Tlumením vibrací k vyšším výkonům - část II.
FRÉZOVACÍ APLIKACE
Nástroje
Frézovací nástroje jsou mimo již uvedené obecné faktory v části I. ovlivněny úhlem nastavení, a tedy směrem působení řezné síly, poměrem průměru frézy k radiální hloubce řezu, počtem a rozmístěním zubů i řeznou geometrií frézy, resp. břitové destičky. Se stoupajícím úhlem nastavení stoupá radiální složka řezné síly a klesá složka axiální; proto je zapotřebí dát přednost malým úhlům nastavení v kombinaci s co možno nejmenším vyložením nástroje. I pro nástroje s vyložením 3xD mohou být účinné tlumené nástroje; pro vyložení 4xD se uvádí zvýšení produktivity až o 50 %, díky možnému zvýšení řezných parametrů. Pro vyložení větší než 6xD se již bez užití tlumených nástrojů neobejdeme (Sandvik Coromant Silent Tools, Korloy Damping Pro, Seco Steadyline - obr. 1).
Pro vyšší tuhost se nově nabízejí i tvrdokovové monolitní držáky vyměnitelných frézovacích hlaviček (Mitsubishi iMX); podmínkou jejich úspěšného nasazení byl úspěšný vývoj jedinečného šroubového spojení tvrdokovové hlavičky a tvrdokovového držáku. Použitím nástrojů o menším průměru se snižuje potřebný krouticí moment i velikost řezné síly; je záhodno volit poměr průměru frézy k radiální hloubce řezu menší, než je příslušná maximální hodnota, a rovněž volit průměr frézy jen o málo větší, než je průměr držáku v její blízkosti, je však nutno nalézt optimum vzhledem k požadovanému úběru. Řezná geometrie se s ohledem na velikost řezné síly volí pozitivní, jako pro střední nebo dokončovací operace. Pro tlumené nástroje typu Silent Tools se zabudovaným, trvale naladěným tlumicím systémem s olejovou náplní, je nutno pro maximální účinnost tlumení respektovat doporučení výrobce pro mezní vyložení nástroje, maximální povolené otáčky a s ohledem na olejovou náplň tlumiče ctít maximální doporučené pracovní teploty. Platí, že z hlediska náchylnosti ke vzniku vibrací je výhodnější používat nástroje s menším počtem zubů.
Snižování velikosti budicí síly, zvýšení odolnosti nástroje proti vibracím
Pozitivní řezná geometrie a nízký úhel nastavení vedou ke snížení radiální složky řezné síly, tedy složky, působící ve směru nejmenší tuhosti nástroje; dalším efektivním opatřením je použití nerovnoměrné rozteče zubů a nestejného stoupání šroubovice. Rozdíly činí jen několik málo stupňů, ale mají významný vliv. Tato opatření jsou běžná u tzv. antivibračních stopkových fréz - např. Korloy V-Endmill, Sumitomo SSEHVL (obr. 2), ale můžeme je nalézt také u kotoučových fréz. Stopkové frézy Iscar HM90 E90AD, čelní frézy Iscar HM90 F90A nebo nástrčné HeliMill mohou být osazeny destičkami v provedení Chatterfree, které mají asymetrický tvar se dvěma různými řeznými hranami, rozlišenými barvou. Jejich střídavým osazením v tělese frézy se dosahuje stejného účinku jako mají antivibrační monolitické stopkové frézy. V provedení Chatterfree se již dodávají i vyměnitelné frézovací hlavičky. Antivibrační efekt vykazují rovněž tangenciální břitové destičky s děleným ostřím Iscar HeliTang T490, které se vyznačují na protilehlých stranách různým počtem drážek, jež ostří přerušují (obr. 3); střídavou montáží se snižuje harmonická budicí síla. Dalším možným opatřením je užití fréz s vlnovým tvarem destičky (Tungaloy RoudSplit). Tělesa fréz s tangenciálně upnutými destičkami se vyznačují maximální tuhostí díky velkému průřezu materiálu v těle frézy, a tím i větší odolností proti vzniku vibrací. Pokud je nutno pro práci s velkým vyložením použít prodlužovací nástavce, je třeba volit nástavce s maximálním průměrem (postačuje odsazení 1 mm od vnějšího průměru frézy) a s minimální délkou (obr. 4). Při opracování hlubokých dutin je pro poslední průchod nástroje účelné provést jeho výměnu za nástroj s velkým prodlužovacím nástavcem.
Volba metody obrábění
Snížit riziko vzniku vibrací pomůže několik zásad. Je důležitý plynulý nájezd frézy do záběru - buď výrazným snížením rychlosti posuvu, nebo odvalovacím způsobem, kterým lze řešit i nežádoucí velkou třísku na výstupu z řezu; v tom případě lze volit vyšší rychlost posuvu a prodlouží se životnost nástroje. Ve vztahu k obráběné ploše musí být fréza umístěna excentricky a během práce musí zůstat stále v řezu. Proto pro trvalou stabilitu procesu je účelné volit při průchodu kolem rohů odvalovací pohyb.
