Snížení tolerance nepřesností

Zabýváme-li se problematikou obrábění, je patrné, že přesnost tohoto procesu je klíčovým ukazatelem. Obecně je obrobek defi novaný svým tvarem a tolerancemi přesnosti tvarů a rozměrů. Přestože se intenzivně věnujeme zdokonalování obráběcích strojů, nástrojů, přípravků a obecně technologiím obrábění již od počátku průmyslové revoluce, je téma přesnosti výroby obrobků stále otevřené a „nedořešené“. Na první pohled by se mohlo zdát, že dnes, kdy máme stroje vybaveny optickými odměřováními, pokročilými systémy řízení a kompenzací a programujeme běžně v rozlišení na 1 ?m, je problém přesnosti vyřešen. Opak je pravdou. Pokud se podíváme na aktuální dokument Strategie v oboru strojírenské výrobní techniky, který vznikl ve spolupráci nejvýznamnějších výrobců obráběcích strojů v ČR (viz http://www.tpsvt.cz/docs/strat_vyzkumna_ agenda.pdf), uvidíme, že zvyšování přesnosti patří mezi hlavní priority. Výrobci obráběcích strojů vnímají jako nutnou podmínku zvyšování konkurenceschopnosti dosahování vyšších užitných vlastností strojů. Strategie oboru tedy spočívá ve: 1. Zvyšování přesnosti: Především zvyšování geometrické přesnosti práce strojů, geometrické a rozměrové přesnosti výsledného obrobku a obráběných ploch. 2. Zvyšování jakosti: Především zvyšování jakosti obráběných povrchů, cílené pozitivní ovlivňování vlnitosti, drsnosti, vzhledu a dalších charakteristik integrity povrchů. 3. Zvyšování výrobního výkonu: Zvyšování krátkodobého i dlouhodobého výrobního výkonu strojů. 4. Zvyšování spolehlivosti: Zvyšování spolehlivosti stroje a všech jeho funkcí, ale také zajištění spolehlivosti výrobního procesu, resp. dlouhodobé udržení kvality obrobků. 5. Zvyšování hospodárnosti: Minimalizace jednotkových nákladů na strojích, vedlejších časů, nákladů na obsluhu, ale i minimalizace nákladů na samotnou výrobu strojů a jejich provoz. 6. Snižování negativních dopadů na životní prostředí: Především minimalizace negativních dopadů výroby na strojích, ale i výroby strojů na životní prostředí. Především řešení energetických nároků. Zvyšování přesnosti výroby obrobků tedy patří mezi klíčové priority oboru. Výrobce a dodavatel strojů, nástrojů a technologie, který dokáže zajistit prokazatelně vyšší a zaručenou přesnost, má nepochybně konkurenční výhodu. Podívejme se nyní na to, jaké základní faktory ovlivňují přesnost výroby obrobku. Pokud sledujeme proces vytváření obrobku jako proces interakce stroje a polotovaru a pokud zahrneme do tohoto pohledu všechny významné procesní kroky výroby, je zřejmé, že přesnost je výsledkem poměrně rozsáhlé řady faktorů. Na diagramu je zachyceno schéma, které charakterizuje jaké předpokládáme základní vlivy stroje a technologie na přesnost výroby. Jak již schéma napovídá, není přiměřené sledovat problém přesnosti výroby obrobků samostatně. Komplexním projevem procesu výroby je dosažitelná produktivita při požadované přesnosti a jakosti výroby. Dosažená přesnost tedy – až na zcela výjimečné případy – není niky sledována osamoceně. Přirozeně nás zajímá také dosahovaná jakost povrchů, produktivita výroby, ale samozřejmě také náklady nebo požadavky na obsluhu, resp. personál. Přesnost stroje při obrábění je určována především přesností dráhového řízení, přesností chodu vřetene, statickou tuhostí, geometrickou přesností stroje a způsobem obrábění. Velikost těchto pěti základních faktorů na výslednou přesnost se liší, a to nejen pokud srovnáváme více druhů, provedení a velikostí strojů, ale i při pouhém srovnání rozdílné technologie obrábění na jednom stroji. Analyzovat, který z uvedených faktorů má největší vliv na přesnost konkrétního dílce obráběného na konkrétním stroji konkrétní technologií, nebývá vždy