CZ297985B6 - Zpusob nekruhového soustruzení na programovatelném soustruhu - Google Patents

Abstract

Zpusob nekruhového soustruzení na programovatelném soustruhu, pricemz obrobek rotuje ve sklícidle vretena soustruhu a pritom se nástrojem trískovým obrábením vytvárejí na obrobku alespon cástecne urcité nekruhové obrysy, tvorené nebo sestavené napríklad z geometrických prechodových elementu, se provádí tak, ze soustruzení se provádí belhave tím, ze krízový suport s obrábecím nástrojem se na své dráze pohybuje synchronizovane s úhlem vretena stroje a nekruhové obrysy se vytvárejí prostrednictvímprogramování ze skokových funkcí sdruzováním souboru instrukcí s hodnotami zvolených adresných parametru, jako je napríklad prumer v ose X, délka v ose Z, stoupání F nebo úhel osy C, pricemz pro alespon jeden z techto adresných parametru se v retezci vet programu pouzije belhavý sled hodnot adresných parametru, to znamená sled obsahující jednu skokovou funkci.

Description

(57) Anotace:

Způsob nekruhového soustružení na programovatelném soustruhu, přičemž obrobek rotuje ve sklíčidle vřetena soustruhu a přitom se nástrojem třískovým obráběním vytvářejí na obrobku alespoň částečně určité nekruhové obrysy, tvořené nebo sestavené například z geometrických přechodových elementů, se provádí tak, že soustružení se provádí belhavě tím, že křížový suport s obráběcím nástrojem se na své dráze pohybuje synchronizované s úhlem vřetena stroje a nekruhové obrysy se vytvářejí prostřednictvím programování ze skokových funkcí sdružováním souborů instrukcí s hodnotami zvolených adresných parametrů, jako je například průměr v ose X, délka v ose Z, stoupání F nebo úhel osy C, přičemž pro alespoň jeden z těchto adresných parametrů se v řetězci vět programu použije belhavý sled hodnot adresných parametrů, to znamená sled obsahující jednu skokovou funkci.

Způsob nekruhového soustružení na programovatelném soustruhu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu nekruhového soustružení na programovatelném soustruhu, přičemž obrobek rotuje ve sklíčidle vřetena soustruhu a přitom se nástrojem třískovým obráběním vytvářejí na obrobku alespoň částečně určité nekruhové obrysy, tvořené nebo sestavené například z geometrických přechodových elementů.

Dosavadní stav techniky

V principu je technika soustružení již velmi dlouhou dobu známým způsobem třískového obrábění obrobků, například ze dřeva, kovu nebo z plastu. V poslední době získala tato technologie soustružení prostřednictvím zavedení a rozvoje číslicového ovládání podstatné rozšíření svých možností. Tak například dnes již není dodržování konstantní rychlosti obrábění podél obrysu povrchové plochy žádným problémem. I velmi komplikované rotační souměrné geometrie jsou prostřednictvím odpovídajícího programování relativně snadno uskutečnitelné a lze je vyrobit ve velmi krátkých obráběcích dobách. Dále byly takové stroje zhodnoceny vybavením pohonem nástroje, protože tak je možné soustružit a frézovat hotově komplexně vytvarované obrobky na jedno upnutí. Navzdory tomu jsou stále ještě určitá omezení, která se týkají buď faktoru času nebo určitých geometrických uspořádání. Je například skutečností, že výroba na soustruhu obvykle vyžaduje podstatně kratší doby obrábění než frézování. Mimoto se dosahuje při soustružení lepší kvality povrchových ploch. Pokud z hlediska geometrie obrobku přichází v úvahu jen výroba frézováním, je třeba brát v úvahu zřetelně delší dobu obrábění, případně nerovnoměrnou povrchovou plochu. Ale také frézováním jsou geometrické možnosti omezeny. Tak například nemůže mít každý roh frézovaného obrysu v radiální rovině osy frézky nikdy ostřejší hranu než poloměr použité frézky. Ostrohranné obrysy je možné vyrobit například prostřednictvím protahováků, obrážení nebo erodování, přičemž je však nutné k tomu účelu přemístit obrobek na jiný stroj. V případě erodování je časová náročnost extrémně vysoká. Pro třískové obrábění neokrouhlých obrysů jsou po dobu několika let na trhu dostupná takzvaná tvarovací zařízení, případně tvarově soustružnická zařízení, avšak tato zařízení jsou drahá a vyžadují odpovídající velké kapitálové investice. Mimoto jsou připojitelná jen na předem stanovená místa řezu a jsou omezena na předem stanovený obrys s dvojrozměrnou neokrouhlostí.

Již dříve byly učiněny pokusy upravit soustruhy prostřednictvím nástavby speciálních mechanických konstrukčních skupin pro obrábění neokrouhlých obrobků. Odpovídající stroj je navržen v německém zveřejněném spise DE 25 15 106. Kromě velmi nákladného a obtížného konstrukčního provedení má tento stroj také nevýhodu v extrémním omezení svých možností, které se omezují na vytváření dvourozměrné neokrouhlé geometrie.

Geometrické možnosti neokrouhlého obrábění lze dále rozšířit například u nástrojů, kterými lze opatřit soustruh, pokud je možné řezný pohon ovládat volně programovatelně. Takový nástroj je známý například z německého zveřejněného spisu DE35 09 240 Al. Zde jsou použity piezoelektrické nebo magnetostrikční nastavovací členy, aby se uskutečnilo dynamické posouvání řezu nástroje relativně vzhledem k obrobku prostřednictvím odpovídajícího elektrického ovládání. Tak jsou však dosažitelné jen velmi malé seřizovači dráhy. Bylo by sice technicky možné dostat se například prostřednictvím využití magnetodynamického systému k podstatně větším seřizovacím drahám, avšak ty by byly jako předtím omezeny na jednu jedinou osu pohybu. Pro dosažení určitého trojrozměrného nespojitého obrábění by bylo nutné vytvořit prostřednictvím připojení druhé nebo dokonce třetí kolmo uspořádané pohybové jednotky nástroj s komplexními směry pohybu, což by však bylo konstrukčně velmi nákladné a velmi náročné z hlediska potřebné ovládací elektroniky. Takový nástroj není až dosud k dispozici.

- 1 CZ 297985 B6

Jsou známé také speciální soustruhy, které byly vyvinuty pro neokrouhlé obrábění například pístů pro spalovací motory. Moderní písty mají totiž mírně neokrouhlý, zpravidla elipsovitý, průřez, aby kompenzovaly anizotropní roztažení při ohřevu. Existuje zde však jen velmi nepatrné odchýlení od kruhového tvaru, přičemž obrys má mimoto měkce probíhající průběh. Skoky nebo extrémní nespojitosti zde nejsou upraveny. V souladu s tím nevzniká z hlediska konstrukčního vytvoření takového stroje žádný velký stupeň obtížnosti. V principu totiž postačuje nechat soustružnický nůž v ose X týkající se průměru kmitat jen s nepatrnou amplitudou, zatímco suport pojíždí podél obrobku ve směru osy Z. Přitom má křivka vychýlení špičky soustružnického nože průběh upravený více nebo méně ve tvaru sinusovky, takže není zapotřebí extrémních zrychlení. Ta by totiž bylo možno navzdory redukované hmotnosti systému jen obtížně realizovat. Je samozřejmostí, že takové stroje vyžadují spojení rotace obrobku s pohybem osy X, avšak posun v ose Z je uskutečnitelný volně. Ve skutečnosti je přitom vytváření neokrouhlého obrysu omezeno na rovinu průměru a je prostřednictvím osy Z na třetí rozměr jen rozšířené. Osa Z však přitom není do vytváření neokrouhlého obrysu skutečně zahrnuta. Způsob obrábění podél osy Z ve skocích nebo například superponovanou oscilací se nepředpokládá.

Zvláštní stroj uvedeného druhu je popsán například v německém zveřejněném spise DE 40 31 079 Al, přičemž se zde navrhuje využít pro ovládání oscilujícího pohybu soustružnického nože kromě pohonu, například elektrického lineárního motoru nebo hydraulického systému, ovládaného upraveným ovládáním stroje, také přídavný počítač, například v podobě osobního počítače. Bez změny základní kinematiky je však takový stroj omezen ve svých možnostech na existující a obdobná využití. Mimoto je takový zvláštní stroj z hlediska vytvoření poměrně drahý.

Podstata vynálezu

Vynález si proto klade za úkol vytvořit způsob soustružení obrobků s nepravidelnostmi nebo s nespojitostmi obrysu, který by jednak využíval existující skutečnosti na stroji pokud se týká křížového suportu a NC řízení, aniž by bylo zapotřebí přídavných zařízení, která by překonávala problémy způsobené setrvačností, a současně byl rozšířen stupeň volnosti z hlediska nespoj itosti vytvářeného obrysu o nejméně jeden přídavný rozměr. Přitom je také snaha pomocí nového způsobu co nejvíce zredukovat dosavadní frézovací operace.

