VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Str. 1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV VÝROBNÍCH STROJŮ, SYSTÉMŮ A ROBOTIKY FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF PRODUCTION MACHINES, SYSTEMS AND MANUFACTURING DESKRIPCE NÁSTROJOVÝCH SOUSTAV PRO OBRÁBĚNÍ NEROTAČNÍCH SOUČÁSTÍ TITLE BACHELOR THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR MARTIN POPELA Ing. PETR BLECHA, Ph.D. BRNO 2008

Str. 2

Str. 3

Str. 4

Str. 5

Str. 6 ABSTRAKT Studie je specializována na charakteristiku a teoretický popis tří hlavních částí obráběcího stroje, které mají přímý vliv na samotný proces obrábění plochy obrobku a jeho přesnost vřeteno stroje, nástrojový upínač (kuželový trn) a samotný nástroj. U všech tří částí proveden popis a charakteristika s uvedením schémat a zobrazením konkrétních příkladů. Objasnění funkce a chodu jednotlivých komponent. Klíčová slova Vřeteno, trn, fréza, ložisko, obrobek. ABSTRACT This bachelor thesis is specialized on characteristic and theoretical description of three principal parts of cutting machine with major effect for machining process spindle, mandrel and cutting tool. These parts are characterized and described with schemes and examples. Explanation of components function and running Key words Spindle, mandrel, mill, bearing, workpiece. BIBLIOGRAFICKÁ CITACE POPELA, M. Deskripce nástrojových soustav pro obrábění nerotačních součástí. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2008. 36 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Petr Blecha, Ph.D.

Str. 7 Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Deskripce nástrojových soustav pro obrábění nerotačních součástí vypracoval samostatně s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených na seznamu, který je součástí této práce. 23. 5. 2008 Martin Popela

Str. 8 Poděkování Děkuji tímto Ing. Petru Blechovi, Ph.D. za cenné připomínky a rady při vypracovávání bakalářské práce.

Str. 9 OBSAH Abstrakt... 6 Prohlášení... 7 Poděkování... 8 Obsah... 9 Úvod... 10 1 VŘETENA OBRÁBĚCÍCH STROJŮ... 13 1.1 Vliv ložisek na přesnost chodu vřetena... 14 1.2 Konce vřeten obráběcích strojů... 16 2 UPÍNAČE NÁSTROJŮ... 18 3 FRÉZOVACÍ NÁSTROJE... 22 3.1 Rozdělení fréz podle různých hledisek... 22 Závěr... 31 Seznam použitých zdrojů... 32

Str. 10 ÚVOD Na nástrojové soustavy jsou kladeny náročné požadavky vzhledem k širokému spektru typů a rozměrů vyráběných součástí a mnoha druhům technologických operací, které je možno provádět na obráběcích centrech. Mezi základní požadavky nástrojových systémů patří: pružnost - stacionární i rotační nástroje - možnost centrálního přívodu chlazení - změna typorozměru při zachování základního držáku spolehlivý systém upnutí - pro hrubovací i pro dokončovací obrábění - možnost ovládání mechanismu v ose i radiálně - samosvornost upínacího systému nebo spolehlivé zajištění upínacího mechanismu - vhodnost i při vysokých otáčkách přesnost polohy nástroje - zachování definované přesnosti i po mnohonásobné výměně - vysoká statická a dynamická tuhost nástrojové jednotky - symetrická skladba nástrojové jednotky a tím minimální nevyváženost rychlá vyměnitelnost - čištění připojovacích ploch chladicí emulzí nebo vzduchem - dostatečně velké vůle s naváděcími plochami mezi základními připojovacími plochami - možnost výměny ručně, poloautomaticky s tlačítkovým ovládáním a plně automaticky - malé rozměry nosiče řezného nástroje snadná obsluha - nemožnost chybného vložení nástroje orientace polohy - minimální možnost znečištění připojovacích ploch - odolnost proti opotřebení - dobrá údržba