triviální. Uživatelé obráběcích strojů i jejich výrobci mají obvykle zkušenosti s tím, že vědí, jak je nepřesný obrobek, ale nejsou si jisti, v jaké oblasti je třeba zasáhnout a kde je třeba provést konstrukční, technologickou nebo řídicí změnu, aby se problém odstranil. Je to často tím, že přesnost je výsledkem velmi složitého působení mnoha faktorů, které se navíc v čase mění. Dále je třeba si uvědomit, že výslednou přesnost obrábění ovlivňují vždy minimálně dva faktory – výrobce stroje i technolog/uživatel. V uvedeném diagramu jsou tyto oblasti ovlivňování odděleny zelenou a modrou barvou. Výrobce ovlivňuje stavbou nosné struktury a konstrukcí pohonů především geometrickou přesnost stroje, statickou tuhost a přesnost dráhového řízení. Přesnost dráhového řízení je závislá zejména na propustném pásmu rychlostní smyčky, a tedy nepřímo na konstrukčních parametrech pohonu, setrvačných hmotách pohybových os a především na modálních parametrech stroje, resp. pohybových skupin. Na druhou stranu uživatel stroje klíčovým způsobem ovlivňuje volbu nástrojů, řezné podmínky a kvalitu NC kódu. Z celkového hlediska má způsob obrábění přirozeně vliv na velikost řezných sil, na velikost vyvinutého tepla, ale také určuje rychlost pohybu, která interaguje s přirozenými limity stroje v oblasti maximálně dosažitelné přesnosti dráhového řízení. Dále je třeba uvést, že uživatel také ovlivňuje teplotní zátěž stroje z jeho okolí a teplotu a temperování obráběných dílců. Zvláště u větších obrobků nebo u obrobků se zvýšenou přesností může být problém teplotní stability zajišťované ze strany uživatele klíčový, a to jak při obrábění, tak při rozměrové kontrole obrobku. Konkretizace fyzikálních limitů a vazeb, které přesnost z hlediska jednotlivých uvedených faktorů ovlivňují, není možné v rámci tohoto textu představovat. Tvoří samotný obor a kapitolu v oblasti vývoje a výzkumu stavby strojů a optimalizace technologie obrábění. Je povzbudivé, že v České republice většina výrobců obráběcích strojů na tématu zvyšování přesnosti svých strojů spolupracuje s Výzkumným centrem pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (VCSVTT) a pomocí nejmodernějších nástrojů pro měření, výpočtovou analýzu a optimalizaci řízení a odměřování hledá nové cesty ke zdokonalení přesnosti strojů. V dalších odstavcích tohoto příspěvku si stručně představíme některé vybrané oblasti technologií, které mají specifické požadavky na přesnost obrobků. Uvedeme téma obrábění tvarově složitých ploch pomocí pětiosého obrábění, problematiku obrábění velmi malými nástroji, téma stavby a využití strojů pro mikroobrábění relativně malých součástí a dále téma možnosti uplatnění přídavných odměřovacích systémů pro zvyšování přesnosti velkých strojů. PŘESNE OBRABĚNI TVAROVĚ SLOŽITYCH PLOCH Problematika přesnosti obrábění při pětiosém obrábění je stejně specifická, jako je tento způsob obrábění vůbec. Jeho specifika jsou především určena výraznými charakteristikami dílů touto technologií realizovanými. Kromě několika skupin dílů (jako například frézovací nástroje s výměnnými destičkami), kde se uplatňuje především obecné polohování pomocí tří lineárních a dvou rotačních os při relativně tuhých obrobcích, patří pozornost především opracování geometricky složitých ploch průtočných částí proudových tekutinových strojů. Typickými díly celé této specifické oblasti jsou např. oběžná kola radiálních turbín a kompresorů (blisk), difuzory a rozváděcí kola s obecně zakřivenými lopatkami a též vlastní lopatky lopatkových strojů. V principu lze geometricky složité plochy těchto dílů vytvářet v zásadě dvěma rozdílnými způsoby, a to: ? bodovým způsobem, kde bod je realizován kulovým koncem nástroje, vedeným po trajektorii