3 Lineární řezné procesy: Hoblování, Tvarování & Broaching

Při probírání procesů obrábění kovů, soustružení, frézování, a broušení se obvykle věnuje nejvíce pozornosti. Však, ne každý problém obrábění nejlépe vyřeší rotující fréza.

Pro rovné povrchy, rovné drážky, klíčové, spline, a určité nekruhové vnitřní profily, lineární řezné procesy zůstávají velmi užitečné.

V tomto článku jsou popsány tři důležité procesy hoblování, tvarování, a protahování.

Všechny tři odebírají materiál relativním lineárním pohybem mezi řezným nástrojem a obrobkem, ale zásadně se liší v konfiguraci stroje, směr řezu, nástroje, produktivita, použitelná geometrie, a ekonomie.

Z pohledu výroby, správná otázka není jen to, který proces je „lepší“. To je:

Který lineární proces řezání poskytuje požadovanou geometrii, přesnost, povrchová úprava, produktivita, a náklady na konkrétní díl a objem výroby?

1. Hoblování: Reciproční řezání pro velké rovné povrchy

Hoblování je tradiční lineární proces obrábění kovů, při kterém se obrobek pohybuje recipročně proti pevnému jednobodovému řeznému nástroji. Na rozdíl od otáčení, frézování, nebo broušení, hoblování nespoléhá na nepřetržité rotační řezání.

Místo toho, materiál je odstraněn během dopředného zdvihu, zatímco zpětný zdvih je normálně neřezný pohyb.

Díky tomuto jednoduchému principu řezání je hoblování obzvláště vhodné pro velké, těžký, a podlouhlé obrobky s dlouhými plochými nebo rovnými povrchy.

I když moderní CNC frézování nahradilo hoblování v mnoha univerzálních aplikacích, hoblování zůstává technicky cenné tam, kde velikost a hmotnost obrobku činí rotační obrábění méně praktickým.

Velká lůžka obráběcích strojů, těžké základny, Strukturální odlitky, a dlouhé vodicí plochy jsou reprezentativními příklady.

Pracovní princip hoblování

Řezný účinek hoblíku je založen na cyklu opakovaného zdvihu. Při dopředném zdvihu, řezná hrana zabírá s obrobkem a odstraňuje řízenou vrstvu materiálu.

Nástroj nebo stůl poté dokončí svůj zpětný pohyb, normálně bez řezání, před použitím dalšího posuvu.

Základní cyklus je:

Řezný zdvih → zpětný zdvih → posuv → řezný zdvih

Posuv progresivně posouvá polohu řezu tak, aby nástroj pokryl požadovanou oblast obrábění.

Kombinací podélného pohybu stolu s příčným nebo vertikálním posuvem, hoblík může generovat horizontální, vertikální, a šikmé plochy.

Tento vratný pohyb je základním rozdílem mezi hoblováním a nejmodernějšími vysoce produktivními obráběcími procesy.

Ve frézování, fréza se nepřetržitě otáčí a do obrobku opakovaně zabírá několik zubů. V hoblování, řezání je přerušované a normálně se provádí s a jediná řezná hrana.

Hlavní součásti hoblíku

Konvenční hoblík se skládá z velkého počtu konstrukčních prvků a komponentů pro řízení pohybu navržených tak, aby podpíraly těžké obrobky a udržovaly stabilitu řezu.

Konstrukce stroje musí být dostatečně tuhá, protože hoblování se často používá u velkých odlitků a součástí s velkými řeznými silami.

Jakákoli nestabilita v tabulce, systém upínání obrobku, nebo nástrojová hlava se může projevit přímo jako vibrace, rozměrová variace, nebo špatná povrchová úprava.

Typické aplikace hoblování

Nejsilnější oblastí použití pro hoblování je výroba velký, dlouho, relativně rovné plochy

Klasickým příkladem jsou velká lůžka obráběcích strojů. Jejich vodicí dráhy a montážní povrchy mohou zasahovat do značných délek a vyžadují přesné vyrovnání podél celé pracovní obálky.

Podobné požadavky se vyskytují u velkých základen, rámy, Strukturální odlitky, a zařízení těžkého průmyslu.

Hoblování může také vyrábět:

• Dlouhé vodorovné roviny
• Vertikální plochy
• Šikmé plochy
• Rovné drážky
• V-Grooves
• T-drážky
• Profily rybinového typu
• Dlouhé vodicí plochy

S odpovídajícím nástrojem a konfigurací stroje, lze také generovat specializovanější profily.

