Nekonvenční technologie obrábění (NMO)

Konvenční řezný nástroj s definovanou geometrií, je nahrazen nástrojem tvořeným materiály, které by za běžných podmínek obráběný materiál nijak nepoškodily, avšak při vnesení určité formy energie vznikne nástroj, který je schopen řezat nebo obrábět materiály, které by byly konvenčními technologiemi těžko obrobitelné nebo dokonce neobrobitelné. Obdobně můžeme hovořit i o tvarové složitosti obrobků. Nekonvenční technologie obrábění nám totiž umožňují v konstrukci již běžně uvažovat nad tvarově velmi složitými otvory s ostrými přechody ploch a poradí si také s tvarově složitými vnitřními dutinami nebo vnějšími tvary, kde by konvenční metody obrábění, jako jsou frézovaní, soustružení, vrtání atd. narážely na své technologické limity.

Nekonvenční technologie obrábění lze principielně rozdělit na:
- paprskové
- elektroerozivní
- elektrochemické
- chemické

Do těchto jednotlivých skupin pak lze zařadit technologie, jako je plasmové řezání (PBM – Plasma Beam Machining, PAM – Plasma Arc Machining), řezání laserem (LBM – Laser Beam Machining), řezání vysokotlakým hydro-abrazivním paprskem (AWJ – Abrasive Water Jet Machining), drátové elektroerozivní řezání (WEDM – Wire Electro Discharge Machining), vyjiskřování, elektroerozivní hloubení (EDM – Electro Discharge Machining), ultrazvukové obrábění (USM – Ultrasonic Machining), leptání a další.
Zastoupení jednotlivých technologií v praxi lze jen odhadovat. Na základě dat prodejců a potřeb podniků však na pomyslnou první příčku mezi nekonvenčními technologiemi lze zařadit laserové technologie. V praxi se laserové technologie již řadu let využívají v mnoha odvětvích a odborné publikace přichází stále s novými aplikacemi a novým využitím laserového paprsku. Ve strojírenství pak laserovým technologiím (využívaných především pro řezání a dělení materiálů) nejvíce konkuruje technologie vysokotlakého hydro-abrazivního řezání. Tato technologie, využívající pro řezání kontinuální paprsek vysokotlaké vody s příměsí abraziva, bývá technology často navrhována jako alternativní metoda k laserovému řezání. Každá z těchto technologií však má svá specifika a své výhody i nevýhody, které je dále předurčují pro produktivní způsob využití pro řezání a dělení.
Veškeré materiály, které můžeme řezat s využitím laseru, lze bez problému řezat také technologií AWJ. Prvním bodem pro srovnání, který se u zmíněných dvou technologií nabízí, je samozřejmě cena. Cena je velmi relativní pojem a proto je třeba ji vždy vztahovat k určitým podmínkám. Zaměříme-li se prozatím na uvedené technologie AWJ a LBM, pak hlavní položky, ve kterých se náklady u těchto systémů budou lišit, jsou náklady na „nástroj“ a na strojní čas. Technologie AWJ je méně produktivní u materiálů, které lze zpracovat technologií LBM. Tedy s využitím technologie LBM se lze dostat až na desetinásobně vyšší produktivitu při řezání a dělení ocelových plechů, plechů z některých slitin hliníku a dalších materiálů, které lze touto technologií zpracovávat až do tlouštěk cca 35 mm. U zmíněných materiálů je vhodné technologii AWJ doporučit pouze v případě, kdy je požadavkem tepelně neovlivněná hrana řezu a žádná deformace, nebo u materiálů, které by v důsledku tepelného ovlivnění hrany mohly vykazovat trhliny v ohybech při následném zpracování technologií hranění nebo ohýbání. Možnosti srovnávání technologií AWJ a LBM však končí právě u nastíněných materiálů. V případě potřeb řezat a dělit materiály neželezné, nekovové, kompozitní, sendvičové, těžkoobrobitelné, vysoce abrazivní a podobně, lze jen stěží hledat konkurenci pro vysokotlaký hydro-abrazivní paprsek. Cena je v tomto případě již méně podstatná s ohledem na jistou formu monopolu, kterou tato technologie nabízí.