Uvedený úkol splňuje způsob nekruhového soustružení na programovatelném soustruhu, přičemž obrobek rotuje ve sklíčidle vřetena soustruhu a přitom se nástrojem třískovým obráběním vytvářejí na obrobku alespoň částečně určité nekruhové obrysy, tvořené nebo sestavené například z geometrických přechodových elementů, podle vynálezu, jehož podstatou je, že soustružení se provádí belhavě tím, že křížový suport s obráběcím nástrojem se na své dráze pohybuje synchronizované s úhlem vřetena stroje a nekruhové obrysy se vytvářejí prostřednictvím programování ze skokových funkcí sdružováním souborů instrukcí s hodnotami zvolených adresných parametrů, jako je například v ose X, délka v ose Z, stoupání F nebo úhel osy C, přičemž pro alespoň jeden z těchto adresných parametrů se v řetězci vět programu použije belhavý sled hodnot adresných parametrů, to znamená sled obsahující jednu skokovou funkci.

Obrobek rotuje v pouzdru vřetena stroje s výhodou konstantním počtem otáček a přitom se křížové saně s obráběcím nástrojem při využití například programování závitu nebo programování úhlu vřetena posouvají v ose stoupání synchronizované s úhlem vřetena a stanovené neokrouhlé obrysy složené z geometrických přechodových elementů se vytvářejí programováním ze skokových funkcí prostřednictvím spojení souborů instrukcí s hodnotami pro zvolené adresové parametry, jako je například průměr v ose X, délka v ose Z, stoupání F nebo úhel osy C, tj. úhel sklonu vřetena, přičemž nejméně pro jeden z těchto parametrů se v řetězci programových vět využije belhavý sled hodnot skupin obsahujících skokovou funkci s nejméně jednou číselnou

-2CZ 297985 B6 hodnotou v každé skupině hodnot. Způsob je u příslušně vybavených strojů rozšířitelný využitím parametru výšky v ose Y.

Přírůstky, které jsou vytvářeny u většiny obráběcích úkolů v řetězci programových vět pro nejméně jeden adresový parametr mezi číselnými hodnotami, představují belhavý sled hodnot skupin obsahujících skokovou funkci s nejméně jednou číselnou hodnotou v každé skupině hodnot, přičemž například odpovídající číselné hodnoty uvnitř jedné skupiny hodnot jsou větší než uvnitř druhých skupin a/nebo znaménko uvnitř jedné skupiny hodnot je kladné a uvnitř opačné skupiny hodnot je záporné. Naprogramované hodnoty v principu tvoří pro stanovený adresný parametr v řetězci programových vět sled číselných hodnot, ve kterém stanovené skokové funkce vyjadřují takzvané belhavé kroky.

Zvláštní význam získává tento způsob svojí možností využití ve všech třech rozměrech, a to dokonce bez využití osy Y. Tuto volnost z hlediska obrábění lze odvodit z té skutečnosti, že belhavé kroky jsou navzájem naprogramovatelné vždy samostatně prostřednictvím programových parametrů v ose X, v ose Z a parametrů F a C nebo ve vzájemné kombinaci.

Daný způsob je podle vynálezu rozšířen skokovým systémem, přičemž vytvářené nespojitosti v za sebou následujících postupech jsou vytvářeny z geometricky vůči sobě navzájem přesazených cyklů soustružení.

Způsob podle vynálezu nepotřebuje ani speciální přístroje ani přídavná NC řízení a spočívá jen na využití možností spojených s řízením stroje a s odpovídajícím softwarem a je omezen jen dynamikou celého systému. K tomu účelu jsou použitelné například známé soubory instrukcí G 01, G 31, G 33, G 34, G 37, popřípadě G 131 atd., jakož i například adresní parametry velikost průměru v ose X, velikost délky v ose Z, stoupání F závitu, délka B náběhu, délka P přeběhu, úhel sklonu vřetena daný osou C, vztažný směr pro stoupání závitu F (H) a změna stoupání E, nebo zasunutelné bloky s individuálním softwarem. Není také vyloučeno, že na základě zde navrhovaného způsobu budou průmyslem v budoucnosti sériově nabídnuty další možnosti programování.

Výše uvedená dynamika celého systému je složena z mechanické a elektronické dynamiky stroje. Přitom je mechanická dynamika závislá na hmotnosti křížového suportu a reakční rychlosti pohonu, vytvořeného například ze závitových vřeten, motorů a pohonu. Na rozdíl od toho je elektronická dynamika dána rychlostí výpočtu řízení a tuhostí jejího spojení s elektromotorickými pohony. V souladu s tím jsou soustruhy nejnovějších generací s digitálními pohony a nejrychlejšími počítači vhodné pro extrémní nespojitá obrábění, přičemž použití způsobu na starších strojích je příslušně omezeno. Toto omezení lze částečně potlačit využitím redukovaných řezných rychlostí v průběhu obrábění, protože z této skutečnosti vyplývají nižší počty otáček vřetena a příslušně redukované rychlosti posuvu.

Velmi jednoduché použití způsobu spočívá například v soustružení výstředných čepů. K tomu účelu je prostřednictvím sdružení souborů instrukcí, například pomocí G 33, ve vztahu k obvodu obrobku realizovatelné rozčlenění na úhly o hodnotě 180°, a to tím, že se naprogramuje řetězec souřadnic u odpovídajících číslicových hodnot v ose X a ose Z, jakož i stoupání F, přičemž hodnoty naprogramované v ose Z pro uvedený úhlový krok o hodnotě vždy 180°, popřípadě v nich upravené přírůstky, musí v principu odpovídat poloviční naprogramované hodnotě stoupání. Na rozdíl od toho skáčou hodnoty v ose X při každém polovičním kroku o hodnotě 180° vratně mezi větší a menší naprogramovanou hodnotou průměru, přičemž teoreticky střední hodnota odpovídá průměru a poloviční rozdíl výstřednosti vyráběného čepu. Pro zjednodušení nákladů na programování mohou být skoky opakující se v podélné ose, případně v ose průměru, u některých zařízení vytvořeny jako takzvané proměnné veličiny. Protože pro popisovaný příklad provedení jsou změny průměru zpravidla větší než zamýšlený postup v provedení stoupání, počítá řízení stroje v normálním případě s naprogramovaným stoupáním s posuvem v ose X. Proto musí být pro stou

-3 CZ 297985 B6 páni F vložena naprogramovaná dráha vzhledem k průměru na otáčku, tedy dvojnásobný rozdíl průměru, pokud nemá být zabráněno přeskočení prostřednictvím souborů instrukcí, například pomocí H. Z popsaného naprogramování se vytvoří teoretická křivka dráhy křížového suportu v podobě průběžné klikaté čáry. Ve skutečnosti se na podkladě různých tlumicích činitelů, jako například vysoké hmotnosti křížového suportu a setrvačnosti mechanického a elektronického regulačního okruhu, dosahuje trvale se opakujícího zhruba ve tvaru sinusovky upraveného průběhu pohybu křížového suportu v průběhu posuvu podél obrobku, takže navzdory v principu primitivnímu programování se dosahuje obdivuhodné kruhovosti výstředného čepu. Jinak se z toho také vytváří zkreslení, takže na obrobku dodatečně naměřené rozměry přesně neodpovídají naprogramovaným hodnotám. Z tohoto důvodu musí být naprogramované číselné hodnoty zjišťovány na základě zkušebních kusů. Potom jsou tyto předměty vyrobitelné na odpovídajícím stroji opakovatelně s vysokou přesností.

Popsaný způsob soustružení eliptických těles je obměnitelný, a to tím, že programovaná klikatá křivka může být stanovena s dvojitým rozčleněním, tedy s kroky v úhlu o hodnotě 90°. Oba střídavě naprogramované průměry pak popisují teoretický největší, případně nejmenší, průměr elipsy. Stoupání, které je obvykle vypočteno z řízení v ose X, musí být potom naprogramováno se čtyřnásobným rozdílem průměru.

Odpovídajícím způsobem se postupuje, když má být vyroben mnohoúhelník, takzvaný lichohran, přičemž je zapotřebí rozčlenění úhlového kroku na hodnoty po 60°. Takové obrábění je zajímavé například u v rovině zapíchnuté drážky, která je dnes známá například jako mazací drážka náběhových kotoučů nebo čisticí drážka na brzdových kotoučích. U uvedených příkladů není zapotřebí přesně popsané dráhy drážky pro zajištění řádné funkce, takže případné odchylky od dráhy nemají význam.

