Vibrace při obrábění kovů a možnosti, jak je potlačovat

Co jsou vlastně vibrace?  

Vibrace jsou mechanický fenomén, jenž nastává oscilací soustavy kolem bodu rovnováhy. Takové výchylky mohou být opakované, třeba jako pohyb kyvadla, nebo nahodilé, jako při pohybu pneumatiky na nezpevněné cestě. 

Někdy mohou být vibrace dokonce žádoucí. Například mobilní telefon přenáší kvalitní zvuk díky vibracím ve vzduchu. Častěji ovšem znamenají vibrace energetické ztráty, přičemž vznikají nežádoucí deformace a hluk. Jsou to třeba nechtěné vibrační pohyby spalovacích motorů, elektromotorů a dalších mechanických zařízení. Příčinou vibrací bývají nevyvážené rotující součásti, nepravidelné tření, reliéf povrchu ozubených kol a další, naštěstí je lze minimalizovat pečlivou konstrukcí. 

Kdy dochází k vibracím při obrábění?

Obráběcí stroje, obrobky ani nástroje nejsou zcela tuhé, a řezné síly mohou proto způsobit jejich vibrace. Dynamické charakteristiky stroje, obrobku i nástroje mají podstatný vliv na výkonnost obrábění. Příliš malá tuhost, a stejně tak i nedostatečné tlumení vibrací, vedou ke vzniku vlastně buzených kmitů, a tedy „chvění“. Při alespoň základních znalostech tohoto fenoménu je takové chvění předvídatelné, což umožňuje zlepšení výkonnosti obrábění. 

Proč je nutné vibracím při obrábění zamezit?  

Vibrace mají při obrábění spoustu negativních důsledků, vyjmenujme si alespoň ty nejvýznamnější. Vibrace způsobují zvýšené poškozování břitů a nekontrolovatelné, nepředvídatelné projevy opotřebení (např. vyštipování a vylamování břitů), jenž snižují spolehlivost obrábění. Dále dochází k narušení kvality obrobeného povrchu a většímu množství zmetků či opravovaných dílců – vibrace zkrátka ohrožují systém výroby a mohou vést k problémům s termíny dodávek i jejich spolehlivostí. Zmíněné dva efekty pak negativně ovlivňují ekonomiku obrábění – vibrace zkrátka stojí peníze. Vibrace také spotřebovávají přiváděnou energii, čímž zvyšují energetickou náročnost výroby. Rostou také nároky na odbornost operátorů ve výrobě. 

Jaké jsou typy vibrací při obrábění?  

V procesech obrábění kovů se můžeme setkat se třemi typy vibrací: volné vibrace, nucené vibrace a rezonanční vibrace. 

Volné vibrace: Vnější impuls způsobí rozkmitání mechanické soustavy, které postupně odeznívá. Lze to připodobnit k situaci, kdy se dětská houpačka přitáhne a pak volně pustí. Mechanická soustava kmitá na jedné či více svých „přirozených frekvencí“, a poté se utlumuje až do klidu.  

Nucené vibrace: Na mechanickou soustavu působí časově nepravidelné vzruchy (tlak, ohyb, rychlost). Tyto impulsy mohou být periodické, stacionární či náhodné. Příkladem nucených vibrací je třeba pračka poskakující kvůli nevyváženému bubnu, nebo chvění budovy v případě zemětřesení.  

Rezonanční vibrace: Fenomén zvaný rezonance je situací, kdy extrémně narůstá amplituda kmitání, blíží-li se frekvence buzení přirozené frekvenci a soustava má pouze malou schopnost vlastního tlumení. Přirozená frekvence soustavy se proto také nazývá frekvencí rezonanční. Houpete-li dítě na houpačce a chcete je rozhoupávat víc a víc, musíte zatlačit v tu pravou chvíli – a nejde přitom o to, že by byla pro dosažení větší výšky potřeba také větší síla. Každé zatlačení pouze dodává do systému potřebnou energii. V soustavách s rotujícím prvkem se rychlost rotace, která budí rezonanční frekvenci, nazývá kritickou rychlostí.  

Rezonance v mechanické soustavě může způsobit celkové selhání. Analýza vibrací musí zahrnovat i otázku předvídání, kdy by mohlo k takové rezonanci dojít, a určení preventivních kroků. Sílu vibrací může významně potlačit přídavný tlumicí systém, ale stejně tak i zvýšení tuhosti či hmoty dané soustavy, tím dochází k oddálení přirozené frekvence kmitání od hodnoty frekvence budicí. Pokud nelze na systému nic změnit, může pomoci ovlivnění frekvence buzení (například změnou rychlosti otáčení vřetena stroje).  

Role řezných sil v otázce vibrací  

Stejné síly, které vedou k oddělování materiálu, působí i na obráběcí nástroj. Tyto síly nástroj deformují a ohýbají, což může způsobit vznik vibrací. Dynamická podstata řezných sil pak může přispět i k vibracím rezonančním. Riziko takové situace vzrůstá, jsou-li nástroje či obrobky štíhlé, řezné síly příliš vysoké, materiál nástroje či obrobku má nízký práh vlastního tlumení, je použita nesprávná metoda obrábění či nevhodná geometrie nástroje. 

Řezné síly a nedostatečná pevnost nástroje způsobují vibrace při obrábění.

Rezonanční vibrace se objevují, když je frekvence, kterou působí řezné síly během obrábění na břit, stejná jako frekvence vlastních kmitů (rezonanční frekvence) celého obráběcího nástroje. Takovou situaci mohou způsobit i změny v řezných podmínkách, silná a nepravidelná fragmentace třísek či dokonce nestejnoměrná struktura materiálu.  

