Kombinace soustružení a superfinišování snižuje čas obrábění o 43%

Tlak konkurence v hospodářství a především ve strojírenství je odjakživa obrovský. Podniky – především malé a střední firmy – se musejí neustále dále rozvíjet, aby byly připraveny řešit výrobní úkoly ekonomicky a ve stále vyšší kvalitě.

Pokud už není možné dosáhnout na soustruhu obrábění v požadované kvalitě, představuje adaptace superfinišovací jednotky do obráběcího centra cenově vhodnou alternativu proti nutnosti vyvíjet nové centrum pro jemné obrábění. Kombinací více technologií do jednoho obráběcího centra se vytvoří zařízení pro kompletní obrobení součásti a vedle flexibility se zvyšuje také produktivita obráběcího stroje (obr. 1).

Často používanou kombinací technologií v obrábění je spojení tvrdého soustružení a broušení. Pokud nelze soustružením dosáhnout požadovanou kvalitu obrobení součásti, je nutné použít tech-nologii broušení. Jedna z důležitých výhod, kterou poskytuje kombinace technologií obrábění je, že se obrobí všechny plochy výrobku v požadované kvalitě na jedno upnutí, a tak se odstraní chyby vzniklé při přepínání obrobku na více strojů, odpadá několikeré polohování a transport a sníží se vedlejší časy.

Řešený výzkumný úkol se týkal vývoje a optimalizace výrobního procesu hřídele z hlediska dosažení požadované kvality opracování a se zřetelem na hospodárnou výrobu. Výsledky byly realizovány na standardním CNC soustruhu jako kombinace soustružení a superfinišování.

Superfiniš je často označován také jako mikrofiniš nebo honování s krátkým zdvihem. V normě DIN 8589, část 14, je definován jako obrábění s geometricky nedefinovaným ostřím. Pohyb stávají-cích mnohabřitých nástrojů s geometricky nedefinovaným ostřím je složen ze dvou pohybů. Jednu složku tvoří oscilace, druhou je posuv. Překrýváním složek pohybů vzniká na obrobku křížový výbrus typický pro superfiniš. Pro superfinišování je rozhodující kontakt ploch, případně tlak mezi obrobkem a nástrojem.

Superfinišování je v popisovaném použití řešeno jako jednostupňové obrábění, aby se zabránilo výměně pásu a s tím spojenému ztrátovému času v sériové výrobě. Byl vyvinut superfinišovací nástavec, který je kompaktní, má malou hmotnost, a proto je možné ho upnout do revolverové hlavy standardního soustruhu a zajistit komfortní obsluhu uvnitř i mimo prostor stroje. Výsledná drsnost povrchu u kombinace soustružení a superfinišování je značně závislá na času obrábění. Aby se výrobní technologie vyvíjela s ohledem na krátký výrobní čas, byla vzájemně sladěna kvalita předobrobeného povrchu (soustružení tvaru obrobku) a technologické parametry konečného obrobení (superfinišování vnějších ploch), čímž bylo bezpečně, opakovatelně a hospodárně dosahováno požadované jakosti obrobení Rz < 0,8 µm. Obr. 2 ukazuje jakost povrchu dosahovanou soustružením a jakost povrchu požadovanou při výrobě přesných hřídelí.

Obr. 2. Potřebné nástroje:
a) soustružnický nůž
b) superfinišovací jednotka
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Výroba rotačních symetrických obrobků se provádí na soustružnických centrech, které ve stan-dardním provedení nemají žádné upínací místo s pohonem nástroje.
Z tohoto důvodu bylo při vývoji nové superfinišovací jednotky jako adaptéru požadováno navrhnout a vyrobit jednoduchou poháněnou jednotku při zachování flexibility použití stávajícího stykového místa v upínači stroje. U stávajících superfinišovacích adaptérů byla přítlačná síla vyvozována zpravidla pneumaticky stlačeným vzduchem, což vedlo ke zvýšení spotřeby stlačeného vzduchu.

Pro realizaci inovovaného procesu jsou pro novou generaci adaptivních superfinišovacích jednotek rozhodující dvě konstrukční skupiny. Jedná se o lineární oscilátor ve spojení s mechanickým zařízením vyvozujícím přítlak a sloužícím k rozpojování systému ve směru přítlaku. Pomocí seřiditelné osy základního stroje můžeme nyní v žádané poloze vyvinout (přes tlačné pero a stavitelnou pružinu) požadovanou kvazistatickou přítlačnou silu. Vestavěný senzor tlaku umožňuje měřit okamžitou hodnotu přítlaku.

