Vysokorychlostní obrábění – klíč k vyšší produktivitě

Vysokorychlostní obrábění (HSM – High Speed Machining) není jen inovativní technologie, ale především strategie zvýšení produktivity výroby. Aplikace této metody je vždy iniciována snahou o snížení nákladů a zvýšení objemu výroby při současném dodržení kvality. Podstatou HSM je použití výrazně vyšších otáček vřetena a posuvů za účelem dosažení výjimečně vysokých parametrů obrábění, které nejsou v běžné praxi obvyklé. Velmi hladký povrch a velký objem odebraného materiálu za časovou jednotku jsou hlavní, ale ne jediné přínosy použití metody HSM. Tu je možné použít nejen pro obrábění hliníku a neželezných materiálů, ale i pro obrábění ocelí a exotických materiálů používaných v leteckém průmyslu, při výrobě forem a zápustek a v medicínském průmyslu. I když je metoda HSM známá řadu let (první zkoušky proběhly již v roce 1920), panuje stále nejasnost týkající se vlastní definice této metody. Jako první navrhl definici vysokorychlostního obrábění Carl Salomon v roce 1931. Charakterizoval je jako metodu, při které se obrábí řeznou rychlostí, jež dosahuje 5 až 10násobku řezné rychlosti konvenčního obrábění. Dnes víme, že HSM není definováno jen vysokými řeznými rychlostmi a posuvy, ale že se u této metody jedná o splnění celé řady nutných parametrů, které pak charakterizují celou strategii HSM a jejichž kombinací se dosáhne podstatného zvýšení produktivity a snížení nákladů. Teoretické rozbory a praktické experimenty ukázaly, že se větší stabilita procesu obrábění lokálně objevuje tam, kde frekvence záběru zubů nástroje odpovídá nebo překračuje vlastní frekvenci nejpružnějších částí systému. Tato metoda používání maximálních možných otáček vřetena, které odpovídají těmto stabilním frekvencím záběru zubů, se často nazývá HSM. Tento koncept obrábění HSM spočívá na tom, že obnovovaná vlnitost povrchu představuje primární zdroj nestability (zdroj samobuzených kmitů) při obrábění. Toto obnovování vlnitosti se objevuje tehdy, když se zub nástroje potkává s vlnitostí, kterou zanechal předchozí zub. Stabilita systému závisí na fázovém posunu vychýlení zubu v záběru oproti vlnitosti, se kterou se tento zub potkává. Za určitých fázových poměrů se podaří, že vibrace mizí, zatímco za jiných podmínek vibrace naopak narůstají, dokud nedojde k lomu nástroje, nebo nelinearita systému zabrání dalšímu posuvu. Aplikace Především v oblasti výroby hliníkových dílů pro automobilový průmysl, minidílů a dílů pro medicínský průmysl je často vyžadováno obrábění metodou FMR (Fast Metal Removal – rychlý odběr materiálu). Právě zde se metoda HSM jeví jako nezbytná. Při obrábění konstrukčních dílů křídel, trupů letadel a dalších obdobných tenkostěnných a rozměrných dílů z hliníku se pohybují otáčky vřetena mezi 15 000 – 50 000 za minutu. Dalším polem působnosti metody HSM je oblast výroby forem a zápustek se svými požadavky vysoké přesnosti, dokonalé geometrie a kvality povrchu tvrdých nebo houževnatých materiálů. Většina aplikací vyžaduje nejen vysoké rychlosti, ale především stabilitu procesu obrábění. To předpokládá správnou volbu nástroje a správný způsob programování, který bere v úvahu podmínky odlišné od konvenčního obrábění. Je třeba dokonale znát vlastnosti stroje a tomu také přizpůsobit řezné podmínky. Co se týká vlastností obráběcího stroje vhodného pro aplikace HSM, je nutné, aby jednotlivé díly stroje byly navrženy a sestaveny v jeden mechanicky dokonale vyvážený celek. K tomu všemu je třeba brát v úvahu vlastnosti dalších elementů celého systému, kterými jsou: Řezné nástroje Kvalita a parametry řezného materiálu hrají významnou roli v procesu obrábění. Firma ISCAR vyvinula nepovlakovaný jemnozrnný karbid IC08, který je vhodný právě pro HSM metody obrábění neželezných materiálů. Jako druhou variantu pro HSM nabízí ISCAR submikronový povlakovaný karbid IC903, s 12% obsahem kobaltu a PVD povlakem TiAlN. Vyznačuje se vysokou odolností proti otěru a vysokou houževnatostí substrátu, tj. vlastnostmi, které jsou důležité při vysokorychlostním obrábění kalených ocelí (do tvrdosti 62 HRC), titanu, nerez ocelí a slitin na bázi