Transcript Charakterystyka strategii toru narzędzia w operacjach na obrabiarki

Autorzy:
Marcin Nowacki,
Michał Praczkowski,
Marcin Pietruszewski.
Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn M2-L13
1
Zakładając stałość wszystkich parametrów geometrycznych (m.in. grubość i
szerokość warstwy skrawanej itd.) i technologicznych (m.in. prędkość skrawania,
posuw itd.) procesów skrawania, można zauważyć, że czas obróbki nie będzie
uzależniony od kształtu toru narzędzia.
Wpływ na czas obróbki będą miały tylko następujące czynniki:
• udział czasów ruchu jałowego,
• pokrywania się pasów skrawanego materiału,
• różnic w kinematyce ruchów narzędzia (tzn. dodatkowe ruchy takie jak
‘wygładzanie’ itp.).
2
W związku z powyższymi tezami, odpowiedni wybór strategii obróbkowej
przedmiotu obrabianego może znacznie skrócić czas jego obróbki. Kluczem jest
wybór optymalnego toru narzędzia.
Dziedzina ta została mocno zagospodarowana przez systemy CAM, czyli Computeraided Manufacturing, które już od lat 60 ubiegłego wieku (UNISURF- Pierre Beziers,
Renault) znacząco ułatwiły i umożliwiły rozwój obróbki coraz bardziej finezyjnych
kształtów.
Na dzień dzisiejszy do najbardziej rozpowszechnionych programów CAM nalezą:
• CATIA, firmy Dassault Systemes,
• PowerMILL, firmy Delcam,
• NX, firmy Siemens PLM Software.
3
ZIG ZAG CLEARING
Strategia zaprojektowania w celu optymizowania ilości ruchów
prostoliniowych ostrza. Wykorzystywana jest do operacji
trójwymiarowego profilowania. Narzędzie wykonuje swoisty
zygzak z możliwością dodatkowego ruchu wzdłuż osi Z.
Zaleta:
• Dosyć
optymalne
prędkości
skrawania w porównaniu do bardziej
podstawowych strategii, szczególnie
strategii obrabiających płaszczyznę o
jednostronnym ruchu narzędzia.
Rys. 1. Strategia obróbkowa typu Zygzak
4
CONSTANT OVERLAP SPIRAL
Nazwa ta jest angielskim odpowiednikiem tzw. stałej zakładki. Ta
strategia zakłada obróbkę kieszeni po spirali. Jest to jedna z
podstawowych strategii obróbkowych.
Wada:
• Ta strategia może prowadzić do
nakładania się na siebie ścieżek
narzędzia. Może to mieć wpływ na
jakość obrobionego przedmiotu.
Rys. 2. Strategia obróbkowa typu COS.
5
PARALLEL SPIRAL
Strategia ta polega na prowadzeniu toru narzędzia równolegle
do konturu przedmiotu, spiralnie. Narzędzie zaczyna obróbkę od
środka kieszeni następnie spiralnie oddala się od niego, idąc
równolegle do krawędzi kieszeni.
Zalety:
• Najbardziej podstawowa strategia
obróbkowa dostępna w systemach
CAM.
• Pozwala na osiągnięcie w miarę
dobrych i jednorodnych wyników.
Rys. 3. Strategia obróbkowa typu Parallel
Spiral
6
HIGH SPEED
Technika szybkiej obróbki kieszeni zawierająca opcję obróbki po trochoidzie
(Trochoida, krzywa płaska nakreślona przez punkt leżący na promieniu okręgu
toczącego się po stronie wewnętrznej (hipotrochoida, hipocykloida) lub
zewnętrznej (epitrochoida, epicykloida) drugiego okręgu.). Ta technika obróbki
umożliwia optymalną pracę narzędzia w pełnym materiale. Można określić
maksymalny procentowo kontakt narzędzia z materiałem w pojedynczych cięciach.
Zalety:
• Wykonywanie pętli eliminujących
gwałtowne
zmiany
kierunku
narzędzia przy obróbce kieszeni.
Rys. 4. Strategia obróbkowa typu High
Speed
7
MORPH SPIRAL
Strategia obróbki typu Morph polega na śledzeniu wpierw elementu
wewnętrznego i w miarę kierowania się narzędzia na zewnątrz kieszeni śledzenie
krawędzi owej kieszeni. Wynikiem takiego działania jest pojedyncze przejście,
które eliminuje nagłe ruchy repozycjonujące narzędzie.
Rys. 5. Strategia obróbkowa typu Morph Spiral.
