Beton a přírodní žula při výrobě loží a rámů obráběcích strojů
Autor: <(at)>, Téma: Obráběcí stroje, Zdroj: Ing. Josef Vaněk, CSc, Vydáno dne: 27. 03. 2006



V souvislosti s rozvojem řezných materiálů v posledních 20-30 letech, umocněným v posledním desetiletí aplikací tzv. vysokorychlostního obrábění (HSC) rostou u obráběcích strojů stále požadavky jak na zvyšování hodnot maximálních otáček vřeten a posuvových rychlostí, tak na dynamiku jejich změn.

V současné době nejsou výjimkou obráběcí stroje s pracovními posuvovými rychlostmi 50-60 m.min-1 , s hodnotami rychloposuvů 100 m.min-1 a zrychleními (resp. zpomaleními) dosahujícími násobků gravitačního zrychlení g. Rostoucím výkonovým a dynamickým parametrům pohonů pohyblivých částí obráběcích strojů musí adekvátně odpovídat i konstrukce nosných částí - loží a rámů obráběcích strojů. Jde především o parametry tuhosti pro zachycení řezných a setrvačných sil a parametry tlumení, schopné absorbovat (utlumit) rázy a chvění, vznikající jak při obrábění, tak při zrychlování a zpomalování pohybujících se částí obráběcích strojů . Klasické materiály, především litina a ocel (svařované rámy obráběcích strojů) velmi dobře splňují požadavky na tuhost a pevnost lože a rámu stroje, bohužel se však vyznačují nízkým vlastním tlumením - logaritmický dekrement (poměrné tlumení) se u litiny pohybuje okolo hodnoty D=0,004, u oceli pak D=0,002. Je samozřejmé, že na výsledném tlumení mezi nástrojem a obrobkem se kromě "materiálového" tlumení rámu stroje podílí tlumení ve spojích rámu, ve vedeních , atd, takže nakonec u reálných strojů s litinovým rámem se hodnota poměrného tlumení v místě mezi nástrojem a obrobkem pohybuje v hodnotách cca D= 0,04 - 0,06. Problém nízkého tlumení klasických materiálů pro stavbu rámů obráběcích strojů tkví však v tom, že u pohonů s vysokou dynamikou nejsou schopny dostatečně utlumit rázy z pohonů, vznikající při urychlování a zpomalování pohybujících se částí obráběcího stroje a v důsledků toho je celý stroj rozechvíván, což má vliv jak na přesnost obrábění , tak na přenos chvění do základu a stability stroje na základu. Je samozřejmé, že čím vyššími tlumicí účinky se jednotlivé konstrukční uzly stroje vyznačují, tím je stroj celkově stabilnější, v principu i přesnější a jeho chod tišší. Jednou z možností, jak dosáhnout vyšších parametrů tlumení loží a rámu strojů se ukázalo využití betonu a přírodní žuly v jejich konstrukci.
Beton jako konstrukční materiál
Návrat k použití betonu v konstrukci nosných částí strojů je možno pozorovat zhruba od prvního ročníku výstavy EMO v Paříži v roce 1975. Nejedná se o žádnou novinku, neboť první pokusy s aplikací klasického-cementového hydrobetonu byly provedeny profesorem Schlesingerem již v průběhu 1. světové války při stavbě rozměrných karuselových soustruhů a výraznější využití bylo pak zaznamenáno v průběhu 2. světové války, kdy hlavním důvodem byla náhrada nedostatkových klasických kovových materiálů. Renesance s využíváním cementového betonu v konstrukci rámů NC-obráběcích strojů se pak datuje zhruba rokem 1970 až 75, od roku 1979 pak kromě aplikací klasického cementového betonu bylo v širším měřítku započato i s využíváním tzv. polymerického betonu, jehož pojivo je tvořeno syntetickými pryskyřicemi. Použití betonu bylo původně zdůvodňováno úsporami výrobních nákladů a zkrácením průběžné doby výroby v porovnání s litinou či ocelí, možností výroby rozměrných částí rámu stroje přímo u zákazníka a počínaje zmíněným datem 1970 až 75 pak i dosažením zvýšené dynamické stability strojů v důsledku podstatně vyššího poměrného tlumení betonových konstrukcí v porovnání s litinovými (koeficient poměrného tlumení až 30x vyšší).

Hydrobeton -podtitulek
Co se týká klasického cementového betonu (hydrobetonu), tak ten je v současné době používán především jako výplň jednoduchých svařovaných ocelových loží, pro zvýšení jejich hmotnosti, tuhosti a zvýšení součinitele poměrného tlumení. Příznivou vlastností cementového betonu je jeho v podstatě stejně velký součinitel teplotní roztažnosti jako u oceli, ale při řádově nižším koeficientu tepelné vodivosti než u oceli (v porovnání s ocelí velmi dobré izolační vlastnosti pro přestup tepla). Pro připevnění návazných uzlů obráběcích strojů-např. vřeteníků, vodicích ploch apod. jsou do betonu zalévány potřebné kotevní prvky, ocelové desky apod. V současné době existují specializované firmy, které lože z hydrobetonu vyrábějí a dodávají, např. rakouská firma Framag, která tato lože z hydraulického betonu pod označením Hydropol dodává např. firmám Emco (CNC frézky), HEID (CNC soustruh), Handtman (vysokorychlostní portálové frézky), Walter (brusky), Heckert (CNC frézky), atd.

