OBRÁBĚNÍ VSTŘIKOVACÍ FORMY NA PLASTY ZA VYUŽITÍ CAD/CAM SYSTÉMU NX6 SVOČ – FST 20010 Zdeněk Hájíček, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika ABSTRAKT Tématem bakalářské práce je obrábění vstřikovací formy na plasty za využití CAD/CAM systému NX6. V této práci se zabývám návrhem technologie pro výrobu vstřikovací formy. A to pro tříosé a pětiosé obráběcí centrum s následným zhodnocením. Hlavním cílem je však programování tříosé technologie a výroba části vstřikovací formy. Samotné CAM programování je v systému Siemens NX6 a tvorba postprocesoru v NX Post Builderu. KLÍČOVÁ SLOVA CAD/CAM, NX CAM Express, CNC, postprocesor, Post Builder. ÚVOD Vstřikování plastů do forem umožňuje velmi rychlou a kvalitní výrobu. Jedná se o velké série, v kusové výrobě se tato technologie zpravidla nevyužívá. Náklady na výrobu jedné vstřikovací formy jsou velice vysoké a výroba je zdlouhavá. Obráběné plochy jsou zpravidla tvarově složité. Tato problematika vyžaduje využití moderních technologií, jako jsou například CNC obráběcí stroje a jejich programování. V této práci se zabýváme programovaní pomocí CAM systémy NX CAM Express a následnou výrobou vstřikovací formy. 1. VSTŘIKOVACÍ FORMY Vstřikovací forma je nástroj, jehož použitím na speciálním vstřikovacím stroji vznikne výrobek z plastické hmoty. Dnes používané vstřikovací formy jsou technicky komplikovaná zařízení, na která se kladou nemalé nároky z hlediska kvality, produktivity, spolehlivosti a automatizace výroby. Z metodických důvodů si rozdělme vstřikovací formu na dvě oblasti. Tou první je tvarová dutina. To jest prostor, kam bude na vstřikovacím stroji vtlačena plastová tavenina. Ta po ztuhnutí v dutině získá tvar konečného výrobku. Konstrukční řešení dutiny bývají velmi rozmanitá a kromě několika málo pravidel technologičnosti konstrukce se tvar řídí především funkčními, tvarovými a vzhledovými požadavky na plastový výrobek. Druhou oblastí je vlastní konstrukční stavba nástroje, která ve většině případů vykazuje značné prvky podobnosti. Převážná většina forem se dnes sestavuje ze stavebnicového systému standardních komponent, které jsou na trhu. Konstrukční stavba takovýchto forem se skládá ze skupiny paralelních desek s různou funkcí a z řady dalších, v nich vložených nebo k nim připojených součástí. Jsou to vodicí sloupky a pouzdra, spojovací součásti, vtokový, chladicí a vyhazovací systém apod. Stavebnice se používají zejména proto, že díky nim není nutno vyvíjet a vyrábět každou jednotlivou součást formy. Navíc se jedná o velmi profesionálně promyšlené systémy, které optimálně splňují řadu funkčních požadavků. [1] 2.
ŘÍZENÍ OBRÁBĚCÍCH STROJŮ
2.1. Co znamená NC? Český ekvivalent pro NC (Numerical Control) je číslicové řízení, tedy metoda řízení pomocí čísel. Moderní řídící systémy obráběcích strojů mají vlastní vestavěný počítač. Takže místo NC (Numerical Control) se označují jako CNC (Computer Numerical Control). Rozdíl mezi NC a CNC stroji je následující. NC stroje postrádaly vlastní paměťové médium s programem a operační pamětí. Z toho důvodu byl program načítán sekvenčně z děrného pásku či štítku. Zpracováván byl tedy pouze jen jeden blok. V případě CNC je vždy část programu načítána do operační paměti. Řádově okolo tisíce bloků napřed. Systém sleduje program dopředu a tím je schopen reagovat rychleji. U NC nebyl možný zásah do programu přímo u obráběcího stroje. Kdežto CNC stroje obsahují zpravidla vestavěný počítač se zápisným médiem (harddisk) na kterém se ukládají NC data. Dialogové okno řídícího systému umožňuje okamžité zásahy do běhu programu i průběhu jeho používání. Ukázka porovnání obou řízení viz diagramy.
(Obr. 2.1) Jednoduché schéma NC řízení obráběcího stroje
(Obr. 2.2) Jednoduché schéma CNC řízení obráběcího stroje 3.