ekvidistantně ke zvolené křivce ležící na požadované obecné ploše; tímto způsobem lze obrobit libovolnou reálnou plochu, ovšem při poměrně nízké produktivitě – ta je pak značně závislá na požadované kvalitě povrchu, ? meridiálním způsobem, kdy obráběná plocha je vytvářená dostatečně hustou posloupností meridiálních řezů použitého nástroje; vlastní opracování je produktivnější než ve dříve uvedeném způsobu práce a dosažení dobré kvality povrchu je výrazně snadnější. Typický meridiální způsob obrábění geometricky složité plochy je uveden na obr. 1. Problém přesnosti výroby při pětiosém obrábění, zvláště při výrobě uvažovaných dílů, je na rozdíl od běžnějších způsobů výroby zatížen řadou vlivů podílejících se negativně na dosahované přesnosti výroby. Jsou to především: ? chyby vložené již v etapě zadání (kromě výkresu je k dispozici i model dílu, který v závislosti na použitém CADu a postupu řešení vnáší do celého postupu nepřesnosti – např. nespojitosti lopatkových ploch, chybějící extrapolace ploch mimo vlastní díl, nezbytné pro vedení nástrojů atd.), ? požadovaný tvar plochy a prostor pro vedení nástrojů je nejen technologicky nevhodný, ale mnohdy za hranicí možného, ? poddajnost nástrojů, jejichž rozměry jsou obvykle limitovány disponibilním prostorem pro jejich trajektorie (jedná se často o velmi štíhlé, dlouhé nástroje; při jejich použití vyvstávají problémy s produktivitou i s dosahovanými přesnostmi), ? značná a souvislé proměnná poddajnost obráběných dílů – velmi tenké lopatky jsou nejen značně poddajné, ale při opracování dochází často k jejich rozkmitání při souvisle proměnných hodnotách, ? vliv deformací vznikající jako důsledek opracování (hrubování) a z toho vyplývající nutnost zařazovat tepelné zpracování dílů pro odstranění pnutí v materiálu, a to individuálně v závislosti jak na použitém materiálu dílu, tak na způsobu opracování, ? vlivem zadané geometrie dochází často během práce nástroje k reverzaci souvislého pohybu nástroje podél opracovávané plochy – při tom se negativně projevují vůle v pohonech s viditelnými stopami na opracovávaných plochách, ? neexistují běžně postprocesory umožňující dodržovat vhodné technologické podmínky v celých rozsazích práce nástrojů. S ohledem na uvedené je tedy nezbytné, aby při práci uvedeného zaměření bylo k dispozici pracoviště s adekvátním vybavením technickými i programovacími prostředky, ale především dostatečným množstvím vzdělaných a zkušených pracovníků, kteří jsou schopni plnit a ve vzájemném propojení aplikovat znalosti v oboru systémového programování, modelování ploch, NC programování, nástrojů, technologie, materiálového inženýrství a měření. Všechna tato profesní hlediska velmi významně ovlivňují finální produkt; podcenění kteréhokoli může významně negativně ovlivnit finální produkt, který je charakterizován vysokou přidanou hodnotou a je i měřítkem technologické vyspělosti. Vysoké požadavky nejsou kladeny jen na práce při souvislém pětiosém obrábění, ale i na měření geometrické přesnosti vytvářených ploch. Skutečnost, že nevystačíme s obvyklými měřicími pomůckami, je přirozená; na tato měření je nutné používat souřadnicový měřicí stroj s podobnou kinematickou strukturou, tedy tři lineární a dvě rotační osy. Ten musí být vybaven dostatečně mocným programovým vybavením, umožňujícím pracovat s modely měřených dílů s tím, že musí umožňovat najetí měřicí sondy po normále v určených bodech k měřeným plochám, a to i v případech bodu obtížně dostupných. Uvedené měřicí vybavení musí tedy splňovat nejen vysoké nároky z hlediska technických a programovacích prostředků, ale vyžadují i vzdělanou, profesionální obsluhu s dostatečnými zkušenostmi ve sledované problematice (vzhledem k řadě realizovaných