VPLYV FRÉZOVACÍCH STRATÉGIÍ NA PRODUKTIVITU A PRESNOSŤ VÝROBY TVAROVEJ PLOCHY Abstract Ing. Ladislav Kandráč prof. Ing. František Greškovič, CSc. Technická univerzita v Košiciach Strojnícka fakulta Katedra technológií a materiálov Mäsiarska 74, 040 01 Košice ladislav.kandrac@tuke.sk frantisek.greskovic@tuke.sk Príspevok sa zaoberá frézovacími stratégiami a ich vplyvom na produktivitu a kvalitu tvarovej plochy. Podkladom pre experiment bola vstrekovacia forma slúžiaca pre reklamné predmety plastových výliskov, vyrábaná frézovaním na CNC obrábacom centre. Základným princípom dosiahnutia efektívnej výroby bolo nájsť kompromis medzi optimalizáciou dráhy nástroja, produktivity, výrobného času a presnosti finálneho povrchu produktu. Key words: CAM system, milling strategy, injection mould, free-form surface. ÚVOD Široká škála produktov v sebe nesie tvarovo zložité prvky, resp. voľne tvarované (free-form) plochy. Dané tvarovo zložité plochy sú rozsiahle využívané v automobilovom, leteckom priemysle a v iných odvetviach, ako aj pri navrhovaní a konštruovaní zápustiek, vstrekovacích foriem a iných nástrojov, ktoré sú vyrábané metódou trieskového obrábania frézovaním [1]. Voľné plochy, dutiny foriem sú navrhované tak, aby spĺňali a zlepšovali estetické, funkčné, konštrukčné a technologické požiadavky [2]. V súčasnosti použitie CAM systémov v predvýrobných etapách je neodmysliteľnou súčasťou v konštrukčných a výrobných podnikoch. Dôležitý je tiež výber vhodného CAM softvéru. Zdokumentovaniu tejto oblasti venoval pozornosť Popescu a kol. [3]. Moderné CAM systémy podporujú 2D, 3D až 5D obrábanie, vysokorýchlostné frézovanie HSS a HSM [4, 5]. Pomocou simulácie a CNC programu, ako výstupu z CAM systému sa dokáže nastaviť, a tým docieliť výroba požadovaného tvaru, presnosti, kvality v pomere s efektívnou produktivitou výroby Csesznok a kol. [6]. Klasifikáciou povrchov a tvarov, začlenených do foriem modelovaných pomocou CAD systému, a ich vizuálnym interpretovaním sa venoval Beňo a kol. [7], od tvarov a členenia foriem sa odvádzajú frézovacie cykly. Dosiahnuť presnosť a kvalitu obrábanej plochy znamená začleniť frézovacie stratégie, ktoré vo všeobecnosti znamenajú preddefinované dráhy nástroja. Frézovacie stratégie sa volia za účelom optimalizácie a efektívnej výroby rôznych tvarových ako aj rovinných plôch. Frézovacie stratégie sa vo všeobecnosti delia na hrubovacie, preddokončovacie a dokončovacie. Hrubovacie stratégie sa využívajú na úber maximálneho objemu materiálu za čo najkratší čas. Vzhľadom na rozmery obrobku sa využíva najväčší možný priemer frézy. Pri hrubovacom cykle sa prevažne používa čelnávalcová fréza. Princípom dokončovacích stratégií je predovšetkým v dosahovaní vysokej kvality povrchu. V snahe dosiahnuť najmenšie hĺbky rezu v dokončovacích cykloch je výrobný čas nižší, čo pozitívne vplýva aj na životnosť nástroja. Na dosiahnutie vysokej kvality obrábaného povrchu sa volia nástroje s guľovým zakončením ostria, teda kopírovacie frézy. Dráha nástroja pri frézovaní sa skladá z troch pohybov. Prvým pohybom je pracovný pohyb, vykonávaný pracovným posuvom. Voľba nástroja, materiál obrobku a zvolený cyklus ovplyvňujú tento pracovný pohyb. Druhým pohybom sú presuny bez rezania. Tento pohyb sa koná napr. pri nábehu a výbehu nástroja. Tretím pohybom je rýchloposuv. Slúži na rýchle prekonávanie vzdialeností a je spojený so zdvihom do retrakčnej roviny