PROGRAMOVÁNÍ NC STROJŮ
3.1. NC program V NC programu je definováno obrábění obrobku. Jsou zde uvedeny cílové body polohy nástroje, rychlosti otáček nástroje a rychlosti posuvů. Rovněž musí být v programu uvedeny informace o poloměru a délce nástroje, ty jsou především v tabulce nástrojů, v samotném programu být nemusí. Zápis programu k řízení stroje může být psán ve dvojím tvaru. A to v absolutním tvaru, údaje o poloze nástroje jsou vztaženy k jedinému počátku souřadnic. Toto programování je do programu zadáváno funkcí G90. Nebo v přírůstkovém (inkrementálním) tvaru. Řízení pohybu nástroje po přírůstcích znamená zadávat souřadnice po určitých krocích. Příslušná funkce kódu je G91. Většina CNC systémů používá adresátovou formu zápisu. Program se skládá ze sledu příkazů a každý příkaz se skládá ze slov, jež obsahují adresu a číselnou hodnotu. 3.1.1. Druhy programování a) Ruční programování je základní způsob programování. Programátor vytváří program bez pomoci jakýchkoliv podpůrných programů. Programuje přímo v příslušném programovacím kódu. Je zejména vhodné pro jednoduché výrobky, které neobsahují žádné složité tvary. Bohužel tato metoda je náročná na výpočet drah a zdlouhavá. Hrozí zde větší riziko chyby a následné kolize nástroje s obrobkem, upínacím mechanizmem či strojem samotným b) Dílenské programování je interaktivní programování. Toto programování provádí přímo obsluha stroje na dílně v tzv. dialogovém okně řídícího systému stroje. Využívají se programovací cykly a další funkce. Zvyšuje se tím rychlost programování. Většina z velkých výrobců řídících systému používá pro tento druh programování i vlastní programovací jazyk. Jako společným jazykem je ISO kód. Příkladem je firma Heidenhain, Siemens nebo Fanuc. c) Automatické programování je moderní přístup k programování samotnému. Programování geometricky složitých tvarů vyžaduje vysoké znalosti matematik a geometrie. Proto pro programátora byl vyvinut výpočtový software CAM. Tato zkratka znamená Computer Aided Manufacturing - počítačem podporovaná výroba. Používá se pro řízení, automatizaci výroby jako jsou CNC obráběcí stroje a roboti. NC program tvoří programátor na PC za pomocí podpůrných CAM programů. Je tak možná rychlá a kvalitní tvorba NC programů. CAM obsahuje prvky, jako jsou fotorealistická simulace obrábění, vyhledávání a předcházení kolizí atd. 4. CAD/CAM Základem pro návrh tvarové formy je počítačový model výrobku. Ten obvykle vzniká přímo u finálního výrobce v konstrukční kanceláři. Předává se potom dále specializovanému výrobci plastových součástí nebo přímo nástrojárně, která má navrhnout a zhotovit formu. [1] Dnešní CAD/CAM umožňují celou správu dat týkající se každého výrobku. Snížení nákladů a zkrácení výrobních časů je nesporné.
Programátor obdrží od konstruktéra 3D model (solid), který je navržen v CAD softwaru. CAD konstruktér vytváří výkresovou dokumentaci, sestavy, pevnostní výpočty atd. Po navržení požadovaného dílce odešle data CAM programátorovi. Programátor navrhne technologii výroby, vytvoří seřizovací, nástrojové listy, listy přípravků a polotovarů. Po správném generování drah nástroje vytváří CAM vlastní APT nebo CL data. Jsou to data o polohách dráhy nástroje v souřadnicích stroje. Je nutné tyto APT, CL data dále zpracovat a vytvořit NC kód. K tomu slouží Post Procesor. Je nutné Post Procesor správě naprogramovat kvůli správnosti NC dat.