K hydraulickým betonům , které jsou směsí písku, štěrku, cementového pojiva, příměsí proti smršťování a vody lze vyzdvihnout tyto klady: vysoká pevnost v tlaku, bez armování nižší pevnost v tahu než v tlaku (10-15x), velmi dobrá přilnavost k ocelovým materiálům, součinitel tepelné roztažnosti zhruba stejné velikosti jako u oceli, speciálními příměsemi dosažitelné zvětšování objemu při tuhnutí - zvlášť významné při vyplňování dutin litinových a ocelových loží, vysoké vlastní tlumení (až 40x větší než u oceli) a malá odolnost vůči působení olejů, solí a dalších chemikálií- pokud se přímo s nimi dostávají do styku nutnost nátěru specielním nátěrem.

Pokud je zapotřebí zlepšit vlastnosti "betonového" lože v tahu a ohybu, je provedeno armování ocelí- tj. vytvoření železobetonu. V železobetonu je tahové namáhání zachycováno ocelovou výplní, tlakové pak betonem. Ve zvláště exponovaných případech lze železobetonové díly provést ve formě předepjatého betonu, ve kterém v důsledku vysokého tahového předpětí ocelové výplně je beton pouze tlakově namáhán i v případech vnějšího provozního tahového namáhání.

Polymerický beton – Granitan -podtitulek
Polymerický beton je znám ze stavebnictví, kde je používán na vysoce exponované části, u kterých je požadována vysoká pevnost (2-5x vyšší než u hydrobetonu), odolnost proti povětrnostním vlivům, působení solí a chemikálií. V oboru obráběcích strojů bylo s četnějším využitím tohoto druhu betonu započato zhruba v roce 1979 a jedná se o směs přírodní ("štěrk") nebo umělé keramiky s velikostí granulátů 0 až 42 mm a syntetického pojiva (procentuelní váhový podíl pojiva v rozmezí 6-10%), která se ve specialním stroji promísí a ukládá se do licí formy, přičemž těsně před výstupem této směsi z mísícího stroje je do směsi přidáváno tužidlo. Polymerický beton tuhne v průběhu 5 až 10 minut (za vývinu tepla). Jako syntetické pojivo slouží epoxidové, metakrylátové, či polyesterové pryskyřice. Dle použité pryskyřice se pak tyto polymerické betony příslušně nazývají. V případě nejznámějšího polymerického betonu Granitan S 100 (někdy nazývaný i jako umělá žula) se jedná o beton s epoxidovou pryskyřicí jako pojivem a přírodním "štěrkem" (čedič, pazourek, gabro, diorit, diabas - tedy hloubkové nerosty s vysokou pevností, s velkou hustotou a isotropní strukturou) o zrnitosti nerostu 0,2 až 16 mm. Potřebné kotevní prvky jsou do polymerického betonu zalévány stejně jako v případě použití cementového betonu. Obdobně jako v případě cementového betonu je možno i polymerický beton vyztužovat armováním, vytvářet předepjaté konstrukce, atd.

Ke kladným vlastnostem polymerických betonů především patří vysoká pevnost v tlaku, bez armování nižší pevnost v tahu než v tlaku (cca 6x), velmi dobrá přilnavost k ocelovým materiálům, součinitel tepelné roztažnosti větší než u oceli (o cca 30%), specielními příměsemi dosažitelné zvětšování objemu při tuhnutí- zvlášť významné při vyplňování dutin litinových a ocelových loží, vysoké vlastní tlumení (až 40x větší než ocel a 30x než litina) a velká odolnost vůči působení olejů, solí a dalších chemikálií.

Lože a díly z polymerického betonu jsou někdy též nazývány jako díly z minerální litiny - nebo díly, vyrobené technologií litím za studena. S ohledem na tvarovou stálost, vysoký koeficient poměrného tlumení a v neposlední řadě i na jednoduchou technologii výroby ("lití za studena") využívá řada předních výrobců obráběcích strojů polymerického betonu především pro výrobu loží, stojanů, výjimečně i příčníků, jež mají formu monolitních bloků. Mezi nejznámější příklady patří např. firmy Mikrosa, Schaudt a Studer, které již po dlouho řadu let používají pro všechny své brusky lože z polymerického betonu (Granitanu. Firma Emag, která již 25 let používá pro všechny typy svých soustruhů, včetně vertikálních typů VSC lože a rámy výhradně z polymerického betonu. Dále pak firma Colchester s loži CNC soustruhů řady Tornado a mechatronických typů z polymerického betonu, firma Hermle s loži a rámy svých Gantry vertikálních obráběcích center z polymerického betonu, atd. Obdobně jako v případě loží z hydraulického betonu existují i specializované firmy, zabývající se dodávkou jak betonových směsí, tak výrobou dílů- např. fy Schneeberger, MBA, Epucret, atd.

