Aktuální přístupy ke zvyšování produktivity třískového obrábění

U strojů pro technologie třískového obrábění můžeme pozorovat jednoznačný trend k využívání multifunkčních strojů, ať už se jedná o stroj kombinující technologii frézování a soustružení, nebo dnes též stroje, které kombinují aditivní výrobu s obráběním. Takové stroje jsou označovány jako hybridní. Multifunkční obráběcí stroje nabízejí svým uživatelům velmi široké spektrum technologických možností pro výrobu dílců. Nejen že je možné aplikovat danou technologickou funkčnost disponibilní na konkrétním stroji, ale mnohdy lze na těchto multifunkčních strojích využívat různých technologických operací v překrytých časech. Příkladem je klasické sdružování soustružnických operací, ať už shodných, či různých typů. Pokud sdružujeme operace shodného typu, pak je možné např. rozdělit hloubku řezu mezi nástroj, který je upnutý v horní hlavě, a nástroj, který je upnutý v dolní hlavě, a využít tak násobné posuvové rychlosti – tedy zvýšit produktivitu. Pokud sdružujeme soustružnické operace různého typu, jejichž dílčí strojní časy jsou různého trvání, pak musíme implementovat tzv. čekací body v NC programech pro dvoukanálové řízení a tím zajistit, že operace mohou probíhat v překrytém čase. Ale pokud např. operace s horní revolverovou hlavou realizuje výrobní operaci v kratším čase, musí tato hlava čekat, než bude dokončena operace s dolní revolverovou hlavou. Neobvyklou možnost sdružení dvou technologických operací představuje technologie tzv. pinch milling, kdy jsou sdružovány dvě frézovací operace: víceosé dokončování a víceosé předdokončování. Při obrábění štíhlé lopatky, která je upnuta v rotační ose horizontálního stroje, tak lze frézovat horní i dolní hlavou najednou, pokud však proběhla synchronizace těchto dvou drah nástroje. Synchronizaci dvou drah nástrojů lze provést buďto na úrovni CAM systému, nebo na úrovni postprocesoru tak, aby v daném bloku NC programu bylo vždy dosaženo vzájemné polohy obou nástrojů vůči obrobku podle požadavků technologa, přičemž je nutno respektovat, že mají společnou rotační osu a je nutné dopočítat adekvátní souřadnice lineárních os a též případné naklápěcí strojní osy. Metoda pinch milling je výsledkem vývoje pro multifunkční stroj Mori Seiki v kombinaci s CAD/CAM systémem Powermill od společnosti Delcam. Tím, že jsou v procesu obrábění zapojeny dva nástroje naproti sobě, je dosaženo vyšší tuhosti při obrábění a dochází k potlačení vibrací, tedy dosahování lepší jakosti povrchu, a zároveň je zvyšována produktivita, kdy je uspořen čas semifinišovací operace. Produktivitu obráběcího stroje také významným způsobem ovlivňuje nastavení pohonů strojních os a nastavení interpolátoru řídicího systému, což lze provést prostřednictvím právě řídicího systému.