niklu. Výměnné destičky z těchto jakostí karbidů mají specifický design a geometrii řezné hrany. Nástroje jsou konstruovány tak, aby dosáhly vysoké tuhosti, zajistily odvod tepla z místa řezu a odolávaly teplotním šokům. Upínací nářadí – problém nevyváženosti Částmi, které podstatně rozhodují o výkonnosti HSM jsou: vřeteno, vodicí plochy, motor pohonu, upínací nářadí a řezné nástroje. Vřeteno je patrně nejkritičtější část soustavy, a proto je třeba věnovat maximum pozornosti jeho dokonalému stavu a udržovat jeho házivost na minimu. I malá házivost vřetena nebo nástroje má totiž velký vliv na životnost monolitních fréz či destiček. Házivost břitů frézy by neměla přesahovat 10 mikronů. Životnost nástroje totiž s každými dalšími 10 mikrony házivosti klesá až o 50 %. I tehdy, když jsou nástroj, upínač i vřeteno přesně vyváženo, existuje stále několik dalších možných zdrojů nestability. Jedním z častých problémů bývá nepřesnost mezi upínačem a dutinou vřetena. Většinou bývá zapříčiněna nečistotami na kuželu nástroje nebo uvnitř dutiny vřetena. Při aplikaci HSM má jakákoliv nevyváženost či vibrace vliv také na přesnost výroby. Při vlastním procesu vyvažování je nutné, např. pro stopkovou frézu pracující při 20 000 otáčkách za minutu, vyvážit nástroj včetně upínače na hodnotu menší než 20 g x mm. Pro zajištění maximální přesnosti a tuhosti upnutí osových rotačních nástrojů vyvinula firma ISCAR systém SHRINKIN – jedná se o tepelnou jednotku a sady integrálních ER kleštin a držáků. Systém využívá efektu tepelné roztažnosti dutiny integrálních ER kleštin a lze je používat pro upnutí stopkových karbidových fréz. Upnutí se vyznačuje dokonalou pevností, přesností a díky vlastní symetričnosti použitého upínače i uspokojivým vyvážením. SHRINKIN upínače mají protáhlý štíhlý tvar různých délek a jsou vhodné pro polodokončovací a dokončovací operace v hlubokých dutinách forem a zápustek. Pro snadnou a rychlou práci v nástrojárnách a seřizovnách nabízí ISCAR dva kompletní systémy pro SHRINKIN ER kleštiny. Ten menší, přenosný s odporovým ohřevem lze používat i přímo u stroje. Větší mobilní jednotka s indukčním ohřevem se uplatní hlavně v nástrojárnách. Oba přístroje jsou vybaveny dokonalou teplotní regulací a kontrolou pro snadné upínání a demontáž nástrojů. Vibrace nástroje vznikají často odstředivou silou samotného osově nesymetrického nástroje roztočeného při aplikaci HSM na vyšší otáčky. Tyto vibrace se pak přenášejí na obrobek a vřeteno. Výsledkem je špatná kvalita povrchu, snížení životnosti nástroje a v neposlední řadě i nepříjemný hluk. Pro přesné upnutí a vyvážení takových nástrojů je určen systém ISCAR BALANCIN. Jedná se o upínače opatřené sadou vyvažovacích kroužků, které mají uvnitř karbidová závaží. Po obvodu vyvažovacích kroužků je stupnice pro odečet vzájemného posunu. Proces vyvážení se provádí na běžně dostupných vyvažovacích strojích vzájemným natáčením těchto kroužků. Lze takto kompenzovat nevývažek do velikosti 61 g x mm. Produktivita a rychlost Tvar a přesnost obráběného dílu jsou do velké míry také předurčeny kinematikou a staticko-dynamickou tuhostí stroje. Kvalita požadovaného povrchu závisí na geometrii břitu nástroje, řezných parametrech a celkovém dynamickém chování celé soustavy. Produktivitu lze ovlivnit volbou lineárních motorů místo rotačních v kombinaci s kuličkovými šrouby. Lineární motory eliminují v jednotlivých osách podstatnou část vůlí a nepřesností, jež jsou vlastní systémům s rotačními motory a kuličkovými šrouby. Konkurence na trhu s obráběnými díly vyvolává potřebu rychlého vývoje nových technologií obrábění a řešení problémů produktivity. Vysokorychlostní obrábění je konkrétní příklad jak zvyšovat produktivitu a snižovat náklady na výrobu. I přes vyšší spotřebu nástrojů přináší vysokorychlostní obrábění dostatek výhod ve formě zkrácení výrobních časů a případného vyloučení některých následných operací (např. ručního dokončování při výrobě forem). Ačkoli obrábění metodou HSM je známé již řadu let, jeho vývoj se dal opět do pohybu díky v poslední době narůstajícím požadavkům právě na snižování nákladů a zkracování výrobních časů. ADIS 2010