CNC obrábění tvarově složitých dílců, jaké reprezentují typicky formy, představuje komplexní úlohy, v nichž se potkávají požadavky na produktivní výrobu při současně vysokých požadavcích na kvalitu a přesnost povrchů. Kvalitní příprava NC dat, jejich odbavení na stroji a realizace obrábění jsou hlavními fázemi procesu, v němž mohou vznikat různé úrovně chyb. Cílem produktivního obrábění je minimalizace chyb za současné minimalizace výrobních nákladů.
CNC obrábění
Produktivitu obrábění lze ovlivnit na mnoha úrovních procesu přípravy a realizace obrábění. Každý typ obrobku klade specifické požadavky, pro něž je potřeba zvolit vhodné podmínky obrábění. V první řadě se jedná o volbu způsobu upnutí dílce a výběr tvarů nástrojů, s nimiž bude možno vyrobit produktivně požadované tvary.
Navazujícím krokem je volba strategie dráhy nástroje, která souvisí úzce s výběrem řezných nástrojů a řezných podmínek. V této fázi přípravy obrábění je možno významně ovlivnit budoucí produktivitu procesu např. použitím strategií drah s kratšími časy obrábění, vedoucími ale obvykle k vyššímu zatížení nástroje a jeho zkrácené životnosti, nebo drah s nižším silovým zatížením a vyšší životností nástroje. Poměr mezi cenou strojního času a cenou nástrojového vybavení rozhoduje o vhodnosti příslušné volby. V tomto příspěvku přiblížíme potenciál zvyšování produktivity obrábění zejména na straně stroje a jeho řízení s využitím vyšší úrovně znalosti chování celého systému stroje. Moderní CNC stroj představuje typický mechatronický systém s vazbami mezi CNC řízením, řízením pohonů, mechanickou stavbou pohonů, nosnou strukturou a vlastním řezným procesem (Obr. 1). Proces přípravy a realizace obrábění prochází kroky tvorby CAD modelu obrobku, jeho interpretace CAM systémem do NC dat, interpolace CNC řídicím systémem stroje, řízením pohonů a jejich interakce s mechanickou stavbou stroje a řezným procesem.
Kvalita uvedených vazeb rozhoduje o celkovém výsledku obrábění, přičemž jakýkoliv nesoulad v nastavení se může projevit zhoršenou kvalitou a přesností ploch dílce, nebo delšími časy obrábění. Produktivita, jakost a přesnost obrábění jsou pro daný stroj ovlivnitelné kvalitou NC dat, nastavením interpolátoru CNC, řízením pohonů a volbou technologických parametrů obrábění (Obr. 2).
Význam této problematiky stoupá zejména s velikostí a cenou obrobků. Snaha o řešení obvyklým postupem cestou pokus – omyl je zdlouhavá a nákladná a nevede k optimálnímu výsledku, který nezaručí ani využití dosavadních zkušeností. V případech, kdy má vzniknout pouze jeden exemplář velkého obrobku není ani možno postup experimentálního ladění řízení stroje a nastavení řezného procesu realizovat. Ve zvyšování produktivity obrábění tak zůstává nevyužitý potenciál, který může dosahovat až několika desítek procent. Při nákladech na provoz moderních strojů v řádech tisíců korun a cenách obrobků v řádech stovek tisíc korun i více se jedná o možnosti nezanedbatelných úspor.
Zdroje chyb CNC obrábění
V běžné praxi jsou NC data dráhového řízení na základě CAD modelu obrobku připravována pomocí CAM systémů. Dostupná je dnes široká škála komerčně dostupných softwarových nástrojů CAD/CAM, postprocesorů a případně dalších nástrojů pro postprocesní kontrolu NC dat.
Strategii obrábění volí technolog podle charakteru a složitosti obrobku, návrh řezných podmínek vychází z použitého typu nástroje a doporučení řezných rychlostí. I přes nasazení výkonných nástrojů CAD/CAM softwarové podpory se ovšem výsledky skutečného obrábění často výrazně liší od CAM simulací.
Obvykle dochází při skutečném obrábění k nárůstu celkového času obrábění nad úroveň CAM predikce. Rozdíly skutečných časů obrábění od predikovaných v CAM mohou dosahovat až desítek procent. Příčina těchto rozdílů spočívá v nezahrnutí skutečného chování CNC řídicího systému stroje do CAM simulací.
