Vysoká řezná rychlost je přirozeným atributem při vysokorychlostním obrábění (HSM – High Speed Machining). Pochopitelně, přesnost nástroje je stejně důležitá; je vyžadována přesností obrábění, ale i mechanikou rychle se otáčejícího tělesa. Přesnost nástroje se v posledních letech stala důležitým parametrem k přehodnocení. Jaká je příčina? Proč je vysokorychlostní obrábění stále více prosazováno při operacích hrubování? Jak výrobci řezných nástrojů reagují a implementují svá řešení pro tyto konkrétní požadavky průmyslu?
Průmysl kovoobrábění si osvojil metodu vysokorychlostního obrábění (dále jen HSM) již v 90. letech minulého století. Tato metoda našla své uplatnění v různých odvětvích průmyslu a tím způsobila vážné změny v technologiích i ve vývoji řezných nástrojů. Všeobecně známé výhody metody HSM jsou opakovaně zmiňované v mnoha učebnicích, knihách, strojírenských časopisech a dalších zdrojích technických informací. Zájem o přesné vysokorychlostní obrábění je v poslední době značný, konkrétně o přesné nástroje a další charakteristické vlastnosti řezných nástrojů a upínacích systémů určených právě pro tento účel a metodu obrábění.
Definicí přesného obrábění je schopnost dodržení opakovatelnosti a vyhovění přísným tolerancím během celého procesu obrábění. Úroveň takové „přísnosti“ tolerance závisí na typu operace – například frézování, soustružení nebo vrtání – a také na konkrétním způsobu obrábění, ať už jde o hrubování, polodokončování a nebo dokončování. Technologický pokrok, zejména při výrobě obrobků, které slouží jako polotovary, klade zvláštní důraz na velmi přesné vysokorychlostní obrábění.
Procesy přesného odlévání, vstřikování kovů nebo 3D tisku zaručují, že vyrobené polotovary jsou již blízko finálnímu tvaru a rozměrům dané součástky. V důsledku toho klesá potřeba odstraňování velkého objemu přebytečného materiálu hrubováním. V oblasti výroby forem a zápustek je zavedení metody vysokorychlostního obrábění za účelem snížení výrobních časů skutečnou alternativou ke konvenčnímu způsobu obrábění. Použití nástrojů z řezné keramiky při extrémně vysokých řezných rychlostech, v kombinaci s nízkým úběrem materiálu, je při opracování těžko obrobitelných žáruvzdorných vysoce legovaných slitin v leteckém průmyslu dnes již standardem. Pokud jde o výrobu hliníkových komponent, zde je metoda HSM rovněž každodenní realitou.
Operace obrábění s nízkými úběrem materiálu na jeden průchod mají podstatné výhody, jako je menší spotřeba elektrické energie, nižší generované teplo a lepší drsnost povrchu. Přesné vysokorychlostní obrábění s nízkým úběrem materiálu je tedy logickým rozšířením výroby součástek přesnou moderní metodou. Metoda vysokorychlostního obrábění (HSM) je typická zejména pro obrábění s rotačním nástrojem – hlavně pro frézování. V mnoha případech, kdy je obráběný díl s komplexními tvary a drážkami vyráběn z jednoho kusu materiálu, poskytuje metoda HSM možnost vysoce produktivního hrubování způsobem trochoidního frézování. Tento způsob obrábění je charakteristický pohybem rychle rotující frézy ve složité trajektorii, během které jsou odebírány tenké ale široké vrstvy materiálu. Výsledkem je vytvarování součástky, která je velmi blízko konečné podoby. Zbývající minimální přídavek materiálu se odstraní v další fázi, kterou je dokončovací vysokorychlostní frézování. Výroba blisků a impellerů je typickým příkladem zmíněného procesu, který lze definovat i oxymorónickým termínem „přesné hrubování“.
Úspěch vysokorychlostního obrábění spočívá v řetězci klíčových prvků sestávajících z obráběcího stroje, účelně zvolené strategie obrábění, vhodného upnutí nástroje a samotného řezného nástroje. Víceosé obráběcí stroje s nižším výkonem, které jsou speciálně konstruovány pro vysokorychlostní obrábění, jsou charakteristické vysokým točivým momentem, vysokootáčkovým vřetenem, pokročilým programovým řízením a inteligentním softwarem. Takto vybavené stroje jsou schopné realizace mnoha strategií obrábění, které byly vyvinuty za účelem zajištění maximální efektivity. V současnosti má průmysl kovoobrábění mnoho vysoce spolehlivých systémů upnutí nástroje, které zaručují jejich bezpečné upínání v širokém rozsahu řezných rychlostí. Za těchto daných podmínek může být řezný nástroj, který je klíčovým prvkem přicházející do přímého kontaktu s obráběnou součástkou, limitujícím faktorem pro maximalizaci potenciálu pokročilých obráběcích strojů. A právě tento prvek je mnohem menší a méně složitý ve srovnání se strojem nebo upínačem. Každé vylepšení v tomto posledním článku řetězce – řezném nástroji – může být rozhodující. Průmysl řezných nástrojů nepodléhá stagnaci a přináší nová řešení na požadavky neustále se měnících technologií obrábění kovů.