Však, proces je nejekonomičtější, když geometrie zůstává v podstatě lineární a přístupná pro vratný nástroj.

Hoblovací nástroje a strategie řezání

Hoblování obvykle používá jednobodové řezné nástroje

Pro hrubé obrábění, obvykle se dává přednost tuhému nástroji se silným břitem, aby bylo možné provádět větší hloubky řezu bez nadměrných vibrací.

Dokončovací operace používají nástroje navržené tak, aby zajišťovaly stabilnější řezání a zlepšenou kvalitu povrchu.

Přesah nástroje by měl být minimalizován, protože dlouhý výstup nástroje snižuje tuhost a může zvýšit chvění.

To je zvláště důležité při hoblování velkých odlitků, protože samotný obrobek může obsahovat lokální změny tuhosti.

Praktické nastavení nástroje se řídí třemi základními principy:

Správná poloha nástroje + minimální převis + bezpečné upnutí

Obrobek musí být také pevně podepřen. Malé součásti mohou být upnuty ve svěráku nebo jiném přípravku, zatímco velké odlitky a výrobky jsou obecně zajištěny svorkami, šrouby, podpůrné bloky, nebo vyhrazená zařízení.

Charakteristiky procesu a typická přesnost

Hlavní nevýhodou hoblování je jeho nízká účinnost úběru materiálu ve srovnání s kontinuálním frézováním, protože zpětný zdvih normálně nepřispívá k řezání.

Výměny nástrojů a vratné zrychlování a zpomalování také omezují produktivitu.

Jeho předností je flexibilita, poměrně jednoduché nářadí, a schopnost obrábět velké nebo těžké součásti bez potřeby složitých rotačních fréz.

Díky těmto vlastnostem je hoblování zvláště užitečné v kusové a malosériové výrobě, opravárenské práce, a obrábění velkých plochých součástí.

Typická dosažitelná přesnost silně závisí na stavu stroje, geometrie nástroje, tuhost obrobku, a procesní parametry.

Jako obecný odkaz, konvenčním hoblováním lze dosáhnout přibližně Rozměrová přesnost IT9–IT7, s drsností povrchu běžně kolem Ra 12,5–1,6 μm.

Za příznivých podmínek as vhodnými širokými dokončovacími nástroji, přesného hoblování lze dosáhnout přibližně IT6, s drsností povrchu, která může dosahovat kolem Ra 0,8–0,2 μm.

Tyto hodnoty jsou spíše indikativní než univerzální a neměly by nahrazovat ověřování schopností specifických pro proces.

Základní hodnota hoblování spočívá v jeho schopnosti zajistit stabilitu, flexibilní obrábění velkých plochých geometrií s relativně jednoduchým obráběním.

I když bylo z velké části nahrazeno vysoce produktivním frézováním v mnoha výrobních prostředích, zůstává praktickým procesem pro velké součásti, těžké obrábění, a malosériová výroba, kde je flexibilita a jednoduchost zařízení důležitější než maximální rychlost cyklu.

2. Tvarování: Vertikální vratné řezání pro vnitřní a vnější prvky

Zkušení strojníci často popisují slotter jako „vertikální hoblík“, a přirovnání je technicky výstižné.

Ve tvarování, směr řezání je spíše vertikální než horizontální, a proces je primárně zaměřen na vnitřní povrchy.

Lze to považovat za vertikální prodloužení procesu hoblování, sdílejí stejný základní jediný bod, přerušované řezání při prodloužení jeho dosahu do otvorů, náboje, a další uzavřené geometrie, ke kterým hoblík nebo tvarovač nemá snadný přístup.

Základní vybavení: Obrážecí stroj

Hrací automat (slotter) skládá se z postele, horní a dolní posuvné vozíky, kruhový pracovní stůl, berana, a sloupec.

Primárním pohybem je vertikální lineární vratný pohyb berana, který unáší drážkovací nástroj dolů skrz obrobek a při zpětném zdvihu jej zasouvá.

Pohyb posuvu je zajišťován podélným a příčným pohybem horních a spodních saní, zatímco rotační pohyb kruhového pracovního stolu umožňuje úhlové indexování.