Další omezení při použití standardních CAM nástrojů ve vazbě na zvyšování produktivity obrábění vyplývají z chybějící znalosti skutečné dynamiky soustavy stroj – nástroj – obrobek:
- Nejsou známy dynamické vlastnosti stroje a nástroje
- Nejsou známy dynamické vlastnosti obrobku
- Nejsou známy projevy silové interakce poddajného nástroje s poddajným obrobkem.
Díky tomu není možno vhodně přizpůsobit řezné podmínky chování soustavy stroj – nástroj – obrobek a vzniká riziko zvýšených vibrací, nebo naopak nevyužité tuhosti soustavy. Další významný příspěvek ke kvalitě výsledků obrábění představuje nastavení parametrů CNC řízení stroje. Vhodnou volbou parametrů zrychlení, osových a dráhových jerků, nebo dalších vyšších funkcí lze významně ovlivnit produktivitu, přesnost a jakost obrobeného povrchu.
Posledním článkem v řetězci vazeb na straně stroje je řízení pohonů, jejichž nastavení může mít významný dopad na kmitání soustavy stroj – nástroj – obrobek. Kvalitní regulace pohonů stroje ovlivňuje nejen jakost a přesnost povrchu dílce, ale sekundárně i celkový čas obrábění.
Virtuální model stroje a simulace obrábění
Komplexita výše uvedených vazeb a optimalizace obrábění je motivací vývoje pokročilých virtuálních modelů strojů a virtuálního obrábění. Cílem je vytvoření simulačních modelů, které umožní relevantně predikovat skutečné výsledky obrábění a díky zahrnutí všech částí řetězce vazeb řízení – mechanická stavba stroje včetně jeho kmitání (Obr. 3) umožní identifikovat zdroje chyb obrábění, simulovat interakci nástroje s obrobkem a pomáhat účinně optimalizovat nastavení řídicího systému stroje, řízení pohonů, nebo technologických parametrů.
V České republice je takto koncipovaný softwarový systém virtuálního modelování strojů unikátní a je vyvíjen na základě vlastního výzkumu na půdě ČVUT v Praze, RCMT.
Aplikace virtuálního obrábění
Přínos virtuálního modelu stroje vystihuje ukázka vizualizace části povrchu zkušebního dílce (Obr. 4). Zatímco CAM simulace CL dat ukazuje téměř nulové odchylky od referenčního CAD modelu (Obr. 4 vlevo), na simulaci s využitím skutečného CNC řídicího jsou dobře patrné v přechodových částech povrchu chyby nedořezáním materiálu vlivem dynamiky interpolátoru (Obr. 4 uprostřed). Zahrnutí modelu stroje a pohonů ukazuje realistické překmity, vzniklé dynamikou systému stroje (Obr. 4 vpravo).
Pomocí virtuálních modelů jsou řešeny optimalizační úlohy pro zkracování časů při současném zachování požadované kvality a přesnosti, nebo úlohy zvýšení kvality a přesnosti obrábění. Ukázku optimalizace jakosti obráběného povrchu ukazuje Obr. 6. Vhodným nastavením vyšších funkcí v CNC řídicím systému stroje Siemens 840 D se podařilo docílit podstatného zvýšení jakosti povrchu a současně zkrácení času obrábění.
Na příkladu velkosériové výroby letecké součástky z Al slitin, vyráběné ve firmě AXA CNC STROJE, se podařilo změnami v nastavení interpolátoru CNC systémy a regulace pohonů dosáhnout zkrácení výrobního času o 20 % na výsledných 28 minut. Získaná úspora času umožnila firmě ušetřit kapacitně jednu směnu při paralelní výrobě na dvou strojích. Jiným příkladem je využití virtuálního modelu pro optimalizaci CNC interpolátoru a NC kódu na pětiosé frézování kompresorového kola z Al slitiny. Při požadavku zachování maximálních chyb přesnosti povrchu do 0,04 mm byl čas obrábění jedné mezilopatkové mezery zkrácen o 58 % ze 6 min. na 2,5 min.
Shrnutí
CNC obrábění tvarových ploch představuje rozsáhlé úlohy optimalizace strategie obrábění, nastavení interpolátoru CNC systému stroje, řízení pohonů a řezných podmínek, jejichž cílem je dosažení vysoké produktivity, kvality a přesnosti obrábění. RCMT nabízí v této oblasti komplexní podporu ve všech fázích návrhu a realizace obrábění s podporou pokročilých simulací virtuálního obrábění.
ČVUT v Praze, Fakulta strojní, RCMT
Ing. Matej Sulitka, Ph.D.