U výše popsaných příkladů se jedná o relativně harmonické neokrouhlé obrábění s konstantním dopředným posuvem v podélné ose při přesně pevně naprogramovaném stoupání. Bez problémů je možno rozšířit popsané naprogramování vložením pomocných bodů a tak dosáhnout zdokonaleného obrysu. Způsob podle vynálezu však zde jde ještě dále, protože se zde navrhuje pro třískové obrábění obrobků s větší nespojitostí, případně vícehranností obrysů nebo realizace vyšší přesnosti dráhy při přibrání měnitelných hodnot stoupání, například také ve spojení s jemnějším rozčleněním obrysu. V programu je pro dosažení stanoveného obrysu popsána dráha, projížděná křížovým suportem ze zřetězených soborů instrukcí, například s G 33, a pro každou programovou větu je pevně stanoveno jiné stoupání, přičemž v extrémním případě má první programová věta velmi malou, popřípadě následující programová věta značně velkou hodnotu pro stoupání F atd., takže v důsledku měkkých a trhavých pohybů dochází k takto vytvářeným pohybům křížového suportu. Tímto způsobem jsou v mnoha případech realizovatelná na soustruhu prováděná nespojitá obrábění, například i na plášťových plochách zakřivených těles.

Stejným způsobem je použitelný prostřednictvím způsobu do programových vět uložený řetězec souřadnic z odpovídajících hodnot v osách X a Z, které jsou použity samy o sobě, nebo také ve spojení se skokovými hodnotami stoupání F, čímž se uskuteční takové nespojité průběhy obrysů. Tak je například posuv jedné nebo obou os naprogramovatelný jako takzvaný poutnický vratný krok, přičemž po stanovené dráze dopředného posuvu následuje vždy kratší zpětný odskok, za nímž je zařazena opět například větší dráha posuvu. S výhodou může být takové obrábění pochopeno například jako střídavé řezání zřetězených pravých a levých závitů s případným nesouměrným stoupáním závitů.

Způsob podle vynálezu umožňuje také třískové obrábění nespojitě probíhajících obrysových elementů sestávajících ze skloněné nebo zakřivené plášťové plochy, přičemž bokem otočného nože se v podstatě opracovává nespojitě probíhající bok obrysového elementu a špičkou nože se v podstatě opracovává plášťová plocha. Přitom je prostřednictvím odpovídajícího naprogramování počátečních a cílových bodů, jakož i stoupání, vedena špička obráběcího nože na dráze v podsta

-4CZ 297985 B6 tě probíhající na plášťové ploše a bokem nože se vyrábí prostřednictvím naprogramované změny rychlosti posuvu a/nebo směru posuvu bok nespojitě probíhajícího obrysového elementu.

U popsaného programování je třeba dbát na tu skutečnost, aby byl správně použit vztažný směr pro stoupání F označený obvykle adresovým parametrem H. Je známé stanovit pod parametrem H, ve které ose bude vypočítáván posuv, který odpovídá stoupání závitu naprogramovanému pod parametrem F. Bez údajů nebo s H = 0 se vztahuje posuv na osu Z, tedy v principu na podélně, kuželovité a příslušně zřetězený závit až maximálně do 45° k ose Z. Je-li parametr H roven 1, tak se týká výpočet posuvu jen osy X, tedy v zásadě rovinného, kuželového a odpovídajícího zřetězeného závitu až do maximální hodnoty 45° k ose X. Kromě toho se při H = 3 posuv může vztahovat na závitovou dráhu. U zřetězených závitů na zakřivených plochách může snadno dojít k tomu, že je překročena mezní hodnota 45° a řízení stroje potom automaticky přeskočí na jiný výpočet osy. V takovém případě musí být tento výpočet například zjištěn prostřednictvím přepočtu a záměrně uveden zfalšované v programu, nebo musí být přeskočení zachyceno softwarem, pokud řízení již má odpovídající řídicí instrukci, například s I pro rovinné a K pro podélné stoupání.

Mimoto vzniká při programování cílových souřadnic X a Z ve spojení se stoupáním F u řídicí instrukce pro závit, například u G 33, problém, že reálně se vyskytující stoupání od nuly není řízením akceptováno. Možnost překonání této překážky spočívá v tom, že se tento parametr umístí na nejmenší programovatelný přírůstek, například 0,001 mm.

Prostřednictvím vynálezu je však vytvořena elegantní metoda pro eliminování tohoto problému, přičemž tato metoda současně ještě obchází přeskočení při 45° a také redukuje náklady na programování. Zde je totiž belhavý program například u souboru instrukcí G 01 tvořen řetězci souřadnic v osách X a Z a pod C je uveden odpovídající úhel vřetena. Výpočet odpovídajícího stoupání potom odpadne, protože stoupání se vytváří z rozdílů v daném případě zvoleného vztažného parametru v ose Z nebo X v poměru k úhlu vřetena daného osou C. Když jsou potom úhlové kroky mezi úhly vřetena následujícími v programových větách shodné nebo se v určité pravidelnosti opakují, například jako belhavý rytmus, je možné hodnotu pro osu C programovat jako proměnnou veličinu. Potom se tento parametr ve své hodnotě po provedení odpovídající programové věty zvýší nebo sníží o programovatelné odpovídající hodnoty úhlových kroků, případně jako variabilní nebo pevné hodnoty. Pokud by za určitých okolností mělo být zapotřebí změny velmi dlouhého programu, postačuje zpravidla přepsání několika pevných nebo proměnných hodnot.

Popsaný způsob programování úhlu vřetena je však možný jen u určitých strojů a NC-řízení, která odpovídají nejnovějšímu stavu vývoje. Zde je na straně stroje vřeteno integrováno do poháněcího motoru, přičemž celá tato jednotka a osa otáčení, stejně tak jako osa C, jsou řízeny. Při odpovídajícím rychlém řízení NC existuje potom z hlediska programování určitá rovnováha z hlediska rychlosti otáčení vřetena, která je potom patrná například z toho, že osa C je využitelná až do vysokých otáček, mimo jiné do více než tisíce otáček za minutu. Tak lze prostřednictvím programování osy C realizovat obráběcí rychlosti, které odpovídají obvyklým soustružnickým operacím.

Celý způsob vynálezu je ještě rozšířen prostřednictvím návrhu, na základě omezené dynamiky stroje překonat meze využití tím, že pro extrémní geometrie obrábění se využije propojení sledu impulzů obrábění. Přitom se jedná o druh skokového způsobu, který v prvním obráběcím cyklu obrábí například první obrysový element, přitom však vynechá druhý, aby mohl po klidné dráze opět objet třetí obrysový element, atd. Obrysové elementy, které byly nechány v prvním obráběcím cyklu, jsou obráběny ve druhém obráběcím cyklu, přičemž se nyní obrysové elementy z prvního obráběcího cyklu vynechají. Tento způsob bere zřetel na překmitávání celkového systému vyplývající z programového pohybu s maximální rychlostí posuvu, přičemž tento celkový systém není schopen objíždět požadovaným způsobem obráběný obrysový element následující v krátké

-5CZ 297985 B6 vzdálenosti. Pro uskutečnění tohoto způsobu je sice vzhledem ke dvěma nebo více obráběcím procesům zapotřebí více času, avšak tento způsob je přitom ve srovnání s výrobou frézováním stále ještě podstatně kratší.

Podle vynálezu se současně navrhují výhodná použití způsobu. Tato použití mají na základě příkladů provedení současně sloužit pro bližší vysvětlení způsobu podle vynálezu.

Jedno z navržených použití se týká výroby závitů různých zašroubovatelných těles, zejména samořezných a do poddajného materiálu zašroubovatelných šroubovacích těles, jako například dřevěných šroubů, šroubů z plastu nebo kostních šroubů, a také například implantátů, jako šroubů do krčku stehenních kostí, spojovacích těles, šroubů pro takzvané externí fixátory, externí upevňovací sloupky pro zubní implantáty nebo zašroubovatelné umělé pánve kyčelních kloubů.

Jiné použití se týká ekonomicky výhodné výroby takzvaných kruhových klínových profilů na vnitřních nebo vnějších spojovacích plochách spojovacích elementů v konstrukcích strojů.

Jedno z navržených použití se vztahuje s výhodou na samořezné zašroubovatelné umělé pánve kyčelních kloubů, které jsou upraveny pro takzvané bezcementové implantace u lidí. Takové zašroubovatelné pánve jsou na trhu v nejrůznějším provedení. Pro spolehlivou a trvalou integraci a také pro výhodnou manipulaci při implantování má uspořádání závitu rozhodující význam. V současnosti je známé, že velká kontaktní plocha implantátu k uložení do kosti bez špičkových zatížení a závitový profil skloněný vůči pólu pánve vytvářejí dobré předpoklady pro zabránění uvolnění. Mimoto musí mít taková šroubová pánev také dobrou taktilianci, čímž se označuje v průběhu zašroubovávání šroubové pánve vzniklá bolestivost při nasazení miskového tělesa na připravenou kostní úložnou plochu v acetabulu. U dosavadních typů šroubových pánví existuje nutnost v tomto ohledu jednat, protože u nich po implantaci buď vznikají nežádoucí volné mezery mezi šroubovou pánví a mezními kostními plochami, nebo tyto typy šroubů mohou být zašroubovány jen s velkým vynaložením síly, respektive jejich taktiliance je nevyhovující.