a následným spustením nástroja do záberu [8]. Téma vygenerovania stratégií dráh guľovej frézy pre tvarovo komplexné plochy bola riešená v práci Chen a Shi [9], ako aj vplyv stratégie výroby na produkciu foriem a zápustiek s použitím CAM systému Schützer [10]. Ramos [11], skúmal vplyv dokončovacích stratégií na textúru, drsnosť povrchu a rozmerovú odchýlku pri obrábaní zložitých plôch. Lasemi a kol. [12], vypracovali správu nedávneho vývoja v oblasti CNC obrábania voľných plôch, kde bolo spracované generovanie dráhy nástroja, identifikácia orientácie nástroja a výber geometrie nástroja. Produktivita je viazaná na čas a trvanlivosť rezného nástroja. Čas výroby potrebný na opracovanie povrchu priamo úmerne stúpa s dosahovaním nižších hodnôt drsnosti povrchu. Avšak všetky tieto faktory vplývajú pri voľbe a návrhu frézovacích stratégií. Preto na základe kombinácií, výsledkov a následných porovnaní frézovacích stratégií stanovíme efektívne a produktívne frézovacie stratégie. Pri voľbe rezných parametrov a frézovacích stratégií nám prislúcha aj voľba rezného nástroja. Nežiaduce je periodické zaťaženie pri obrábaní. 70
Účelom nastavenia správnych rezných parametrov a frézovacích stratégií, vzhľadom na zaťaženie nástroja je zabezpečiť konštantné zaťaženie, ktoré zvyšuje životnosť rezného nástroja, ako aj zvýšenie kvality opracovaného povrchu. METODIKA EXPERIMENTU Cieľom experimentu bolo analyzovať frézovacie stratégie vygenerované z CAM softvéru a hodnotenie ich vplyvu na produktivitu a kvalitu opracovaného povrchu. Dôraz bol kladený na produktivitu obrábania, teda čas výroby a na kvalitu opracovaného povrchu. Východiskom bola vstrekovacia forma zobrazená na obr.1a, konštruovaná pre plastové výlisky reklamných predmetov, v našom prípade výlisky znaku KTaM a TU. Tvarovú (free-form) plochu na základe ktorej boli stanovené obrábacie cykly dokumentuje obr.1b. a) b) Obr.1 Vstrekovacia forma s výliskom Tvarová dutina bola navrhovaná s technologickými prvkami, ktoré sú nevyhnutné z hľadiska konštrukcie, montáže a funkčných častí. V rámci technologických požiadaviek boli volené rádiusy rohov a hrán a 1 úkosy, ktoré zabezpečia pohodlné vybratie plastového výlisku z formy. Experiment bol realizovaný na CNC frézke Emco Mill 155 s riadiacim systémom Heidenhain TNC 426, ktorá je vo vybavení Katedry technológií a materiálov SJF TU v Košiciach. Súčiastka bola namodelovaná v CAD programe SolidWorks2010. Samotné simulácie prebiehali v nadstavbovom module SolidCAM2009. Z daného systému bol na základe post procesora vygenerovaný NC program, ktorý priamo vstupoval do obrábacieho stroja. Obrábaným materiálom bola zliatina hliníka, ktorej charakteristiky sú uvedené v tab.1. Tab.1 Charakteristika materiálu polotovaru [1]: Norma polotovaru EN AW 6060 STN 42 4401 Chemické označenie AlMgSi 0,5 - Rozmery polotovaru 130x130x10 [mm] Tvrdosť materiálu 70 [HB] Pevnosť Rm 215 [MPa] Medza ťažnosti Rp 160 [MPa] Hustota materiálu 260 [kg.m 3 ] Zvolené nástroje a rezné podmienky: Čelná valcová fréza Ø8 mm od firmy ZPS FN. Označenie nástroja 141218 s rozmermi Ø8x6x38x80. Fréza so štyrmi reznými hranami, nástroj bol volený pre hrubovaciu operáciu. Guľová fréza Ø3 mm od firmy YG-1_K-2. Označenie nástroja G9A70030 s rozmermi R1,5x3x3x39. Fréza s dvoma reznými hranami, nástroj bol volený pre dokončovaciu operáciu tvarovej plochy. Guľová fréza Ø1 mm od firmy YG-1_K-2. Označenie nástroja G9A70010 