Pro výrobu dílů a složitých tvarů z těžkoobrobitelných materiálů, které jsou na konvenčních strojích obtížně opracovatelné, se stále častěji využívá elektroerozivní obrábění. Nespornou výhodou této technologie je skutečnost, že na samotný řezný proces nemají vliv mechanické vlastnosti opracovávaného materiálu a jedinou podmínkou pro její využití je alespoň minimální vodivost tohoto materiálu. Technologie elektroerozivního drátového řezání je hlavně využívána v nástrojářských firmách, kde se v minulosti nejvíce využívala pro výrobu střižných nástrojů. Současné moderní WEDM stroje již umožňují i výrobu obráběcích nástrojů pro konvenční technologie. Nabízejí například efektivní a rychlé obrábění hliníkových slitin, titanu a titanových slitin, které se často uplatňují především v letectví, kosmickém programu či v lékařství. Nelze opomenout, že ve strojírenské výrobě má vzhledem ke stále rostoucím požadavkům na kvalitu a miniaturizaci dílů, široké uplatnění i technologie mikro-WEDM. Nicméně je nutné zmínit, že metoda WEDM je obecně zatížena vyššími provozními náklady a proto je nezbytné zvažovat konkrétní zakázky, aby se vůči ostatním metodám obrábění zachovala ekonomičnost a konkurenceschopnost výroby. Celkově lze říci, že elektroerozivní obrábění je kompromisem mezi produktivitou a kvalitou obrábění.
Hovoříme-li o nekonvenčních metodách obrábění (NMO), nelze opomenout také poměrně často používanou technologii obrábění plasmovým paprskem (PBM – toto značení se používá při dělení vodivého i nevodivého materiálu, avšak při dělení pouze vodivého materiálu je používána zkratka PAM). Metoda je používána pro opracování a dělení materiálů vysokou rychlostí úběru, kde je vzhledem k vysokým rychlostem obrábění dosaženo poměrně hladkého povrchu, avšak rozměrová přesnost bohužel odpovídá spíše hrubovacím operacím konvenčního obrábění. Proces obrábění je natolik intenzivní, že hloubka tepelně ovlivněné vrstvy může dosahovat až několika milimetrů, povrch řezné hrany je méně kvalitní, hrany jsou často zaoblené a šikmé. Při použití moderních metod dělení plazmou HD (High Definition Plasma, nebo také High Tolerance Plazma Arc Cuting), lze přesnost a kvalitu povrchu optimalizovat. Řezy HD plazmou jsou pak téměř o polovinu užší, jsou kolmé (odchylka činí přibližně 1-2 °) a současně jsou hrany stále velmi hladké a bez otřepů. Zároveň se zde zvyšuje nejen přesnost řezání a produktivita, ale i uživatelská přívětivost této technologie, a to především díky zvýšené řezné rychlosti, delší životnosti dílů, lepší mobilitě a také je výrazně snížena hladina hluku a tvorba škodlivých látek. První aplikace plasmy byly uskutečněny při dělení těžko obrobitelných materiálů pro speciální účely armádního a kosmického průmyslu. V posledních letech se však dělení materiálů pomocí plazmového paprsku stalo dostupným a poměrně velmi rozšířeným způsobem výroby dílců, u kterých není požadována vysoká kvalita a přesnost. Obecně lze říci, že HD plazma je velmi vhodná alternativa nahrazující LBM, která umožňuje nižší pořizovací i provozní náklady a je tedy dostupná téměř všem výrobním firmám.