Skupina šroubových pánví je opatřena takzvaným plochým závitem, u kterého jsou boční plochy závitových žeber uspořádány navzájem rovnoběžně. Je obvyklé tato závitová žebra v určitých odstupech přerušovat pro vytvoření břitů ve stanovených odstupech vytvořením drážek pro odchod třísek. U tohoto druhu závitu musí řezná síla při samořezném zašroubovávání působit zcela od radiálně směrem ven směřující hlavové plochy závitového žebra, respektive od zde upravených řezných hran, neboli břitů. Bez dalších opatření zde křivka vytvořená z hlavových ploch jednotlivých závitových segmentů v axiálním pohledu od pólu šroubové pánve tvoří spirálu, jejíž přesná dráha závisí na tvaru miskového tělesa šroubové pánve a na stoupání závitu. Tím se s pokračujícím průběhem zvětšuje radiální odstup křivky od axiální osy. Konec každého závitového segmentu se proto nachází radiálně dále směrem ven než jeho začátek. Tímto způsobem vzniká při zašroubovávání takové šroubové pánve svěmý účinek, který může být zmírněn jen rašplovacími silami, jimiž působí zdrsněný povrch implantátu na kostní materiál. Proto je nutno u takových implantátů vyvíjet zbytečně vysokou sílu pro jejich zašroubování.

Dále jsou známé šroubové pánve s plochým závitem, jejichž závitové segmenty jsou opatřeny úhlem hřbetu vytvořeným frézováním po skupinách. Ze zvoleného druhu obrábění však vzniknou přímé plochy na straně hlavy přesazené zpět, které probíhají jako tětivy kružnice opisované příslušným břitem. Tím je sice možno šroubové pánve s takovým závitem zašroubovat poněkud snadněji, avšak v důsledku zkrácené výšky zubů závitu mají pouze zmenšenou plochu pro přenos sil. Velmi nevýhodné je zejména vytvoření mezery v oblasti hlavy zubu závitu mezi implantátem a kostí, jakož i pákový účinek působící na kostní substrát v důsledku příliš hluboko zařezávaných zubových drážek. Proto i takové šroubové pánve neodolají kritickému hodnocení z medicínského hlediska.

-6CZ 297985 B6

Šroubové pánve výše popsaného druhu s plochým závitem mohly doposud získat na trhu jen určitý podíl. V současnosti se zdají být rozšířenějšími šroubové pánve s takzvaným ostrým závitem. Přesto i u této skupiny existuje principiálně výše popsaný komplex problémů z hlediska neakceptovatelného chování při zašroubovávání a vytváření mezer v kontaktní zóně. Různé pokusy pro snížení velikosti potřebné síly pro zašroubovávání totiž mimo jiné vedly k tomu, že vyfrézované drážky pro odvod třísek musely být provedeny velmi široké na úkor segmentových závitů. Tím došlo ke ztrátě cenné kontaktní plochy spojené s vytvořením protaženějších dutin, respektive oblastí kostní hmoty vyloučených z přenosu sil.

V patentu US 4 997 447 je navržena šroubová pánev s kruhovými závitovými drážkami, jejichž hlavové plochy jednotlivých závitových segmentů probíhají po oblouku, přičemž úhel čela je uskutečněn tím, že poloměr tohoto oblouku, když se vychází od pólu pánve, se se zvětšující se vzdáleností od břitu stále zmenšuje. U této šroubové pánve by mohla být bez ztráty jejích dobrých vlastností při zašroubovávání znatelně snížena míra vytváření mezer oproti přímým hlavovým plochám. Pro její výrobu je však doposud zapotřebí velmi dlouhé doby, takže navržené provedení vyžaduje pojíždění frézou po celé rozloze zubu.

Doposud se, pokud se týká šroubových pánví s ostrým závitem, neobjevila na trhu žádná provedení s úhlem hřbetu jednotlivých závitových segmentů. Tato skutečnost pravděpodobně souvisí s tím, že odpovídající realizace je spojena s vysokým stupněm obtížnosti a frézování, které se nejprve nabízí, vyžaduje vedle velmi nákladného programování i velmi dlouhou dobu obrábění. Tyto obtíže jsou odůvodněny tím, že u ostrých závitů se podle průběhu drážek pro odvod třísek musí využít alespoň jedna z bočních ploch závitových zubů pro vytvoření břitu. Když má být nyní za řezným břitem vytvořen neutrální úhel nebo úhel hřbetu, musí se odpovídající boční plocha příslušného závitového segmentu podfrézovat až k následující drážce pro odvod třísek se shodným bočním úhlem. Přitom nastávají problémy v tom, že fréza u zakřivených plášťových ploch nemůže současně obrábět dno a drážku závitu se správným obrysem. Potom existuje volba buď vzít v úvahu žlábkovité prohloubení, které se podél boku zubu stále více zvětšuje, nebo odpovídajícím způsobem zvětšený zbytek ve tvaru schodu. Když není tento zbytek akceptován, musí se potom odstranit pomocí alespoň jednoho dalšího frézovacího postupu.

Způsobem podle vynálezu je nyní možné vyrobit takové závity pánví kyčelních kloubů soustružením v nejkratší době a přesně. Přitom nehraje žádnou roli, zda se má provádět nespojité obrábění pro vytvoření určitého průběhu jednotlivých závitových segmentů na ploše jejich pólů, rovníku nebo hlavy, respektive na více těchto plochách. Vzhledem k volné programovatelnosti obráběcí dráhy je však nyní volně vyrobitelný nejen každý libovolný profil závitového zubu, nýbrž je téměř volně stanovitelný i příslušný úhlový průběh vytvářené části závitového segmentu. Současně může být celý průběh závitu perfektně přizpůsoben plášti tělesa pánve. Proto může být vynález použit pro veškeré známé miskové tvary, jako je například sférický, asférický, parasférický, kuželovité sférický, kuželový, válcový, parabolický, toroidní atd.

Způsob podle vynálezu může být bez problémů zkombinován s jinými známými způsoby výroby závitů pro pánve kyčelních kloubů, například se způsobem známým z evropského patentového spisu EP 0 480 551, popřípadě se způsobem výroby závitu s proměnně modifikovatelným profilem závitu navrženým v německém zveřejňovacím spise DE 44 00 001. Zvlášť výhodnou se zdá být kombinace se zubovým profilem závitu překlopeným k pólu pánve a plynule se měnícím stoupáním závitu podle mezinárodní patentové přihlášky WO 97/39702.

Proto je vynálezem navrženo u umělých pánví kyčelního kloubu se zubovým profilem zužujícím se k hlavě závitového zubu vytvořit závitový segment, vytvořený mezi drážkami pro odvod třísek, vždy z takzvaných šroubových ploch, označených rovněž jako šroubovité plochy, a podle potřeby jejich příslušný směr rozložení natočit v závislosti na úhlu stoupání drážky pro odvod třísek. Jako šroubové plochy je přitom nutno chápat takové plochy, které jsou vytvořeny otáčením určitého zubového profilu s konstantním radiálním odstupem od osy pánve a se stoupáním

-7CZ 297985 B6 kolem ní. U například lichoběžníkového zubového profilu jsou v důsledku toho vytvořeny tři šroubové plochy, a to jedna jako hlavová plocha a dvě jako boční plochy. Přitom mohou být tyto šroubové plochy ve své patní oblasti podél svého rozložení výškově zkráceny, když zubový profil při určité geometrii pláště šroubovací pánve přechází do plášťové plochy. Plochy za břitem na začátku příslušného závitového segmentu mají potom neutrální úhel, tedy ani svěmý úhel ani úhel hřbetu. Tím jsou odstraněny nežádoucí svěmé efekty a přesto je na všech stranách závitového segmentu zajištěn kontakt s kostí. Aby břit na začátku příslušného závitového segmentu mohl plnit optimálně svoji funkci, musí vyčnívat vůči předcházejícímu závitovému segmentu. Toho se v prvním kroku dosáhne tak, že pro šroubové plochy následujícího závitového segmentu se použije větší poloměr než pro šroubové plochy předcházejícího závitového segmentu. S výhodou se jednotlivé závitové segmenty svým rozložením natočí relativně vůči sobě v závislosti na úhlu stoupání drážek pro odvod třísek, přičemž úhel natočení se s výhodou blíží úhlu stoupání, aby mohl být uskutečněn přesah bočních břitů s pozitivním úhlem čela.

Další praktické použití vynálezu spočívá v tom, že při výrobě takových závitů se ve stanovených polohách chodu závitu prostřednictvím programování belhavých skoků vytvoří překmitávající přechodové funkce řezné dráhy a tyto se sesynchronizují s drážkami pro odvod třísek tak, aby břit následující vždy ve směru šroubování za drážkou pro odvod třísek vyčníval vůči zubovému profilu. Zbylá část zubového segmentu proto od břitu ustupuje zpět, takže za břitem je vytvořena oblast s úhlem hřbetu.

Další použití vynálezu se týká takzvaných kruhových klínových spojek, neboli 3K-spojek, tj. spojek se třemi kruhovými klínovými plochami, ve všeobecném strojírenství. Přitom se jedná o třecí spojení, například mezi hřídelem a nábojem, která umožňují samosvomé, avšak znovu uvolnitelné spojení.