Přírodní žula - Granit -podtitulek
Opracované monolitní bloky z přírodní žuly (těžené většinou v oblasti jižní Afriky- proto častý název Granit Afrika) jsou používány především v konstrukci měřicích přípravků - stoly, pravítka, přesných souřadnicových měřicích strojů a specielních, vysoce přesných obráběcích strojů (především souřadnicových vyvrtávaček). Masivní bloky Granitanu tvoří většinou nepohyblivé stoly (lože), příčníky apod.
Pracovní plochy těchto bloků jsou velmi jemně a přesně opracovány a slouží i jako vodicí plochy většinou aero-statických vedení pro posuv dalších uzlů stroje. Důvodem pro použití těchto materiálů je jejich vysoká tvarová stabilita, vysoká tuhost, nízký součinitel teplotní roztažnosti (v porovnání s ocelí zhruba poloviční), velmi nízký součinitel tepelné vodivosti, vysoká odolnost proti opotřebení atd. Pro tyto vlastnosti je v poslední době použití granitu v konstrukci obráběcích strojů stále častější- např. lože brusek firem ELB, Präwema, Buderus, vřeteník i lože CNC soustruhu fy Hemburg, lože i stojany vertikálních obráběcích center fy Bautz, apod. I v oblasti loží a rámů z granitu působí na trhu specialní firmy, jež tyto nosné struktury pro výrobce obráběcích strojů vyrábějí - jedná se např. o firmy Microplan Group, Ergbert Reitz Naturstechnik, JFA CNC, East Star, atd.

Příklady strojů a aplikací s použitím betonu a granitu
Beton, jak hydraulický tak polymerický a přírodní granit v současné době využívá v konstrukci loží a rámů strojů velké množství výrobců obráběcích strojů. V řadě případů je obtížné odlišit, zdali se jedná o hydrobeton nebo polymerický beton s ohledem na to, že to mnohdy výrobci ani neuvádějí a dokonce využití betonu ve stavbě rámů obráběcích strojů je v současnosti tak běžné, že jeho použití v jednodušších informačních materiálech ani výrobci nezdůrazňují. Kromě již dříve uvedených příkladů, využívají beton v konstrukci loží a rámů svých obráběcích strojů i následující firmy: Deckel-Maho -Gildemeister, Waldrich-Siegen, Breton, Weiler, Huron, Chiron, Digma, Mikron, Wissner, Emco, Schütte, Maier, Heller, Weisser, Steinel, Hardinge, Schaublin, Graziano (Gital-Gildemeister), Burkhardt-Weber, G. Fischer, Boehringer, atd. Výčet firem není samozřejmě úplný, má jen dokumentovat současnou šíři aplikací.

Závěr
Z výše uvedeného vyplývá, že aplikace betonu a přírodního granitu v konstrukci nosných částí obráběcích strojů významně přispívá nejen ke zlepšení statických a dynamických vlastností rámu strojů, ale při současném snížení výrobních nákladů a zvýšení flexibility při výrobě přispívá i k celkovému zvýšení kvality stroje jako celku.
Tyto přínosy, v porovnání se stroji s klasickou konstrukcí rámů z litiny, lze stručně shrnout následovně.
- celkově vyšší tuhost základního lože stroje, výrazně snižující požadavky na kvalitu základu, na nějž je stroj ustavován a umožňující spolehlivé "3 bodové" ustavení stroje bez nutnosti komplikovaného kotvení stroje do základu;
- u klasických koncepcí strojů je respektován tzv. princip "pyramidy hmoty"-tj. plynulé snižování hmotností stroje směrem nahoru od základu;
- vyšší vlastní tlumení rámu stroje, projevující se celkovým snížením úrovně chvění stroje, snížením úrovně chvění přenášeného ze stroje do základu a snížením emise hluku;
- snížená úroveň celkového chvění stroje příznivě přispívá ke zlepšení kvality obráběného povrchu a zvýšení životnosti nástrojů;
- zvýšení stability geometrické přesnosti stroje při kolísající teplotě okolí a rychlejší teplotní stabilizace stroje po jeho uvedení do chodu;
- snížení výrobních nákladů a zkrácení průběžné doby výroby, což je při současném charakteru výroby obráběcích strojů (variabilita provedení, přizpůsobení stroje požadavkům zákazníka, atd) přínos velmi důležitý.

Pro uživatele obráběcích strojů, kteří jsou po dlouhá léta zvyklí na klasické litinové konstrukce rámů obráběcích strojů by použití betonu a přírodního granitu v konstrukci loží a rámů strojů nemělo vzbuzovat podezření na "jakési náhradní laciné řešení", ale mělo jednoznačně signalizovat snahu výrobců o dosažení vyšší kvality a užitné hodnoty obráběcích strojů při současné optimalizaci výrobních nákladů a tím i jejich ceny.