Kvalitní nástrojový upínač je klíčem k produktivnímu obrábění

Přesné obráběcí stroje a pokročilé řezné nástroje dokáží společně zajistit vynikající produktivitu obrábění kovů. K dosažení takové úrovně produktivity je však klíčové propojení mezi řezným nástrojem a vřetenem stroje – upínač nástrojů. Na trhu je k dispozici široká škála upínačů různých typů, a každý z nich je konstruován tak, aby zajistil optimální výkon při určitých obráběcích operacích. Výrobní provozy by proto měly výběr svých upínačů založit na specifických operacích stejně jako na dílech, které vyrábí. Přestože bývá snahou získat nejpokročilejší výrobní technologie a řezné materiály, mívá výběr, použití a údržba nástrojových upínačů, které by nejlépe vyhovovaly konkrétním potřebám výroby, tu nejnižší prioritu.

Všechny upínače zdaleka nejsou stejné
Žádný způsob upnutí nástroje není univerzální pro všechny aplikace. Upínač, který je zkonstruován pro vysokorychlostní dokončovací operace, obvykle postrádá tuhost a pevnost potřebné k tomu, aby byl efektivní například při hlubokém hrubování surových odlitků. Naproti tomu upínač určený pro hrubování obvykle není dostatečně vyvážený pro hladký běh při vysokorychlostních dokončovacích operacích. Kromě toho mohou robustní konstrukce a velikost držáku pro hrubování bránit v přístupu k drobným nebo hlubokým prvkům dílu. Odolné materiály obrobku vyžadují upínače se zvýšenou pevností a tuhostí. Důležitým kritériem výběru upínače je rovněž schopnost tlumit vibrace a přítomnost kanálku pro chladicí kapalinu.

Použití nevhodného upínače může způsobit rozměrové chyby a vyřazené díly, ale také nadměrné opotřebení vřetena obráběcího stroje, kratší životnost nástrojů a vyšší riziko jejich selhání. V případě běžných operací může přinést cenově dostupný upínač uspokojivé výsledky. Avšak u operací, kde je nezbytná opakovatelná přesnost, a to zejména tehdy, sníží-li znehodnocení drahého obrobku zisk z výroby, představuje investice do vhodně zvolených a kvalitních upínačů relativně levnou pojistku vůči tomuto druhu neočekávaných ztrát.

Pro některé výrobní manažery mohou dlouhé verze upínačů používané napříč řadou aplikací představovat strategii jisté úspory výrobních nákladů. Použití nejkratší možné varianty na druhou stranu přináší maximální tuhost, snižuje vibrace poškozující povrch a šetří životnost nástroje.

Upínače představují méně než dvě procenta celkových výrobních nákladů. I v případě snížení těchto nákladů na polovinu jde stále jen o nepatrnou úsporu, zatímco vyřazený obrobek nebo poškozený nástroj mají finanční dopad podstatně významnější. Prvotřídní nástroje a upínače mohou zvýšit produktivitu obrábění a zajistit okamžitou návratnost investic. V odvětvích, jako je například letecký průmysl, je stabilita obráběcího procesu rozhodující a mnoho výrobců se zaměřuje především na pořízení špičkového nástrojového vybavení, které eliminuje vadné díly a plýtvání časem na řešení problémů nebo prostoje ve výrobě. V tomto segmentu se obvykle věnuje ověření nových konceptů upínání mnohem delší doba, než dojde k jejich certifikaci pro výrobu.

Faktory obrobku ovlivňující výběr upínače
Mezi faktory ovlivňující výběr upínače patří jak obrobitelnost materiálu v rámci každé zakázky, tak také konfigurace finálního dílu. Oba údaje určí rozměry upínače potřebného k dosažení určitých tvarů a/nebo prvků. Upínače by přitom měly být co nejjednodušší a nejsnáze použitelné, aby se minimalizovaly chyby obsluhy.

Bez ohledu na to, jakou technologii upínání použijete, určí teprve tuhost obráběcího stroje, výkon vřetene a schopnost dosahovat přesné tolerance úkony, které jsou proveditelné. Snaha vyrábět s mikronovou tolerancí na opotřebeném stroji znamená pouze plýtvání časem.