U spoje pomocí kruhových klínových ploch nejsou, na rozdíl od spoje s válcovou plochou vytvořeného příčným stlačením, spojovací plochy hřídele a náboje kruhové, nýbrž mají na obvodu takzvané kruhové klínové plochy. Většinou se jedná o tři kruhové klínové plochy. Sestávají z identických, vůči sobě natočených částí spirál, například logaritmických spirál. Při upínání otáčením o určitý relativně malý úhel, například 15°, vznikne potřebný homogenní plošný kontakt, a proto i co největší možný silový styk mezi hřídelem a nábojem. Spoje s kruhovými klínovými plochami zaručují výhodný přenos přenášených sil a mají výhodnou tvarovou stálost. Spojení se třemi kruhovými klínovými plochami na obvodu je samočinně centrovací. Když se radiální stoupání kruhových klínových ploch zvolí v rozsahu 1:50 až 1:200, je takové spojení s kruhovými klínovými plochami zpravidla samosvomé.

U velmi velkých vyráběných sérií a při nepříliš vysokých technických požadavcích může být kruhový profil vyráběn bez třískového obrábění, a proto relativně levně. Jinak jsou náklady na menší vyráběné počty výrobků a při vysokých nárocích na kvalitu při výrobě frézováním nebo dokonce broušením vysoké. Vzhledem k průměru frézy, popřípadě brusného kotouče, vznikají potom na přechodech jednotlivých kruhových klínových ploch nevyužitelné oblasti. Ty potom způsobují společně s relativním úhlem natočení potřebným pro spojení jen částečné silové využití spoje.

Způsobem podle vynálezu je nyní možno vyrobit taková spojení s kruhovými klínovými plochami při využití proložených sledů obrábění s vysokou přesností a s malými náklady i při nejmenších počtech vyráběných kusů. Přitom se otevírá dokonce i možnost vytvořit taková spojení v případě potřeby jako kuželovitá.

- 8 CZ 297985 B6

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže popsán na výhodných použitích podle sedmnácti obrázků na přiložených výkresech, na nichž obr. 1 znázorňuje polokulovou šroubovou pánev s plochým závitem podle dosavadního stavu techniky, který na straně hlavy vázne, obr. 2 polokulovou šroubovou pánev s plochým závitem podle dosavadního stavu techniky, který je opatřen úhlem hřbetu, obr. 3 polokulovou šroubovou pánev s plochým závitem ze závitových segmentů se šroubovými plochami na straně hlavy, obrobenou podle vynálezu, obr. 4 polokulovou šroubovou pánev s ostrým závitem ze závitových segmentů se šroubovými plochami na všech stranách, obrobenou podle vynálezu, obr. 5 dva závitové segmenty šroubové pánve z obr. 1, obr. 6 dva závitové segmenty šroubové pánve z obr. 2, obr. 7 dva závitové segmenty s úhlem hřbetu a hlavovou plochou ve tvaru oblouku, obr. 8 dva závitové segmenty šroubové pánve z obr. 3, obr. 9 dva závitové segmenty šroubové pánve z obr. 4, obr. 10 tři závitové segmenty šroubové pánve z obr. 3 a vysoce dynamickou dráhu nástroje obr. 11 tři závitové segmenty šroubové pánve z obr. 3 a dynamickou dráhu nástroje střední dynamiky se skokovým způsobem, obr. 12 tři závitové segmenty šroubové pánve z obr. 3 a překmitávající dráhu nástroje se skokovým způsobem, obr. 13 teoretická dráha nástroje vytvořená z příkazů ke skoku, obr. 14 obrys obrobku vytvořený z přechodových funkcí, obr. 15 konečná geometrie obrobku po dalším obrábění, obr. 16 pouzdro pro spoj s kruhovými klínovými plochami, obr. 17 čep pro spoj s kruhovými klínovými plochami.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je znázorněn pohled na polokulovou šroubovou pánev 1 s plochým závitem podle dosavadního stavu techniky ze strany jejího pólu při asi l,3násobném zvětšení. U tohoto příkladu byl zvolen jmenovitý průměr 54 mm, střední výška zubu 2,6 mm, stoupání 5 mm a průměr otvoru ve dnu 22 mm. Tyto základní rozměry byly zvoleny z hlediska výhodného znázornění a jsou zachovány i pro obr. 2 až 4 za účelem lepšího porovnání. Rovněž úhel stoupání drážky pro odvod třísek byl jednotně stanoven na 0°, a to kvůli snížení nákladů na kreslení. Je známé, že drážka pro odvod třísek s určitým stoupáním přináší určité výhody, pokud se týká výhodnějšího úhlu čela a rovnoměrně rozloženého přenosu sil.

Na dnový otvor 9 šroubové pánve 1 navazuje bezzávitová oblast 6 miskového tělesa, která má tvar kopule. Průměr miskového tělesa je na vyobrazení představován pouze rovníkovou okrajovou oblastí 10. Chod závitu začíná u pólu prvním závitovým segmentem 7 a stoupá až před závitový segment 2 na jeho plné výšce. Vztahovými značkami jsou označeny dva závitové segmenty 2, 3, protože jsou použity pro detailní vyobrazení na obr. 5. Jak hlavové plochy 4, tak i hrany 5 jednotlivých závitových segmentů, vytvořené vždy na patě zubu u miskového tělesa - s výjimkou počáteční a koncové oblasti chodu závitu - leží u dvourozměrného vyobrazení vždy na spirálovité křivce. Přitom celý chod závitu obsahuje přibližně čtyři otáčky. Dno 8 závitu probí

-9CZ 297985 B6 hájící mezi závitovými segmenty tvoří polokulový plášť miskového tělesa. Za účelem vytvoření drážek 11 pro odvod třísek, respektive řezných hran neboli břitů, je závitové žebro 12krát proříznuto bez úhlu stoupání. Přitom takto vzniklé drážky jsou vytvořeny přibližně pod úhlem 10°, aby se na hlavě závitového zubu vždy vytvořil kladný úhel čela.

Příkladné provedení šroubové pánve 12 na obr. 2 s plochým závitem podle dosavadního stavu techniky vzniklo dodatečným frézováním šroubové pánve L Proto dnový otvor 20, kopulovitá oblast 7, dno 19 závitové drážky, jmenovitý průměr 21 a drážky 22 pro odvod třísek, stejně jako hrany 16 mezi závitovými segmenty a miskovým tělesem plně odpovídají obr. 1. Za účelem zachování konstantní střední výšky závitového zubu byly v důsledku polokulového obrysu misky závitové segmenty jednotlivě dodatečně frézovány. Přitom se začátek závitu u pólu posunul do závitového segmentu 18. Přímé vnější plochy 15 jednotlivých závitových segmentů nyní probíhají jako tětivy kružnic tvořených břity na straně hlavy ležícími ve směru šroubování vždy vpředu a v synchronizaci s drážkami 22 provedenými v závitu tak, že vzhledem k příslušné kružnici je vytvořen úhel hřbetu. Účinek břitů na snížení síly potřebné pro zašroubování se odvíjí od okolností, že radiální odstup břitů od osy pánve je stále větší než příslušný radiální odstup konce předcházejícího segmentu. Později ještě dojde na objasnění dvou závitových segmentů 13 a 14 podle obr. 6.

Příkladné provedení šroubové pánve 23 obrobené způsobem podle vynálezu, znázorněné na obr. 3, odpovídá svým polokulovým miskovým tvarem a svými základními rozměry, jakož i dnovým otvorem 31, návaznou kopulovitou oblastí 28, hranou 27 mezi závitovými segmenty a miskovým pláštěm, dnem 30 závitové drážky, průměrem 32 a drážkami 33 v závitu opět příkladnému provedení podle obr. 1. Chod plochého závitu začíná prvním závitovým segmentem 29 s menší výškou zubu, za nímž následují čtyři další závitové segmenty se vždy skokově se zvětšující výškou zubu, dokud závitové žebro nedosáhne svým závitovým segmentem své plné výšky. Rovnoběžně probíhající boky každého jednotlivého závitového segmentu sousedí vždy s jedním vně ležícím výřezem z válcové plochy 26 koaxiální s osou šroubové pánve 23, přičemž základní průměr válce se stupňovitě zvětšuje od závitového segmentu k závitovému segmentu. Tento princip vytvoření je podle potřeby uskutečnitelný i prostřednictvím příslušného výřezu z příslušné koaxiální šroubové plochy. Popsaným provedením nevznikne na závitových segmentech ani svěmý úhel ani úhel hřbetu. Úhel hřbetu zde vůbec není zapotřebí, protože rašplovací síly vyplývající z drsnosti povrchu (dosažené například pískováním povrchu šroubové pánve) brání při neutrálním relativním pohybu sevření v průběhu procesu zašroubovávání. Tím je zejména potlačeno nevýhodné vytváření mezer mezi implantátem a kostním uložením. Přesto na významu nabývá vždy vpředu vně ležící břit závitových segmentů, protože má větší radiální odstup od osy pánve než předcházející břit. Výsledkem je potřeba poněkud menší síly pro zašroubování při střední taktilianci, jakož i zlepšená primární a sekundární fixace implantátu.