Str. 11 - minimální množství opotřebených náhradních dílů normalizace a standardizace - daný typorozměr musí odpovídat instalovanému příkonu stroje - plochy drážky pro chapače výměníků musí mít jednotné rozměry - jednotné rozměry připojovacích ploch pro celý sortiment velikostí nástrojů - jednotná poloha pro nosič informace vhodný systém kódování - jednotný systém kódování nástrojových jednotek pro minimalizaci nákladů na přípravu, údržbu a provozní spolehlivost [1] V současnosti se používají tři základní nástrojové soustavy pro celou oblast nástrojových center, které plně nevyhovují výše uvedeným náročným požadavkům. Jsou to především nástrojové soustavy pro obrábění nerotačních součástí, rotačních součástí (soustružnické) a kombinované (univerzální). Tato technologická studie bude pojednávat o nástrojových soustavách pro obrábění nerotačních součástí. Soustavu tvoří tzv. stavebnicová nástrojová jednotka, jež se skládá z kuželového trnu (upíná se do vřetena stroje), prodlužovacího mezikusu a nástrojové jednotky. Jelikož je zde důležitý způsob upnutí kužele do vřetena stroje a vlastnosti vřetena, studie bude zaměřena na teoretický popis a charakteristiku tří důležitých komponentů vřeteno stroje, kužel (upínač nástroje) a nástroj.

Str. 12 Morfologie nástrojových soustav: [1] Nástrojové soustavy nástrojový držák prodlužovací mezikus nástrojová jednotka soustružnický rotační kombinovaný nástavce s automaticko u výměnou bez automatické výměny

Str. 13 1 VŘETENA OBRÁBĚCÍCH STROJŮ Vřeteno je součást stroje, do které upíná kuželový trn (upínač nástroje), na nemž je připevněn samotný nástroj. Úkolem vřetena je zaručit obrobku (u soustruhů) nebo nástroji (u frézky, vrtačky, brusky) přesný otáčivý pohyb, tj. takový, při němž se dráhy jednotlivých bodů obrobku nebo nástroje liší od kružnice jen v přípustných mezích. Vřeteno je uloženo v jednom radiálním a v jednom nebo dvou axiálních ložiskách. Přední konec vřetena: - konec, který vyčnívá ze skříně vřeteníku - vhodně upraven pro nasazení nebo upnutí obrobku či nástroje - úprava předního konce je normalizována a závisí na druhu stroje Hlavní (přední) ložisko: - ložisko bližší přednímu konci - má rozhodující vliv na přesnost otáčivého pohybu vřetena [2] Obr. 1 - Dlouhý frézovací trn: 1 vřeteno, 2 trn, 3 rozpěrné kroužky, 4 podpěrné ložisko, 5 upínací matice, 6 upínací šroub [5]

Str. 14 Obr. 2 - Krátký frézovací trn: 1 vřeteno, 2 - trn, 3 - upínací šroub, 4 - podélné pero, 5 - příčné pero [5] Přesnost chodu vřetena se kontroluje na jeho předním konci. Radiální přesnost chodu vřetena je ovlivněna činiteli podle obr. 3. Obr. 3 Radiální házení vřetena: 1. nepřesnost otáčení vřetena během jedné otáčky 2. nesouosost plochy, na které se házení měří a osy otáčení 3. úchylka kruhovitosti plochy, na které se měří házení [4] 1.1 Vliv ložisek na přesnost chodu vřetena Z obr. 4 a 5 je zřejmý vliv házení ložisek na radiální házení předního konce vřetena. Nulového házení lze dosáhnout pouze teoreticky podle obr. 6. Největší házení na předním konci vřetena nastane, když budou házení od ložisek v jedné rovině ale opačném smyslu (obr. 5). V praxi se používají tzv. párovaná vřetenová ložiska ukládaná do vřetena tak, aby házela ve stejné rovině a stejném smyslu.

Str. 15 Obr. 4 Obecný případ [4] Obr. 5 Chybné umístění [4] Obr. 6 Teoretický případ nulového házení [4] Pro vřetena se používají různé typy převážně valivých ložisek: Hlavní (přední) ložisko: - Jako první ložisko vřetena se používají přesná válečková ložiska s kuželovým vnitřním kroužkem pro vymezení vůlí. Hlavní ložisko má největší vliv na přesnost chodu vřetena (viz obr. 4, 5 a 6). - Dalšími používanými typy ložisek jsou ložiska s kosoúhlým stykem pro vyšší otáčky vřeten a menší řezné síly nebo kuželíková ložiska, která jsou však velmi náročná na výrobu, protože všechny osy valivých elementů kuželíkových ložisek musí směřovat do stejného bodu na ose vřetena.

