Vysoké učení technické v Brně Fakulta strojního inženýrství Ústav strojírenské technologie Odbor technologie obrábění Téma: 1. cvičení - Základní veličiny obrábění
Inovace studijních programů bakalářských, magisterských a doktorandských v oborech Strojírenská technologie, Strojírenská technologie a průmyslový management, Výrobní technologie a průmyslový management.
4. výukový modul: CAD/CAM ZZpprraaccoovvaall:: IInngg.. A Alleešš P Poollzzeerr
Tento projekt je spolufinancován Evropskou unií a státním rozpočtem České republiky. Následující
1
Obrábění součásti s názvem Plovák 1. Úvod Následující příklad CAD/CAM technologie programování prostřednictvím software PowerMILL 6.0 je zaměřen na obrábění jedné části modelu obytného plavidla (obr.1), které bylo navrženo designérem Ondřejem Slavíkem (
[email protected]). Pozornost je věnována pouze problematice programování a obrábění, nicméně neuškodí uvést několik základních informací o součásti a celku, ke kterému je navržena. Obytné plavidlo je určeno na mořská pobřeží nebo jiné velké vodní plochy k obývání dlouhodobě čtyřmi, krátkodobě až osmi osobami. Celek je koncipován
jako
člun
s
vlastním
pohonem.
Předpokládané je spíše statické využívání v jedné lokalitě s možností občasných přesunů. Určeno je pro rekreaci, dále k trvalému bydlení a k vědeckému využití.
Konstrukce
obytného
plavidla
je
celolaminátová s rozdělením na odlišně řešené celky – plovák a nástavba. Pohon obstarávají čtyři elektrické jednotky o výkonu 4 x 2,5 kW. Zdrojem energie obytného
plavidla
je
systém
palivových
článků.
Plavidlo je vybaveno klimatizačním systémem na základě tepelného čerpadla, které využívá vodní plochy jako zdroje tepla. Předchozí
Obr.1 Obytné plavidlo Následující
2
2. Rozbor možností a tvorba NC programu Program PowerMILL je software určený především pro programování CNC frézovacích strojů a center. Obsahuje moduly pro vrtací operace, 2,5D frézování i 3D a pětiosé frézovací strategie. Je mocným nástrojem pro obrábění tvarově složitých součástí, přičemž neřeší oblast CADu. Spolupracuje nejen s CAD systémem PowerShape, ale vzhledem k rozmanitosti produktů na dnešním trhu umožňuje komunikaci s podstatnou většinou grafických programů. Při komunikaci a převodu grafických modelů do vlastních specializovaných formátů využívá např. externí překladač PowerExchange. Výstup NC programu a jeho transformace do podoby kódu obráběcího stroje je zajištěna např. programem PMPost. Import a export však lze provádět i přímo z prostředí PowerMILLu. Namátkou lze z možností programu PowerMILL vybrat:
Obr. 2 Obrábění dle 2D křivek
Obr. 5 Tříosé frézování Předchozí
Obr. 3 Obrábění 2 a 2,5D dle 3D modelu
Obr. 6 Čtyř- a pětiosé inteligentní objetí překážky
Obr. 4 Vrtací operace
Obr. 7 Pětiosé obrábění Následující
3
2.1 Zahájení a způsob práce Software PowerMILL lze po jeho instalaci spouštět např. z prostředí operačního systému Windows ikonou na pracovní ploše, položkou z roletového menu nebo jiným běžně užívaným způsobem. Vlastní práce v programu (obr.8) potom akceptuje všechny běžné zvyklosti produktů ovládaných v tomto operačním systému. K dispozici je mimo roletového menu i nabídla ikon, která má navíc přesně zavedenou posloupnost. Průběh ovládání programu je pak usnadněn touto logikou postupného výběru a dialogového předvolení požadovaných hodnot ve směru čtených ikon zleva doprava (obr.9). Obr. 8 Pracovní prostředí programu PowerMILL
Obr. 9 Směr postupu práce volbou ikon zleva doprava Namátkou lze vybrat: - volba polotovaru
Předchozí
- řezné podmínky
- přejezdy
- výchozí bod programu
- až -
- kontrola kolizí
Následující
4