Další příkladné provedení polokulové šroubové pánve 34 obrobené způsobem podle vynálezu je znázorněno na obr. 4.1 zde byly různé podrobnosti, jmenovitě dnový otvor 42, kopulovitá oblast 39, dno 41 závitové drážky, průměr 43 a drážky 44 v závitu pro odvádění třísek v nezměněné formě převzaty z výše popsaných příkladných provedení. Na rozdíl od nich se však u znázorněného závitu jedná o ostrý závit se zubovým profilem v principu ve tvaru trojúhelníku. Tuto skutečnost nelze u dvourozměrného vyobrazení rozeznat. Podobně jako u výše uvedených příkladných provedení začíná chod závitu prvním malým závitovým segmentem 40 a zvětšuje svoji výšku zubů v několika stupních, aby před závitovým segmentem 35 dosáhl své konečné (střední) výšky zubu. Hrana 37 tvořená hlavou zubu, která u skutečně zašpičatělého trojúhelníkového průřezu závitového zubu existuje prakticky pouze jako čára, je pro každý jednotlivý závitový segment tvořena šroubovicí s konstantním odstupem od osy šroubové pánve 34, která je na vyobrazení viditelná pouze jako oblouk s pevným poloměrem vycházejícím ze středu pánve 34· U zvoleného ostrého závituje v důsledku chybějícího stoupání drážky 44 pro odvod třísek vytvořen břit na obou bocích závitového zubu. Břit se přemístí na jeden z boků závitového zubu, když existuje odpovídající úhel stoupání drážky 44 pro odvod třísek. Plochy na obou stranách jednot

-10CZ 297985 B6 livých závitových segmentů jsou u znázorněného příkladného provedení šroubovými plochami, přičemž stoupání plochy u pólu odpovídá stoupání plochy na rovníku, i když optický dojem předstírá jinou situaci v důsledku průměru pánve 34 zvětšujícího se směrem k rovníku. Tím se zdá, že hrana 38 vytvořená na patě zubu mezi závitovými segmenty a miskovým pláštěm šroubové pánve 34 je poněkud posunuta dozadu do miskového pláště. Protože byly pro šroubové plochy při zašroubovávání vždy nejbližšího sousedního závitového segmentu použity větší radiální odstupy od osy pánve 34, jsou břity, upravené na obou stranách, vůči vždy předcházejícímu závitovému segmentu bočně vystouplé vůči závitovému profilu, respektive radiálně směrem ven, a slouží pro snadné řezání při zašroubovávání. I v tomto případě je v důsledku neutrálního úhlu tvořeného rozložením závitových segmentů potlačen vznik mezer v oblasti kontaktu s kostí.

Výše uvedené skutečnosti týkající se dosavadního stavu techniky a příkladných provedení způsobu podle vynálezu budou v následujícím textu lépe objasněny na ve zvětšeném měřítku znázorněných podrobnostech, protože určité detaily jsou na celkovém pohledu jen obtížně rozeznatelné.

Na obr. 5 jsou ve zvětšeném měřítku znázorněny dva závitové segmenty 2, 3 z obr. 1. Z nich má závitový segment 2 břit 45 ležící na čele jeho plochy 46 na straně hlavy a závitový segment 3 stejný břit 47 na odpovídající ploše 48. Kružnice 49, která je opisována v průběhu zašroubovávání šroubové pánve břitem 45, a která má pevný poloměr kolem osy šroubové pánve, je naznačena čerchovaně. Je dobře vidět, že část příslušného závitového segmentu 2, 3 se od této kružnice 49 zvětšuje, což všeobecně musí vést ke vzniku svěmých účinků.

U provedení závitových segmentů 13, 14 podle příkladu z obr. 2, znázorněného na obr. 6, se není nutno obávat těchto svěmých efektů, protože hlavové plochy 51, 53 za břity 50, 52 jsou podfrézovány s úhlem hřbetu. Přitom se čerchovaně znázorněná kružnice 54, kterou opisuje břit 50, nedotýká v žádném místě hlavové plochy závitového segmentu 13. V této oblasti však zůstává vždy nežádoucí volný prostor. Tento volný prostor je o to větší, čím menší je počet drážek pro odvod třísek. Zde jsou zejména extrémním způsobem hendikepovány šroubové pánve s například pouze šesti drážkami pro odvod třísek. Znázorněné provedení se spíše použije u kuželovitých šroubových pánví, protože potom se závitové segmenty mohou velmi racionálně přefrézovat takzvaně ve svazku. Z medicínského hlediska je však nutno tento argument odmítnout.

Výše popsaný problémový bod však může být do určitého rozsahu zmírněn pomocí provedení závitových segmentů 60, 61 podle obr. 7.1 zde jsou hlavové plochy 56, 58 závitových segmentů 60, 61 za čelními břity 55 a 57 opatřeny vzhledem ke kružnici 59 úhlem hřbetu, takže se zabrání svírání při zašroubovávání. V důsledku obloukového tvaru ploch 56, 58 je však volný prostor tvořící mezery relativně malý, a proto spíše akceptovatelný. Tento obloukový tvar však doposud vyžadoval značně nákladné frézování, protože jednotlivé závitové segmenty musely být při výrobě v principu objížděny tangenciálně jednotlivě. Způsobem podle vynálezu je možno znázorněné geometrické provedení jednotlivých závitových segmentů nyní vyrobit velmi racionálně pouze najedno upnutí na soustruhu CNC.

Pro srovnání je na dvou ve zvětšeném měřítku na obr. 8 znázorněných závitových segmentech 24, 25 vyrobených způsobem podle vynálezu znázorněno provedení příslušných vnějších ploch jednotlivých závitových segmentů jako takzvaných šroubových ploch, jak již bylo uvedeno podle obr. 3. Hlavové plochy 63, 65 závitových segmentů 24, 25 vycházející vždy z břitů 62, 64 mají pevný poloměr, který je vždy definován vzdáleností břitu 62, 64 od osy 67 šroubové pánve. Na vyobrazení proto čerchovaně znázorněná kružnice, která probíhá břitem 62 a má pevný poloměr 66, lícuje s hlavovou plochou 63. Protože je příslušný poloměr dalšího závitového segmentu 25 větší, vyčnívá jeho břit 64 vůči břitu 62 při zašroubovávání předcházejícího závitového segmentu 24- Proto může příslušný břit a navazující čelní plocha nastavená do kladného úhlu čela vnikat do kostního materiálu a relativně snadným řezem odvádět třísky do drážky pro odvod třísek.

- 11 CZ 297985 B6

Situace z obr. 4 znázorněná na obr. 9 ve zvětšeném měřítku se liší od provedení podle obr. 8 tím, že závit je ve svém zubovém profilu nikoli plochým závitem, nýbrž ostrým závitem. I zde jsou však všechny vnější plochy jednotlivých závitových segmentů 35, 36 vytvořeny vždy jako šroubové plochy. V důsledku ostrého bočního úhlu a stoupání, respektive nastavení závitových segmentů 35, 36, jakož i polokulového miskového obrysu, se zdá, že hrany vytvořené vždy na patě zubu u miskového pláště svými zadními konci 73, 74 přecházejí do miskového tělesa. Ve skutečnosti však při otáčení šroubové pánve nedochází k žádnému radiálnímu posunu promítnutého průřezu zubu, protože příslušné vnější hrany 69, 71 mají vůči ose šroubové pánve neproměnný průměr. Z použití trojúhelníkového zubového průřezu u znázorněného příkladu vyplývá přemístění příslušného břitu na alespoň jednu, popřípadě pro drážky pro odvod třísek bez stoupání na obě boční plochy příslušného závitového segmentu 35, 36. na vyobrazení je vidět pouze vždy břit 68, 70 na straně u pólu. Zadní břit je vždy zakryt. Kružnice, kterou opisuje hlavová hrana 69 závitového zubu je znázorněna s pevným poloměrem 72 kolem osy 75 šroubové pánve. Potřeba extrémně snížené síly pro zašroubování u tohoto provedení vyplývá ze vzájemného radiálního přesazení jednotlivých závitových segmentů 35, 36, čímž jednotlivé břity vůči vždy předcházejícím břitům přesahují jak bočně, tak i směrem ven.

Pro lepší pochopení postupu provádění způsobu pro výše navržené výhodné použití pro výrobu závitu šroubové pánve budou ještě jednou na obr. 10 až 12 zopakovány skutečnosti známé z obr. 3 a 8. Zde jsou na každém obrázku znázorněny tři závitové segmenty 24, 25, 76 plochého závitu, jakož i břit 62 na hlavové ploše 63 a čerchovaně naznačená kružnice 77, kterou opisuje, s poloměrem 66 od středu šroubové pánve. Přitom se měřítko vyobrazení oproti předcházejícím obrázkům poněkud zmenšilo.

