Pokročilé virtuální modely – optimalizace výkonnosti obrábění Kvalitní a výkonný obráběcí proces je charakterizován minimálním možným časem operace při dosažení požadované kvality obrobku, tj. rozměrové přesnosti a potřebné jakosti povrchu při zachování všech omezení daných strojem, nástrojem a obrobkem. Nezbytným předpokladem je, aby se celý proces obrábění děl bez kritických vibrací v rámci celého řetězce obráběcí stroj – nástroj – obrobek, jejichž výskyt limituje výkonové využití stroje a zhoršuje dosažený povrch dílce po obrábění. Jedině tak lze dosáhnout optimálního času operace, požadované přesnosti obrobeného dílce a kvality obrobeného povrchu. Existuje několik cest, jak požadovaného optima dosáhnout. Pro predikci výsledků obrábění se běžně používají iterační metody (postupné přiblížení k žádoucímu výsledku v několika krocích metodou pokus – omyl), které jsou však časově i nákladově náročné, má-li být dosažena přijatelná spolehlivost předpovědi výsledků. Postupy a metody virtuálního obrábění umožňují uživateli předem, rychle a ve srovnání s konvenčními metodami pokusu a omylu s vynaložením malých nákladů stanovit výkonové meze obrábění konkrétního obrobku na konkrétním stroji za použití zvoleného technologického postupu, a to při respektování požadované kvality dílce. Významu nabývá uplatnění pokročilých simulačních modelů zvláště při ladění technologií obrábění složitých tvarových dílců nebo dílců se zvýšenou poddajností. Ve srovnání s konvenčními postupy je zapotřebí podstatně méně kroků k dosažení požadovaného optimálního výsledku. Určitou nevýhodou je vyšší náročnost na kvalifikaci specialistů, nezbytnost využívání pokročilých matematických metod nutných pro provedení souvisejících pokročilých simulací a nezbytnost komplexního přístupu k řešení celé problematiky (zjištění a analýza dynamické poddajnosti příslušných konstrukčních skupin i celého stroje, nutnost řešení interakcí jednotlivých vlivů, práce s propojenými modely a podobně). Značnou pomoc v této oblasti nabízejí nově vyvinuté a vyvíjené softwarové nástroje, jako je např. cyklus plánovací modul CAM – simulace úběru materiálu – rychlé výpočty dynamické odezvy soustavy obrobek – nástroj, vyvinutý v RCMT. Pomocí metod virtuálního obrábění lze analyzovat výsledky obrábění a chyby, které se během něho vyskytly (obr. 1). Základem simulací virtuálního obrábění je virtuální model stroje včetně modelu nástroje a obrobku, umožňující predikovat chování celého systému během řezného procesu. Dále je možno simulovat vliv nastavení interpolátoru CNC, nastavení pohonů, simulovat postup úběru materiálu dílce při obráběcích operacích a optimalizovat vlastní řezný proces. Na základě uvedených simulací lze kalkulovat reálný čas operace, zjistit výkonové využití stroje pro daný účel, ověřit vhodnost zvažovaných řezných nástrojů a příslušných technických podmínek jejich nasazení, a případně optimalizovat jejich dráhy, posoudit způsob upnutí dílce a uvažovat o vlivu dynamických vlastností obráběného dílce. Tím vším je možno včas eliminovat ekonomická, bezpečnostní a technologická rizika, předejít nežádoucím vícenákladům a časovým prodlevám a dospět k dostatečně spolehlivé predikci produktivity (času operace) i požadované kvality opracovaného povrchu. Aby bylo možné udělat si kvalifikovaný názor na úspěšnost a míru optimalizace zvažované operace, je nutno předem a s dostatečnou mírou spolehlivosti modelovat dynamické vlastnosti soustavy stroj – vřeteno – řezný nástroj – obrobek. Dále specifikovat omezení daná řezným nástrojem a stanovit velikost i charakter řezných sil. Je nutná znalost všech možností řídicího programu stroje, které mohou přispět ke zvýšení produktivity a kvality – např. optimalizace zrychlení a zpomalení v úvratích jednotlivých řízených os nebo schopnosti programu účinně čelit vibracím. Dynamick á poddajnost soustavy stroj – vřeteno Pro úspěšnou predikci výkonnosti obrábění je nutno předem zjistit dynamickou poddajnost stroje s vřetenem. K tomu slouží propojené modely nosné struktury stroje s detailními modely