Český model výzkumu obráběcích strojů podporují granty i podniky Na podporu výzkumu a vývoje obráběcích strojů bylo před dvěma lety založeno při Českém vysokém učení technickém (ČVUT) v Praze Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii.
Český model výzkumu obráběcích strojů podporují granty i podniky
Na podporu výzkumu a vývoje obráběcích strojů bylo před dvěma lety založeno při Českém vysokém učení technickém (ČVUT) v Praze Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii.
Ke vzniku moderně koncipované výzkumné instituce významně přispěla podpora ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy a podniků Svazu strojírenské techniky. Centrum je součástí strojní fakulty ČVUT a má pobočky u Vysokého učení technického (VUT) v Brně a teorie pohonů Technické univerzity (TU) v Liberci. Z ročního rozpočtu 38 milionů korun centrum hradí všechny náklady včetně mezd a režie. Investice spotřebují přibližně jednu jeho polovinu. V hlavním sídle v Praze na Albertově je dnes zaměstnáno 30 lidí (s pobočkami celkem 37), jejichž činnost je v zásadě dána schváleným projektem výzkumu s označením LN100B28. Jeho cílem je do roku 2004 vybudovat centrum do plně funkční podoby. Projekt zahrnuje témata, která se v odborných kruzích považují za aktuální. Jsou to:
* konstrukce výkonných obráběcí strojů,
* obrábění vysokými řeznými rychlostmi a posuvy,
* návrhy pohonů obráběcích strojů a jejich optimalizace,
* laserové obráběcí technologie,
* programování pětiosého obrábění,
* měření vlastností obráběcích strojů novými metodami a
* diagnostika.
Při naplnění projektu je nezbytná široká spolupráce s průmyslem, která již začala spoluprací na přípravě konkrétních zadání. Jedním z úkolů, které projekt obsahuje, je vychovávat mladé odborníky a manažery pro strojírenský průmysl v doktorandském studiu.
Konstrukce, výpočty, modelování, prototyping
V Centru již působí pracovní skupina zaměřená na vývoj konstrukčních celků a jejich výpočtovou analýzu. Je zaměřena na vývoj komplexních celků, jako jsou stroje, zkušební zařízení, skupiny a podobně. Pro podporu konstrukčních prací využívá velmi efektivně výpočtové systémy pro řešení úloh metodou konečných prvků (MKP). Skupina vývoje spolupracuje se skupinou pohonů, která zajišťuje podporu v oblasti analytických výpočtů a dynamických simulací. Intenzivně spolupracuje se skupinou diagnostiky a měření, která provádí potřebná měření reálných konstrukcí nebo modelů, sloužících pro verifikaci MKP modelů nebo jako zdroje okrajových podmínek pro tyto modely. Jako hlavní vývojový prostředek je využíván komplexní CAx systém I-DEAS. Všichni členové vývojového týmu jsou schopni nejen konstrukčních prací (modelování, tvorba sestav a výkresů), ale také práce s jednoduššími MKP modely. Někteří se pak specializují na náročné úlohy, řešené jednak v MKP modulu I-DEAS, ale také v systému ANSYS. V Testing modulu systému I-DEAS jsou pak zpracovávány výsledky měření skupiny diagnostiky a prováděna korelační analýza mezi výpočtovým MKP modelem a měřením. Svým zaměřením je skupina vývoje orientována především na úlohy z oblasti obráběcích strojů, ale je schopna řešit obecně jakékoli vývojové úkoly z blízkých oblastí. Moderní způsob vývoje, pomocí integrovaného CAx systému s robustním databázovým jádrem takto umožňuje ve spolupráci s týmem specializovaných odborníků velmi rychlý a efektivní vývoj nových konstrukcí a realizaci rozsáhlých výpočtových modelů. (obr. 1 a 2)
Servopohony, návrh podle simulace
Kvalita návrhu pohonu obráběcího stroje je jedním z nejdůležitějších faktorů ovlivňujících výslednou přesnost obrobku a produktivitu stroje. Častou příčinou problémů bývají špatné dynamické vlastnosti pohonu, které jsou ovlivňovány vzájemným působením mechanických dílů, elektrického pohonu a regulační smyčky. Sestavením funkčního simulačního modelu pohonu os je možné, již ve fázi návrhu nejvhodnějšího pohonu, predikovat a optimalizovat jeho vlastnosti, čímž lze značně snížit nákladné prototypové zkoušky. Centrum využívá pro tvorbu simulačních modelů programového prostředí MATLAB/SIMULING a DYNAST, které umožní provádět jak časovou, tak frekvenční analýzu vyšetřovaného pohonu. Do součané doby centrum shromáždilo poměrně bohaté zkušenosti se simulací přímých pohonů (lineárních, rotačních i prstencových) a pracuje na složitějších modelech pohonů nepřímých (např. s kuličkovým šroubem) a na zahrnutí vzájemné interakce pohonu a rámu stroje. (obr. 3 a 4)
Laser pro obrábění