geometrických transformací a přepočtů je však vždy nezbytné dosažené výrobky podrobit důsledné kontrole). Jako příklad výsledků měření přesnosti tvaru lopatek u oběžného kola radiálního kompresoru je prezentován protokol měření prvého ladicího kusu; část „chyb“ (pohybujících se často v řádu mikronů) je pečlivým doladěním řídicích programů odstranitelná. Část chyb je však poplatná zadání, matematickým zákonitostem a meridiálnímu způsobu obrábění a tato část chyb je neodstranitelná. Je dobré respektovat, že geometrický tvar lopatek je určován také opakovaným mezioperačním tepelným zpracováním, dále zbytkovými napětími v materiálu, funkcí času a nakonec pracovním zatížením při provozu na velmi vysokých otáčkách. Z uvedeného příkladu je zřejmé, že problém přesnosti výroby geometricky složitých ploch při pětiosém obrábění má řadu specifik a provází ho ve všech jeho fázích požadavek nejen adekvátního vybavení, ale především splnění požadavků vysoké odbornosti a zkušenosti na všech úrovních zúčastněných pracovníků. OBRABĚNI VELMI MALYMI NASTROJI V oblasti obrábění velmi malými nástroji je kritickou operací především frézování nástroji s definovanou geometrií břitu o průměrech přibližně od 0,1 do 3 mm, tzv. mikrofrézování. Mikrofrézováním, jehož aplikace se nalézá především v oblasti procesů gravírování nebo výrobě jemných a často tvarově komplikovaných prvků forem, lze výrazně zproduktivnit, zkvalitnit a v konečném důsledku i zlevnit výrobu v porovnání s jinými výrobními technologiemi (elektroerozivní obrábění, laser). Frézování malými nástroji má však svá specifika a omezení, které je třeba si před jejich použitím uvědomit. První klíčovou věcí je samotná výroba řezného nástroje. Dnes nabízené mikrofrézy mohou být jak válcové, toroidní, tak i kulové. Více než u fréz větších průměrů je přitom třeba při výrobě mikrofréz pečlivě zvažovat volbu řezného materiálu nástroje (optimální kombinace houževnatosti a otěruvzdornosti), povlaku (skladba a především tloušťka povlaku, která ovlivňuje účinnost ochrany břitu i velikost silového zatížení nástroje v řezu) a v neposlední řadě i samotné geometrie břitu a přesnosti výroby nástroje. Při výrobě těchto nástrojů je proto třeba nasadit kvalitnější a často i speciální výrobní postupy než u nástrojů větších průměrů, jako je například volba extrémně jemného karbidového substrátu, přesné a reprodukovatelné broušení nástroje, povlakování bez tvorby kapek na povrchu povlaku apod. Neméně důležitým faktorem je volba optimálních řezných podmínek pro daný nástroj. Mikrofrézování lze dnes s úspěchem aplikovat prakticky na všech typech běžně obráběných materiálů – hliník, měď a jejich slitiny, ocel, kalená ocel (až 60 HRC), těžkoobrobitelné materiály (např. titanové slitiny). Pro každý materiál a jeho tepelné zpracování je specifické nastavení řezných podmínek v podobě hloubek řezu, otáček a posuvové rychlosti. Pro využití potenciálu mikronástrojů je nezbytné především dosažení dostatečných řezných rychlostí prostřednictvím vysokootáčkových vřeten s otáčkami běžně v řádech desítek, někdy i stovek tisíc otáček za minutu. Vedle nastavení optimálních podmínek je třeba při samotné aplikaci dodržet další doporučení a zásady. K těm nejdůležitějším patří především kontrola házení nástroje a jeho jednotlivých břitů, a to nejlépe přímo upnutého v obráběcím stroji, pečlivá inspekce stavu a opotřebení břitu nástroje v průběhu jeho používání. V neposlední řadě je třeba také dbát na důkladné odstraňování třísek z místa řezu (nejlépe tlakovým vzduchem) a vyvarovat se použití nástrojů se zbytečně dlouhým vyložením. Právě při dodržování zásad správného používání mikronástrojů může jejich uživatel očekávat další zvýšení produktivity v