Vibrace při obrábění jsou ve většině případů nevyhnutelným jevem doprovázejícím řezný proces. Jsou zapříčiněny působením řezných sil nebo se jedná o samobuzené kmitání. I v případech, kdy je řezný proces označován za stabilní, jsou vibrace přítomny, dosahují však pouze úrovně, která ještě neznemožňuje dosáhnout požadované výsledky obrábění (jakost obráběného povrchu apod.)
Vibrace jsou negativním jevem, který zhoršuje výsledky a výkon obrábění. Výrobci proto vynakládají značné úsilí na jejich úplnou eliminaci nebo alespoň maximální možné snížení na úroveň, která je akceptovatelná s ohledem na požadované výsledky obráběcího procesu. Vibrace a princip jejich vzniku jsou předmětem seriózního výzkumu, jenž je založen na složitých modelech soustavy stroj–nástroj–obrobek. Toto modelování je poměrně časově náročné, vyžaduje velké množství vstupních dat a většinou neumožňuje zareagovat v reálném čase na problém. Většinou se potíže spojené s vibracemi řeší snížením řezných parametrů (řezné rychlosti a posuvu), což vede ke snížení produktivity obrábění. Proto každá efektivní metoda omezující vibrace, která není spojena s poklesem produktivity výroby, je pro výrobce velmi zajímavá.
Při snaze o snížení vibrací vznikajících při obrábění je nutno věnovat pozornost celé výrobní jednotce sestávající ze vzájemně se ovlivňujících částí – obráběcího stroje, obrobku, upínacího zařízení a obráběcího nástroje. I když je vliv jednotlivých elementů rozdílný, může mít zlepšení vibrační charakteristiky každého z nich výrazný dopad na celkové dynamické chování systému. Většina úsilí v boji proti vibracím se soustředí na vývoj a výrobu tuhých obráběcích strojů vybavených inteligentními senzory a počítačovou kontrolou a na vývoj a výrobu moderních antivibračních nástrojů.
I když někteří výrobci nepřikládají volbě nástroje v souvislosti se snížením vibrací žádný větší význam, může mít v některých případech správně zvolený nástroj rozhodující vliv na jejich snadné a efektivní odstranění bez nepříznivého vlivu na produktivitu obrábění.
GEOMETRIE ŘEZNÉHO NÁSTROJE
Vhodně zvolená geometrie řezného nástroje je nezbytná pro dosažení klidného a stabilního řezného procesu. Geometrie nástroje má významný vliv na velikost, orientaci a průběh řezné síly, odchod třísky z místa řezu a další faktory, které jsou přímo spojeny se vznikem vibrací.
Konstruktéři nástrojů firmy ISCAR jsou přesvědčeni, že správně zvolená geometrie výrazným způsobem přispívá ke snížení vibrací způsobených řezným nástrojem, a této skutečnosti přizpůsobují veškerý vývoj a návrh nových nástrojů.
Mnoho vyměnitelných břitových destiček, vrtacích hlavic i monolitních karbidových nástrojů ISCAR má dělené ostří štěpící širokou třísku do malých segmentů. To má příznivý vliv na dynamické zatížení nástroje během obrábění a stabilizaci vibrací.
Na obr. č. 1 je vyobrazena hrubovací fréza s kruhovými destičkami. Tento typ nástrojů se často používá při hrubování forem a zápustek, kde se s nimi frézují i hluboké dutiny. Nástroje pracují ve velmi nepříznivých podmínkách, jsou používány s upínači s velkým vyložením a musejí rychle odstranit velké množství materiálu. Poměrně velké, cyklicky působící řezné síly způsobují na nástroji s velkým vyložením vibrace. Problémy se stabilitou řezného procesu se objevují většinou již v okamžiku, kdy hodnota vyložení nástroje dosáhne trojnásobku jeho průměru. Použijí-li se místo klasických kruhových destiček destičky s děleným ostřím (viz obr. 1), dosáhne se velice jednoduše výrazného snížení chvění nástroje a zlepší se stabilita řezného procesu.
Vhodně navržená rozteč zubů nástroje je dalším způsobem, jak příznivě ovlivnit dynamickou stabilitu systému a potlačit vibrace vznikající při obrábění. ISCAR používá označení CHATTERFREE pro skupinu monolitních karbidových fréz, které jsou vyrobeny s nepravidelnou zubovou roztečí a nestejným úhlem šroubovice. Tento koncept nástrojů zaručuje obrábění bez vibrací v širokém rozsahu aplikací.
Na obr. 2 je zachycen nástroj z řady FINISHRED , který má na každém druhém zubu dělené ostří a je vyroben s nepravidelnou zubovou roztečí. Tím lze dosáhnou velmi dobré kvality obrobeného povrchu i za podmínek, kdy fréza pracuje s hrubovacími řeznými parametry.
Principy potlačování vibrací, které jsme si představili na monolitních stopkových frézách, se v praxi výborně osvědčily a byly aplikovány i na nástrojích skupiny MULTI-MASTER , což jsou výměnné monolitní frézovací hlavice.