Na obr. 10 je popsána dráha 78 opisovaná obráběcím nástrojem (například břitovou destičkou, která se může obracet) přesazená ekvidistantně vůči hlavovým plochám jednotlivých závitových segmentů 24, 25, 76, které má být ve znázorněném tvaru dosaženo pomocí odpovídajícího programování extrémně dynamickým soustruhem. Vzdálenost dráhy 78 od obráběného obrysu byla proto zvolena tak, aby průběh této dráhy 78 byl po celém jejím rozložení viditelný. Na dráze 78 jsou upraveny dvě nespojitosti 79 a 80, které jsou programováním vědomě umístěny do polohy, která se při následujícím obrábění pro vytvoření drážek v závitu frézováním odstraní. Ačkoli jsou nespojitosti 79, 80 dráhy 78 přechodovými funkcemi, způsobí se tak mezi navzájem následujícími závitovými segmenty 24, 25, 76 radiální skoková funkce. Tato radiální skoková funkce existuje v každém případě pokud jde o navržené programování, protože musí být udány alespoň dvě za sebou následující souřadnice stejného průměru s dráhou posunu v ose Z přizpůsobenou obráběcímu úkolu, jakož i odpovídající stoupání, respektive odpovídající úhel vřetena, a následně skok průměru s maximálním posunem dopředu (například 100 mm/ot). Pro akceptovatelný výsledek obrábění je zapotřebí, aby přechodová oblast na obrobku nebyla širší než upravená šířka drážky pro odvod třísek.

Pomocí soustruhů CNC, které se většinou v současné době používají, není výroba řezné dráhy znázorněné na obr. 10 možná, protože jejich celková dynamika není dostačující pro pohyb křížového suportu uvnitř požadované dráhy na jiný průměr soustružení při současném dodržení dostatečné přesnosti dráhy. Pomocí vynálezu se pro tyto případy navrhuje skokový postup, kterým může být tento problém principiálně překonán. Příslušný teoretický základ bude objasněn pomocí obr. 11. Způsob činnosti dokumentovaný na křivce dráhy 81 předpokládá obrábět pomocí prvního sledu obrábění pouze například první, třetí, pátý, sedmý atd. závitový segment a potom druhý, čtvrtý, šestý atd. vypustit. Přechodová funkce dráhy 81, která vždy vznikne z programování se skokovými funkcemi na základě tlumení stroje, musí přitom postačit pouze k tomu, aby se za bodem 82 první reakce nadzvednul nástroj nad následující břit tak, aby jej nezaoblil nebo nepoškodil. Pro zpětné vedení nástroje na požadovanou dráhu je potom k dispozici například dráha až k bodu 83, která není omezena šířkou drážky na odvod třísek. Potom je bez dalšího

-12CZ 297985 B6 možné při druhém sledu obrábění dodatečně dodělat vynechané obrysové elementy a přitom již obrobené obrysové elementy přeskakovat.

U starších soustruhů s odpovídající setrvačností regulačního okruhu je proto nutno počítat s tím, že překmitnutí přídavně zničí křivku dráhy. Tento efekt bude blíže objasněn pomocí dráhy 84 na obr. 12. Po náhlém reagování pohybu nástroje na programovaný údaj v bodě 85 dojde k překmitnutí dráhy 84, které v bodě 86 dosáhne svého maxima. Toto maximum se potom dále mírně zmenšuje, dokud dráha 84 přibližně v bodě 87 znovu neodpovídá naprogramovaným údajům. U znázorněného příkladného provedení by tento popsaný efekt mohl být ještě ovladatelný pomocí navrženého skokového postupu ve dvou sledech obrábění. V daném případě by se však mohl tento skokový postup bez dalšího rozšířit i na tři nebo více sledů.

Výše popsaný způsob objasněný v různých variantách je použitelný pro zkosené hlavové plochy zubů, jakož i pro boční plochy závitových segmentů, například podle obr. 9. Přitom se popsané skokové funkce buď zcela nebo částečně přemístí z osy X na osu Z. Pro tyto případy sice nejsou belhavé dráhy opisované nástrojem znázorněny, avšak v principu odpovídají drahám znázorněného skokového postupu pro obrábění hlav zubů.

Jak již bylo výše popsáno, otevírá vynález i možnost využít překmitávání stroje přímo k vytváření úhlů hřbetu na závitových segmentech. Pomocí obr. 13 až 15 bude tento přesný postup blíže objasněn. Obr. 13 až 15 znázorňují na schematickém příkladu týkajícím se jednoho přesazeného boku zubu tři nad sebou znázorněné křivky, které při vypuštění prostorových komponent byly zredukovány na objasnění příslušné části dráhy pohybu nástroje. V praxi může tato část dráhy pohybu ležet v jedné nebo více rovinách.

Na obr. 13 je znázorněna dráha 88 nástroje s jediným příkazem pro skok, určená pomocí programování. Body 89, 90, 91 a 92 souřadnic jsou udány pomocí příslušných hodnot pro osu X a osu Z. Z nich je na vyobrazení patrná pouze změna pro osu Z jako svislá komponenta, zatímco příslušná veličina pro osu X z vyobrazení patrná není. Vodorovné odstupy mezi těmito body 89, 90, 91 a 92 jsou přímo úměrné příslušnému úhlu vřetena, který je naprogramován buď přímo pomocí parametru C (úhel vřetena) nebo nepřímo pomocí parametru F (stoupání). Přitom je nutno vzít v úvahu, že při použití parametru F nesmí být největší přípustná hodnota pro příslušné NC-řízení překročena, přičemž pro programování úhlu vřetena může úhlový skok bez dalšího činit 0°. Principiálně je možno navzájem zřetězit i více příkazů pro skok.

Obr. 14 znázorňuje průběh boku závitového zubu změřený na obrobku před vyfrézováním drážky pro odvod třísek, přičemž tento bok vyplývá z řetězce příkazů podle obr. 13. Znázorněná křivka 93 sestává z přechodových funkcí, které jsou odůvodněny setrvačností a regulační tuhostí stroje a řízení. Tato křivka 93 začíná hladkým průběhem 94, aby se v bodě 95 synchronně s příkazem ke skoku náhle vychýlila. Přitom se dosáhne bodu maximálního překmitnutí 96, na který navazuje zpětný pohyb 97. Potom následuje další kmitání 98 menší amplitudy předtím, než křivka 93 znovu přejde do svého stálého průběhu 99.

Na obr. 15 je znázorněn boční obrys obrobku po vyrobení drážky pro odvod třísek. Boky 102, 103 drážky pro odvod třísek jsou znázorněny dvěma čerchovanými čarami. Jsou vytvořeny pouze boky 100, 101 dvou závitových segmentů. Poloha drážky pro odvod třísek je s obrysem boku závitového zubu synchronizována tak, že na jedné straně konec 104 předcházejícího závitového segmentu končí před vychýlením v bodě 95, a jednak je na následujícím závitovém segmentu vytvořen přesah břitu 105 opatřený úhlem hřbetu. Malé vyboulení 98 způsobené dokmitnutím je ve své amplitudě závislé jak na použitém stroji a řízení, tak i například na použité řezné rychlosti. Pro všeobecnou účinnost zejména vytvořených vyčnívajících břitů a jejich úhly hřbetu však nemá prakticky žádný význam.

- 13 CZ 297985 B6

Průběh dvou za sebou následujících boků závitových zubů znázorněný příkladně na obrázcích se týká vzájemného natočení jednotlivých závitových segmentů jejich směry rozložení. Stupeň tohoto natočení závisí na konstrukčních zadáních. Natočení se přitom může minimalizovat nebo zcela zrušit tak, že nad konec 104 předcházejícího závitového segmentu vyčnívá pouze zbytek překmitnutí 96 ve tvaru břitu 105, popřípadě jeho část.

Způsob objasněný pomocí obr. 13 až 15 je odpovídajícím způsobem použitelný například u plochých závitů na radiálně směrem ven směřující hlavě zubu, jakož i u jiných závitů na dvou nebo více plochách profilu závitového zubu.

Další použití způsobu podle vynálezu bude objasněno na příkladném provedení podle obr. 16 a 17. Přitom se jedná o takzvaný spoj s kruhovým klínem, který se všeobecně používá ve strojírenství. Obr. 16 znázorňuje spojovací pouzdro 106 s jeho středem 107. Na vnitřní stěně jsou vytvořeny tři kruhové klínové plochy 108, 109, 110, které se navzájem stýkají skoky 111, 112, 113. Na obr. 17 je znázorněn čep 114 přizpůsobený vnitřním profilem pouzdru 106. Tento čep 114 má tři vnější kruhové klínové plochy 116, 117, 118 centrované k ose 115, které do sebe přecházejí skoky 119, 120, 121. Kruhové klínové plochy jak v pouzdru 106, tak i na čepu 114, jsou částmi spirál, které na příslušných místech styku náhle začínají, popřípadě končí. Pro výrobu těchto kruhových klínových ploch způsobem podle vynálezu je principiálně rovnocenné, zda se přitom jedná o části Archimedovy, logaritmické, hyperbolické nebo fermatické spirály. Vychází se samozřejmě z toho, že jedna kruhová klínová plocha z logaritmické spirály způsobuje vzhledem ke konstantnímu úhlu stoupání při upnutí výhodné namáhání materiálu.