Tato kombinace umožňuje stroji provádět nejen přímé vnitřní řezy, ale také indexované prvky rozmístěné kolem otvoru.

Typické drážkovací stroje zvládají zdvihy v rozsahu od zhruba 80 mm do 500 mm, s rychlostí berana běžně mezi 15 a 60 zdvihů za minutu v závislosti na délce zdvihu a materiálu.

Protože k řezání dochází pouze během zdvihu směrem dolů, proces je ze své podstaty přerušovaný, a efektivní doba řezání je přibližně 40–50 % z celkového cyklu.

Rozsah obrábění a praktické detaily

Drážkování je v drtivé většině „interní“ operace. Mezi jeho silné stránky patří:

• Klínové drážky v nábojích, rychlostní stupně, a kladky
• Čtvercové otvory a obdélníkové otvory
• Polygonální otvory (šestiúhelníkový, osmiúhelníkový, a podobné profily)
• Spline otvory a vnitřní drážky
• Vnitřní drážky, slepé sloty, a nepravidelné vnitřní profily

Drážkovací nástroje spadají do dvou širokých kategorií. Nástroj se špičatou hranou se používá pro hrubé drážkování a pro obrábění polygonálních otvorů, kde dokáže překonat rohy a různé profily.

Nástroj s plochým břitem se používá pro dokončovací operace a pro řezání pravoúhlých drážek, vytváří čistší boční stěnu a plošší dno.

Při řezání spline vzniká kritický detail. Nestačí kontrolovat symetrii každé jednotlivé drážky; úhlová rozteč všech perových drážek po obvodu musí být rovněž udržována v toleranci.

Toho je dosaženo použitím indexovací desky nebo dělicí hlavy ve spojení s otočným pracovním stolem.

Protože spline fit je určeno kumulativní polohou každého zubu, i malá chyba indexování může způsobit rušení během montáže nebo nepřijatelnou vůli v provozu.

V praxi, přesnost indexování je často udržována v rozmezí několika obloukových minut, v závislosti na třídě spline a protilehlé komponentě.

Charakteristiky a přesnost procesu

Slotter nabízí jasné výhody v určitých výrobních kontextech.

Jeho struktura je poměrně jednoduchá, nastavení je rychlé, a pro kusovou nebo malosériovou výrobu vnitřních drážek pro pero a nekruhových otvorů, je to často cenově nejvýhodnější dostupná možnost.

Vyžaduje také méně specializované nástroje než protahování, díky čemuž je atraktivní pro dílny a oddělení údržby.

Omezení jsou stejně dobře stanovena. Při zpětném zdvihu, nástroj se otírá o stěnu obrobku, zrychlení opotřebení nástroje a snížení životnosti nástroje.

Držák nástroje nebo vyvrtávací tyč má omezenou tuhost, který omezuje jak maximální délku štěrbiny, tak dosažitelný poměr hloubek k šířce.

V důsledku toho, hluboké nebo úzké štěrbiny mohou vyžadovat více průchodů, a průhyb může ovlivnit rozměrovou konzistenci.

Za normálních podmínek, drážkování dosahuje rozměrové přesnosti v rozsahu IT9 až IT7, s drsností povrchu obvykle mezi Ra 6.3 μm a Ra 1.6 μm.

Jemnější povrchové úpravy obecně vyžadují snížený posuv, ostré nástroje, a někdy i samostatný cílový pas. Níže uvedená tabulka shrnuje hlavní parametry procesu.

Mimo tvarované otvory, slotter dokáže obrábět i válcová kola, vačky, a další speciální součásti, pokud jsou použity vhodné přípravky a indexovací uspořádání.

Tato všestrannost mu vynesla reputaci jako „univerzální náhrada“ v dílně – stroj, který nemusí být první volbou pro velkosériovou výrobu., ale takový, který si spolehlivě poradí s lichou, vnitřní, a obtížné, když jiné procesy nemohou.

3. Broaching: Vysoce produktivní lineární řezání s vícezubým nástrojem

Broaching je vysoce produktivní lineární řezný proces, při kterém se používá speciálně navržený nástroj zvaný a rožeň se pohybuje lineárně vzhledem k obrobku.

Na rozdíl od hoblování a tvarování, které běžně používají jedinou řeznou hranu a odebírají materiál opakovanými tahy, protahovač obsahuje několik řezných zubů uspořádaných postupně podél nástroje.