Obráběči také označují rezonanční vibrace jako „drnčení“. Chvění samo o sobě problémem není, ale v určitých situacích může ohrozit kvalitu procesu tím, že dochází k nekontrolovanému opotřebení břitu a nedokonalému obrobení povrchu zpracovávaného dílce. Tyto případy pak vyžadují potlačování vibrací, což lze nejsnadněji provést změnou řezných podmínek nebo volbou jiného nástroje.

Nepravidelnosti ve struktuře materiálu mohou způsobit vibrace.

V otázce vibrací hraje roli také stabilita stroje 

Při analýze vibrací a jejich rizika ovlivnění průběhu obrábění je třeba posuzovat také stabilitu obráběcího stroje. Ani obráběcí stroj nemá nekonečnou stabilitu, a obecně platí, že s vyššími otáčkami vřetena se stabilita snižuje.

Obecně lze říci, že čím vyšší jsou otáčky vřetena při běhu stroje, tím vyšší je i riziko vibrací. Při určitých hodnotách otáček se však stabilita zvyšuje. Otáčky zvolené pro konkrétní nástroj mohou spadat do oblasti nízké stability, kdy způsobují vibrace, a pak je třeba pro uklidnění soustavy otáčky změnit. Pokud však zvolené otáčky odpovídají oblasti s vyšší stabilitou, je možno ponechat řezné parametry na této vysoké úrovni. Pro eliminaci vibrací je tedy třeba otáčky volit velmi pečlivě, zejména pak při vysokých hodnotách. 

Ohyb a síly při vibracích 

Mezi ohybem, silou a základními rozměry nástroje existuje jasně definovaný vztah. Z pohledu těchto závislostí je pro snížení rizika vibrací zásadní minimalizace ohybu a průhybu. Toho lze dosáhnout několika způsoby. Nejsnáze riziko omezíme snížením řezných sil nebo změnou směru, kterým v rámci dané soustavy působí. Další možností je zesílení obráběcího nástroje, který pak má lepší odolnost vůči ohybu. Podobný efekt má použití tužšího materiálu nástroje. Základním prvkem je zde modul pružnosti (E). Pro příklad: Výměna ocelového tělesa nástroje za karbidové sníží průhyb o 50 %. Tento přístup lze navíc kombinovat s použitím kuželovitých nástrojových těles.

Jak minimalizovat a kontrolovat vibrace při obrábění?  

Pár jednoduchých a praktických kroků může podstatně snížit riziko vibrací, nebo jejich vzniku zamezit úplně. Následující zásahy lze využít ke změně velikosti zatížení nebo směru, kterým řezné síly na obráběcí nástroj působí:

• Použijte úhel nastavení ostří blízký 90°.
• Zvolte menší rádius špičky a/nebo ostřejší břit.
• Snižte hloubku řezu a zvyšte posuv.
• Změňte řeznou rychlost.

Vyberte lepší způsob upnutí nástroje (např. Seco-Capto a systém Seco Steadyline). 

První doporučení – úhel nastavení ostří blízký 90° – je vcelku evidentní v případě soustružení, avšak v aplikacích frézování je třeba na věc pohlížet jiným způsobem. Výsledná řezná síla působí zhruba kolmo na hlavní ostří nástroje. Vezmeme-li situaci frézy upnuté do vřetena obráběcího stroje a budeme hodnotit riziko ohybu, je riziko vzniku vibrací dáno řeznou silou vynásobenou vzdáleností mezi směrem působení řezné síly a pevným „referenčním“ bodem na ose vřetena.  

Porovnáme-li rohovou frézu (úhel nastavení ostří 90°) s nástrojem pro frézování vysokým posuvem (úhel nastavení ostří pouze několik stupňů), je vzdálenost mezi směrem působení řezné síly a referenčním bodem daleko menší, a riziko vibrací (při stejně velké řezné síle) se také významně snižuje. 

Součin (F×l) určuje riziko vibrací při frézování.

Jak prakticky snižovat vibrace při frézování?

Pro řešení problémů s vibracemi při frézování je třeba zvolit vhodné nástroje a řezné podmínky, které změní velikost a směr řezných sil:

• Volte frézy s hrubou roztečí zubů a upínejte je tak, aby bylo jejich vyložení co nejmenší. 
• Vybírejte břity s pozitivními geometriemi.  
• Volte frézy s menšími průměry, zejména pro nasazení systému Seco Steadyline.  
• Vyberte malý rádius na špičce břitu.  
• Zvolte karbidové třídy s tenčím povlakem.  
• Používejte velké posuvy na zub. Snižte otáčky a rychlost posuvu udržujte na úrovni vyšších posuvů na zub. Projeví-li se vibrace, nesnižujte posuv na zub.  
• Zmenšete axiální a radiální hloubky řezu.  
• Využijte stabilní systémy pro upínání fréz. Používejte co největší velikosti upínacích rozhraní u modulárních nástrojových systémů. Využívejte kuželovité upínače nástrojů.   
• Přemístěte frézu ze středové polohy vůči obrobku. Obrábějte souslednou metodou.  

Začněte na normálních posuvech a řezných rychlostech. Pokud se vibrace zvyšují, provádějte postupně následující změny: Zvyšte posuv; zvyšte rychlost otáčení; snižte rychlost otáčení; snižujte posuv, dokud vibrace nezmizí či se alespoň nezmenší. 

Jak postupovat u dalších typů obráběcích operací?

Obdobné přehledy doporučení jsou samozřejmě k dispozici také pro řešení vibrací v případě ostatních typů obráběcích operací – soustružení, vyvrtávání a dalších. Chcete-li se dozvědět více, zajímejte se o vzdělávací programy Seco STEP.