V samotném nástrojovém vybavení dochází k neustálému vývoji řezných povlaků, které představují nedílnou součást řezného nástroje. Důraz je kladen na zvyšování třecích vlastností povlaku a na vývoj povlaků speciálně určených na obrábění těžkoobrobitelných materiálů. Pro zvyšování produktivity je vývoj zaměřen i na geometrii řezných nástrojů. Konkrétním příkladem jsou tzv. soudkové frézy, resp. frézy s profilem kruhového segmentu, který nahrazuje přímkový úsek např. u kuželové frézy (např. Emuge Franken). Fréza tak neřádkuje svým kulovým koncem, ale právě bokem, kde nalezneme daleko větší rádius, a tak je v tomto případě možné vytvořit dráhu nástroje s většími rozestupy mezi dílčími řádky pro dosažení stejné jakosti povrchu. Úskalím použití tohoto nástroje může být skutečnost, že nástroj je nutné více naklopit k obráběnému povrchu a s respektováním upínače tak může docházet k určitým kolizím, a dále je také nutné počítat s nárůstem řezné síly vlivem většího poloměru řezné části nástroje. S tímto typem nástroje samozřejmě také musí umět správně pracovat CAM systém. Uplatnění tak tyto nástroje mohou nacházet při obrábění forem nebo lopatkových dílců. Podobný nástroj byl vyvinut i v RCMT při ČVUT v Praze tak, že špičku nástroje tvoří rádius o vyšší hodnotě, než je rádius dříku nástroje. Tento nástroj byl vyvinut pro pomaluběžná vřetena pro frézování rozlehlých zakřivených ploch. Další technologickou novinkou je tzv. soustružení Rollfeed vyvinuté společností Vandurit, jehož princip je zachycen na obrázku. Pohyb nástroje je generován otáčením nástroje se současnou kompenzací středového posunutí v osách X a Z obráběcího stroje. Technologie byla vyvinuta zejména pro obrábění těžkoobrobitelných materiálů a tím, že je řezný rádius soustružnického nože daleko vyšší, než je u soustružnických nožů standardem, je výsledkem jak vyšší produktivita obrábění, tak prodloužená trvanlivost břitu nástroje. Nutností je však pořízení speciálního upínacího systému s naklápěcí osou. Pro CNC soustruhy to však může znamenat rozšíření technologických možností. Podobného efektu lze však docílit i na soustružnicko-frézovacím centru, kde se naklápěcí osa již nachází pro účely víceosého frézování. Kontinuální soustružení s naklápěcí osou u víceosých strojů bylo v podobě specifické funkce postprocesoru vyvinuto v RCMT a funkce je popsána dále v textu.

V CAM systémech je patrný jednoznačný trend ke zvyšování produktivity prostřednictvím efektivnějších drah nástrojů. Většina CAM systémů je zaměřena na přípravu sdružených operací pro multifunkční stroje, a navíc se nyní rozrůstá počet CAM systémů, které implementují operace pro aditivní výrobu a umožňují tak ovládat stroje pro hybridní výrobu. Pozornost je nadále věnována potlačování neproduktivních přejezdů. Řešení vhodných nájezdů a výjezdů z řezu hraje významnou roli u obrábění těžkoobrobitelných materiálů. U průtočných dílců, jako jsou např. lopatkové díly, lze nyní postřehnout trend ke zvyšování jejich účinnosti v implementaci tzv.

integrálních krycích kotoučů nad lopatkami a to samozřejmě klade vysoké nároky na přípravu drah nástrojů, u kterých je často nezbytné využívat nástroje nejen s kulovou špičkou, ale skutečně s kulovým koncem, kdy dřík má menší průměr než kulový konec nástroje. Tím je umožněno obrábět tzv. za horizontem. Proto udržují CAM systémy krok s požadavky těchto technologických operací a musejí tak umět s těmito typy nástrojů pracovat a vytvářet správné dráhy nástroje. Technologie obrábění dílců takovýchto typů jsou vyvíjeny rovněž v RCMT. Důležitou roli při zvyšování produktivity hraje vhodné nastavení hrubovacích operací. Při obrábění těžkoobrobitelných materiálů, ale i ocelí je vhodné aplikovat vyšší hloubku řezu a tím méně vrstev z důvodu snížení opotřebení nástroje. U standardních hrubovacích operací a zejména při obrábění kapsovitých útvarů lze tohoto cíle dosáhnout velmi obtížně, jelikož je nástroj nadměrně přetěžován ve vnitřních rozích na dílci vlivem lokálního nárůstu opásání nástroje. Na tuto skutečnost je v současné době připravena již velká skupina CAM systémů, které dokážou připravovat hrubovací operace tak, aby dráhy nástroje byly koncipovány s ohledem na dodržení konstantního opásání nástroje v řezu. Tím je možné využít maximální možné hloubky řezu, aniž by technolog musel počítat s nadměrným přetížením nástroje v určitých oblastech dráhy. Nejen že je tak hrubovací operace výrazně produktivnější, ale úspory jsou patrné i na opotřebení nástroje. Tyto technologické operace jsou v různých CAM systémech označovány jako např. adaptivní či dynamické dráhy nástroje – TrueMill nebo iMachining. Často jsou mylně označovány jako trochoidní dráhy nástroje, avšak jde o nesprávné označení. Při trochoidním řízení sice také dochází k potlačení vlivu nadměrného přetížení nástroje v kritických místech, ale dráhy nejsou vypočítávány za účelem dodržení konstantního opásání nástroje v řezu. Způsob výpočtu drah s dodržením konstantního opásání nástroje je v CAM systémech různý a liší se v detailech dráhy, ale zejména v možnostech nastavení posuvové rychlosti při záběru, ve vyjetí z řezu, neproduktivním přejezdu a opětovném najetí zpět, ale také v možnostech nastavení dráhy neproduktivního přejezdu.