Každý zub odebírá kontrolované množství materiálu, umožňující hrubování, polotovar, a dokončovací práce, které mají být dokončeny jediným souvislým zdvihem.

Díky této jedinečné geometrii nástroje je protahování obzvláště efektivní pro opakující se vnitřní a vnější profily, zejména ve středním- a produkce s vysokým objemem.

Typické příklady zahrnují vnitřní drážky, spline, čtvercové otvory, polygonální otvory, a vybrané profily související s výstrojí.

Základní vybavení a nástroje

Protahovací stroje jsou k dispozici ve dvou základních konfiguracích: vertikální a horizontální.

Moderní stroje jsou téměř univerzálně poháněny hydraulicky, který zajišťuje hladké, stabilní, a konzistentní řezný pohyb po celou dobu zdvihu.

Délky zdvihu se značně liší podle velikosti stroje, od zhruba 500 mm na menších vertikálních strojích až několik metrů na velkých horizontálních protahovačkách.

Jádrem procesu je protahovací nástroj, nebo protahovat. Jeho konstrukce je vysoce propracovaná, přičemž každá sekce plní jinou funkci:

• Shank: Přenáší tažnou nebo tlačnou sílu ze stroje.
• Přední pilot: Středí a vede protahovač při vstupu do předem obrobeného otvoru.
• Řezací sekce: Obsahuje více zubů uspořádaných ve stoupající sekvenci, každý zub odebírá kontrolovaný přírůstek materiálu.
• Dokončení (dimenzování) sekce: Konečné zuby odstraní poslední malé přírůstky, aby se stanovil konečný rozměr a povrchová úprava.
• Zadní pilot: Podporuje a vede protahovač při výstupu z obrobku.

Protože zuby postupně rostou, protahovač provádí hrubování, polotovar, a dokončení současně. Jediný průchod dokončí celou operaci.

Vzestup na zub je obvykle v rozmezí 0.02 na 0.15 mm, v závislosti na materiálu a požadované povrchové úpravě.

Rozsah obrábění a praktické úvahy

Protahování je rozděleno do dvou kategorií: vnitřní protahování a vnější (povrch) protahování.

Vnitřní protahování se používá k výrobě široké škály profilovaných otvorů:

• Kulaté otvory
• Čtvercové otvory
• Spline otvory
• Vývrty ozubených kol a další nekruhové vnitřní profily

Vnější protahování používá se na rovné povrchy, V-Grooves, a další externí profily.

V automobilovém a leteckém průmyslu je běžné pro obrábění součástí, jako jsou kotouče turbín a ojnice.

Pozornost si zaslouží několik praktických bodů. Při protahování vnitřního otvoru, obrobek obecně není nutné upínat.

Je podepřena na své koncové ploše, a samotná řezná síla jej drží na místě. Však, kolmost mezi předobrobeným otvorem a opěrnou čelní plochou musí odpovídat specifikaci.

Pokud je tato kolmost špatná, pod obrobek lze použít kulovou dosedací podložku, která umožní samočinné vyrovnání během průchodu.

Pro vnější protahování, řezné síly jsou asymetrické, takže obrobek musí být pevně upnutý. Pro udržení protahovače na dráze je také nutná vodicí deska.

Bez řádného vedení, nástroj se může unášet, vytvoření nevyrovnaného nebo netolerovaného povrchu a potenciálně sešrotování součásti.

Charakteristiky a přesnost procesu

Hlavní výhodou protahování je jeho kombinace vysoké produktivity a stálé přesnosti.

Protože celá operace je dokončena jediným tahem, časy cyklů jsou krátké a opakovatelnost je vynikající.

Díky tomu je protahování ideální pro velkoobjemovou výrobu dílů vyžadujících těsnost, jednotné tolerance.

Za normálních podmínek, protahování dosahuje ekonomické přesnosti IT9 až IT7, s drsností povrchu mezi Ra 1.6 μm a Ra 0.4 μm.

V příznivých podmínkách, přesnost může být ještě přísnější. Konzistence mezi jednotlivými dávkami je jednou z nejsilnějších charakteristik procesu, protože geometrie nástroje sama určuje konečné rozměry.