Obrábění laserem je dalším z témat, na kterém dnes pracuje řada výzkumných institucí ve světě. Ani centrum nezůstává pozadu. Na letošním 44. MSV a 3. IMT, v brněnském pavilonu V, ve stánku ČVUT (č. 54) bude možné vidět výsledek naší spolupráce s podnikem Kovosvit MAS, a.s., a firmou MediCom, a.s., Praha. Vyvinuté obráběcí centrum s typovým označením MCVL 1000 LASER je v Kovosvitu připraveno k sériové výrobě. Základem je běžně dodávané a v praxi osvědčené obráběcí centrum, u kterého je na vřeteníku vedle vřetena umístěn Nd:YAG laser. Toto uspořádání umožňuje provádět na jednom stroji na jedno upnutí obrobku pětiosé obrábění běžnými řeznými nástroji a následně laserové technologie, např. mikrofrézování, příp. popisování paprskem laseru. Technicky zdařilé příslušenství - laser a naklápěcí stůl - zvyšuje asi o padesát procent cenu stroje na přibližně šest milionů korun. Stroj se uplatní v kusové i sériové výrobě přesných, tvarově složitých součástí, při výrobě forem, zápustek a při komplexním obrábění plochých a skříňových součástí z kovových materiálů i plastů. Při třískovém obrábění lze frézovat libovolné prostorové plochy rovinné, šikmé a kruhové, vrtat a vyvrtávat přesné díry. Pomocí vestavěného laseru o výstupním výkonu 60 W se rozšiřují možnosti využití stroje nejen o mikrofrézování jemných tvarově složitých obrazců. Může rovněž označovat výrobky požadovaným popisem, čárovým kódem, logem výrobce apod. Použije-li se laser o větším výstupním výkonu, může stroj řezat drážky a vytvářet dutiny, svařovat, tepelně zpracovávat a nanášet povlaky. (obr. 5)
Výzkum pětiosého obrábění
Pro obrábění složitých prostorových tvarů obrobků se dnes ve světě používá technologie, kdy pohyb břitu řezného nástroje po prostorové křivce je řízen současně pěti servopohony. Pro zkoušky pracovní přesnosti pětiosého obráběcího stroje vyvinula skupina programátorů a technologů, ve spolupráci s našimi výrobci frézovacích center, testovací obrobek. Na něm musí být vzory všech důležitých ploch, které přichází v úvahu pro použití stroje. (obr. 6) Obrábění kovových prototypů zkušebního obrobku uvidí návštěvníci brněnského veletrhu přímo ve stánku na stejném stroji jako laser. Tím ovšem práce v tomto oboru nekončí. Právě naopak! Z Brna se stroj stěhuje do nové, upravené laboratoře na Albertově, kde budou pokračovat experimenty s pětiosým obráběním a další zkoušky obrábění laserem.
Technologie obrábění
Technologická skupina se v současné době věnuje výzkumu třískového rychlostního obrábění. Výzkum je soustředěn zejména na frézovací operace při obrábění různých typů hliníkových slitin. Těch především proto, že jsou často využívány v automobilovém a leteckém průmyslu. Je řešeno několik konkrétních úkolů, mezi které patří měření teploty řezání, což je vlastně průměrná teplota stykových míst na rozhraní nástroj - obrobek. Teplota je určována pomocí snímání termoelektrického napětí z tzv. přirozeného termočlánku. (obr. 7) Další oblastí je bezdotykové měření teploty a určení rozložení teplotního pole při obrábění, a to v blízkém okolí nástroje a obrobku pomocí termokamery. K hlavním cílům patří rovněž výzkum plastických deformací materiálu obrobku při obrábění. Jde o studium ukončených změn po obrábění, na základě zkoumání kořenů třísek. Kořen třísky je v podstatě část materiálu obrobku i s vytvořenou třískou, která nebyla pomocí speciálního zařízení, tzv. přerušovače řezu, od obráběného materiálu oddělena. Snímek elektrolyticky vyleštěného kořene třísky, který byl získán přerušovačem řezu pro frézování je vidět na obr. 8.
Zkoušení vlastností obráběcích strojů
Obráběcí stroje se dnes hodnotí podle řezného výkonu, dlouhodobě udržitelné přesnosti, spolehlivosti a také podle bezpečnosti a hygienických kritérií, k nímž patří zejména hlučnost, emise olejů, plynů a aerosolů. Pod těmito pojmy se skrývá celá řada náročných měření. Po dohodě s podniky byla laboratoř Centra vybavena pro měření vyžadující nákladná zařízení a specializovanou obsluhu, což se jednotlivým podnikům nevyplácí koupit, protože jsou potřeba pouze při vývoji prototypů nebo při výskytu nenadálých problémů. Žádána jsou zejména měření teplotních polí v konkrétních případech. Znalost rozložení teplot ve stroji totiž odhalí zdroje nežádoucího tepla a pomůže konstruktérovi zlepšit pracovní přesnost stroje. K častým měřením patří i dynamické deformace rámů strojů za provozu. Tato metoda ukáže na relativně slabá místa konstrukce. Servisní měření v podnicích jsou často inspirací pro další výzkum v rámci projektu. Nestabilita obrábění je takovým příkladem. Jde o známý a častý problém zejména tam, kde se frézuje se štíhlými, hodně vyloženými nástroji. Nástroj i celý stroj se náhle během obrábění rozechvějí. Podrobné řešení je poměrně složité, avšak nákupem specializovaného měřicího zařízení se otevřela cesta k efektivnímu řešení těchto nepříjemných jevů. Vše vysvětlíme podle diagramu stability. (obr. 10) V jeho horní části je křivka závislosti stabilní hloubky řezu, tj. hloubky bez chvění, na otáčkách nástroje. Stabilní hloubka je na otáčkách velmi silně závislá. Diagram potřebuje technolog a programátor NC stroje, případně i obsluha k tomu, aby zvolili otáčky, kterým odpovídá největší stabilní hloubka řezu a tedy i největší řezný výkon stroje. Nejlepší otáčky ukazují špičky křivky v dolní části obrázku. Protože rozdíly ve výkonnosti stroje při špatné a dobré volbě technologie jsou značné, vyplatí se rozhodně znalost takového diagramu. K měření geometrické přesnosti a malých deformací je zkušebna vybavena laserinterferometrem a CCD kamerou.
