obr1Mnoho súčasných trendov vo výrobe zväčšuje ťažkosti pri vytváraní presných otvorov a pri sústružení s predĺženými nástrojmi. Neustále rastie dopyt po zmenšovaní dovolených odchýlok a po spoľahlivej opakovateľnosti. Nové materiály obrobkov vysokej kvality sú náročnejšie na obrábanie a zvyšujú záťaž vyvíjanú na obrábacie systémy. S cieľom ušetriť čas a peniaze výrobcovia konsolidujú viacero dielov do jednodielnych monolitických obrobkov, ktoré si vyžadujú obrábanie hlbokých otvorov a sústruženie zložitých komponentov na obrábacích strojoch schopných vykonávať viacero úloh súčasne.


Výrobcovia, ktorí sa snažia tieto problémy prekonať, musia analyzovať všetky prvky svojich obrábacích systémov a použiť metódy a nástroje, ktoré zaručia úspech. Medzi kľúčové prvky patrí stabilita stroja, upínanie nástroja, upnutie obrobku a geometria rezného nástroja. Vo všeobecnosti platí, že pevné upnutie, tuhé nástroje a starostlivá aplikácia nástroja tvoria základ pre presné a produktívne vŕtanie a sústruženie s dlhým dosahom.
Hlavnými kandidátmi na využitie vynovených nástrojov a metód sú výrobcovia v oblasti ťažby ropy a zemného plynu, výroby elektrickej energie a leteckého priemyslu, pretože tu sa pravidelne vyskytujú veľké, zložité diely s prvkami, ktoré si vyžadujú použitie predĺžených nástrojov. Mnohé z týchto dielov sú vyrobené z pevných zliatin, ktoré sa ťažko obrábajú, pričom vznikajú vysoké rezné sily, ktoré vytvárajú vibrácie. Vo všeobecnosti môže zo zvýšenia produktivity a zníženia nákladov pri vŕtaní s dlhým dosahom profitovať takmer každý výrobca.

Vychyľovanie a vibrácie
Hĺbkové vŕtanie sa odlišuje od iných úkonov rezania v tom, že rezná hrana v otvore pracuje v dlhšej vzdialenosti od pripojenia k stroju. Vnútorné sústruženie s dlhým dosahom sa vyznačuje podobnými podmienkami a pri takomto vŕtaní aj sústružení sa môžu vyskytovať otvory s prerušovanými rezmi, napríklad v prípade obrobkov, ako sú skrine čerpadiel alebo kompresorov. Miera výsledného vyloženia nástroja závisí od hĺbky otvoru a môže mať za následok vychýlenie vŕtacej tyče alebo predĺženého nástroja na sústruženie.
Vychýlenie zväčšuje zmeny síl v procese rezania a môže spôsobiť vibrácie a chvenie, ktoré znižujú kvalitu povrchu dielov, spôsobujú rýchle opotrebovanie alebo lámanie rezných nástrojov a poškodenie komponentov obrábacieho stroja, napríklad vretena, pričom vzniká potreba nákladných opráv a dlhšie prestoje. Meniace sa sily vyplývajú z nevyváženosti komponentov stroja, nedostatočnej tuhosti systému alebo rezonančných vibrácií prvkov obrábacieho systému. Menia sa aj rezné tlaky, keďže na nástroj sa pri vytváraní a odlamovaní triesok periodicky vyvíja a uvoľňuje záťaž. Medzi negatívne účinky vibrácií pri obrábaní patrí nedokonalé opracovanie povrchu, nepresné rozmery otvorov, rýchle opotrebovanie nástroja, nižšia kvalita materiálu, zvýšenie výrobných nákladov a poškodenie držiakov nástrojov a obrábacích strojov.