s rozmermi R0,5x3x3x39. Fréza s dvoma reznými hranami, nástroj bol volený pre začisťovaciu operáciu. Rezné podmienky boli volené podľa obrábaného materiálu (tab.1) a podľa charakteristík nástrojov určené dodávateľom. Hĺbka rezu a p bola stanovená na základe zvolenej frézovacej stratégie, resp. hodnota a p bola zadaná priamo konštantnou hodnotou alebo hodnotami v danom rozsahu. Dané rezné podmienky sú uvedené v tab.2. Tab.2 Stanovené rezné podmienky [1]: Nástroj Rezná rýchlosť v c [m.min -1 ] Posuv XY [mm.min -1 ] Posuv f Posuv Z [mm.min -1 ] 141218 123 210 90 G9A70030 47 60 20 G9A70010 15 14 5 NÁVRH FRÉZOVACÍCH STRATÉGIÍ A REALIZÁCIA VÝROBY Súčasné možnosti moderných spôsobov obránia v CAM systéme ponúkajú variabilné nastavenia obrábacieho procesu ako aj rozličné kombinácie frézovacích stratégií. V našom prípade bola tvarová plocha zhotovená operáciou 3D model. Pre danú operáciu sú voliteľné operácie hrubovania, preddokončovania a dokončovania. Operácia 3D model je vhodná pre obrábanie free-form plôch, resp. zložitých priestorových súčiastok. Z dostupných obrábacích cyklov vzhľadom na tvar, výrobný čas a kvalitu opracovaného povrchu boli volené stratégie kontúra, konštantné Z a tužkové obrábanie. Stratégia kontúra je vhodná pre obrysové prvky komplexného tvaru, táto metóda sa používa hlavne pri hrubovacom procese, kde sa zabezpečí najväčší možný úber objemu materiálu pri najkratšom čase. Zákonitosťou stratégie konštantné Z je rozdelenie prídavku na niekoľko horizontálnych vrstiev a materiál je odstraňovaný v každej vrstve za použitia 2D rezných dráh (v rovine X-Y aktuálneho súradnicového systému). Stratégia vhodná pre preddokončovacie a dokončovacie operácie. Princípom tužkového obrábania je odstrániť materiál z rohov a kútov z predchádzajúcej operácie. 71
Parametre nastavenia hrubovacej stratégie Prvou volenou operáciou pri obrábaní tvarovej plochy bola operácia 3D model. V tejto operácii sa pracovalo s hrubovacou stratégiou Kontura. Simulácia vygenerovania dráhy nástroja (vľavo) a simulácia hrubovania (vpravo) dokumentuje obr.2. V nastaveniach Data, boli zadané hodnoty zaoblenia rohu s rádiusmi 1,3 mm a s minimálnymi rádiusmi 0,3 mm. Parameter prekrytia nástroja bol definovaný hodnotou 0,5 mm, hĺbka rezu a p = 0,25 mm ako aj prídavok na plochu 0,25 mm. Roviny boli začisťované na koniec hrubovania s toleranciami definovanými na 0,01 mm s požiadavkou na zakrivenie plochy. Vygenerovanú dráhu nástroja z CAM systému dokumentuje obr.4 (vľavo) a simuláciu dokončovacej operácie znázorňuje obr.4 (vpravo). Obr.4 Simulácia dokončovacej frézovacej stratégie Obr.5 udáva vizuálnu podobu tvarovo zložitého tvaru po dokončovacej operácií, kde sú zobrazené i dráhy nástroja po obrábaní. Obr.2 Simulácia hrubovania tvarovej ploche Na obr.3 je znázornená tvarová plocha po obrábaní hrubovacou stratégiou. Zanechané výrazné prechody vo forme schodov po trieskovom obrábaní sa zhodujú so simuláciou v procese hrubovania (obr.2). Nástroj na obr.3 odpovedá dokončovacej operácií, pričom v tejto fáze obrábania je na začiatku tejto operácie. Obr.5 Stav tvarovej plochy po dokončovacej operácií Na základe analýzy zvyškového materiálu (obr.6), ktorú ponúka CAM softvér, bola zaradená aj operácia začisťovania, zvolená pre úkon odstránenia zvyškového materiálu. Pre túto sekciu bola volená operácia 3D model a frézovacia stratégia tužkové obrábanie (obr.7). Táto stratégia obrábania