Hybridní nástroje – nová cesta v trendech obrábění?
Na jarním technologickém semináři firmy Misan předvedla plzeňská společnost Hofmeister, která byla partnerem této akce, pozoruhodnou novinku v oblasti kompozitů. Ta se však tentokráte netýkala obrábění těchto pozoruhodných materiálů, ale jejich uplatnění přímo v obráběcích nástrojích.
Hybridní nástroje vyvíjené a konstruované u firmy Hofmeister představují novou koncepci tělesa vyrobeného v kombinaci nosné ocelové konstrukce a uhlíkové kompozitové výplně. Prvním konkrétním výsledkem v reálné podobě je hybridní frézovací hlava o Ø 160 mm.
Provozní test tohoto inovativního nástroje, konkrétně v aplikaci rovinného frézování - proběhl s cílem porovnat antivibrační schopnosti hybridní frézy proti standardní, celokovové frézovací hlavě vybrané z portfolia jednoho z uznávaných světových výrobců obráběcích nástrojů, která představuje špičkový produkt ve své kategorii. Na hybridní fréze byly při výrobě zachovány veškeré hodnoty - tj. základní rozměry, parametry axiálního seřízení (max. axiální odchylku ostří břitů 16 ks VBD 0,05 mm) a makrogeometrie jako na originální fréze.
Hybridní vs. standardní 
Test probíhal na těsnicí ploše litinového odlitku, kde bylo nutné dodržet velmi přísné parametry tolerance - v případě rovinnosti je to hraniční hodnota 0,025 mm a u drsnosti povrchu Ra max. 1,6 µm. V průběhu obráběcích operací bylo sledováno a porovnáváno chování obou koncepcí frézovacích hlav v řezu a jeho vliv na výsledky dosažené po obrábění. Pro test byly z důvodů srovnatelnosti použity shodné břitové destičky (identický výrobce, tvar, velikost, utvařeč, substrát, vrstva).
V přípravné fázi testování byla hybridní frézovací hlava podrobena několika kombinacím řezných podmínek s tím, aby bylo možné následně zvolit vhodné obráběcí podmínky pro finální srovnávací test. Frézovací hlava byla odzkoušena s osazením VBD bez WIPER-VBD a s WIPER-VBD. Následně byla pro finální testování vybrána varianta bez WIPER-VBD. Důvodem byla především obava možného ovlivnění testu kvůli rozdílnému nastavení WIPER-VBD na frézovacích hlavách.
Vzhledem k tuhosti upnutí obrobku, ale i doporučeným řezným podmínkám, byly u prvního přípravného zkušebního pokusu použity hraniční hodnoty (ap = 2,5 mm, fz = 0,2 mm, n = 360 ot.min-1). Ty se projevily vytržením frézovaného kusu z upínače a zastavením frézy v řezu. Byť šlo o negativní skutečnost, z hlediska pevnostního tento nechtěný „crash test“ potvrdil správnost navržené koncepce přímo v praxi. Po výměně tří prasklých VBD a kontrole ostatních, byla hybridní frézovací hlava připravena k finálnímu testu.
Pro obě frézovací hlavy byl zvolen v současnosti používaný stav - shodná trajektorie frézování odladěná pro dosažení maximální rovinnosti frézované plochy, počet a hloubku třísek, řeznou rychlost a posuv na zub odladěný pro dosažení předepsané drsnosti plochy. Subjektivně byly srovnávány také akustické emise při obrábění a zároveň odečítány hodnoty zatížení vřetene při hrubování. Výsledná rovinnost byla vyhodnocena na 3D CNC souřadnicovém měřicím stroji podle shodného programu. Dosažená drsnost Ra (max. 1,6) byla měřena dílenským drsnoměrem v různých místech obrobené plochy.