Omezení protahování jsou stejně jasná:

• Vyhrazené nářadí: Jedna brož je určena pro jednu konkrétní velikost a profil. Nelze jej upravit pro vytvoření jiného rozměru.
• Omezení geometrie: Stupňovité otvory, slepé díry, a velmi velké otvory nelze vnitřně prorazit.
• Tenkostěnné zkreslení: Tenkostěnné obrobky jsou náchylné k deformaci působením velkých řezných sil.
• Vysoká cena nástroje: Brože jsou nákladné na design, výroba, a udržovat.
• Ekonomický práh: Protahování je nákladově efektivní pouze ve středně až velkoobjemové výrobě, kde náklady na nástroj mohou být amortizovány přes velký počet dílů.
  Pro jednodílnou nebo malosériovou práci, prostě to není ekonomické.

Níže uvedená tabulka shrnuje hlavní parametry procesu.

Protahování je proto nejlépe chápáno jako proces, který převádí vysoké investice do nástrojů na výjimečnou produktivitu a opakovatelnost.

Kde objem výroby ospravedlňuje nástroje, je to jedna z nejúčinnějších a nejspolehlivějších dostupných metod pro obrábění profilovaných otvorů a vnějších povrchů.

Kde je malý objem nebo nevhodná geometrie, alternativní procesy, jako je drážkování, frézování, nebo EDM jsou vhodnější.

4. Hoblování vs. Tvarování vs. Broaching: Základní rozdíly

5. Závěr

Hoblování, tvarování, a protahování jsou tři odlišné lineární řezné procesy, každý vyhovuje jinému rozsahu výrobních požadavků.

Hoblování dobře se hodí pro velké rovné plochy a rovné drážky, zejména v kusové a malosériové výrobě, kde je důležitá flexibilita nástrojů a relativně nízké náklady na vybavení.

Tvarování je zvláště účinný pro vnitřní drážky, sloty, čtvercové otvory, a další lokalizované profily, nabízí praktické řešení, když je konvenční frézování méně vhodné.

Broaching, naopak, používá vícezubý vyhrazený nástroj k dokončení mnoha profilů jediným tahem, což je zvláště efektivní pro střední- a velkoobjemovou výrobu, kde je kritická opakovatelnost a produktivita.

Z pohledu procesního inženýrství, neexistuje žádná univerzálně lepší metoda.

Vhodná volba by měla být založena na geometrii součásti, materiál, rozměrové a povrchové požadavky, Objem výroby, Investice do nástrojů, a celkové výrobní náklady.

 

Časté časté

Jaký je hlavní rozdíl mezi hoblováním a tvarováním?

Hoblování využívá horizontální vratný pohyb k obrábění vnějších plochých a drážkovaných povrchů.

Tvarování využívá vertikální vratný pohyb, především pro vnitřní otvory, klíčové, a profilované otvory. Sdílejí stejný princip jednobodového řezání, ale liší se orientací a aplikačním zaměřením.

Proč se protahování používá pouze pro velkosériovou výrobu?

Protahování vyžaduje specializované, tvarově specifické řezné nástroje, které jsou nákladné na výrobu a úpravu.

Vysoké náklady na nástroje lze amortizovat pouze při velkých objemech výroby. Pro malé dávky, náklady na nástroje na díl činí protahování neekonomickým.

Standardní protahovací stroj může slepé otvory?

Obecně ne. Standardní protahování vyžaduje průchozí otvor, kterým nástroj projde.

Pro aplikace s omezenou hloubkou existují speciální nástroje pro slepé protahování, mají však významná omezení a nejsou standardní průmyslovou praxí.

Který proces lineárního řezání poskytuje nejlepší kvalitu povrchu?

Přesným hoblováním širokým nástrojem lze dosáhnout nejnižší drsnosti povrchu (dolů k Ra 0.2 μm), srovnatelné s přesným broušením.

Protahování poskytuje nejkonzistentnější konečnou úpravu ve velkoobjemové výrobě. Standardní tvarování poskytuje střední kvalitu povrchu.

Jsou tyto procesy lineárního řezání stále relevantní pro moderní CNC frézování??

Ano. Pro specifické funkce, jako jsou rybinové sloty, klíčové, a nízkoobjemové ploché povrchy, lineární řezací procesy často přinášejí nižší náklady, jednodušší nastavení, a kvalita srovnatelná s CNC frézováním.

V dílnách zůstávají základními procesy, zařízení údržby, a velkoobjemovou výrobu forem.