Možnosti simulace řezného procesu

Zjednodušeným pohledem je možné vidět třískové obrábění jako proces odebírání jednotlivých třísek z obráběného materiálu. Již samotný mechanizmus tvorby jedné třísky je však relativně složitý proces, který je výsledkem spolupůsobení mnoha aspektů řezných podmínek, řezného nástroje, obráběcího stroje a řezného prostředí. Přistoupíme-li na kompromis, že některé z uvedených vlivů na tvorbu třísky můžeme při zachování vlastností celého systému dále zjednodušit, je možné mechanizmus tvorby třísky simulovat některým ze simulačních softwarů.

Jedním z nejmodernějších a nejpropracovanějších softwarů pro simulaci řezného procesu na trhu je program AdvantEdge (AE). Na tomto programu je možné názorně demonstrovat práci a možnosti současných simulačních softwarů. Software AE využívá pro simulaci procesů řezání modelování pomocí metody konečných prvků ve spojení s materiálovým modelováním. Software je založen na explicitním, dvojrozměrném či trojrozměrném Lagrangeovu modelu konečných prvků, který pracuje s vlastnostmi, jako je adaptivní sít’ování a plynulá změna sítě. Předpokladem modelu konečných prvků je buď ustálený stav ortogonálního (volného) řezání (v praxi např. zapichovací soustružení) – 2D verze softwaru –, nebo vázaného řezání (většina soustružnických, frézovacích, vrtacích operací) – 3D verze softwaru.

Materiálový model obrobku pak pracuje s procesy, jako jsou deformační zpevnění materiálu a odpevnění materiálu vlivem působení teploty spojenými s analýzou vedení a přestupu tepla. Využití softwaru AE spočívá především v získání kompletních informací o obráběcím procesu. Při vysoké kvalitě vstupních dat lze pouze pomocí osobního počítače minimalizovat materiálové a lidské zdroje v poměrně krátkém časovém úseku. Uživatelé tak mohou provádět analýzu rozličných problémů spojených s procesem obrábění bez mnohdy rozsáhlých a nákladných experimentů. Přesnost a spolehlivost používaných výpočtových modelů bude silně závislá na modelech smykového napětí obrobku ve vztahu k deformaci, deformační rychlosti a teplotám, stejně jako na parametrech definujících tření mezi nástrojem a obrobkem.

Samotnou práci se softwarem AdvantEdge lze rozdělit do tří etap: zadání a nastavení simulace, vlastní výpočet a vyhodnocení simulace. Pro simulaci řezného procesu s cílem dosažení maximální shody s reálným řezným procesem je nezbytné soustředit se na přesné a kvalitní zadání simulace, které je definováno v těchto hlavních bodech:

1) nástroj – typ, geometrie, materiál, povlakování, dynamické chování;

2) obrobek – tvar, rozměry, materiál;

3) obráběcí proces – parametry procesu (řezná rychlost, posuv, hloubky řezu atd.);

4) možnosti simulačního programu – parametry výpočtu (velikost elementů modelu, atd.).

Řezný proces je simulován prostřednictvím jednoho záběru definovaného břitu nástroje. Břit nástroje lze přitom určit z hlediska různých tvarů, geometrií, řezných materiálů a dokonce i povlaků. Výstupem simulace řezného procesu je posléze animace záběru nástroje a obrobku se znázorněním tvořící se třísky (obr. 1). Tuto animaci je možné dále vyhodnocovat z hlediska tvaru a podoby utvářené třísky, velikosti řezné a posuvové síly při obrábění, rozložení teplot a napětí (i zbytkových) v obrobku, třísce a nástroji.

Možnost práce se simulačním softwarem AE se naskytla pracovníkům Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (VCSVTT) při ČVUT v Praze. Na tomto pracovišti také již byla provedena řada experimentů pro zjištění shody výsledků simulačního softwaru a reálných řezných procesů z hlediska podoby utvářené třísky, velikosti teplot a sil při řezání, průběhu a velikosti zbytkových napětí apod.

Po představení simulačního softwaru vyvstává nejdůležitější otázka: Jaká může být dosažená shoda simulovaných procesů a procesů reálných? Odpověď na tuto otázku se pokusíme dát v následujícím textu.

Pro nastínění možností a schopností simulačního softwaru AdvantEdge jsme se v první fázi výzkumu soustředili na shodu při ortogonálním řezání. Tímto modelem může být simulováno zapichovací soustružení, frézování s pracovním úhlem čela rovným 0° nebo procesy jako protahování, řezání apod. Na definování shody trojrozměrného modelu simulace s výsledky reálné řezné operace se intenzivně pracuje v současné době.

Přesnost simulačního softwaru byla posuzována ve vztahu k hlavním aspektům řezného procesu, tedy podobě a tvaru utvářené třísky, velikosti teplot a velikosti sil při obrábění.