Tuhosť stroja a upnutie obrobku
Základný prístup na obmedzenie vibrácií pri obrábaní počíta s maximalizáciou tuhosti prvkov obrábacieho systému. Na obmedzenie nechceného pohybu by obrábacie stroje mali obsahovať tuhé, ťažké konštrukčné prvky spevnené betónom alebo iným materiálom, ktorý pohlcuje vibrácie. Ložiská a puzdrá stroja musia byť pevné a tuhé.
Obrobky sa musia v obrábacom stroji presne umiestňovať a pevne zachytávať. Upínacie prvky musia byť navrhnuté predovšetkým s dôrazom na jednoduchosť a tuhosť a svorky by mali byť umiestnené čo najbližšie k priestoru rezania. Z pohľadu obrobku sú pri obrábaní náchylné na vibrácie tenkostenné alebo zvárané diely a časti bez opory. Diely sa dajú navrhnúť tak, aby boli tuhšie, ale takéto zmeny môžu viesť k vyššej hmotnosti a kompromisom z hľadiska výkonnosti obrábaného výrobku.

Upínanie nástrojov
S cieľom maximalizovať tuhosť musí byť vŕtacia alebo obrábacia tyč čo najkratšia, ale musí zostať dostatočne dlhá na opracovanie komponentu po celej dĺžke otvoru. Vŕtacia tyč by mala mať čo najväčší priemer, ktorý sa zmestí do otvoru, ale pritom umožní efektívne odvádzanie triesok z rezu.
Pri tvorbe a odlamovaní triesok sa zväčšujú a zmenšujú rezné sily. Premenlivé sily sa stávajú ďalším zdrojom vibrácií, ktoré môžu rezonovať spolu s prirodzeným režimom vibrácií držiaka nástroja alebo obrábacieho stroja a udržiavať sa alebo dokonca narastať. Ďalšími zdrojmi takýchto vibrácií sú opotrebované nástroje alebo nástroje, ktoré sa nedostanú dostatočne hlboko. Tieto zdroje vibrácií spôsobujú nestabilitu procesu alebo rezonanciu, ktorá sa tiež synchronizuje s prirodzenou frekvenciou vretena stroja alebo s prirodzenou frekvenciou nástroja, a následne vznikajú neželané vibrácie.
Dlhé vyloženie vŕtacej alebo obrábacej tyče môže vyvolať vibrácie v obrábacom systéme.
Základný prístup na obmedzenie vibrácií zahŕňa používanie krátkych, pevných nástrojov. Čím väčší pomer dĺžky tyče k priemeru, tým je väčšia šanca, že dôjde k vibráciám.
Rôzne materiály tyčí majú rôzne vlastnosti z hľadiska vibrácií. Oceľové tyče sú vo všeobecnosti odolné voči vibráciám až do pomeru dĺžky tyče k priemeru 4 : 1. Ťažké kovové tyče vyrobené z volfrámových zliatin sú hustejšie ako oceľ a zvládajú pomer dĺžky tyče k priemeru 6 : 1. Pevné karbidové tyče majú vyššiu tuhosť a umožňujú pomer dĺžky tyče k priemeru 8 : 1, spolu s možnou nevýhodou vyššej ceny, najmä v prípade potreby tyče s veľkým priemerom.
Alternatívnym spôsobom na stlmenie vibrácií sú laditeľné tyče. Lišta obsahuje vnútorný tlmič kmitov, ktorý je navrhnutý tak, aby rezonoval mimo fázy neželaných vibrácií, absorboval ich energiu a minimalizoval kmitavý pohyb. Systém Steadyline od spoločnosti Seco Tools napríklad obsahuje vyladený tlmič vibrácií, ktorý tvorí tlmiaca hmota vyrobená z materiálu s vysokou hustotou, zavesený v tyči držiaka nástroja prostredníctvom radiálnych absorbujúcich prvkov. Tlmiaca hmota absorbuje vibrácie ihneď po ich prenose rezným nástrojom do tela tyče.
Zložitejšie a nákladnejšie aktívne obmedzovanie vibrácií nástrojov môže mať podobu elektronicky aktivovaných zariadení, ktoré zacítia vibrácie a pomocou elektronických aktuátorov vytvoria v držiaku nástroja sekundárny pohyb na zrušenie neželaného pohybu.

Materiál obrobkov
K vzniku vibrácií môžu prispievať rezné vlastnosti materiálu obrobku. Tvrdosť materiálu, náchylnosť na nárastky na reznej hrane alebo deformačné spevňovanie, prípadne prítomnosť tvrdých inklúzií mení alebo prerušuje rezné sily a môžu vznikať vibrácie. Pri obrábaní určitých materiálov sa do istej miery môžu vibrácie minimalizovať úpravou rezných parametrov.