(Obr. 4.1) Princip automatického programování 5. OBRÁBĚNÁ SOUČÁST Finální výrobek je rukojeť svářečky na svařování polypropylenových (PP) trubek. Tvárnice obsahuje otvory na vyhazovací systém, chladící kanály, lícovací otvory a tvarovou zápustku. Tím pádem je nutné tvárnici obrábět ze všech stran. Jedná se o velice přesné obrábění, ale i přesto v praxi je nutné funkční části brousit a tvarovou část leštit. Tvarová zápustka se leští podle požadavku na výchozí kvalitu povrchu výrobku. Tyto dokončovací operace probíhají až po případném kalení. Je otázkou jestli formu na funkčních plochách obrobit s určitým přídavkem na kalení, nebo ne. Protože při kalení vzniká vysoké pnutí v oceli a tudíž dochází i k určitým rozměrovým změnám. Broušení lícovacích ploch a tvarové zápustky proběhne po kalení. Ovšem zbytkové obrábění a broušení zápustky je velice náročná a zdlouhavá operace. Proto záleží na požadavku konstruktéra, jaká tvarová přesnost je vyžadována. V případě zbytkového obrábění po kalení se celá výroba značně prodlouží a dojde k celkovému navýšení nákladů. Obrábění tvarové části je provedeno na čisto bez přídavku. Pouze na lícovacích plochách jako je dělící rovina, dosedací plocha s druhou tvárnicí formy a dosedací plochou na vloženou desku je ponechán přídavek na broušení. Tyto plochy musí být velice přesně slícovány, aby nedocházelo k výtoku plastu do dělící formy, tzv. „zástřiku“.
(Obr. 5.1) Ukázka použité tvárníce vstřikovací formy 6. VÝROBNÍ ČÁST Je zaměřena pouze na tvarovou dutinu formy z hliníku. Ve strojním parku Katedry technologie obrábění je frézovací centrum MCV 750A a proto výroba probíhala právě na tomto stroji. Výrobní program obsahuje vrtací, hrubovací, dokončovací operace a zbytkové obrábění v následujícím sledu (viz Obr. 6.1)
(Obr. 6.1) Sled operací obrábění v navigátoru pořadí programu Jako příklad je uvedeno zbytkové obrábění a hrubování zápustky. Na operaci hrubování zápustky je ukázka postupu vývoje formy (viz obr.). Od prvotního vygenerování drah nástroje v aplikaci CAM, následné simulace obrábění až po výrobu formy. 6.1. Hrubování zápustky -použitý nástroj frézovací hlava s VBD o Ø 20 mm a rámusem R5 mm -boční krok nástroje 70% průměru nástroje -vzor řezu je sledování součásti -globální hloubka řezu 2mm -celkový přídavek 0.5mm -typ nájezdu po rampě -otáčky vřetene 7950 ot/min - posuv na zub 0.2
(Obr. 6.2) Generované dráhy nástroje pro hrubování zápustky a 2D vizualizace obrábění
(Obr. 6.3) V praxi provedené hrubování zápustky 6.2. Zbytkové obrábění CAM Express obsahuje speciální operace pro tento druh obrábění. Nicméně v každé operaci lze nastavit omezení určitým nástrojem, po kterém chceme provádět např. další hrubování, zbytkové obrábění atd.
(Obr. 6.4) Vizualizace drah zbytkového obrábění pro kulovou frézu Ø 4 mm 6.3. Analýza obrábění Po simulování celého sledu operací je vhodné dále pracovat s obrobeným dílcem. NX CAM Express nabízí hned několik druhů analýz. Výhodné je spustit analýzu zobrazit tloušťku dle barev. Zde je zobrazena forma s případným nadbytkem či podřezáním. Dle klinutí kurzoru dopočítá příslušnou hodnotu odchylky. Toleranci
barevné škály je možné v nastavení změnit dle požadavků programátora. 2D zobrazení nabízí opět velice rychlou obdobnou analýzu. Dalším způsobem je klasická tabulková analýza, kde pouze klinutí na povrch modelu se dopočítávají příslušné souřadnice bodu a odchylka obrábění.
(Obr. 6.5) Barevná analýza obráběného povrchu
(Obr. 6.6) Vyrobená zápustka vstřikovací formy
6.4. Vytváření NC dat Každý CAM software vytváří APT nebo CL data. Jsou to data o polohách dráhy nástroje v souřadnicích stroje. Je nutné tyto APT, CL data dále zpracovat a vytvořit NC kód. K tomu slouží Post Procesor. Proto NX obsahuje aplikaci s názvem Post Builder, ve kterém je možné generovat vlastní postprocesory. Součástí projektu bylo vytvoření vlastního postprocesoru.
(Obr. 6.7) Zařazení postprocesoru v procesu přípravy výroby 6.4.1. Vytváření nového postprocesoru v Post Builderu NX CAM Express využívá CL data. Aplikace Post Builder vytváří a edituje postprocesory. Ty se skládají ze tří elementů, každý je identifikovaný podle jména jednou ze tří přípon. V úvodním panelu nastavení postprocesoru nastavujeme základní charakter postprocesoru. Jako je např. jméno, popis postprocesoru, výstupní jednotky atd. Problematika samotného programování postprocesorů je blíže specifikována v samotné bakalářské práci.
