titulnyMechanismus kuličkového šroubu je využíván nejčastěji v konstrukci obráběcích strojů jako hnací element jejich posuvových soustav. Na kuličkové šrouby jsou kladeny vysoké nároky na kvalitu zpracování, protože od ní se může odvíjet i samotná přesnost pohybů obráběcího stroje.


Spolu zabírající povrchy KŠ, používaných v obráběcích strojích, jsou standardně kaleny na optimální tvrdost. Tento požadavek s sebou nese vysoké nároky na technologii. Opracování závitů v tvrdém stavu se jeví jako efektivní způsob výroby. Tento článek pojednává o nových inovativních technologiích, které se využívají při obrábění matic kuličkových šroubů v zakaleném stavu.

Podněty k zavedení nových technologií v podniku
Současný směr vývoje trhu s kuličkovými šrouby se dlouhodobě nese v duchu snižování ceny produktu při dodržení stejné kvality. Pro udržení stabilní pozice na trhu je pro podnik nezbytné držet krok s novými trendy a technologiemi.
Společnost Kuličkové šrouby Kuřim, a. s., pečlivě sleduje vývoj trhu a adaptuje se, inovuje. Význam inovací v podniku hraje velkou roli, protože posouvá firmu dále k dosažení cílů, které jsou určeny dlouhodobou vizí společnosti. Jedna z možností, jak dosáhnout nižší ceny, při dodržení stejné kvality je implementace nových výrobních technologií. Společnost se rozhodla investovat do nového strojního vybavení, jehož využíváním se má docílit výše zmíněného cíle.

Způsoby výroby hřídelí a matic kuličkových šroubů
Základní komponenty kuličkového šroubu (tedy závitová hřídel a matice) se standardně vyrábí za pomoci několika základních technologií. Cílem je vyrobit přesnou drážku závitu jak na hřídeli, tak na matici KŠ. Závit na hřídeli lze vyrobit válcováním nebo třískovým obráběním, podle toho, jaké přesnosti se má dosáhnout. Konce hřídele jsou obrobeny třískově. Matice se celá standardně vyrábí pouze třískovým obráběním.
Při výrobě je velmi důležité dodržet přesnou geometrii profilu drážky kuličkového šroubu (tzv. gotický profil). Nepřesnosti jeho tvaru, způsobené výrobním procesem, či opotřebením, mají značný vliv na chod a přesnost kuličkového šroubu. Aby bylo minimalizováno opotřebení spolu zabírajících povrchů, jsou tyto povrchy tepelně zušlechtěny na optimální tvrdost. Je výhodné provést zhodnocení, jakým směrem se technologie výroby bude ubírat.
V současnosti se nabízí dvě možnosti výroby. Vyrobit závit v měkkém stavu, zakalit a brousit na hotovo, nebo jej přímo obrábět do materiálu v zakaleném stavu. Druhá možnost se jeví jako cesta k efektivnější a relativně přesnější výrobě matic kuličkových šroubů.
Článek nadále pojednává o technologii třískového obrábění vnitřního závitu a dalších funkčních ploch na matici kuličkového šroubu na hotovo v zakaleném stavu. [1, 2, 9, 10]

obr1
Obr. 1: Kuličkový šroub
obr2
Obr. 2: Broušení závitu matice KŠ

 

Popis nové výrobní technologie
V rámci implementace nových výrobních technologií se společnost rozhodla nakoupit nový CNC soustruh Hembrug Mikroturn 500 XL (obr. 3). Tento stroj je výsledkem dlouhodobého vývoje firmy Hembrug. Je určen pro obrábění tvrdého materiálu, z čehož se také se odvíjí jeho speciální konstrukce. Všechna vedení pohybových os i uložení hlavního vřetene jsou realizována hydrostaticky. Bázi stroje tvoří silná základová deska z přírodní žuly na těžkém pomocném ocelovém rámu, což spolu s dalšími prvky tvoří konstrukci, která vykazuje vysokou tuhost, odolnost proti vibracím a teplotní stálost. Tyto vlastnosti stroje jsou pro proces tvrdého obrábění velmi důležité. Způsob upínání nástrojů je také ovlivněn vysokými požadavky na tuhost. Výrobní možnosti stroje jsou uvedeny v tab. 1. [2]

obr3
Obr. 3: Stroj Hembrug Mikroturn 500 XL
tab1
Tab. 1: Výrobní možnosti stroje Hembrug [7]