Str. 16 Požadavky na ložiska: [4] přesnost - ložisko nesmí házet a se změnou velikosti a smyslu zatížení měnit polohu své osy vysoká tuhost malé pasivní odpory - malý součinitel tření a tím i malé ohřátí malé opotřebení pomalé zvětšování vůle, vysoká životnost možnost vymezení vůle jednoduchá údržba a spolehlivost klidný chod Pozn.: Výrobci ložisek (SKF, Rollway, NSK, FAG, INA ) vydávají katalogy svých výrobků s přesným popisem a výpočty životností, které jsou potřebné pro správnou volbu ložisek. Pro vřetenová ložiska jsou uvedeny doporučená sestavení ložisek pro různá zatížení a otáčky. 1.2 Konce vřeten obráběcích strojů Konce vřeten jsou normalizované. Slouží k jednoznačnému a přesnému upnutí součástí nebo nástrojů do vřetena. Konce vřeten jsou normalizované, např.: DIN, HSK, ISO, ČSN. Všechny konce vřeten jsou opatřeny přesným kuželovým otvorem, jehož osa je v rámci povolené tolerance totožná s osou otáčení vřetena. Základní typy konstrukčních provedení vřeten obráběcích strojů jsou uvedeny na obr. 7 a 8.

Str. 17 Obr. 7 Konec vřetena frézky (ČSN 22 0421) [4] Obr. 8 Konec vřetena vyvrtávačky [4]

Str. 18 2 UPÍNAČE NÁSTROJŮ Obr. 9 Příklady upínačů z katalogu firmy Pilana MCT [6]

Str. 19 Pro upínání nástrčných fréz na frézkách se používají frézovací trny. Upínací kužel frézovacích trnů a pracovního vřetena může být buď metrický s kuželovitostí 1:20, nebo Morse 1:19 až 20, nebo strmý 1:3,5. Metrický a Morse kužel jsou samosvorné a mohou přenést krouticí moment z vřetena na frézovací trn. Aby přenos krouticího momentu byl dokonalý, má konec vřetena obdélníkové vybrání, do něhož zapadá zploštělý nákružek na konci frézovacího trnu. Strmý kužel pouze středí trn v pracovním vřetenu, krouticí moment se přenáší dvěma kameny upevněnými na čele vřetena, které zapadají do vybrání na nákružku frézovacího trnu. Poloha frézy na dlouhém trnu se zajišťuje volně navlečenými rozpěrnými kroužky (viz obr. 10). Kromě rozpěrných kroužků je na trnu vodicí pouzdro, které je součástí posuvného podpěrného ložiska, umístěného na výsuvném rameni vodorovné frézky. Pouzdro je ustaveno v poloze, kde bude trn ložiskem podepřen. Aby upnutí nástrojů na trnech bylo co nejtužší, upínají se frézy co nejblíže k vřetenu a výsuvné rameno se přisune k fréze tak blízko, jak je to jen možné. Čelní nástrčné frézy a frézovací hlavy se upínají krátkými upínacími trny letmo upnutými do vřetena stroje (viz obr. 11). [5] Obr. 10 - Dlouhý frézovací trn: 1 vřeteno, 2 trn, 3 rozpěrné kroužky, 4 podpěrné ložisko, 5 upínací matice, 6 upínací šroub [5]

Str. 20 Obr. 11 - Krátký frézovací trn: 1 vřeteno, 2 - trn, 3 - upínací šroub, 4 - podélné pero, 5 - příčné pero [5] Frézy s kuželovou stopkou se upínají pomocí redukčních pouzder přímo do upínacího kužele ve vřetenu frézky. Redukční pouzdro se použije také tehdy, neshoduje-li se kužel frézovacího trnu s kuželem vřetena. Frézy s válcovou stopkou se upínají do vřetena frézky při použití sklíčidla s upínacím pouzdrem. [5] Frézy s válcovou stopkou o průměru 3 50 mm se v současné době velmi často upínají pomocí speciálních tepelných (viz obr. 12, 13) nebo hydraulických upínačů (obr. 14). V tepelném upínači je nástroj vložen do tělesa upínače a poté spolu s ním ohříván ve speciálním zařízení pomocí magnetického pole cívky vysokofrekvenčního generátoru. Průběh ohřevu je tak rychlý, že zvýšení teploty nástroje v důsledku vedení tepla je minimální. Poté je upnutý nástroj ochlazen proudem vzduchu (ke zkrácení doby ochlazování se používají hliníková tělesa s žebrováním, která obepínají upínač s nástrojem, a vestavěný ventilátor) a v důsledku smrštění materiálu upínače spolehlivě upnut. Uvolnění nástroje se provede ohřevem ve stejném zařízení. [5]

Str. 21 Obr. 12 Tepelný upínač firmy LMT [5] Obr. 13 Teplotní pole upínače [5]