Při výrobě vnitřních, popřípadě vnějších kruhových klínových ploch záleží na tom, aby se uskutečnil průběh zakřivení co nejvíce odpovídající zadaným údajům a přitom aby se skokům ponechalo co nejméně z pozdější kontaktní plochy. Tento úkol je bez dalšího řešitelný způsobem podle vynálezu při použití již výše popsaného systému skoků. Pro výrobu například pouzdra 106 třískovým obráběním na soustruhu CNC se příslušný polotovar nejprve předvrtá a popřípadě pomocí hrubování obrobí na předběžné míry. Jemné obrobení pomocí vrtací tyče, například s břitovou destičkou, která může být otáčena, se v principu provádí tak, že při otáčení obrobku se nástroj posunuje radiálně směrem ven malým posunem až ke konci kruhové klínové plochy a potom se pomocí příkazu pro směrem dovnitř orientovaný skok nadzvedne od kruhové klínové plochy. Z tohoto příkazu pro skok v programu vznikne dráha nástroje sestávající z přechodových elementů s překmitem směřujícím ke středu 107, dimenzovaným pomocí programování tak, aby byl nástroj zřetelně oddálen od začátku další kruhové klínové plochy. Programové instrukce následující v programu jsou stanoveny tak, aby došlo k přeskočení sousední kruhové klínové plochy a nástroj se mohl dostat do další nejbližší kruhové klínové plochy po klidné dráze. Pro příkladné provedení znázorněné na obr. 16, které vyžaduje relativní pohyb nástroje k soustružnickému noži v pravotočivém smyslu, se potom sled obrábění tří klínových kruhových ploch 108, 109, 110, například počínaje na kruhové klínové ploše 108, stanoví následovně:

108 - obrábění 112 až 111

110 - přeskočení

109 - obrábění 113 až 112

108 - přeskočení

110 - obrábění 111 až 113

109 - přeskočení

108 - obrábění 112 až 111 atd.

Pro vytvoření programu NC podle vynálezu existuje celá řada možností. Tak může být například radiální posuv naprogramován jako stoupání volitelně se superponovanou funkcí změny, napří

- 14 CZ 297985 B6 klad prostřednictvím parametru E nebo prostřednictvím pevných souřadnic, aby se uskutečnil určitý druh plošného zakřivení. Z hlediska axiálního pohybu nástroje spočívá volba v tom, že se buď zachová odpovídající posuv nástroje a využije se menší hodnota posuvu, nebo se použije posuv jen v průběhu obrábění jednotlivých kruhových klínových ploch nebo přestávek v obrábění při přeskakování.

Výroba kruhových klínových ploch lícovaného čepu v podstatě odpovídá činnosti, která byla popsána pro pouzdro. Je třeba brát zřetel na odpovídající tolerance rozměrů, aby bylo možné obě součásti navzájem spojit. Skokové plochy, které se vytvářejí obráběním podle vynálezu, tvoří tak malou část obvodu, že mezi spojenými partnery jsou vytvořeny jen velmi malé mezery vyloučené z přenášení sil.

Ve skutečnosti jsou možnosti nabízené způsobem podle vynálezu téměř neomezené. Vyplývají z využití programů CNC při sdružení pohybu suportu s otáčením vřetena stroje a při využití, popřípadě kombinace s belhavými hodnotami adresových parametrů pro průměr, délku, případně stoupání nebo úhel vřetena, jakož i volitelného využití techniky poutnických kroků, popřípadě popsaných proložených obráběcích sledů. Tím je nyní možné velmi racionální obrábění na soustruzích CNC, které předtím muselo být prováděno časově náročně a částečně s horší povrchovou kvalitou prostřednictvím frézování.

Pro použití způsobu navržená umělá pánev kyčelních kloubů se speciálním závitem a závitovými segmenty ze šroubových ploch s neutrálními úhly za břity je zvlášť přesvědčivá vzhledem k velmi nízkým silám potřebným pro zašroubovávání, k extrémní bezpečnosti proti překroucení, s vynikající taktiliancí a s prakticky bez mezer upravenými přechody do kostních úložných ploch. Zvlášť výhodné je takové provedení s ostrým závitem, se šroubovitými drážkami pro odvod třísek a se závitovými segmenty, které jsou vůči sobě navzájem natočeny ve směru k úhlu stoupání. Tím se nejen zřetelně zlepší manipulace v průběhu implantace, nýbrž i podstatně vzroste primární, popřípadě sekundární fixace, takže nebezpečí předčasného uvolnění je téměř vyloučeno.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (13)

1. Způsob nekruhového soustružení na programovatelném soustruhu, přičemž obrobek rotuje ve sklíčidle vřetena soustruhu a přitom se nástrojem třískovým obráběním vytvářejí na obrobku alespoň částečně určité nekruhové obrysy, tvořené nebo sestavené například z geometrických přechodových elementů, vyznačující se tím, že soustružení se provádí belhavě tím, že křížový suport s obráběcím nástrojem se na své dráze pohybuje synchronizované s úhlem sklonu vřetena stroje a nekruhové obrysy se vytvářejí prostřednictvím programování ze skokových funkcí sdružováním souborů instrukcí s hodnotami zvolených adresných parametrů, jako je například průměr v ose X, délka v ose Z, stoupání F nebo úhel osy C, přičemž pro alespoň jeden z těchto adresných parametrů se v řetězci vět programu použije belhavý sled hodnot adresných parametrů, to znamená sled obsahující jednu skokovou funkci.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že v souborech instrukcí se přídavně použije parametr výšky v ose Y.

3. Způsob podle jednoho z nároků 1 nebo 2, vyznačující se tím, že v souborech instrukcí se použije programování závitu.

- 15 CZ 297985 B6

4. Způsob podle jednoho z nároků 1, 2 nebo 3, vyznačující se t í m , že pro alespoň dva z uvedených adresných parametrů v řetězci vět programu se použije jeden belhavý sled z hodnot adresných parametrů.

5. Způsob podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se t í m , že řetězec vět programu popisuje rotačně symetrický obrys se superponovaným nemonotónním periodickým sledem přírůstků.

6. Způsob podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se t í m , že pro alespoň jeden z adresných parametrů jsou přírůstky vytvořené mezi hodnotami adresných parametrů řetězce vět programu programovány jako belhavý sled.

7. Způsob podle jednoho nebo více z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že nespojitý obrys se vytvoří programováním způsobu poutnického pohybu tím, že nástroj se pohybuje sledem dopředných a vratných pohybů, přičemž jeden z těchto pohybů je větší než ostatní pohyby.

8. Způsob podle jednoho nebo více z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že nekruhový obrys nebo nespojitý obrys na obrobku se vytvoří prokládáním alespoň dvou obráběcích postupů, přičemž prostřednictvím prvního postupu se vytvoří první obrysový element, další obrysový element se přeskočí, opět se vytvoří další za ním následující obrysový element, a prostřednictvím druhého postupu se obrobí přeskočený obrysový element nebo přeskočené obrysové elementy a přitom se přeskakují již obrobené obrysové elementy.

9. Způsob podle jednoho nebo více z předcházejících nároků pro vytváření třískovým obráběním nespojitě probíhajících obrysových elementů vyčnívajících ze šikmé nebo zakřivené plášťové plochy, přičemž stranou soustružnického nože se v podstatě obrobí bok nespojitě probíhajícího obrysového elementu a špičkou soustružnického nože se v podstatě obrobí plášťová plocha, vyznačující se tím, že špička soustružnického nože se vede na dráze probíhající v podstatě tangenciálně k plášťové ploše a strana soustružnického nože prostřednictvím naprogramované změny rychlosti tangenciálního posuvu a/nebo směru posuvu vytváří bok nespojitě probíhajícího obrysového elementu.

10. Způsob podle jednoho nebo více z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že překmitnutí křížového suportu vzniklé z příkazu ke skoku v programování a z mechanické a elektronické setrvačnosti soustruhu se použije přímo k vytvoření nespojitých, nekruhových nebo zakřivených obrysů.

11. Způsob podle nároku 10, vyznačující se tím, že překmitnutí se použije k přímému vytvoření břitů s úhly hřbetu na segmentech, respektive křídlech závitu.

12. Způsob podle nároku 11, vyznačující se tím, že břity se vytvoří alespoň částečným vyfrézováním drážek pro odvod třísek v oblasti částí segmentů závitů vznikajících z překmitů, přičemž úhly hřbetu představují pozůstatky překmitu.

13. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že neokrouhlý obrys se vytvoří jako spojitá plocha s opakujícími se obrysovými elementy.

7 výkresů

-16CZ 297985 B6

0^. 1

Obr-, 2.