 

Ve firmě je tento stroj využíván k efektivnímu obrábění na hotovo jak klasických, tak hlavně dlouhých matic (cca do 500 mm délky) velkých průměrů (K 100x25 a více) s profilem závitu pro kuličky s Dw = 20,638 a 25,4 mm v zakaleném stavu. V této aplikaci se projevuje jasná výhoda tvrdého soustružení. Technologie broušení vnitřního závitu totiž vyžaduje vyklonění brousicího trnu v úhlu stoupání a tím se v podstatě omezuje maximální délka, jakou může brousicí trn vniknout směrem do matice, než začne kolidovat s vnitřním průměrem matice. Možným řešením je pořízení delšího trnu vhodného průměru, avšak to s sebou nese značné finanční náklady a nejistotu v tom, zdali takto dlouhý trn nebude náchylný k vibracím.
Při tvrdém soustružení závitu, není potřeba upínač s nástrojem vyklánět, tudíž problém odpadá. Firma Hembrug pro tuto aplikaci vyvinula speciální držák nástrojů v podobě trnu, který slouží současně jak pro obrobení dlouhého vnitřního závitu, tak i pro obrobení vnějších kalibrických průměrů a čel. Robustní konstrukce trnu umožňuje dostatečně tlumené, a tuhé uchycení nástroje, viz obr. 4.
Obrábění se děje, podle typu obrobku a požadovaných řezných podmínek, jak za sucha (chlazení vzduchem), tak za použití řezné kapaliny. Další nespornou výhodou tvrdého soustružení oproti broušení je to, že dojde k obrobení součásti na hotovo na jedno upnutí. Odpadají tak další operace, výrobní čas se zkrátí a eliminují se možné nepřesnosti způsobené opakovaným upínáním součásti. [3, 7]

obr4
Obr. 4: Robustní držák nástrojů stroje Hembrug [7]
obr5
Obr. 5: Držák s nástroji při obrábění vnitřního závitu v dlouhé matici [3]

 

Nizozemská firma Hembrug se historicky profilovala nejdříve ve vojenském průmyslu jako výrobce zbraní a munice. Později, v sedmdesátých letech minulého století se její výrobní program odklonil od vojenských aplikací směrem k výrobě obráběcích strojů. Dnes se firma zaměřuje na vysoce specializovaný vývoj, výrobu a marketing strojů pro přesné soustružení. Stroje firmy Hembrug už ve své konstrukci počítají s výrobou vnitřních závitů a jsou výrobci kuličkových šroubů využívány. [3, 7]

obr6
Obr. 6: Příklady dlouhých kalených matic, obráběných na strojích Hembrug [3]

 

Nástroje pro tvrdé obrábění
Při soustružení ocelí zušlechtěních na vysokou tvrdost se dosahuje povrchu vysoké jakosti, která se zlepšuje s tvrdostí obráběného materiálu. Stroj Hembrug je při zvolení vhodných nástrojů a řezných podmínek schopen dosáhnout drsností povrchu Ra 0,1-0,4. Což kvalitou povrchu plně nahrazuje technologii broušení [3, 4]. Pro dosažení výše zmíněných parametrů jsou kromě vysokých požadavků na stroj kladeny také vysoké nároky na použité řezné nástroje. Musí být z materiálu, který má tvrdost větší než obráběný materiál. Nejtvrdším materiálem na světě je přírodní diamant, který se pro průmyslové využití v obrábění vyrábí i synteticky v podobě PCD. Nelze ho však použít pro obrábění oceli, protože diamant reaguje s uhlíkem v ní obsaženém, což v tomto případě má negativní vliv na proces obrábění [8]. Proto byl vyvinut nový materiál zvaný polykrystalický kubický nitrid boru (PCBN). Tento materiál se však v přírodě volně nevyskytuje a vyrábí se proto uměle.
Historie sahá do poloviny 19. století (1842), kdy se podařilo W. H. Balmainovi syntetizovat první nitrid boru, jehož vnitřní struktura byla tvořena hexagonální mřížkou [5, 6]. Až v roce 1957 Robert H. Wentorf, Jr., výzkumný pracovník firmy General Electric [5], vyrobil první polykrystalický kubický nitrid boru. Principem výroby je spékání (sintering) nitridu boru s hexagonální mřížkou za velmi vysokých tlaků a teplot (?6,2GPa,?1350°C) [5]. Tímto procesem se mění hexagonální mřížka na mřížku kubickou plošně středěnou, která je podobná krystalové mřížce diamantu. Takto vzniklý materiál vykazuje vysokou tvrdost, blížící se tvrdosti diamantu. Od osmdesátých let minulého století byly vyvinuty technologie, které výrazně zlevnily výrobu PCBN a od konce let devadesátých je PCBN cenově dostupný pro hromadnou výrobu. Díky této modifikaci vnitřní struktury vykazuje PCBN výborné materiálové vlastnosti, jako je vysoká tepelná odolnost, velmi dobrý odvod tepla, chemická stabilita, atd. Výše zmíněné vlastnosti předurčují použití tohoto materiálu pro obrábění ocelí zušlechtěných na vysokou tvrdost. Mezi největší světové výrobce PCBN patří japonská firma Sumitomo. S touto společností firma KSK aktivně spolupracuje na ladění parametrů nástrojů pro tvrdé obrábění jak z jejich standardního sortimentu, tak ze sortimentu speciálních nástrojů pro tvrdé obrábění používaných pro okružovací stroje. [4, 5, 6]