VRTÁNÍ BEZ VIBRACÍ
Vibrace při vrtání vedou k horší kvalitě obrobeného povrchu a menší přesnosti vrtaného otvoru. Vrtací hlavičky QCP/ICP-2M s dvěma vodicími fazetkami významně zvyšují dynamickou stabilitu systému.
Jestliže vibrace vznikají při vstupu vrtáku do materiálu obrobku, může dojít k vážnému poškození nástroje. Na obr. 3 je vyměnitelná vrtací hlavice HCP , která se upíná do standardního vrtacího tělesa SUMOC HAM. Tato hlavice se vyznačuje spolehlivou samostředicí schopností, které dosahuje díky neobvyklému konkávnímu profilu hlavního ostří. Tato originální geometrie umožňuje vrtat otvory do hloubky 12× d bez nutnosti předvrtání zaváděcího otvoru kratším nástrojem.
Stejný konkávní profil hlavního ostří má i další z nových vrtacích nástrojů firmy ISCAR označovaný jako řada vrtáků LOGI Q3CHAM. Nástroje této výrobní řady používají vyměnitelné vrtací hlavice se třemi zuby, což zajišťuje vysokou produktivitu při výrobě otvorů. Ocelové tělo vrtáku má tři šroubovité drážky pro odchod třísek a ve srovnání s dvoubřitými vrtáky stejného průměru je průřez tělesa zeslabený. Jednotlivé šroubovité drážky mají nestejný úhel stoupání šroubovice. Tento design spolu s konkávním profilem hlavního ostří umožňuje dosáhnout vysoké dynamické odolnosti tělesa a zaručuje produktivní vrtání bez vzniku vibrací.
MATERIÁL TĚLESA NÁSTROJE
Obráběcí nástroje sestávají z tělesa nástroje, na které se upíná řezná část, nejčastěji vyměnitelné břitové destičky nebo hlavice. Výběr správného materiálu upínacího tělesa je dalším důležitým faktorem pro dosažení stabilního procesu obrábění s minimem vibrací. Většina těles je vyrobena z kvalitních nástrojových ocelí, ovšem v některých případech používají konstruktéři i materiály s větší odolností proti vibracím.
Výrobní řada nástrojů MULTI-MASTER zahrnuje výměnné celokarbidové frézovací hlavice pro široký rozsah použití. Pro upnutí těchto hlavic se používají stopky z různých druhů materiálů. Nejčastěji se setkáme s ocelovými stopkami, které jsou velice univerzální. Karbidové stopky však ve srovnání s ocelovými lépe odolávají vibracím a jsou používány hlavně v aplikacích s velkým vyložením nástroje a při frézování drážek v otvorech metodou kruhové interpolace. Dalším materiálem pro výrobu stopek je slitina obsahující 90 % wolframu, která výborně absorbuje vibrace a používá se proto hlavně při dokončovacím obrábění za nestabilních podmínek.
ANTIVIBRAČNÍ NÁSTROJE PRO SOUSTRUŽENÍ HLUBOKÝCH OTVORŮ
Typickým nástrojem pro soustružení hlubokých otvorů je dlouhý nožový držák s destičkou nebo vyvrtávací tyč, na kterou lze upínat vyměnitelné hlavy pro různé typy vyměnitelných břitových destiček. Tuhost vyvrtávací tyče výrazně ovlivňuje poměr jejího vyložení k jejímu průměru. Velké vyložení nástroje vzhledem k jeho průměru způsobuje vznik vibrací a má nepříznivý vliv na přesnost obráběného otvoru a na kvalitu obrobeného povrchu.
ISCAR vyrábí tři typy vyvrtávacích tyčí pro širokou řadu aplikací: dva integrální (ocelové a karbidové) a modulární systém s vyvrtávací tyčí s tlumením chvění a různými typy řezných hlav.
Ocelové vyvrtávací tyče umožňují stabilní obrábění bez vibrací do vyložení nástroje 4× d. Po překročení této hranice dochází často ke vzniku vibrací. Použitím karbidových tyčí se dá vyložení nástroje zvětšit až na hodnotu 7× d. Pro větší vyložení nástrojů ISCAR vyvinul antivibrační nástroje řady WHISPERLINE. Na tlumené vyvrtávací tyče s vnitřním přívodem řezné kapaliny je možno upnout řezné hlavy pro různé typy vyměnitelných břitových destiček. Použití tlumených antivibračních tyčí umožňuje efektivní a stabilní obrábění až do vyložení 14× d (obr. 4).
Nástrojové držáky s tlumením chvění využívá ISCAR i pro operace hlubokého zapichování a upichování. Tlumicí jednotka je výrobcem zkalibrována pro široký rozsah použití, uživatel si může jednoduchým způsobem provést přesnou kalibraci pro danou operaci, je-li to nutné.
Výrobci řezných nástrojů mají velmi omezené možnosti, jak nežádoucím vibracím při obrábění zamezit, přičemž mají k dispozici pouze geometrii řezného nástroje, materiál tělesa nástroje a případně řezný nástroj s integrovaným mechanismem pro tlumení vibrací. K vytvoření nástroje odolného chvění je s těmito omezenými možnostmi zapotřebí značných dovedností a vynalézavosti. Výše uvedené příklady řešení firmy ISCAR však potvrzují, že proveditelné to je.