsledné produktivity obrábění promlouvá rovněž nastavení parametrů dráhy nástroje v CAM, např. posuvová rychlost. V prostředku pro verifikaci NC programu by mělo být k dispozici provedení analýzy drah nástroje v závislosti na rozložení bodů dráhy nástroje. Při generování drah nástroje v CAM má na rozložení dílčích bodů dráhy významný vliv geometrie 3D modelu a mnohdy i postup, jakým způsobem bylo geometrie docíleno. Záleží tedy velmi na kvalitě 3D modelu. V případě, že by některé plochy nebyly napojeny hladce, ale byl by zde byť i minimální zlom, který je pohledově nepatrný, tak by docházelo k lokálnímu shluknutí bodů dráhy v těchto místech, což má přímou souvislost s rozložením posuvové rychlosti podél dráhy nástroje po provedení interpolace řídicím systémem. K verifikaci NC programů je možné přistupovat na nižší úrovni (co nejblíže CAM systému), aby byla uživatelsky co nejjednodušší; pak takovýto prostředek nezahrnuje model dynamiky stroje. V takovém prostředku je možné graficky znázorňovat rozložení nabývaných hodnot sledovaného parametru na jednotlivých bodech dráhy nástroje. Prostředek je velmi snadno použitelný a umožňuje provést rychlou verifikaci s možností, že technolog programátor může upravit nastavení dráhy nástroje v CAM a provést opětovně verifikaci. Tento typ verifikace však není úplně přesný, jelikož zde není plnohodnotně implementována dynamika stroje, ale je prováděna na výsledném NC programu, tedy se zahrnutím emulátoru řídicího systému. Nicméně tuto verifikaci lze považovat za dostačující na provedení verifikace kolizí, analýzu dosahovaných parametrů na úrovni NC programu, rozložení bodů dráhy nástroje, dosahování řezné rychlosti apod. Za plnohodnotnou verifikaci lze považovat takovou, kde je zahrnuta dynamika stroje. Tyto typy verifikačních nástrojů pracují s interpolovanými dráhami nástroje na úrovni řídicího systému a umožňují tak analyzovat přesnost obráběných povrchů a dosahování strojních časů. Tento typ verifikace je však časově náročnější pro uživatele, a proto je vhodný pro náročnější případy obrábění. Oba stupně verifikace však umožňují porovnávat návrhy obráběcích strategií a dráhy nástroje mezi sebou (viz např. obr. 3), což představuje pro technologa programátora velmi důležitý nástroj, prostřednictvím kterého může vybrat nejvhodnější variantu, např. co se týče nejvyšší produktivity obrábění. Jak prezentujeme uvedenými příklady i na základě průzkumu preferencí mezi členy TPSVT, je patrné, že v procesu obrábění existuje stále významný prostor pro zvyšování efektivity a produktivity. V rámci práce Platformy TPSVT i uskupení CKSVT se snažíme podporovat preference státu i firem investovat do aplikovaného výzkumu a vývoje ve firmách v oblasti optimalizace technologií obrábění, protože je zde významný potenciál pro podporu konkurenceschopnosti. Více informací naleznete na webových stránkách oborových uskupení: www.sst.cz, www.tpsvt.cz, www.rcmt.cz Ing. Jan Smolík, Ph.D., Ing. Petr Vavruška, Ph.D.