tab2
Tab. 2: Porovnání mikrotvrdostí různých řezných materiálů [5]

 

Závěr
V úvodu článku byly stručně popsány způsoby výroby hlavních komponent kuličkového šroubu. Dále byla představena nová technologie výroby matic KŠ používaná ve firmě Kuličkové šrouby Kuřim.
Bylo popsáno strojní zařízení (Hembrug Mikroturn 500 XL) pro obrábění kaleného materiálu. Následně byla rozebrána s touto technologií spojená problematika vhodného materiálu nástrojů pro obrábění kalené oceli. Tvrdé obrábění je progresivní technologie, za kterou stojí léta vývoje jednotlivých firem zabývajících se touto technologií, ať již z pohledu nástrojů, nebo obráběcích strojů. Tento vývoj výrazně ovlivnil průmyslové odvětví obrábění kovů. Za posledních 60 let se technologie výroby a hlavně použití CBN vyvinula v dnes již samozřejmou a cenově dostupnou záležitost. Využívání této technologie v naší společnosti má jasné výsledky, které se projevují ve snižování nákladů a tím i sníženy ceny našich kuličkových šroubů, čímž můžeme úspěšně konkurovat a udržet si tak stabilní pozici na trhu.

TEXT/FOTO: Vít Nešpor, KSK-Kuřim, a. s.

Použitá literatura
[1] MAREK, J.; NEŠPOR, V.; MAREK, T., NOVOTNÝ, L.: Moderní metody při obrábění kuličkových šroubů. Sborník konference Technologie, kvalita a rizika ve výrobě 2015. Čejkovice. 2015. s. 27 – 34.
[2] MAREK, J.: Konstrukce CNC obráběcích strojů III. 3. vyd. Praha: MM publishing, 2014, 684 s. MM speciál. ISBN 978-80-260-6780-1.
[3] MAREK, J., OSTRÝ, L.: Zprávy ze služebních cest. Kuličkové šrouby Kuřim, a.s., 2014 – 2015
[4] MIKOVEC, M.: Obrábění těžko obrobitelných materiálů. Praha: SNTL Praha, 1963
[5] MONTEIRO, S. N., DIEGUES SKURY, A. L.: Cubic boron nitride competing with diamond as a superhard engineering material – an overview. Journal of material research and technology. 2013, Volume 2, Issue 1, pp. 68 – 74.
[6] Sumiboron. Sumitomo. [online]. 14. 4. 2016 [cit. 2016-04-14]. Dostupné z: http://www.sumitmotool.com
[7] Machines. Hembrug. [online]. 14. 4. 2016 [cit. 2016-04-14]. Dostupné z: http://www.hembrug.com
[8] Hard turning process. Hembrug. [online]. 14. 4. 2016 [cit. 2016-04-14]. Dostupné z: http://www.hembrug.com
[9] MAREK, J.: Kuličkové šrouby a matice ve stavbě CNC obráběcích strojů. MM průmyslové spektrum, 2015, no. 3, pp. 46 – 47. ISSN 1212-2572
[10] MAREK, J.: Kuličkové šrouby a matice ve stavbě CNC obráběcích strojů. MM průmyslové spektrum, 2015, no. 4, pp. 10-11. ISSN 1212-2572