Základní prvky obráběcího stroje hrají klíčovou roli – rychlý stroj s lineárním vedením využije nejlépe upínače určené pro vysokorychlostní aplikace, zatímco stroje s kluzným vedením umožňují provádět těžší obráběcí operace. Víceúčelový stroj plně využije schopnosti upínačů, které zvládají současně operace soustružení i frézování nebo vrtání.

Výběr nástrojového upínače je rovněž ovlivňován zamýšlenou strategií obrábění. Výrobní provozy mohou pro dosažení maximální produktivity zvolit například nástroje pro obrábění vysokou řeznou rychlostí (HSC), pracující s menší hloubkou řezu, nebo pro vysoce výkonné obrábění (HPC), které se vyznačuje vysokým úběrem materiálu na strojích s potřebným výkonem, ale omezenou rychlostí.

Opakovatelně nízké házení napomáhá zajištění konstantního úhlu záběru, což redukuje vibrace a prodlužuje životnost nástroje. Vyvážení je zásadní věcí, a proto jsou vysoce kvalitní upínače vyváženy v kvalitě G2,5–25 000 ot./min (1 g.mm). Aby provozy dokázaly zvolit pro své potřeby nákladově efektivní systém upínání nástrojů, mohou provádět i vlastní výzkumy a konzultovat je s dodavateli nástrojového vybavení.

Každý upínač má své uplatnění
Bez ohledu na to, zda se jedná o jednoduchý upínač typu Weldon, nebo kleštinové, tepelné, mechanické, či hydraulické provedení, musí upínač nástrojů vždy vyhovovat konkrétním provozním požadavkům. Jednoduché upínače fréz se stopkou Weldon jsou tuhé, snadno použitelné, dokáží přenášet vysoký krouticí moment a zajišťují bezpečné a pevné upnutí se silnou ochranou proti vytažení. Jsou vhodné pro náročné hrubování, postrádají však přesnou soustřednost. Obecně jsou z podstaty nevyvážené a nelze je produktivně využívat při aplikacích s vysokými otáčkami.

Kleštinová sklíčidla s výměnnými kleštinami představují nejběžnější formu technologie upínání rotačních nástrojů. Nákladově efektivní provedení ER je k dispozici v široké škále rozměrů, přičemž nabízí dostatečné sevření pro spolehlivé operace lehčího frézování a vrtání. Vysoce přesné kleštinové upínače ER-HP mají nízké házení (<5 μm na hrotu nástroje) a symetrickou konstrukci, kterou lze vyvážit pro vysokorychlostní operace. K dispozici jsou i zesílené verze pro těžké obrábění. Systém ER umožňuje rychlou výměnu a lze jej vyžívat pro velký rozsah průměrů stopek.

Držáky pro tepelné upínání Shrinkfit nabízí velkou upínací sílu, soustřednost 3 μm (na 3xD) a vynikající vyvážení. Jejich útlá a jednoduchá konstrukce umožňuje dobrý přístup i k těsným detailům součástí.

Zesílená verze umožňuje provádět střední až těžké frézování. Síla upnutí závisí na tolerancích vnitřního průměru dutiny a stopky nástroje. Tepelné upínání Shrinkfit vyžaduje pořízení ohřevné jednotky a proces ohřevu a zchlazení představuje oproti jednoduché výměně kleštin delší dobu přípravy.

Mechanická sklíčidla pro frézování poskytují vysokou upínací sílu a radiální tuhost konstrukcí s více řadami jehlových ložisek. Umožňují i těžké frézování a rychlou výměnu nástrojů, avšak házení může být větší než u systému s kleštinami. Mechanická sklíčidla mají obecně větší rozměry než ostatní typy upínačů, což může omezovat dosah nástrojů k některým detailům dílu.

Hydraulická sklíčidla, která využívají k vytvoření upínací síly tlaku oleje, mají méně vnitřních prvků než mechanická sklíčidla a ve výsledku potom poměrně štíhlejší profil. Hydraulická sklíčidla se vyznačují nízkým házením a jsou efektivní při vystružování, vrtání a lehkém frézování při vysokých otáčkách vřetena, současně jsou ale citlivá na vyšší radiální zatížení.