patrí medzi dokončovacie operácie. Obr.3 Reálna výroba hrubovacieho cyklu Parametre nastavenia dokončovacej stratégie Dokončovacia operácia je zameraná na kvalitu opracovania obrábanej tvarovej plochy. Volená operácia pre túto časť výroby je 3D model, z hľadiska najkratšieho výrobného času odsimulovaných frézovacích stratégií bolo volené obrábanie pomocou stratégie konštantné Z. Vzhľadom na rádiusovo zakrivenú plochu bola volená guľová fréza, ktorá je schopná efektívne kopírovať opracovávaný povrch. V tomto prípade hodnota a p bola daná prídavkom po hrubovaní, avšak v CAM systéme boli volené hodnoty maximálny krok dole 0,6 mm, minimálny krok dole 0,02 mm a drsnosť 0,5 µm. Hodnota pre toleranciu polygonu je zadefinovaná na 0,005 mm, čím je táto hodnota nižšia, tým nástroj dokáže presnejšie opísať krivku zadaného tvaru, avšak to má negatívny vplyv na výrobný čas, ktorý sa tým pádom priamo úmerne predlžuje. Obr.6 Analýza zvyškového materiálu Po každej dokončovacej operácii je vhodné vykonať analýzu zvyškového materiálu, ktorý môže byť ponechaný z predchádzajúcej operácie. Zvyškový materiál môže vznikať v dôsledku nesprávneho nastavenia frézovacej stratégie, prípadne nevhodným definovaním dráhy nástroja. Teda rezný nástroj nebol schopný obrobiť práve vyznačenú oblasť. Pri dodatočnom návrhu dráhy nástroja sa stanoví len potrebná oblasť pre opracovanie zvyškového materiálu, pričom sa volí aj zmenu priemeru rezného nástroja na menší priemer. Zvyškový materiál je chápaný ako nepriaznivý jav pre technológa, vzhľadom na narastajúci počet operácií, zvýšenia výrobného času a skrátenia životnosti rezného nástroja. 72
Obr.7 Tužkové obrábanie zvyškového materiálu kruhovej oblasti Obr.8 dokumentuje reálne obrobenú časť tvarovo zložitej plochy a zároveň stopy dráh nástroja po tužkovom obrábaní zvyškového materiálu. Z vizuálneho hľadiska boli viditeľné nedostatky týkajúce sa geometrickej nepresnosti výroby ako aj nepostačujúce výsledky kvality tvaru opracovaného povrchu. Obrobená tvarová plocha obsahuje viditeľné stopy po reznej hrane nástroja. Na základe zjednodušeného modelu nástroja, ktorý neberie do úvahy presnú geometriu reznej časti napr. (κ r, κ r, ψ r, rε), CAM systém vyhladí obrábanú plochu. Boli vykonané merania drsnosti povrchu ktoré sú uvedené v práci [1]. Obr.8 Stopa dráhy nástroja po tužkovom obrábaní zvyškového materiálu VYHODNOTENIE V rámci prípravy výroby boli vykonané rozličné kombinácie simulácií s použitím rôznych frézovacích stratégií. Na základe vizuálnej kontroly simulácie ako aj virtuálneho porovnania CAD modelu a obrobeného obrobku boli vybrané efektívne operácie ako aj frézovacie stratégie. V rámci zvolených obrábacích cyklov predpokladáme získanie vysokej kvality obrobeného povrchu. Pri návrhu dokončovacej operácie boli odsimulované aj frézovacie stratégie riadkovanie (obr.9) a tvarová kapsa (obr.10). Vzhľadom na obrobený povrch, ktorý bol dosiahnutý pomocou týchto stratégií, bolo jednoduché konštatovať horšie výsledky ako u vybraných stratégiách. Rezné podmienky a rezný nástroj neboli zmenené. Obr.10 Tvarová plocha po obrobení stratégiou tvarová kapsa Systém CAM, okrem iných analýz ponúka aj analýzu pre virtuálne porovnanie obrobku a obrobeného dielu (obr.11). Na základe vhodne nastaveného farebného spektra, ktoré udáva rozsah rozlíšenia pozorovaných odchýlok výroby konštatujeme, že došlo k najväčšej odchýlke -0,11 mm až k 0,01 mm. Teda došlo z väčšej časti k podrezaniu vrstvy materiálu, čo znázorňuje červená a modrá farba. Obr.9 Tvarová plocha po obrobení stratégiou riadkovania Obr.11 Virtuálne porovnanie modelu s cieľovým obrobeným povrchom 73