Rozvoj a vývoj v oblasti NMO
Většina technologií spadajících do oblasti NMO našla své základy ve vojenském a vesmírném průmyslu. Hnacím motorem ve výzkumu a vývoji těchto technologií byla potřeba řezat a dělit materiály, které nelze zpracovávat za využití konvenčního obrábění. S přihlédnutím k posledním prezentovaným novinkám na každoročně pořádaném mezinárodním strojírenském veletrhu, ale také novinkám zveřejňovaným v odborné literatuře je patrné, že výzkum v oblasti NMO sice poukazuje na širokou škálu nových možností jednotlivých technologií, avšak jejich zavádění nebo jejich masivní využívání v praxi často vázne. Některé novinky se prosadí, ale je i mnoho těch, které se zavedení do praxe ani nedočkají. To sice není nijak nestandardní postup, avšak tento trend zde plyne hlavně z neopodstatněných předsudků a pomyslné nepotřeby novinek na trhu NMO. Pro příklad lze uvést kompenzátory naklápění trysky (nebo-li utvařeče řezného paprsku) do směru řezu u technologie AWJ (tzv. Angling the Jet Forvard), sloužící pro redukci velikosti hrubší oblasti striací v řezné hraně. Tento produkt je již dostatečně odladěn pro běžnou výrobu, avšak stále se nejedná o standardní vybavení nového stroje a jde pouze o doporučené příslušenství. Je vytvořena celá řada dalších nových produktů a metod umožňujících obrábět pomocí AWJ tvarově i rozměrově přesnější výrobky s nízkou drsností povrchu, lze zmínit např. přidávání aditiv, oscilační řezání (Cutting Head or Nozzle Oscillation), vícečetný průchod paprsku řeznou spárou (Multipass Cutting)  či dynamickou změnu rychlosti posuvu podle řezného plánu, což umožní získat stejnou kvalitu řezné hrany i v rádiusech, rozdílných tlouštěk řezaného materiálu, ale také u tvarově složitých dílců. V minulosti proběhlo množství výzkumů pro nové využití v oblasti obrábění (frézování, soustružení, gravírování, atd.) technologií AWJ, avšak kolik firem dnes o těchto možnostech ví nebo by mělo zájem nových aplikací využít?
Poněkud odlišná je situace u využití LBM, která má naštěstí v ČR jistou tradici. Podle počtu prodaných strojů, provedených studií, citací a dalších ukazatelů lze sledovat stále rostoucí počet nových případů využití LBM v řadě oborů. Od prvního průmyslového využití laserů pro vrtání diamantových raznic a následného vytvoření systémů umožňujících řezání i nekovových materiálů, prošla tato technologie masivním vývojem, kdy byly zdokonalovány nejen vlastnosti aktivního prostředí, laserové zdroje, pohony, řídicí systémy a postprocesory, ale i konstrukce řezacích laserových strojů. Začaly se mnohem více využívat pevnolátkové lasery s lineárními motory, díky nimž lze dosáhnout daleko vyšších řezných rychlostí. V současnosti stále dosahuje největší oblíbenosti především CO2 laserové řezání, které provozuje řada současných výrobních podniků, i když v posledních letech roste i počet využití vláknových laserů, které mohou ukázat svou dominanci především v oblasti svařování. Nízké provozní náklady pak činí také z diodových a diskových laserů silného konkurenta konvenčním metodám a to především v oblasti kalení, navařování či pájení materiálů. Největší růst aplikací lze i nadále očekávat především u vláknových, diodových a diskových laserů, které postupně vytlačují lasery plynové.
Nejvíce novinek asi můžeme nalézt v oblasti elektroerozivního obrábění a drátového řezání. Vývoj se zde zaměřuje především na generátory pulzů, materiály elektrod a na povlakování elektrod a drátů, tedy na oblasti, které významně ovlivní výslednou přesnost výroby. Drát procházející řeznou spárou, vlivem působení množství výbojů postupně degraduje a dochází tak k erozi povrchu, nejen na obráběném materiálu, ale také na drátu, reprezentujícím nástroj. Tato eroze povrchu nástroje pak má za následek zhoršení kvality výboje s narůstající vzdáleností od hrany vstupu drátu do obrobku. Na výstupu již může být drát opálen do takové míry, že generovaný výboj není schopen vytvořit požadované podmínky pro vytržení částice materiálu obrobku. Výsledkem pak bývá řez s odlišnými profilovými i rozměrovými parametry u vstupní a výstupní hrany a kuželovitost řezné spáry. Míra těchto tvarových a rozměrových nepřesností je závislá na kvalitě povrchu drátu. Moderní povlaky dokáží tento jev do značné míry kompenzovat, nikoli však zcela eliminovat. Kvalitní nástroj (drát), opatřený vhodným povlakem a přesně řízený puls výboje je pak zásadním kritériem pro zvyšování přesnosti výroby při využití technologie WEDM.