Důležitý článek představují také postprocesory, které mají za úkol připravit z výstupů z CAM systému odpovídající NC program již pro konkrétní stroj a jeho řídicí systém. Zejména u multifunkčních strojů se nároky na vytvoření postprocesoru velmi prohlubují a komplikují z důvodu množství disponibilních možností a funkcí, které stroji vložil jeho výrobce. Specializovaným postprocesorem tak lze ze stroje a jeho možností využít maximum pro dosažení správné jakosti povrchu, přesnosti výroby a zároveň dosáhnout produktivní výroby. Příkladem je již výše uvedené sdružování technologických operací. Dále mohou být v postprocesorech řešeny nadstandardní funkce vedoucí ke zvýšení produktivity, jako např. funkce pro dodržení technologických podmínek při frézování s nástroji s kruhovou řeznou hranou (kulové a toroidní nástroje) vyvinuté v rámci RCMT. Při obrábění nástroji s kruhovou řeznou hranou totiž dochází k tomu, že bod dotyku mezi nástrojem a obrobkem se neustále pohybuje na kruhové části řezné hrany. Tím se průběžně mění aktuální řezný průměr nástroje, a tedy není dodržena požadovaná řezná rychlost. Touto funkcí dokážeme řídit otáčky nástroje tak, aby docházelo k dosažení požadované řezné rychlosti podle možností stroje a tím, že je nutno zachovat posuv na zub, tak můžeme zvyšovat posuvovou rychlost, tedy dosáhnout vyšší produktivity. Přepočet řezných podmínek byl aplikován např. na lopatkovém dílci na obrázku, kde bylo prokázáno, že oproti původnímu času dokončování jedné lopatky (6,5 min) byly uspořeny 2,8 min, což představuje časové úspory dokončování cca 43 %.

Mnohdy lze v postprocesoru také funkce CAM systému nahradit nebo vylepšit. Např. CAM systém Siemens NX nedisponuje technologickou operací pro vytvoření dráhy nástroje pro obrábění soustružnickým nožem při kontinuálním víceosém řízení. Proto byla v RCMT navržena a ve spolupráci s pracovníky Kovosvitu MAS odladěna funkce postprocesoru pro souvislé víceosé soustružení s využitím naklápěcí osy. Toto soustružení je zapotřebí zejména v případech, kdy není k dispozici takový soustružnický nůž, kterým by bylo možné soustružit určitou část povrchu, jako např. zápich speciálního tvaru v pevně naklopené ose. Požadovaný tvar tak lze soustružit s plynulým naklápěním této osy, přičemž nůž se plynulým pohybem s asistencí naklápěcí osy v disponibilním prostoru pohybuje tak, aby nedošlo ke kolizi s obrobkem.