Zatímco frézování originální celokovovou frézovací hlavou bylo místy subjektivně doprovázeno vysokými frekvenčními tóny charakteristickými pro vibrace (zejména v některých partiích trajektorie pohybu byly zaznamenány pisklavé zvuky), obrábění hybridní frézovací hlavou těmito zvukovými emisemi při subjektivním posuzování provázeno nebylo, spíše se zdálo, že frézovací hlava jevila známky tlumení.
Při hrubovací třísce za použití hybridní frézovací hlavy byla hodnota zatížení vřetene 25 %, při hrubovací třísce za použití originální frézovací hlavy byla hodnota zatížení vřetene 29 %. Právě tento faktor - tzn., že menší hmotnost nástroje je příznivá pro menší zatížení vřetena - stojí v souvislosti s možným uplatněním kompozitů při výrobě obráběcích nástrojů rozhodně za pozornost. Nižší hmotnost při stejných či obdobných výkonových parametrech a trvanlivosti může být velmi významnou výhodou těchto hybridních řešení oproti konvenčním nástrojům. Čím méně je totiž vřeteno namáháno, tím déle vydrží v požadovaných tolerancích přesnosti a budě možné ho tedy měnit za delší dobu.
Výsledné srovnání
Ve srovnávacím provozním testu mezi novou koncepcí frézovací hlavy s využitím uhlíkového kompozitu - hybridní frézovací hlavou firmy Hofmeister - a originální celokovovou koncepcí (frézovací hlavou jednoho z renomovaných světových výrobců obráběcích nástrojů) byly zaznamenány jisté prvky odlišnosti. S příslušným bodovým ohodnocením jsou shrnuty v porovnávací tabulce.
Z jednoduchého hodnocení sledovaných parametrů je možné prostým součtem bodů konstatovat, že hybridní frézovací hlava (součet 5b) se při provozním testování za konstantních řezných podmínek na konkrétní aplikaci chovala z pohledu řezného procesu a dosažených výsledků po obrábění lépe než celokovová frézovací hlava (součet 1b). Na základě tohoto úspěšného testu bylo rozhodnuto o dlouhodobém provozním testování hybridní frézovací hlavy u zákazníka.
V rámci provozního testování chce firma Hofmeister po vylepšení upínání obrobku zproduktivnit obrábění. Cesta k tomu vede přes zvýšení posuvu a redukcí počtu třísek (2 hrubovací s větším ap a 1 dokončovací).
I když se ještě nyní nedá říci, že právě hybridní nástroje s využitím kompozitních materiálů budou univerzálním a nejvhodnějším řešením, je to rozhodně možnost, která stojí za vyzkoušení. V každém případě se třeba může stát optimálním řešením pro určitou skupinu materiálů či obráběcích operací. K tomu však bude zapotřebí ještě řada testů v reálném provozu, vyhodnocení jejich výsledků a případná další optimalizace. Hybridní nástroje jsou teprve na počátku, ale první získané výsledky už naznačují zajímavé perspektivy.
Petr Vrba, Pavel Kožmín, Hofmeister
Obráběný materiál: odlitek z šedé litiny DIN 1691 GG25
Nástroj:
1. hybridní frézovací hlava Hofmeister H00664-01 Ø 160 mm
2. originální frézovací hlava renomovaného výrobce o Ø 160 mm
Obráběcí stroj:
Horizontální frézovací centrum s výkonem na vřetenu 30 kW, upínáním ISO SK50. Obrobek mechanicky upnut v přípravku pomocí upínek. Použito vnější chlazení - emulze koncentrace 8 % Almaredge 51FF - výrobce Castrol.
Řezné podmínky pro finální fázi testování:
hrubování: * dokončování:
2 třísky * 2 třísky
n = 360 ot.min-1 (vc = 180 m/min) * n = 360 ot.min-1 (vc = 180 m/min)
ap = 2 mm * ap = 0,5 mm
fz = 0,1 mm * fz = 0,05 mm
z = 16 * z = 16
bez WIPER VBD * bez WIPER VBD
409