Základní požadavky na řezné nástroje se časem ale zásadně nezměnily. Očekává se však, že nástroje budou odolnější proti opotřebení a efektivnější při výrazně vyšších řezných rychlostech a posuvech. Zpřísnění tolerancí obráběných součástek klade vysoké nároky na přesnost řezných nástrojů. Ideální nástroj je přesný a vysoce dynamicky vyvážený a podává optimální výkon v kombinaci s vysokou životností při obrábění při vysokých otáčkách. Firma ISCAR je věrná svému mottu „Where innovation never stops!“ („Kde inovace nikdy nekončí!“) a vyvinula nástrojové systémy a řešení, které přinášejí nový impuls koncepcím vysokorychlostního obrábění. Hned několik těchto inovací se týká oblasti monolitních karbidových nástrojů.
Více břitů a méně vibrací
Řada vícebřitých monolitních karbidových fréz „CHATTERFREE“, od společnosti ISCAR, byla speciálně navržena pro vysokorychlostní operace obrábění bez vibrací. Konstrukce těchto fréz se vyznačuje proměnlivým úhlem šroubovice, nestejnou zubovou roztečí a speciálně tvarovanou drážkou pro odvod třísky a jsou určeny pro polodokončování a dokončování vysokorychlostním frézováním a rovněž pro hrubovací operace trochoidní technikou frézování. Řada monolitních fréz CHATERFREE zahrnuje několik druhů stopkových fréz pro různé aplikace. Sedmibřité stopkové frézy vyrobené z ultra jemných karbidů jsou určeny pro obrábění kalených materiálů a operace dokončování. Univerzální vícebřité frézy jsou zajímavým konceptem fréz, podle kterého se počet zubů rovná jmenovitému průměru v mm. 7 a 9břité stopkové frézy byly původně navrženy pro trochoidní frézování komplexních dílů z titanu a dnes tvoří řadu nástrojů Ti-TURBO – toto označení odráží skutečnou „turbo“ rychlost odebírání materiálu při frézování titanu.
Jedním z posledních kroků vývoje této řady nástrojů je integrace děleného ostří (viz obr. 1) do konstrukce monolitních fréz. Nová geometrie má atypický vzhled. Metoda HSM tvoří tenkou třísku, kterou, jak se na první pohled může zdát, není třeba dále dělit. Nicméně drážky na ostří podstatně zvyšují odolnost vůči vibracím a snižují řezný odpor, čímž se výrazně zlepšuje schopnost nástroje provádět metodu trochoidního frézování a také to má pozitivní vliv na jeho výkon při velkém vyložení. Tříska tvořená při trochoidním frézování je tenká ale široká. Rozdělení třísky do užších segmentů přispívá nejen k jejímu lepšímu odvodu z místa řezu, ale také ke kvalitnějšímu povrchu. To má za následek vyšší přesnost a efektivnost nástroje během hrubování při vysokorychlostním obrábění (HSM).
Řezná keramika pro metodu HSM
S nástrojem z tvrdokovu se při konvenční metodě frézování vysokoteplotních superslitin (HTSA) vyžaduje použít nízké řezné rychlosti. Běžně se hodnota VC pohybuje mezi 20–40 m/min. Pro vysokorychlostní obrábění (HSM) s malým radiálním záběrem a šířkou řezu do 10 % průměru dané frézy (trochoidní frézování) je typická řezná rychlost 70–80 m/min. Kovoobráběcí průmysl neustále hledá způsoby, jak zvýšit produktivitu při obrábění součástek z vysokoteplotních superslitin a právě nízká řezná rychlost je překážkou v dosažení tohoto cíle. Řešení lze nalézt, použijeme-li řeznou keramiku jako materiál nástroje. Proto ISCAR vyvinul a v nedávné době uvedl na trh celokeramické stopkové frézy, které umožňují rapidní navýšení řezné rychlosti na hodnotu až 1000 m/min (při konvenční metodě frézování). Nové stopkové frézy jsou dostupné v rozsahu průměrů 6–20 mm a mají 3 nebo 7 břitů (viz obr. 2). V praxi se ukázalo, že použití keramických fréz výrazně zkracuje čas obrábění a umožňuje rychlé vyhrubování tvaru dílce pro další dokončovací operace.