Superfinišovací jednotka se kromě jiného vyznačuje tuhým a kompaktním systémem, pomocí něhož je možné ji variabilně a rychle seřídit. Z obr. 3 je patrný způsob seřízení přítlačné síly. Výhodou tohoto konstrukčního provedení je snížení nákladů na energii. Princip Plug-and-Play byl realizován na normalizovaném upínacím místě revolverové hlavy.

Obr. 3. Zobrazení způsobu seřízení přítlačné síly
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Cílem řešení bylo optimalizovat kombinaci obrábění hřídelí soustružením a superfinišováním, při minimálním výrobním čase a při zajištění opakovatelnosti dosahované jakosti obrobeného povrchu v hodnotě Rz < 0,8 µm. K tomu bylo nutné sladit vzájemně obě výrobní technologie.

Za tím účelem byly prováděny experimenty s cílem zjistit vliv jednotlivých řezných podmínek superfinišování. Výsledky provedeného výzkumu rozhodující pro sladění času obrábění jsou na obr. 4.

Obr. 4. Výsledky ze základních zkoušek obrábění
Pro zvětšení klikněte na graf

Zde je vidět, že konečný výsledek ovlivňuje jakost povrchu po soustružení a čas superfinišování. Bylo nutné stanovit optimální jakost obrobeného povrchu po soustružení Rz, abychom získali co nejkratší čas při dokončovacím obrábění (superfinišování). Z diagramu je dále zřejmé, že optimální jakost obrobeného povrchu po soustružení je cca 3 µm, aby byl čas potřebný pro superfinišování délky hřídele 50 mm v jakosti obrobené plochy Rz < 0,8 µm 40 sekund. Jasně to ukazuje druhá série pokusů (VR2). Při hrubém povrchu po soustružení není možné dosáhnout požadované jakosti povrchu při jednostupňovém superfinišování. Zlepšení jakosti obrábění po soustružení, které dále snižuje čas superfinišování, je možné snížením posuvu, to ale zvyšuje čas soustružení. Optimální kompromis času obrábění potřebného pro dosažení konečné požadované jakosti obrobení ukázala druhá řada pokusů.

Aby se čas superfinišování dále zkracoval, byl během obrábění měněn posuv pásu. Na začátku superfinišování se pracovalo 20 sekund s poměrně velkým posuvem (60 mm.min^-1 ), aby se dosáhlo v co možná nejkratším čase vysokého úběru materiálu a rychlého zlepšení výchozí jakosti povrchu.

Následně provedl program změnu na malý posuv pásu (8 mm.min^-1) s cílem dosažení požadované jakosti obrobené plochy. Následné zařazení obrábění po dobu 10 sekund má za cíl odstranit špičky drsnosti, aby tak vznikl typický povrch po superfinišování. Ukazuje se, že se změnou posuvu pásu během obrábění je možné zapichovacím způsobem dále snížit čas obrábění o 10 sekund. Jednostupňovým superfinišováním je možné dosáhnout pětinásobné snížení drsnosti povrchu.
Na základě dosažených výsledků při obrábění lze jednoznačně konstatovat, že se dá s vyvinutou technologií kombinace soustružení a superfinišování vyrobit 827 mm dlouhá přesná hřídel (materiál: 42CrMo4) za 13 minut. Ve srovnání s dosud používaným výrobním postupem, jako je soustružení a broušení na dvou obráběcích centrech, je možné s vyvinutou technologií obrábět hřídel kompletně na jednom obráběcím centru a tak snížit výrobní čas o 43 % a zvýšit produktivitu.

Vyvinutá adaptivní superfinišovací jednotka s inovovanou strategií obrábění poskytuje mnoha uživatelům (obr. 5) z průmyslu atraktivní řešení umožňující zvýšit flexibilitu a produktivitu jejich strojního parku při malých investičních nákladech pouhou integrací vyvinuté technologie do stávajícího stroje.

Zdroj: MM Das Industrie Magazin č. 27, 2015

Harald Goldau, Burghard Genz a Steffen Münch, zpracoval J. Řasa

jar.rasa@seznam.cz