Při frézování rohů se zvyšuje radiální oblouk záběru, což zatěžuje břit a zhoršuje stabilitu procesu. Proto průměr frézy musí být vždy menší než průměr rohu; v rozích je účelné volit dostatečně velký poloměr dráhy nástroje. Při čelním frézování je výhodné používat malou hloubku řezu ap a velký posuv na zub fz. Čím větší je hloubka řezu ap, tím důležitější je snížení řezné rychlosti s ohledem na omezení sklonů k vibracím; dojde-li k vibracím, je nutno snížit řeznou rychlost a zvýšit posuv na zub. Pokud je tloušťka třísky příliš malá, nástroj neřeže, ale odírá se o povrch a vibruje - v takovém případě je nutno zvýšit posuv na zub. Při zhotovování drážek je nejmenší sklon k vibracím použije-li se metoda ponorného frézování anebo při trochoidálním frézování.
OPATŘENÍ PROTI VIBRACÍM NA STRANĚ STROJE A UPÍNAČE OBROBKU
Stroj Pro obráběcí aplikace s nebezpečím vzniku vibrací je nutno volit obráběcí stroj s dobrým stavem ložisek vřetena a mechanismů posuvu, protože špatný stav ložisek může nejen generovat nežádoucí kmity a vibrace, ale zhoršuje významným způsobem tuhost stroje, čímž zvyšuje jeho sklon k vibracím. Každé vřeteno stroje má oblasti otáček s nižším sklonem k vibracím, tzv. pásy stability a oblasti nárůstu sklonu k vibracím. Tyto oblasti jsou u moderních high-tech strojů detekovány softwarem, u ostatních je lze zjistit experimentálně. Poté i malé zvýšení otáček - řádově o 50 min-1 může změnit obráběcí proces z nestabilního na stabilní.
Upínač nástroje a obrobku
Nedostatečná tuhost upínacího přípravku či špatná tuhost obrobku v radiálním směru mohou vést ke vzniku vibrací, proto je zapotřebí provést analýzu směru řezných sil a tuhosti obrobku a volit potřebnou oporu nebo úpravu upínacího přípravku či zvážit možnost vhodnější kombinace radiálních a axiálních řezných sil, volit frézu s hrubou zubovou roztečí a nerovnoměrným rozdělením zubů či změnit řezné podmínky s cílem snížit axiální složku řezné síly.
Upínače nástroje pro obrábění s rizikem nežádoucích vibrací by se měly vyznačovat minimálním vyložením a maximální tuhostí. Je nutno si uvědomit, že délka vyložení nástroje se neposuzuje od čela upínače, ale od místa, kde dochází k tuhému sevření nástroje - tedy u upínačů tepelně smrštitelných od čela upínače, ale u upínačů typu Weldon od prvého upínacího šroubu pouzdra! Především pro práci v hlubokých dutinách s vysokými požadavky na tuhost nabízí firma Haimer tepelně smrštitelné upínače Power Shrink Chuck, které se vyznačují osazením přední části a zesílenou zadní částí tak, aby se mohl plně využít disponibilní prostor pro nástroj a upínač mohl mít maximálně možný průměr, a tedy i tuhost. Tyto upínače se rovněž vyznačují vysokou schopností tlumit vibrace.
Pro náročné aplikace nabízí firma rovněž kleštinové upínače Power Collet Chuck, upravené pro vyšší tuhost s vyšší schopností tlumení. Hydraulické upínače Schunk Tribos-R, určené pro operace kde hrozí výskyt vibrací, mají upravenou vnější konturu pro vyšší tuhost a speciální systém komor obklopující upnutý nástroj je vyplněn tlumicí duroplastickou hmotou. Výsledkem všech těchto opatření jsou vysoké upínací síly, zvýšená radiální tuhost upínače a optimální tlumicí schopnosti. Vysokou přesností, tuhostí, schopností tlumit vibrace a možností upínat frézy i se stopkou Weldon se vyznačují upínače Iscar Hydrosure, kombinující hydraulické upínání s bočním upínáním Weldon.
Pro upnutí obrobku je třeba volit takový způsob, aby docházelo k optimálnímu zachycení směru a velikosti řezných sil, vznikajících v průběhu obrábění, a to jak z hlediska tuhosti obrobku, tak z hlediska tuhosti vlastního upnutí. Strategie a směr obrábění musí být voleny s ohledem na dosažení co nejstabilnějších podmínek obrábění.
EKONOMIKA
Ekonomiku navrhovaných opatření, tedy porovnání nákladů na opatření a přínosů, daných zvýšenou produkt ivitou, lze vyčísl it s použit ím ekonomických kalkulátorů, dodávaných výrobci tlumených nástrojů (např. Sandvik Coromant dodává pro své nástroje z rodiny Silent Tools kalkulátory pro soustružení, frézování a vyvrtávání).
Ing. Petr Borovan