8
ONE WAY
Ta strategia należy do grupy podstawowych strategii obróbki. Polega ona na
prowadzeniu obróbki wyłącznie w jednym kierunku. Narzędzie podąża od np.
lewej krawędzi kieszeni do prawej, po czym wracane jest z powrotem do lewej
krawędzi kieszeni. Taka obróbka zwiększa procent ruchów jałowych i wydłuża czas
obróbki.
Rys. 6. Strategia obróbkowa typu One Way.
9
ONE WAY
Ta strategia należy do grupy podstawowych strategii obróbki. Polega ona na
prowadzeniu obróbki wyłącznie w jednym kierunku. Narzędzie podąża od np.
lewej krawędzi kieszeni do prawej, po czym wracane jest z powrotem do lewej
krawędzi kieszeni. Taka obróbka zwiększa procent ruchów jałowych i wydłuża czas
obróbki.
Rys. 6. Strategia obróbkowa typu One Way.
10
Film 1. Przykład obróbki zgrubnej przy wykorzystaniu strategii High Speed.
11
Tab. 1. Czasy obróbki kieszeni prostokątnej przy stałych parametrach obróbki
przy pomocy różnych strategii obróbkowych.
Nr
Nazwa strategii
1
Czas
w [min]
w[s]
Zygzak
2 min. 15 sek.
135 sek.
2
Constant Overlap Spiral
2 min. 47 sek.
167 sek.
3
Parallel Spiral
2 min. 49 sek.
169 sek.
2 min. 53 sek.
173 sek.
4
Parallel Spiral Clean
Corners
5
Morph Spiral
3 min. 42 sek.
222 sek.
6
High Speed
5 min. 58 sek.
358 sek.
7
One way
5 min. 45 sek.
345 sek.
8
True Spiral
3 min. 53 sek.
233 sek.
12
400
350
Zygzak
300
250
Constant overlap Spiral
Paralel Spiral
Paralel Spiral Clean Corners
200
Morph Spiral
High Speed
150
One way
True Spiral
100
50
0
Rys. 7. Wykres czasów obróbki według poszczególnych strategii obróbkowych.
13
Tab. 2. Czasy obróbki kieszeni o złożonym zarysie przy stałych parametrach
obróbki przy pomocy różnych strategii obróbkowych.
Nr
Nazwa strategii
czas
w [min]
w[s]
1
Zygzak
3 min. 36 sek.
216 sek.
2
Constant overlap Spiral
3 min. 45 sek.
225 sek.
3
Paralel Spiral
3 min. 47 sek.
227 sek.
4
Paralel Spiral Clean Corners 4 min. 03 sek.
297 sek.
5
Morph Spiral
8 min. 26 sek.
243 sek.
6
High Speed
8 min. 50 sek.
530 sek.
7
One way
15 min. 25 sek.
925 sek.
8
True Spiral
6 min. 45 sek.
405 sek.
14
400
350
Zygzak
300
250
Constant overlap Spiral
Paralel Spiral
Paralel Spiral Clean Corners
200
Morph Spiral
High Speed
150
One way
True Spiral
100
50
0
Rys. 8. Wykres czasów obróbki według poszczególnych strategii obróbkowych.
15
Z wyników, przeprowadzonych przez autora pracy dyplomowej, badań jasno
wynika podział na dwie grupy: obróbkę szybszą i obróbkę wolniejszą. Różnice
między strategiami sięgają nawet kilku minut, co na przykład w produkcji
seryjnej przełożyłoby się na wydłużenie obróbki nawet o kilkadziesiąt minut w
efekcie wydłużając czas produkcji i podnosząc jej koszty. Pierwsze cztery
kolumny od lewej dotyczą strategii podstawowych (Zygzak, Parallel Spiral z lub
bez Clean Corners, Constant Overlap Spiral). Druga grupa to strategie o
bardziej skomplikowanych torach ruchu takie jak Morph Spiral czy High
Speed. Jednak czas obróbki nie może być jedynym parametrem wpływającym
na wybór strategii. Naprzeciw stoją także takie zmienne jak jakość obrabianej
powierzchni, geometria obrabianej powierzchni oraz przede wszystkim
możliwości narzędzia.
16
Według specjalistów firmy Sandvik Coromant istnieje pewna luka między
wiedzą o narzędziach skrawających jakie posiadają ich producenci, a
programami typu CAM, prześcigającymi się coraz nowszymi strategiami
obróbki.
Przykład, który uwypukla jeden z mankamentów bezkrytycznego używania
sugerowanych przez program toru narzędzia widoczny jest na rysunku
poniżej.
Rys. 9. Zużycie narzędzie po: 15 przejściach z odpowiednią techniką wejścia w PO (po
lewej) oraz po 2 przejściach z nieodpowiednią techniką wejścia w materiał (po prawej).