Spojení upínače s vřetenem obráběcího stroje je stejně důležité jako způsob, jakým je upevněn řezný nástroj. Rozhraní vřetena a upínače nástroje určují schopnost přenosu krouticího momentu a zajišťují i přesnost vystředění. Tradiční nástrojové kužely BT, DIN a CAT jsou efektivní u menších strojů, současně však limitují vysokorychlostní obrábění. Verze s kuželočelním kontaktem poskytují zvýšenou tuhost a přesnost, zejména v aplikacích s dlouhým vyložením. K přenesení vyššího krouticího momentu je také potřebný větší kužel. Provedení HSK-E32 například nemůže nahradit velikost HSK-A125A při operacích těžkého obrábění.

Výběr provedení kužele bývá často dán regionální preferencí. Rozhraní HSK se objevilo v Německu v polovině devadesátých let, kdy se staly populárními 5osé stroje. Kužely CAT se používají převážně ve Spojených státech, zatímco v Asii jsou nejvíce rozšířené varianty BT, často ve verzi s kontaktem kužel/čelo.

Systém HSK se často využívá pro 5osé obrábění. Systémy PSC (polygonální upínací systém: Capto) a KM se používají hlavně u multifunkčních strojů a jsou nyní ISO standardem. KM a Capto jsou rovněž systémy modulární, které umožňují sestavení specifických nástrojů v různých délkách prostřednictvím přidávání nástavců nebo redukcí. S tím, jak se zvyšuje nasazení víceúčelových strojů, roste též oblíbenost upínačů, které umožňují operace soustružení, frézování nebo vrtání na jedno upnutí.

I když existují patentované upínací systémy, které využívají inovativním způsobem unikátní držáky a kleštiny a umožňují dosahovat velmi působivých výsledků, musí provoz uvážit a propočítat jejich výhodnost. Takové systémy totiž obvykle znamenají vyšší náklady a omezený výběr nástrojů od jediného dodavatele.

Náklady a další faktory
Ač jsou vstupní náklady na hydraulický nebo mechanický typ upínače v porovnání se sklíčidlem nebo tepelným upínačem Shrinkfit vyšší, je třeba zohlednit ještě další faktory, jako jsou náklady na ohřívací jednotku Shrinkfit či dobu potřebnou na výměnu nástrojů. Je také nezbytné mít individuální upínač Shrinkfit pro každý průměr stopky nástroje, zatímco u kleštinového systému jednoduše stačí vyměnit kleštinu.

V úspěšném nasazení upínačů hrají důležitou roli také provozní operátoři a údržbáři. Stejně jako obráběcí stroje a další výrobní zařízení vyžadují i upínače takové použití a údržbu, které maximalizují jejich výhody a využijí jejich plný potenciál. Operátor například musí zasunout stopku nástroje do dutiny upínače v celé délce, neboť nesprávné usazení povede k vibracím narušujícím přesnost či dokonce způsobí uvolnění nástroje. Dodržování předpisů je pro montáž nástrojových sestav zcela zásadní. Obsluha nesmí při utahování sklíčidla používat prodlužovací rukojeť zvyšující utahovací moment, protože by mohlo dojít ke zkroucení kleštiny a vyosení nástroje.

Velmi důležitá, avšak často opomíjená, je také údržba nástrojů. Operátoři by měli upínače před použitím vždy očistit a zkontrolovat též vřeteno stroje. Upínače musí být skladovány čisté a suché, s víčky chránícími nástrojový kužel. U hydraulického sklíčidla je třeba pravidelně kontrolovat tlak kapaliny.

Závěr
Výrobní provozy si musejí uvědomovat důležitost upínačů v obráběcím systému a pochopit, že upínače, správně zvolené pro konkrétní obráběcí stroj, strategii a obrobek, jim pomohou zvýšit produktivitu a snížit náklady. Výrobci nástrojů proto nabízejí komplexní sortiment upínačů (viz postranní panel) navržených s cílem uspokojit individuální provozní potřeby.

Budoucí vývoj základní funkce upínačů významně přesáhne. Softwarová správa nástrojů a RFID čipy se stávají integrální součástí datově ovládané výroby. Pokroky v technologii přinášejí upínače vybavené snímači, které umožňují sledovat zatížení v reálném čase. Na základě shromážděných údajů lze provádět úpravy parametrů obrábění v průběhu procesu – buď obsluhou, nebo dokonce automaticky prostřednictvím umělé inteligence (AI) propojené s řídicí jednotkou stroje. Tyto a další nové technologie ještě posílí produktivní přínos nástrojových upínačů v rámci obráběcích operací.

www.secotools.com