Příkladem CAM systému, kde simulace obrábění s modelem stroje pracuje s reálnými daty, je Siemens NX CAM. V tomto CAM systému má uživatel možnost plnohodnotně využívat simulaci obrábění s modelem stroje a emulátoru řídicího systému pro verifikaci kolizí i pro analýzu výrobního času, přičemž tato simulace probíhá na základě přímého odbavení NC programu. Odbavení NC programu probíhá v součinnosti s emulátorem řídicího systému, který je možné přizpůsobit danému stroji i s nastavením maximálních rychlostí, zrychlení, ryvů apod. pro všechny strojní osy. Tím má technolog možnost každou dráhu nástroje při určitém nastavení (např. scallop, vlečení a naklopení nástroje) vyzkoušet před skutečným obráběním a vzájemně tak různá nastavení porovnat vzhledem k produktivitě.
Příkladem, kdy je nástroj pro simulaci a verifikaci obrábění v kombinaci s postprocesorem využitý pro zvyšování produktivity, je řešení nabízené společností ICAM. K dispozici zde jsou tři optimalizační funkce pro obráběcí operace, konkrétně funkce SMARTCut, SMARTFeed a SMARTPath. Funkce SMARTCut je určena pro hledání míst na dráze nástroje, kde lze aplikovat rychloposuvy, což znamená, že software automaticky vyhledává místa, kde nástroj není v kontaktu s materiálem, a tam zařadí rychloposuv namísto lineární interpolace s pracovním posuvem. Pomocí funkce SMARTFeed může uživatel nastavit generování proměnné hodnoty posuvové rychlosti na dráze nástroje. Posuv je řízen podle aktuálně odebíraného množství materiálu v daném místě dráhy nástroje, resp. podle aktuální kontaktní plochy nástroje s obrobkem. Pokud je nástroj v kontaktu s obrobkem v menší míře než v předchozím bodě dráhy, může být posuv vyšší, a naopak. S funkcí SMARTPath může uživatel nastavit úpravu dráhy nástroje tak, aby byly dráhy s rychloposuvem co nejkratší a docházelo tak k úspoře času, kdy nástroj není v kontaktu s materiálem. Tyto funkce jsou jistě velmi užitečné, avšak uživatel si musí být jistý, že 3D model polotovaru je naprosto shodný s reálným polotovarem, což např. u odlitků nebo výkovků nemusí být vždy pravda.

Nejen že řídicí systém zprostředkovává možnosti pro ovládání os stroje za účelem dosažení překrytých časů při obrábění či paralelního řízení periferií, jako je např. příprava nástroje pro další operaci, ale funkce řídicího systému mají zásadní vliv na interpolaci dráhy nástroje a následné řešení výpočtu skutečné posuvové rychlosti podél dráhy nástroje. Velmi významným způsobem lze ovlivnit průběh posuvové rychlosti, a tedy výsledného strojního času nastavením parametrů interpolátoru. Při obrábění forem a tvarově složitých dílců, resp. při aplikaci řádkovacích operací obecně lze správným nastavením parametrů při interpolaci dráhy dosáhnout významných časových úspor. Podle dané verze řídicího systému jsou k dispozici různé funkce pro ovlivnění parametrů interpolátoru. Je důležité vědět minimálně o možnosti uzpůsobit jiné parametry interpolátoru pro hrubování a jiné pro dokončování (případně i pro předdokončování), kdy při hrubování je prioritním cílem dosáhnout vyšší produktivity na úkor přesnosti interpolované dráhy (dostatečný přídavek na dokončování) na rozdíl od dokončování, kde je naopak prioritou nastavit přesnost dráhy na úkor strojního času. Nastavení parametrů interpolátoru lze např. u systému Sinumerik od společnosti Siemens provádět pomocí CYCLE832 a u řídicího systému iTNC od společnosti Heidenhain pomocí CYCLE32. V řídicích systémech jsou pod neustálým vývojem také funkce pro tzv. kompresi bodů dráhy nástroje z NC programu, kdy řídicí systém se snaží dráhu tzv. vyhladit, aby byl průběh posuvové rychlosti co nejrovnoměrnější (viz např. nová funkce Compsurf v řídicím systému Sinumerik).

Princip funkcí SMATCut, SMARTPath a SMARTFeed v SW od ICAM

Je evidentní, že pro uživatele obráběcích strojů může být obtížné orientovat se ve všech možnostech neustálého vývoje v oblasti třískových technologií, a proto bylo cílem tohoto příspěvku alespoň představit hlavní směry, které mohou čtenáři pomoci zorientovat se v problematice hledání rezerv produktivity obrábění.

RCMT, Fakulta strojní ČVUT v Praze

Ing. Petr Vavruška, Ph.D.

p.vavruska@rcmt.cvut.cz

www.rcmt.cvut.cz