případě požadavku i kvality výroby nebo snížení výrobních nákladů. STROJE PRO MIKROOBRABĚNI A JEJICH UŽITI Nyní se dále podíváme na stroje pro přesné obrábění, tedy na stroje pro mikroobrábění. Přesné obrábění „řady mikro“ se stává významně důležité v mnoha průmyslových odvětvích, kde současné technologie obrábění již naráží na své hranice. Přímo samotná technologie mikroobrábění umožňuje opracovat a dokončit součásti s tolerancemi v řádech mikro/nano a s drsností povrchu v hodnotách desítek nanometrů. Dosahování těchto parametrů je potřeba především v dnešní době, kdy se vše kolem nás stále zmenšuje a současně stoupá množství spotřební elektroniky s extrémní integrací takto vyráběných komponentů. Tyto obráběné komponenty, s vysoce přesně dokončovanými povrchy, mají širokou škálu uplatnění nejen ve strojírenství, ale i v oborech jako je např. optika, biomedicína, optoelektronika a v mnoha dalších oborech. Je tedy patrné, že v tomto směru stoupají nároky kladené na příslušnou výrobní techniku. S ohledem na požadovanou vysokou přesnost obrábění jsou na strojích uplatňovány nejpokročilejší metody a technologie z oboru přesných strojních zařízení. Jedním z předních vlivů na přesnost u této kategorie strojů je jeho ovlivnění teplotními deformacemi. Hlavním úkolem je tedy zajištění teplotní stability celého stroje, a tím zabránění vzniku teplotních odchylek. Dosáhneme toho sledováním aktuálních teplot, aktivním chlazením a různými konstrukčními řešeními. Pro příklad můžeme uvést symetrickou stavbu stroje, uplatňování nekonvenčních materiálů apod. Dá se říci, že každý výrobce strojů má na svém stroji nějaké unikátní technické řešené. Jedním ze zástupců pro mikroobrábění jsou stroje od tradičního evropského výrobce obráběcích strojů Röders GmbH. Tento výrobce nabízí sérii obráběcích center pro velmi přesné obrábění označovanou RXP a RHP (obr. 4). Tyto stroje jsou dostupné ve třech řadách – 500, 600 a 800, kde označení odpovídá přibližně šířce stolu. Stroje jsou koncipovány jako vertikální portálová centra. Stojan je umístěn na šikmém rámu a ze zadní strany uzavřený. U série strojů RHP jsou všechny pohybové osy poháněny přímými lineárními pohony a uložení os je realizováno na hydrostatickém vedení. Vyvažování v ose Z je uskutečněné s použitím patentovaného pneumatického systému s minimálními pasivními odpory. Nechybí přesná kontrola a řízení teploty, temperace chladicí emulze, oleje nebo tepelné odstínění skeletu. Dále například vysoce přesná teplotní kompenzace vřetene, rovněž i zabudované čištění a měření nástroje. Výrobce umožňuje během pracovního procesu kombinaci frézování, souřadnicového broušení a inprocesní měření obrobku na jedno upnutí. Z řady ultrapřesného obrábění je možno představit stroj NN1000 DCG (obr. 5) od významného výrobce DMG/Mori Seiki. Tento stroj je určený pro nejpřesnější pětiosé frézování v submikronové oblasti. Stroj je využívaný v optickém průmyslu a při obrábění forem a raznic. Jedná se o originální koncepci stroje s dvoustupňovou antivibrační ochranou. Samotná struktura se skládá ze svařovaného rámu, na kterém je na aktivních pneumatických prvcích uložen granitový blok. Na tomto bloku jsou postaveny všechny pohyblivé osy. Provedení je realizované s využitím nejmodernějších materiálů, jako je keramika a dural. Keramika je zde použita pro obložení aerostatického vedení. Dále je zde u pohyblivých os využita technologie výrobcem označená jako DDM (Direct Drive Motor) a DCG (Driver at the Center of Gravity). Jedná se o využití přímých pohonů, lineárních a prstencových motorů s působením přímo v těžišti. Všechny pohony jsou zde zdvojené a uspořádané čistě symetricky. Výjimkou jsou rotační osy C a A. Osa A je navíc vyvažovaná