(Obr. 6.8) Úvodní panel aplikace Post Builder
VÝROBNÍ TECHNOLOGIE PRO PRAXI 7.1. Výrobní program pro tříosé frézovací centrum Tvárnice obsahuje otvory na vyhazovací systém, chladící kanály, lícovací otvory a tvarovou zápustku. Tím pádem je nutné tvárnici obrábět ze všech stran. U tříosé technologie je nutné po dokončení obrábění jedné strany obrobek vyjmout z upínače, otočit a znovu upnout. Této nutnosti odpovídá i výrobní sled operací a vytváření skupin programů či podprogramů. 7.
(Obr. 7.1) NC program uspořádaných do podprogramů Jako příklad je uveden sled operací podprogramu spodní části. V dalších podprogramech se využívají zejména vrtací operace a poslední podprogram obrábění horní části vychází v zásadě ze stejného sledu operací jako již vyrobená tvarová zápustka.
7.1.1.
Sled operací podprogramu SPODNÍ ČÁST
(Obr. 7.2) Sled operací SPODNÍ ČÁST
(Obr. 7.3) Vizualizace obrábění spodní části formy
7.2. Výrobní program pro 5osé frézovací centrum Výrobní program se skládá z operací v podobném sledu jako tříosá technologie. Rozdíl nastává u obrábění ploch kde je třeba nástroj vyklonit. To je především u dokončovací operace tvarové zápustky. Zde kulová fréza řádkuje s bočním krokem. Při přechodu ze sousledného řezu do nesousledného obrábí fréza pouze vrcholem nástroje. Na vrcholu kulové frézy se nachází nulová úhlová rychlost. Proto při tomto záběru fréza vytváří nerovnoměrný obrobený povrch. Tomuto problému se dá předejít pouze vykloněním nástroje. U této součásti není zapotřebí řídit pěti os plynule, stačí pouze indexované. Změna vyosení nástroje nastává u těchto operací: 1H KONCOVKY KABELU 1F ZÁPUSTKY 1F DĚLÍCÍ ROVINY 2F DĚLÍCÍ ROVINY 2F ZÁPUSTKY Příklad vytvořeného programu je uveden dokončování tvarové plochy zápustky.
7.2.1. Dokončování zápustky -použitý nástroj kulová fréza Ø 10 mm s vyměnitelnou frézovací hlavou -boční krok nástroje je konstantní po 0,2mm -skon osy nástroje je 20° -vzor řezu je Cik-Cak -typ nájezdu zanoření -otáčky vřetene 7950 ot/min -posuv na zub 0.1
(Obr. 7.4) Vizualizace dráhy nástroje dokončování zápustky ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Od prvotní idey vytvořit výrobní technologii pro vstřikovací formu se uskutečnilo naprogramování kompletní technologie pro praxi jak pro tříosé tak pro pětiosé obráběcí centrum. Dále programování vlastního postprocesoru pro tříosé obráběcí centrum MCV 750A a následná úspěšná realizace výroby zápustky tvárnice vstřikovací formy. Jako nemalý úspěch bylo také navázání kontaktu s praxí a jejich kladné ohlasy na tento projekt s vizí další budoucí spolupráce. Obrábění tvarově složitých ploch je velice komplikovaný úkol, zejména výroba forem. Z tohoto důvodu se hodlám touto problematikou i nadále zabývat více do hloubky. PODĚKOVÁNÍ Od prvopočátku probíhá spolupráce se společností TPV group s.r.o., která poskytla záštit celému projektu ve formě softwaru NX CAM Express a základní školení. Ve spolupráci s TPV group proběhla další podpora se strany SIEMENS PLM software. Ta poskytla plnohodnotnou licenci po dobu jednoho roku na NX6 CAM. Společnost SEMEKO s.r.o., specializující se na konstrukci a výrobu forem pro zpracování plastů. Poskytla 3D modely forem. V neposlední řadě proběhla podstatná podpora ze strany vedoucího bakalářské práce Ing. Jana Hnátíka,Ph.D. LITERATURA Publikace v odborném časopisu: [1]MM průmyslové spektrum, Vstřikovací formy v systému Catia,31.1.2001. kód článku 010126 http://www.mmspektrum.com/clanek/vstrikovaci-formy-v-systemu-catia Knižní publikace: JANDEČKA K., ČESÁNEK, J., KOŽMÍN, P..: Programování NC strojů. 1.vyd. Plzeň: Západočeská univerzita, 2000. 159 s. ISBN 80-7082-692-4