Z hlediska utváření třísky byly při testech rovinného frézování nástrojem ze slinutého karbidu hliníkové slitiny ČSN 424203 pozorovány následující jevy. Simulací řezného procesu byla shodně s experimentem zachycena tendence zmenšování tloušťky třísky s rostoucí řeznou rychlostí. S tím přímo souvisí i trend zmenšování poloměru stočení třísky. Při zvyšování řezné rychlosti docházelo také k přechodu z plynulé třísky na třísku cyklickou. U reálné operace byl tento přechod stanoven pro hodnotu rychlosti 600 m.min^-1. V případě simulace se první segmenty s oblastmi materiálu málo ovlivněného plastickou deformací vyskytovaly již od 800 m.min^-1Obdobný průběh simulační a experimentální závislosti byl zachycen také pro větší vzájemné oddělení jednotlivých segmentů v třísce a pro zmenšování délky kontaktu čela nástroje a třísky s rostoucí řeznou rychlostí.

Při obrábění stejné slitiny byla posuzována i přesnost predikce teploty řezání (tj. střední teplota stykových míst nástroje, obrobku a třísky) a teploty povrchu obrobku. V obou těchto oblastech vykázal simulační software poměrně dobrou shodu s experimentálně stanovenými teplotami prostřednictvím přirozeného a poloumělého termočlánku. V závislosti na řezných podmínkách, kde se řezná rychlost pohybovala v rozsahu 200 až 2000 m.min^-1 a posuv na zub mezi 0,05 a 0,2 mm, byl poměr mezi simulačními a experimentálními hodnotami teploty řezání vyjádřený v procentech mezi 77 až 102 %. Teplota určovaná přímo na nově vznikajícím povrchu obrobku byla v poměru simulačních a experimentálních hodnot v intervalu 81 až 111 %. Podobné závěry byly sledovány i pro další materiály typu ocel nebo titanová slitina. Můžeme proto konstatovat, že shoda teplot bude v extrémních případech minimálně ze sedmdesáti procent.

Provedený výzkum prokázal, že kvalitní a relativně přesná data může simulační software AdvantEdge vypočítat i pro parametry silového zatížení břitu nástroje. Zaměřili jsme se přitom na podrobnější studium vlivu řezných podmínek na velikost řezné síly a síly působící do povrchu obráběného materiálu. Jedna z prací, které byly na toto téma vypracovány, se opět vztahovala k frézování slitiny ČSN 424203 nástrojem s břity ze slinutého karbidu. Shoda velikosti sil měřených piezoelektrickým dynamometrem a vypočtených ze zadání simulačního modelu byla přes dříve zmiňovaná omezení modelu dobrá. Vysoká přesnost simulačního softwaru se pro daný materiál projevila především u řezných rychlostí do 1000 m.min^-1. Experimentální a simulační výsledky sil se zde lišily jen v několika procentech. Nárůst rozdílu hodnot s nárůstem řezné rychlosti nad hranicí 1000 m.min^-1 dospěl až k hodnotě 20 % při v_c = 2500 m.min^-1. Větší rozdíly na výstupu simulace řezného procesu poukazují pravděpodobně některá omezení deformačních modelů materiálu obrobku při velmi vysokých deformačních rychlostech. K tomuto úsudku vede poznatek, že podobné vlastnosti simulačního modelu byly pozorovány i pro materiál typu ocel. Navzdory tomuto omezení je zřejmé, že zmíněný simulační software aktivně pracuje i s jevem a vlastností materiálu, které nazýváme odpevnění materiálu vlivem nárůstu teplot.

Přesnost výsledků simulace je silně závislá na přesnosti zadání a nastavení simulace řezného procesu. Simulací řezného procesu byly zachyceny takové tendence a jevy, které byly pozorovány i při reálných řezných procesech. Rozdíl hodnot různých veličin simulovaných softwarem AdvantEdge a skutečných hodnot veličin doprovázejících řezný proces se bude běžně pohybovat okolo 10 až 20 %. Snadno však lze dosáhnout i vyšší shody dat. Z tohoto důvodu může být simulace řezného procesu účinným prostředkem při návrhu nových geometrií řezných nástrojů a jejich povlaků. Možný je také relativně přesný odhad silového působení, zbytkových napětí v povrchové vrstvě obrobku nebo rozložení teplotního pole v nástroji, třísce a obrobku.

Výsledky provedených výzkumů jen potvrzují, proč s výsledky simulačního softwaru AdvantEdge pracují nejen přední světoví výrobci řezných nástrojů, ale také významní producenti výrobků pro letecký a automobilový průmysl.

Tyto výsledky byly získány za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci podpory projektu výzkumu a vývoje 1M684077000.

Ing. Pavel Zeman, Ph.D.

Skupina třískového obrábění ve VCSVTT, ČVUT v Praze