Str. 22 Upínací síla hydraulického upínače (1) je vytvořena pomocí šroubu (4), který při zašroubování posouvá píst (5) s těsněním (6). Tím dochází ke zvýšení tlaku oleje v dutině upínače (3) a mírně deformované pouzdro (2) pevně obepne válcovou stopku nástroje (8). Drážky (7) slouží k odvedení případných mastnot ze stopky nástroje a napomáhají tak k zajištění spolehlivého přenosu vysokých hodnot kroutícího momentu. [5] Obr. 14 Hydraulický upínač firmy Schunk [5] 3 FRÉZOVACÍ NÁSTROJE Poslední částí nástrojové soustavy pro obrábění nerotačních součástí, která zde bude popsána, je samotný nástroj, v tomto případě tedy fréza. Vzhledem k mnohostrannému uplatnění frézování ve strojírenské výrobě a k velkému rozsahu technologie frézování se v současné době používá mnoho typů fréz. Frézy jsou vícebřité, někdy i tvarově složité, nástroje, které lze v závislosti na jejich technologickém uplatnění třídit do jednotlivých skupin podle různých hledisek. 3.1 Rozdělení fréz podle různých hledisek [5] a) Podle umístění zubů na tělese nástroje: válcové frézy mají zuby na válcové ploše čelní frézy - mají zuby na čelní ploše válcové čelní frézy - mají zuby na válcové i čelní ploše b) Podle nástrojového materiálu zubů: frézy z rychlořezné oceli

Str. 23 frézy ze slinutých karbidů frézy z cermetů frézy z řezné keramiky frézy z KNB frézy z PKD c) Podle provedení zubů: frézy s frézovanými zuby čelo i hřbet tvoří rovinné plochy, úzká fazetka o šířce 0,5 až 2 mm na hřbetě zpevňuje břit, ostření se provádí na hřbetě frézy s podsoustruženými zuby hřbetní plocha je tvořena částí Archimédovy spirály, čelo zubu tvořeno rovinnou plochou, ostření se provádí na čele, použití především pro jako tvarové frézy, protože při ostření zubů na čele se jejich profil mění jen nepatrně d) Podle směru zubů vzhledem k ose rotace frézy: frézy s přímými zuby frézy se zuby ve šroubovici zuby vnikají do záběru postupně, takže řezný proces je plynulý a klidnější e) Podle počtu zubů vzhledem k průměru frézy: - pro pro klidný chod frézy má být počet zubů takový, aby současně řezaly nejméně dva zuby frézy jemnozubé frézy polohrubozubé frézy hrubozubé f) Podle konstrukčního uspořádání: frézy celistvé těleso i zuby jsou z jednoho materiálu frézy s vloženými noži frézy s vyměnitelnými břitovými destičkami mechanicky upevněny k tělesu frézy g) Podle geometrického tvaru funkční části: frézy válcové frézy kotoučové frézy úhlové

Str. 24 frézy drážkovací frézy kopírovací frézy rádiusové frézy na výrobu ozubení h) Podle způsobu upnutí: frézy nástrčné upínají se na centrální otvor frézy stopkové upínají se za válcovou nebo kuželovou stopku i) Podle smyslu otáčení při pohledu od vřetena stroje: frézy pravořezné frézy levořezné Obr. 15 Frézy nástrčné, celistvé, válcové čelní, polohrubozrnné, pravořezné, se zuby ve šroubovici, z rychlořezné oceli, s frézovanými zuby [5] Obr. 16 Fréza válcová čelní, z rychlořezné oceli, s frézovanými zuby, s přímými zuby, hrubozubá, celistvá, úhlová, nástrčná, pravořezná [5]

Str. 25 Obr. 17 Fréza válcová, z rychlořezné oceli, s frézovanými zuby, s přímými zuby, polohrubozubá, celistvá, úhlová, nástrčná, levořezná [5] Obr. 18 Frézy válcové, z rychlořezné oceli, s podsoustruženými zuby, s přímými zuby, polohrubozubé, celistvé, rádiusové, nástrčné, levořezné [5] Obr. 19 Fréza válcová čelní, ze slinutých karbidů, s frézovanými zuby, se zuby ve šroubovici, hrubozubá, celistvá, drážkovací, stopková, pravořezná [5] Obr. 20 Fréza válcová čelní, ze slinutých karbidů, s frézovanými zuby, se zuby ve šroubovici, hrubozubá, celistvá, kopírovací, stopková, pravořezná [5]