I technologie dělení materiálu plazmovým paprskem prošla nepřehlédnutelným vývojem. Nejstarší metoda dělení je konvenční, ale po ní následovaly metody dvojplynového dělení „Dual flow", vzduchové dělení, dělení se vstřikováním vody, dělení s vodní clonou, dělení pod vodou, kyslíkové dělení a nejnovější metodou je Hy-Definition, kdy je pomocí mikroprocesoru řízeno nastavení proudu a průtok plynu (při zapálení, průběhu a zhasnutí oblouku) a jsou eliminovány vzniklé teplotní šoky. Díky těmto inovacím již lze metodu Hy-Definition srovnat s dělením materiálu LBM (zanedbáme-li nižší ostrost hran a snadno odstranitelné okuje). V současnosti se PBM uplatňuje nejen při dělení materiálu, ale také v oblasti svařování, kdy lze dosáhnout velké hloubky průvaru pomocí efektu „key hole“ a v poloze tzv. vodorovné natupo se svařuje materiál tloušťky až 10 mm bez nutnosti úkosů. Svařování plazmou je v řadě případů kombinováno se svařováním v ochranné atmosféře metodou MIG, čímž vzniká svár vysoké kvality i hloubky průvaru. Další již méně využívané a známé výrobní postupy využívající plazmový paprsek jsou svařování mikroplasmou, pájení, značení plazmou, provádění kovových nástřiků, tepelné zpracování, obrábění a předehřev před obráběním. I nadále lze předpokládat rozvoj především v oblasti vývoje nových typů plasmových zdrojů umožňujících dosáhnout podstatně kvalitnějších řezů, přičemž se zároveň zvýší i rozsah tloušťek řezaných materiálů a tedy se zvýší i možnosti využití technologie PBM ve výrobní praxi.
I přes prudký vývoj v oblasti NMO technologové stále vidí tyto metody obrábění v jejich obecně známých limitech a často je považují pouze jako metody vhodné pro dělení materiálů. Úvahy nad možnostmi zpřesnění a zkvalitnění výsledného řezu, zvýšení integrity obrobku, získání lepších strukturních či materiálových charakteristik řezné spáry, čí zvýšení produktivity či ekonomičnosti výroby při použití AWJ, LBM či WEDM bohužel zůstávají stále častěji pouze v oblasti výzkumu a následného nevyužití jejich potenciálu v běžné výrobní praxi.
Nekonvenční technologie obrábění si od svého uvedení do průmyslové praxe vybudovaly svou jistou a nezastupitelnou pozici, na které lze v rámci výzkumu a vývoje patřičně stavět, a také lze díky tomu dále navazovat na předchozí bohaté poznatky. Doposud ani nejmodernější materiály, jako jsou kompozitní materiály, sendvičové materiály, supertvrdé materiály a další, stále nedosahují na limity, které NMO nabízejí. I přesto je pro další vývoj, rozvoj a zvýšení počtu aplikací NMO nutná velmi úzká spolupráce univerzit s praxí. Současně je také potřeba poskytnout dostatek prostoru a prostředků pro řešení a eliminování současných nevýhod a nežádoucích efektů jednotlivých metod. Pouze takový přístup k problematice NMO může posunout hranice, zejména v oblasti zvyšování přesnosti výroby a tedy i hranice nových možností využití jednotlivých metod pro rozšíření portfolia výrobků, zpracovávaných těmito metodami.

Ing. Martin Slaný, Ph.D. (slany.m@fme.vutbr.cz), Ing. Jana Dvořáková, Ph.D. (dvorakova.j@fme.vutbr.cz), Ing. Jaromír Dvořák, Ph.D. (dvorak.j@fme.vutbr.cz)
FSI VUT v Brně, Ústav strojírenské technologie, Odbor technologie obrábění
 

Publikováno: 5. 10. 2015 | Počet zobrazení: 3956 529