ZÁVER Rezné nástroje v súčinnosti s frézovacími operáciami a vhodne zvolenými stratégiami, sú účinnými ucelenými nástrojmi pri trieskovom obrábaní, ktoré dovoľujú obrábať aj ťažko dostupné plochy. S pomocou 5-osích CNC strojov a moderných CAM systémov je táto oblasť otvorená novým možnostiam výroby, ktorá neustále napreduje. Ovládanie problematiky voľby, možností, vplyvu a obmedzení frézovacích stratégií vytvára predpoklady pre ich efektívne využitie, čo vedie k zníženiu počtu prebytočných operácií, zníženiu počtu pohybov vykonávaných nástrojom, rýchlejšiemu vytváraniu NC programov a samozrejme obmedzeniu vytvárania chýb. V tejto oblasti je veľký priestor na zdokonaľovanie simulácií v rámci ich priblíženia sa k reálnosti výroby, ako napr. spomínané stopy nástroja. LITERATÚRA [1] Kandráč, L.: Výroba zložitých tvarových plôch a CA metódy. Diplomová práca. Košice: KTaM SjF TU v Košiciach, 2011. 71s. [2] Greškovič, F. et al.: Nástroje na spracovanie plastov Vstrekovacie formy. Košice: SjF TU, 2010. 220 s. ISBN 978-80-553-0350-5. [3] Popescu, D. - Popescu, S. Grozav, S.: Choosing software packages for computer aided mold tool design. In: microcad, International scientific conference, Miskolc: 2006, p. 105 110. ISBN 963 661 713 9. [4] Lobonţiu, M. - Hăşmăşan, M.: Milling process management. In: 7th international multidisciplinary conference, Romania: 2007, p. 420 426. ISSN-1224-3264. [5] Tapie, L. Mawussi, K. B. Anselmetti, B.: Machining strategy choise: Performance viewer. In: Computer Science, Robotics. 2009. [6] Csesznok, S. Miko, O.: CNC milling process simulation with the assistance of CAM systems. CEEPUS Science Report Cracow 2007, p. 109 112. ISBN 978-83-7242-428-0. [7] Beňo, J. Ižol, P. Mikó, B. Maňková, I.: Visual interpretation of new surface when form milling. CEEPUS Science Report Cracow 2009, p. 101 106. [8] Ižol, P.: Porovnanie frézovacích stratégií pre tvarové plochy. In: Transfer inovácií. [Online]. Košice: TU, SjF. 2011. č. 20, s. 18-21. [cit. 2012-4-17]. Dostupné na internete: <http://www.sjf.tuke.sk/transferinovacii/pages/a rchiv/transfer/20-2011/pdf/018-021.pdf> ISSN 1337-7094. [9] Chen, T. Shi, Z.: A tool path generation strategy for three-axis ball-end milling of freeform surfaces. In: Journal of Materials Processing Technology. 2008, No. 208, p. 256 263. [10] Schützer, K. Helleno, A. L. Pereira, S. C.: The influence of the manufacturing strategy on the production of molds and dies. In: Journal of Materials Processing Technology. 2006, No. 179, p. 172 177. [11] Ramos, A.M. - Relvas, C. - Simões, J.A.: The influence of finishing milling strategies on texture, roughness and dimensional deviations on the machining of complex surfaces. In: Journal of Materials Processing Technology. 2003, No. 136, p. 209 216. [12] Lasemi, A. Xue, D. Gu, P.: Recent development in CNC machining of freeform surfaces: A state-of-the-art review. In: Computer-Aided Design. 2010, No. 42, p. 641 654. Prezentované výsledky boli dosiahnuté pri riešení Projektu VEGA 1/0500/12 Výskum zlepšovania kvality frézovania tvarových plôch pokročilými povlakovanými nástrojmi podporeného Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej Republiky. 74