2.2 Volba polotovaru Volbu polotovaru pro součástku modelu plováku je možné provést definováním maximálních rozměrů kvádru (obr.10), což je v tomto případě patrně nejjednodušší. Prostřednictvím ikony Počítej jsou zjištěny maximální rozměry importovaného modelu a na základě těchto hodnot je grafický model uzavřen do tělesa typu kvádr. V případě, že připravený polotovar pro obrábění je vyroben s konstantním přídavkem, lze tyto automaticky zjištěné minimální a maximální hodnoty polohy modelu navýšit o libovolnou hodnotu vepsanou do pole s označením Zvětšit o. Výše naznačená metoda pro stanovení velikosti polotovaru je dále rozšířitelná o možnosti využití zámků u zvolených souřadnic, případně o další
Obr. 10 Dialogové okno pro definici polotovaru . editaci jednotlivých hodnot. Velmi obdobným postupem je pak tvorba polotovaru ve tvaru válce, nicméně pro tvarově složitější obrobky jsou spíše vhodnější metody založené např. na vytažení 2D křivky (definující hranice) do prostoru nebo import grafického 3D modelu, který je přímo definicí složitého polotovaru (obr.11). Obr. 11 Ilustrativní obrázek Předchozí
Následující
5
2.3 Řezné podmínky Volbu
řezných
podmínek
(obr.12)
zle
provést
dle
katalogových
parametrů
definovaných výrobcem pro zvolený řezný nástroj. K dispozici je zpravidla doporučená hodnota řezné rychlosti, kterou lze u nástrojů s rovným čelem snadno přepočítat na otáčky vřetene dle vztahu:
vc ⋅ 1000 n= π ⋅D
Obr. 12 vpravo
kde jsou: n - otáčky vřetene [min-1] vc - řezná rychlost [mm . min-1] π - konstanta [ - ] D - průměr řezné části nástroje [mm] Posuv bývá rovněž doporučován výrobcem řezného nástroje, přičemž jeho hodnotu je možno redukovat pro tzv. sjezdy (axiální pohyb nástroje). Zde literatura doporučuje redukci u dvoubřitého nástroje na jednu polovinu a u tříbřitého nástroje na jednu třetinu až jednu desetinu. Hodnotu velikosti rychloposuvu lze stanovit na základě strojních parametrů výrobního zařízení. Chlazení je potom definováno svojí intenzitou. Řezná data lze rovněž importovat z oblasti předvolených Dat obrábění, které jsou součástí definice parametrů nástroje. Tato data však není nutné vyplňovat, a proto nemusí být k dispozici. Předchozí
Obr. 13 Dialogové okno řezného nástroje Následující 6
2.4 Volba obráběcích strategií V případě, že se postupně propracujeme až k volbě obráběcích strategií, lze si pro 3D hrubování a dokončování vybrat z řady možností. Zde však již zcela konkrétně např. 3D hrubování rastrem (obr.14). Volbu řezného nástroje lze provést hned první nabízenou položkou s označením Nástroj, pokud tak nebylo učiněno již dříve. Následovat může volba dokončovacího přídavku na jednotlivých plochách, kterou lze navíc definovat rozdílně v axiálním a radiálním směru. Dalším nezbytným parametrem je velikost radiálního kroku obrábění, kterou je nutno volit s ohledem na doporučované katalogové hodnoty a rovněž předem definované řezné podmínky. Díl modelu plováku obráběný v tomto příkladu je z měkkého dřeva. Předběžné zkoušky prokázaly možnost efektivně obrábět s radiálním krokem 9 mm a axiálním krokem až 5 mm. Aby nedocházelo k nežádoucímu vylamování částí odebíraného materiálu, je zvolen sousledný způsob obrábění při dokončování profilu i při odebírání ostatního nadbytečného materiálu. Dokončování profilu je prováděno vždy nakonec obrábění příslušné hladiny. Na další hladinu je pak nástroj přemístěn tzv. přírůstkem, což vyžaduje nástroj s břitem přes střed rotace. Pohyb nástroje je v tomto případě vertikální s redukovanou rychlostí - viz. kapitola 2.3. Obr. 14 3D hrubování rastrem Předchozí
Následující
7
Dokončování Dokončování