Geometria rezného nástroja
Rezný nástroj sám osebe sa tangenciálne a radiálne vychyľuje. Radiálne vychýlenie ovplyvňuje presnosť priemeru otvoru. Pri tangenciálnom vychýlení sa rezná doštička vytláča smerom nadol od osi dielu. Najmä pri vŕtaní otvorov s malým priemerom zakrivený vnútorný priemer otvoru zmenšuje uhol chrbta medzi doštičkou a otvorom.
Pri tangenciálnom vychýlení sa nástroj zatlačí smerom dole a od osi obrábaného komponentu, čím sa uhol chrbta zmenší. Radiálne vychýlenie znižuje hĺbku rezu, čo má vplyv na presnosť obrábania a mení sa hrúbka triesok. Zmeny v hĺbke rezu spôsobujú zmeny rezných síl a môžu spôsobiť vibrácie.

obr2
Geometria reznej doštičky vrátane čela, uhla reznej hrany a polomeru hrotu môže vibrácie zosilniť alebo stlmiť. Rezné doštičky s pozitívnym uhlom čela napríklad vytvárajú menšiu tangenciálnu reznú silu. V prípade konfigurácie s pozitívnym uhlom čela však môže dôjsť k zmenšeniu medzery, čo môže viesť k treniu a vibrácii. Veľký uhol čela a malý uhol čela vytvoria ostrú reznú hranu, čím sa znižujú rezné sily. Ostré hrany sa však môžu poškodiť nárazom alebo nerovnomerne opotrebovávať, čo bude mať vplyv na kvalitu povrchu otvoru.
Malý uhol reznej hrany vytvára väčšie axiálne rezné sily, zatiaľ čo veľký uhol reznej hrany vytvára sily v radiálnom smere. Axiálne sily majú obmedzený vplyv na vŕtanie, takže malý uhol reznej hrany môže byť žiaduci. Malý uhol reznej hrany však tiež sústreďuje rezné sily na menšiu časť reznej hrany než v prípade veľkého uhla, s možným negatívnym vplyvom na životnosť nástroja. Uhol reznej hrany nástroja okrem toho ovplyvňuje hrúbku triesok a smer ich prúdenia.
Polomer hrotu reznej doštičky by mal byť menší ako hĺbka rezu, aby sa minimalizovali radiálne rezné sily.

Odvod triesok
Odstraňovanie triesok z otvoru je pri vŕtaní kľúčovou otázkou. Geometria reznej doštičky, rezné rýchlosti a rezné vlastnosti materiálu obrobku – to všetko má vplyv na odvod triesok. Pri vŕtaní sú žiadané krátke triesky, pretože sa ľahšie odvádzajú z otvoru a minimalizujú sily pôsobiace na reznú hranu. Bohato tvarované geometrie rezných doštičiek, ktoré majú triesky lámať, však majú tendenciu spotrebovávať viac energie a môžu spôsobovať vibrácie.
Operácie, pri ktorých má vzniknúť dobrá kvalita povrchu, si môžu vyžadovať malú hĺbku rezu, pri ktorej budú vznikať tenšie triesky, čo znamená väčšie problémy s odvodom triesok.
Zvýšením rýchlosti posuvu sa triesky môžu lámať, ale môžu sa zvýšiť rezné sily a vznikať chvenie, čo môže mať negatívny vplyv na kvalitu povrchu. Vyššie rýchlosti posuvu môžu tiež spôsobiť nárastky na reznej hrane pri opracovaní nízkouhlíkových ocelí, takže pri vŕtaní týchto tvárnejších oceľových zliatin môžu byť riešením na odvod triesok vyššie rýchlosti posuvu pri rezaní spolu s optimálnym vnútorným prívodom chladiacej kvapaliny.

Záver
Vŕtanie hlbokých otvorov a sústruženie s predĺženými nástrojmi sú bežné a základné operácie pri rezaní kovov. Efektívne vykonávanie týchto procesov si vyžaduje posúdenie obrábacieho systému ako celku, aby sa množstvo faktorov, ktoré sa podieľajú na minimalizácii vibrácií a zabezpečení kvality výrobkov, zosúladilo v záujme dosiahnutia maximálnej produktivity a ziskovosti.

TEXT/FOTO Seco Tools