dynamické poddajnosti vřetene včetně popisu jejich teplotně-mechanického chování a otáčkově závislé tuhosti ložisek vřetene. Provedené simulace dynamické poddajnosti horizontálního frézovacího stroje, podpořené verifikací pomocí měření přenosových frekvenčních charakteristik na skutečném stroji prokázaly, že vlastnosti rámu stroje jsou limitující při práci s kompaktním a tuhým nástrojem, např. čelní kotoučovou frézou. Největší poddajnost je v oblasti frekvencí okolo 50 Hz, souvisejícími s vlastními frekvencemi kmitání rámu stroje (obr. 2). Řezné síly s velkými amplitudami při silovém obrábění mohou vybudit strukturální kmitání rámu stroje, které limituje nasazení vyšších řezných parametrů. Naproti tomu při práci se štíhlým a poddajným nástrojem, jakým je stopková fréza s velkým vyložením, nastává kritická poddajnost při frekvencích okolo 1000 Hz (obr. 3). Dynamické limity obrábění závisí především na poddajnosti nástroje a nejsou zásadním způsobem ovlivněny vlastnostmi rámu stroje. Predikce mo žnosti výkonového vyu žití stroje s různ ými typy nástroj ů Při predikci výkonového využití stroje je nutné brát v úvahu, že dosažitelné technologické podmínky pro konkrétní nástroje na konkrétním stroji nemusí odpovídat pouze výkonovým charakteristikám pohonu vřetene. A to především z důvodu nevyhovující dynamické poddajnosti soustavy stroj – vřeteno – nástroj. Kritická dynamická poddajnost této soustavy limituje stabilní hloubku třísky a soustava nesmí být buzena řezným procesem na vlastních frekvencích. Návrh technologických podmínek proto musí vycházet ze znalosti dynamických vlastností soustavy. Obrábění tenkost ěnných obro bků Pracovníci Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii se podíleli na řešení projektu DynaMill, podpořeného z prostředků 7. RP Evropské komise. Věnuje se problematice obrábění tenkostěnných obrobků s důrazem na obrábění turbínových lopatek, turbínových kol a dílců pro letecký průmysl, řešeného ve spolupráci se špičkovými zahraničními pracovišti. Závažnost řešené problematiky je dána vysokým rizikem zhotovení drahého výrobku s nepřijatelnou kvalitou obrobeného povrchu, a tím, že u převážné většiny používaných materiálů se jedná o těžkoobrobitelné slitiny, jejichž obrábění charakterizuje výskyt velkých řezných sil. Při těchto aplikacích je dominantní poddajnost obráběných dílců a její interakce s poddajností stopkových řezných nástrojů pracujících s velkým vyložením. Celou problematiku navíc komplikuje i to, že v důsledku úběru materiálu z dílce se jeho poddajnost během operace mění, a proto pro plné využití potenciálu obráběcího stroje je nezbytné v průběhu operace průběžně měnit řezné podmínky. Cílem projektu bylo vyvinout pokročilý simulační model pro predikci chování stroje a tenkostěnného dílce během obrábění tak, aby bylo možno pomocí speciálního CAM modulu optimalizovat řezné podmínky během obrábění ve vazbě na měnící se poddajnost dílce s pozitivním dopadem na kvalitu jeho povrchu (obr. 4). Výsledné přínosy projektu představují na provedených studiích cca 10 až 20 % zkrácení času obrábění demonstračního dílce v důsledku možného zvýšení průměrné řezné rychlosti, dosahované stopkovou frézou. Pro tento projekt vyvinuli pracovníci RCMT rychlý simulační model dynamického chování obrobku v závislosti na úběru materiálu na bázi popisu metodou konečných prvků (MKP) a pokročilé transformace do parametrického rozvoje. Model umožňuje současně přizpůsobení jakýmkoli rozměrům polotovaru, takže je v prostředí CAM připraven pro simulace libovolné geometrie obrobků. Vybrané výsledky souvisejících výzkumn ých aktivit RCMT Pro efektivní predikce použitelných podmínek obrábění byly vyvinuty pokročilé propojené modely soustavy stroj – vřeteno – nástroj. A to včetně databáze experimentálně zjištěných přenosových frekvenčních charakteristik na čele nástrojového rozhraní na stroji a MKP modelů těles nástrojů. Jako uživatelská aplikace se vyvíjelo propojení přenosových frekvenčních charakteristik s MKP modely strojů na kalkulačce řezných podmínek. Ing. Petr Borovan