17
Firma Sandvik Coromant opracowała kilka punktów dla osób stosujące
systemy CAM, aby wydłużyć żywotność narzędzia:
1. Roll the Tool In
2. Ramp Down
3. Spiral Out
4. Slice Corners
5. Turn Left then Right
6. Drive by the Edge
18
Roll the Tool In
Frezy z węglików spiekanych (przynajmniej te oferowane przez firmę
Sandvik Coromant) najlepiej sprawują się kiedy grubość wióra podczas
obróbki maleje. Dzięki takiej metodzie siła skrawania jest uwalniana
stopniowo a nie gwałtownie.
Rys.10. Idea ‘Roll the Tool In’.
19
Ramp Down
Polega na rezygnacji z frezowania
kieszeni poziom po poziomie w osi
Z, a raczej łagodnym przejściu z
warstwy do warstwy. Kończąc
frezowanie kieszeni na jednym
poziomie
narzędzie
miałoby
swobodnie zjeżdżać niżej i
kontynuować obróbkę. Im takie
zejście dłuższe tym lepiej. Możliwe
jest również zastosowania ścieżki
narzędzia, które stale zagłębiałoby
się w materiał (oś Z).
Rys.11. Zrzut ekranu pokazującego metodę
‘Ramp Down’.
20
Spiral Out
By zredukować zużycie narzędzia przy zmianie kierunków zwłaszcza podczas
obróbki naroży, należy ograniczyć większość procesu frezowania kieszeni do
cyrkularnego toru, najlepiej od środka kieszeni. Właśnie taka strategia
nazywana jest ‘Spiral Morphing’.
Rys.12. Metoda ‘Spiral Out’.
21
Slice Corners
Spiral Morphing pozostawi po sobie najprawdopodobniej naddatki
szczególnie w narożach przedmiotu obrabianego. Takie naddatki
najprawdopodobniej byłyby wybierane przez mniejsze narzędzie drastycznie
zmniejszając jego żywotność. ‘Corner Slicing’ umożliwia obróbkę naroży serią
ścieżek narzędzia zapewniających promieniste zagłębianie się narzędzia w
naddatki.
Rys.13. Metoda ‘Slice Corners’.
22
Turn Left Then Right
Podobnie jak narzędzia do frezowania, noże tokarskie mogą znacznie
ucierpieć z powodu naprężeń powstających przy gwałtownym spadku
obciążenia działającego na narzędzie. By zminimalizować ten efekt firma
Sandvik Coromant proponuje toczenie trochoidalne. Polega ono na skrawaniu
wpierw w lewo po czym narzędzie wgłębia się jeszcze bardziej i skrawa w
przeciwnym kierunku. Dzięki temu obciążenie działające na narzędzie
pozostaje prawie niezmienne wydłużając życie narzędzia.
Rys.14.Toczenie trochoidalne.
23
Drive by the Edge
Ostatni punkt dotyczy w szczególności obrabiania turbin silników
odrzutowych. Stopy przeznaczone na te silniki mają nadzwyczajne
właściwości, a ich obróbka jest bardzo dokładna, ostrożna i przede wszystkim
powolna.
Zamiast używania narzędzi o
niewielkich średnicach możliwe
jest
zastosowanie
większych
frezów o okrągłych płytkach
skrawających prowadzonych w
odpowiedni sposób po obrysie
turbiny, skrawając odpowiednią
krawędzią narzędzia. Ta metoda
zdecydowanie przyspiesza
obróbkę.
Rys.15.Metoda Drive by the Edge
24
Strategia obróbkowa ma wpływ na czas trwania obróbki oraz jakość
uzyskanego przedmiotu. Odpowiedni jej dobór i późniejsza modyfikacja
może przedłużyć żywotność narzędzia, jednocześnie zapewniając większą
dokładność.
Szybki rozwój oprogramowania CAM sprzyja rozwijaniu nowych strategii
obróbkowych, reklamowanych jako rewolucyjne, szybsze i dokładniejsze.
Zdarza się jednak, że za takimi hasłami stoją rozwiązania niedopracowane
i nieuwzględniające obciążeń jakie działają na narzędzie podczas
usuwania naddatku materiału przy obróbce. Obsługa systemów CAM
będzie wymagała nadzoru ze strony technologów, którzy powinni
weryfikować rzeczywistość z tym co przedstawia taki system.
25
• http://zasada.ps.pl/m2-l13/pomoce/
• http://www.cnccookbook.com/CCCAMToolpaths.htm
• http://www.myyellowcoat.com/smart-ideas/cnc-programming-toolpath/
• http://www.designnews.pl/menu-gorne/artykul/article/strategieobrobkowe-hsm-we-wspolczesnych-systemach-cam/
• http://www.mastercam.pl/?mod=2&id=7
26