je
možno
realizovat
strategií
3D
ofset
dokončení, přičemž po úvodní volbě řezného nástroje z připravené databáze, nebo založením nového a po nastavení zpravidla nulové hodnoty přídavku na obrábění, lze volit hodnotu radiálního kroku. Velikost tohoto kroku je možno vypočítat programem automaticky na základě předepsané hodnoty tolerance zbytkové nerovnosti povrchu. Na mysli je však nutno mít vazbu volby tohoto kroku na celkový čas obrábění. "Zbytečně" malá hodnota radiálního kroku může prodloužit obrábění řádově až o několik hodin. U tohoto poměrně pružného, měkkého a na obrábění nepříliš náročného materiálu nebylo nutno volit nájezdy ani přejezdy. Hlavní snahou bylo minimalizovat nadbytečné přejezdy, což zajistilo i generování dráhy ve spirále. Povolením pouze sousledného způsobu obrábění bylo zajištěno dodržení požadované kvality povrchu. Závěrem je nutno upozornit, že každý nástroj, tedy i fréza s kulovým čelem, zpravidla obrábí pouze v oblasti definovaného polotovaru. Aby tedy bylo zajištěno obrobení celé součásti na jedno upnutí, bylo nutno pro dokončovací strategii zvětšit polotovar o 5_mm v parametru označeném Zmin. Upnutí polotovaru na obráběcím stroji pak rovněž muselo umožnit pohyb nástroje φ10 s kulovým čelem o 5mm pod obrobek. Obr. 15 Dokončovací strategie 3D ofset dokončení Předchozí
Následující
8
3. Simulace CNC obrábění a výroba součástí Pro ověření vygenerovaných pohybů řezného nástroje lze využít grafické simulace v prostředí programu PowerMILL (obr.16). Následná překompilace do podoby kódu řídicího systému obráběcího stroje však může způsobit chybu. Opětovným
provedením
simulace
v
prostředí
např.
Heidenhain iTNC 530 lze finálně zkontrolovat pohyby nástroje vzhledem k obrobku (obr.17).
Obr. 16 Simulace v prostředí PowerMILLu - hrubování Každé z mnoha druhů obráběcích center zpravidla vyžaduje
zvláštní
úpravy
a
nastavení
postprocesoru.
Vyladěním komunikace a prováděním poměrně efektivní kontroly kolizních stavů již v programu PowerMILL lze předejít poškození drahých výrobních zařízení. Celek, tedy soustavu S-N-O, je možno v tomto programu integrovat do simulace. Jednotlivé plochy definující upínací systémy lze navíc doplnit o další parametry. Obr. 17 Simulace v prostředí Heidenhain iTNC 530 Předchozí
Následující
9
4. Závěr Závěrem je již možno pouze konstatovat, že výše naznačený postup přípravy NC programu vedl k úspěšnému vyrobení požadovaných součástí. Vzhledem k celkové náročnosti a rozsahu popisované problematiky však nelze v tomto jednom příkladu informovat o všech detailech a upozornit na mnohá nastavení dnešních komplikovaných CAD/CAM programů. Tento příklad je tedy jen úvodem do problematiky a nelze ho chápat jako běžný návod k ovládání programu, nicméně celkový připravený souboru příkladů již umožňuje proniknout (nahlédnout) do současných možností při CNC obrábění i porovnat kvalitu jednotlivých softwarů s výrazně odlišnou pořizovací hodnotou. Celkový soubor výukových příkladů čítá několik desítek kapitol (příkladů) a každá z nich je zpracována na cca 10 stran. S ohledem na neustále se rozvíjející možnosti CAD/CAM programů budou jednotlivé i zdánlivě uzavřené příklady dále rozšiřovány. Není snadné uvádět naprosto ideální řešení výroby některé ze součástí, protože vždy je co zdokonalovat a vyvíjet. Hlavní míra pozornosti je proto věnována současným možnostem.
Zpracoval:
Ing. Aleš Polzer Tel.: +420 5 4114 2559 E-mail:
[email protected]
pro Vysoké učení technické v Brně FSI, ÚST, Odbor obrábění v rámci řešení projektu ESF s registračním číslem CZ.04.1.03/3.2.15.1./0075. Více na: http://esf.fme.vutbr.cz Předchozí
10