protizávažím. Z hlediska nástrojového vybavení je stroj velmi specifický. Pracuje pouze s jednobřitým diamantovým nástrojem a není zde možnost automatické výměny nástrojů a obrobků. Ve standardním vybavení se dodává pneumatické vřeteno s otáčkami 56 000 ot/min. Alternativně je k dispozici vřeteno s úctyhodnými otáčkami až do 160 000 ot/min. PŘIDAVNY ODMĚŘOVACI SYSTEM PRO VELKE STROJE Problematika velmi přesného obrábění se v současné době již netýká jen malých strojů, ale se vzrůstajícím tlakem zákazníků se přesouvá také do oblasti velkých strojů. V oblasti velkých strojů jsou však obdobné požadavky na zvýšenou přesnost jako u malých strojů velice obtížně splnitelné, neboť zde dochází k řádově větším deformacím vlivem vnějšího působení a vlivem nepřesnosti vlastní geometrie velkého stroje. V oblasti velkých stojů se obecně nabízejí dvě možnosti, jak zvýšené přesnosti dosáhnout. První z nich představuje značnou konstrukční úpravu celého stroje tak, aby se co nejvíce eliminovaly deformace způsobené od zatěžujících sil a teplotního působení. Spolu s tím je nutné zajistit velmi přesnou výrobu jednotlivých částí takového stroje a jejich vlastní montáž, což je velice finančně i časově náročné. Výsledek takovéto úpravy navíc může být jen krátkodobý, protože stroj nedokáže pružně reagovat na svůj aktuální stav. Druhou možností je kompenzace skutečného aktuálního stavu stroje a tím i eliminace vzniklé nepřesnosti. V takovémto případě je ale nutné aktuální stav stroje identifikovat s dostatečnou přesností a s dostatečně velkou rychlostí. Pro tento účel byla ve Výzkumném centru pro výrobní techniku a technologii (VCSVTT) při ČVUT v Praze, Fakultě strojní a ve spolupráci s TOS VARNSDORF a.s. v rámci projektu „Mechatronický koncept vodorovných strojů“ vyvinuta technologie přídavných odměřování. Tato přídavná odměřování umožňují identifikaci deformace klíčových částí stroje, které jsou na klasickém obráběcím stroji pouze se standardně instalovanými odměřováními nezjistitelné. Z informací poskytnutých přídavnými odměřováními je poté rekonstruována skutečná poloha konce nástroje vůči obrobku a na základě této informace je zaslána kompenzace přímo do řídicího systému stroje. Ten provede potřebnou kompenzaci v dané pohybové ose a ustaví tak nástroj do požadované polohy vůči obrobku. Přídavná odměřování využívají zejména optických metod měření polohy ve spojení s díly z nekonvenčních materiálů s minimální teplotní roztažností. Konkrétně je zde hojně využito metod laserové interferometrie a přímosti laserového paprsku, které ve spojení s vysoce přesnými snímači umožňují identifikaci deformace stroje s vysokou přesností. Implementace technologie přídavných odměřování na velké obráběcí stroje umožňuje zvýšení jejich přesnosti v závislosti na způsobu použití až o desítky procent. ZAVĚR Téma přesnosti výroby obrobků na obráběcích strojích je velmi široké. V uvedeném přehledu jsme se pokusili nastínit tuto pestrost představením několika témat technologických i konstruktérských, které s problematikou přesnosti souvisí. Tím nejdůležitějším, co jsme se snažili popsat, je apel na výrobce strojů a hlavně na jejich uživatele, aby při pohledu na výsledek nepřesného obrábění, dokázali vzít do úvahy všechny potenciální „podezřelé“ jak ze strany stroje, technologie i prostředí a dokázali být kritičtí při svých úvahách a tak se racionální cestou dobrali ke skutečným příčinám nepřesnosti. V případě nutnosti a potřeby je možné se také obracet na specializovaná pracoviště jako je VCSVTT nebo VUOS a hledat příčiny s experty na tuto problematiku. Ing. Jan Smolík, Ph.D. a kol. autorů Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (Jaroslav Rybín, Pavel Zeman, Tomáš Zavázal, Jiří Švéda)