Str. 26 Obr. 21 Fréza válcová, z rychlořezné oceli, s podsoustruženými zuby, s přímými zuby, polohrubozubá, celistvá, rádiusová, nástrčná, levořezná [5] Obr. 22 - Fréza válcová, z rychlořezné oceli, s podsoustruženými zuby, s přímými zuby, polohrubozubá, celistvá, na výrobu ozubení, nástrčná, levořezná [5] Obr. 23 Fréza válcová čelní, ze slinutých karbidů, se zuby ve šroubovici, hrubozubá, s vyměnitelnými břitovými destičkami, válcová, stopková, pravořezná [5]

Str. 27 Obr. 24 Fréza čelní, ze slinutých karbidů, se zuby ve šroubovici, polohrubozubá, s vyměnitelnými břitovými destičkami, nástrčná, pravořezná [5] Obr. 25 Fréza čelní, ze slinutých karbidů, se zuby ve šroubovici, hrubozubá, s vyměnitelnými břitovými destičkami, nástrčná, pravořezná [5] Obr. 26 Fréza čelní, ze slinutých karbidů, s přímými zuby, hrubozubá, s vyměnitelnými břitovými destičkami, nástrčná, pravořezná [5]

Str. 28 Obr. 27 Systém značení fréz ISO [7]

Str. 29 Obr. 28 ISO-systém značení vyměnitelných břitových destiček (1. část) [7]

Str. 30 Obr. 29 ISO-systém značení vyměnitelných břitových destiček (2. část) [7]

Str. 31 ZÁVĚR Jelikož sortiment nástrojových soustav pro obrábění nerotačních součástí v dnešní době dosahuje obrovské rozmanitosti a konkurence je v tomto směru skutečně rozsáhlá (výrobě jednotlivých komponentů se věnuje mnoho vyspělých firem jako Sandvik, Pramet Tool, Iscar, Kennametal-Hertel, Widia, Horn, Walter, Plansee, Böhlerit, ZPS a další), je tato studie specializována na charakteristiku a teoretický popis tří hlavních částí obráběcího stroje, které mají přímý vliv na samotný proces obrábění plochy obrobku a jeho přesnost vřeteno stroje, nástrojový upínač (kuželový trn) a samotný nástroj. Ve studii byly objasněny tyto body: charakteristika a popis vřeten obráběcích strojů vysvětlení funkce vřetena popis přesnosti chodu vřetena vliv ložisek a jejich umístění na přesnost chodu vřetena charakteristika normalizovaného konce vřeten charakteristika a popis funkce nástrojového upínače výčet jednotlivých druhů upínačů pro příslušné typy nástrojů pro obrábění nerotačních součástí popis funkce frézovacího nástroje rozdělení nástrojů do jednotlivých skupin podle různých hledisek s uvedením konkrétních příkladů

Str. 32 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 1. Marek, Jiří. Konstrukce CNC obráběcích strojů [online]. 2006 [cit. 2008-04-03]. Dostupné z: <http://www.mmspektrum.com/konstrukcecnc2/05.7-nastrojovesoustavy>. 2. Borský, V. Obráběcí stroje. 1. vydání. Olprint Šlapanice: Nakladatelství Vysokého učení technického v Brně, říjen 1992. 216 s. ISBN 80-214-0470-1 3. Borský, V. Základy stavby obráběcích strojů. 1. vydání. Tisk MTZ: Rektorát Vysokého učení technického v Brně, červen 1986. 145 s. 55-600-86 4. Vavřík, I.; Blecha, P.; Hampl, J. Výrobní stroje a zařízení: Sylabus přednášek pro kombinované bakalářské studium [online]. 1. vydání. FSI VUT v Brně. 2002 [cit. 2008-05-07]. Dostupný z: <http://simulace.fme.vutbr.cz/stranky/studium/opory.texty> 5. Humár, A. Technologie I Technologie obrábění 1. část: Studijní opory pro magisterskou formu studia [online]. FSI VUT v Brně. 2003 [cit. 2008-05-12]. Dostupný z: <http://ust.fme.vutbr.cz/obrabeni/?page=opory> 6. Pilana MCT, spol. s r. o. - Ke stažení [online]. 2007 [cit. 2008-05-17]. Dostupné z: <http://www.pilanamct.cz/win/kestazen.htm> 7. Pramet Tools, s. r. o. Frézování 2008 [online]. 2008 [cit. 2008-05-20]. Dostupné z: <http://www.pramet.com/download/katalog/milling%202008%20cz.pdf>