Řada nástrojů MULTI-MASTER pro metodu HSM
Celokarbidový nástroj není pro vysokorychlostní frézování, s velkým vyložením nástroje, ekonomicky atraktivní volbou. Sestava nástroje složená ze stopky, na které je upnuta celokarbidová hlavice, je ale řešení, které je ekonomicky zajímavé. Právě tento přístup je základem nástrojového systému ISCAR MULTI-MASTER – řada nástrojů s vyměnitelnými karbidovými hlavicemi. Široká škála typů upínacích stopek, vyměnitelných hlavic, prodloužení a redukcí zajišťuje variabilitu konfigurací nástrojů a výrazně snižuje potřebu speciálních nástrojů. Jednou z největších výhod řady nástrojů MULTI-MASTER je princip výměny hlavice bez seřizovacích časů. Po výměně opotřebené hlavice za novou není nutné další odměřování nástroje nebo korekce v CNC programu. Další nespornou výhodou je možnost výměny přímo na tělese upnutém ve vřetenu stroje.
Díky vysoké tuhosti celé sestavy, dynamickému vyvážení nástroje a vysoké geometrické přesnosti je řada nástrojů MULTI-MASTER vhodná pro vysokorychlostní obrábění (HSM). Typickým příkladem takové aplikace je dokončovací frézování profilů na součástkách z kalených materiálů. Frézovací hlavička s označením „MM HBR“ (viz obr. 3) od společnosti ISCAR s úhlem opásání břitu 240° a přísnou tolerancí ISO h7 na průměr hlavice, byla speciálně vyvinuta pro tento typ operace.
Spolehlivé upnutí nástroje
Metodu vysokorychlostního obrábění (HSM) nelze aplikovat bez použití spolehlivého, dynamicky vyváženého a přesného upnutí nástroje. Tepelné upínače patří k nejoblíbenějším typům upínacích systémů. Řada tepelných upínačů SHRINKIN společnosti ISCAR byla doplněna o tepelné upínače řady X-STREAM s kanálky pro vysokotlaké chlazení. Nový typ upínačů umožňuje přívod chladicí kapaliny pod vysokým tlakem přímo k řezné hraně nástroje. Při obrábění leteckých komponentů metodou vysokorychlostního obrábění (například výše zmíněné blisky), dokáže přesně nasměrované chladivo podstatně zlepšit výkon. V případě obrábění s upínačem X-STREAM, při operacích s velkým vyložením v hlubokých dutinách, výrazně eliminujeme nežádoucí přeřezávání třísky a to právě díky lepší schopnosti odvádět přímo směrovaným proudem chladiva třísku z místa řezu. Tím docílíme i vyšší životnosti nástroje.
Přítomnost chladiva může být prostředkem k modernizaci nízkootáčkových obráběcích strojů. Pro tyto případy má ISCAR zrychlovací hlavu SPINJET s označením TJS. Jedná se o kompaktní chladivem poháněnou zrychlovací hlavu (viz obr. 4), která je schopná dosáhnout až 55 000 ot./min (v závislosti na tlaku kapaliny) a tím umožňuje aplikovat vysokorychlostní obrábění i na nízkootáčkových typech strojů, které jsou stále běžně ve většině provozů, avšak za předpokladu, že je stroj vybaven vysokotlakým systémem chlazení. Nejnižší tlak pro použití této hlavy je 20 barů a průtok 12 l/min. Systém je vhodný pro dokončovací operace frézování s průměrem nástroje 1–4 mm.
Měnící se technologie vyžadují nové koncepce obrábění: produktivnější, úspornější a udržitelnější. Vysokorychlostní obrábění se již osvědčilo jako metoda, která vyhovuje dnešním moderním průmyslovým potřebám. Pokrok ve výrobě součástek pomocí jiných než obráběcích procesů přináší zaměření na nízkoenergetické vysokorychlostní hrubování. Výrobci řezných nástrojů proto pociťují rostoucí požadavky na vhodné produkty. Je to jednoznačný trend, který by se měl bezpochyby zohlednit.
obr. 1.
obr. 2.
obr. 3.
obr. 4.
