Nové nástroje z opotřebovaných nástrojů

Pro frézování nebo vrtání těžkoobrobitelných materiálů, jako jsou titanové slitiny, se často používají nástro-je ze slinutého karbidu. I když jsou velmi tvrdé a odolné proti otěru, je drahý nástroj s břity ze slinutého karbidu již po krátký čas obrábění otupený a je nutné ho vyměnit. Podle tvaru nástroje je možné nástroj vícekrát přeostřit. Možnost několikerého přeostření je dána počátečním tvarem a geometrií břitů nástroje. Po několikerém přeostření je tato možnost vyčerpána a nástroj není možné dále používat, musí být vyměněn. Dosavadní metody recyklace jsou energeticky i nákladově náročné: odpad (opotřebovaný nástroj) je nejprve drcen, prášek míchán a znova sintrován, poté je teprve nový nástroj naostřen. Ve světle rostoucích nákladů na nástroje představuje využití opotřebovaných nástrojů jako výchozího polotovaru pro výrobu nových nástrojů ze slinutého karbidu výhodnou alternativu ke stávajícím metodám.

Vytvořením zkráceného koloběhu nástrojů je možné zvýšit flexibilitu v plánování výroby u výrobců nástrojů a redukovat náklady na sešrotování a reprodukci. A také se dosáhne výrazné úspory energie, která je potřebná u obvyklého procesu recyklace slinutých karbidů, tj. na drcení, míchání a nové slinování.

Aby bylo možné využít takový proces recyklace hospodárně, musí se předem posoudit opotřebení a stupeň poškození každého jednotlivého nástroje. K tomu je potřebný systém měření a klasifikace poškození řezných nástrojů. Na základě neustále se měnících technologických požadavků jsou vyvíjeny a ověřovány nové po-stupy měření a hodnocení.

Známé metody pro stanovení a optimalizaci dráhy broušení jsou ověřené a jsou způsobilé k implementaci do plánovacího systému CAM. Plánovací část systému však musí být rozšířena s ohledem na použití nástrojů z individuálního, tedy různého odpadu opotřebovaných nástrojů ze slinutých karbidů. Popisovaná metoda optimalizace procesu broušení se hodí pro automatické stanovení a ohodnocení dráhy broušení při výrobě řezných nástrojů.

Navržený postup má umožnit kromě centrální recyklace u výrobců nástrojů také decentralizovanou recyklaci u výrobních podniků nebo u specializovaných podniků v regionu. Tím vzniká další snížení logistických a ad-ministrativních nákladů oproti konvenčním metodám recyklace.

Data o velikosti a charakteru poškození opotřebených nástrojů se stanoví pomocí vyvinutého 3D měřicího systému. Následně se z naměřených hodnot provede klasifikace a posouzení opotřebení. Podle scénáře použití se stanoví druh, tvar a velikost opotřebení nástroje a údaje jsou uloženy do surovinové banky nebo přímo do systému pro analýzu materiálu. V systému CAD/CAM je banka dat, která shromažďuje informace o surovině pro výrobu nástrojů. Pro regeneraci určitých typů opotřebených nástrojů je pomocí vyhledávacího algoritmu, s ohledem na geometrickou podobnost a minimální rozdíly odebíraných objemů materiálu, vy-brán z banky dat optimální obrobek. Systém analýzy pak vyhledá optimální podobu vyráběného nástroje. Na základě tvaru vyráběného nástroje a odpovídajících údajů o stroji (typ stroje, upínač, brousicí kotouč) je v systému CAD/CAM automaticky vygenerován proces broušení pro vybraný polotovar, včetně NC programu a předán na systém simulace CutS vyvinutý na IFW (Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen). Regenerační proces může dále probíhat podle projektu simulace.
V systému CutS je pomocí postupu Best-Fit nejprve identifikována optimální poloha polotovaru. Pak se vytvoří proces pro broušení a vybere se specifický polotovar s co možná nejmenším úběrem materiálu. Pou-žití simulace broušení je důležité s ohledem na možnost charakterizovat případné kolize a pracovní parame-try. Proces broušení je založen na výsledcích simulace a optimalizován volbou rychlosti posuvu brousicího kotouče. V posledním kroku je výrobní program předán na CNC brusku a je provedeno vlastní broušení.

První obrázek ukazuje uspořádání senzorů, upínač nástroje a tříosý polohovací systém. V realizovaném uspořádání pokrývá 3D skener oblast zhruba 110 x 150 mm s rozlišením 0,2–0,3 mm. Dosahovaná přesnost měření a odečítání splňují požadavky na stanovení parametrů nástroje (pro katalogizaci a identifikaci typu) a jsou také použitelné pro stanovení a lokalizaci všech typů defektních míst. Tímto systémem je stanoveno jak kompletní množství měřicích bodů na nástroji, tak také průběh defektů a jejich vyhodnocení.

Druhý zabudovaný měřicí systém představuje opticky aktivní 3D mikroskenery (bílé světlo) s aktivní oblastí maximálně 7 x 5 mm pro měření v rozsahu mikrometrů. Prakticky dosahovaná místní přesnost odečítání činí asi 4,5 µm. Daný objem měření pokrývá typické defekty a trhliny (porušení) vyskytující se na opotřebova-ných břitech řezných nástrojů. Naměřená data tohoto dílčího systému je možné použít pro detailní pro-zkoumání vad na opotřebovaném nástroji–polotovaru.

Na základě analýzy rozměrů byla vyvinuta metoda pro stanovení a výběr geometricky vhodných kandidátů pro regeneraci opotřebených fréz s úhlem šroubovice 35° a implementována do softwaru GFal Final Surface. Přitom byly zjišťovány výpočtem a vizualizací odchylky rozměrů vyrobených regenerovaných nástrojů od vzorových (požadovaných). Výzkum vhodných kombinací, včetně procesu broušení, probíhá podle dvou hlavních kritérií: geometrické podobnosti a minimálních rozdílů objemu odebraných třísek.

Na dalším obrázku je znázorněn příklad opotřebované frézy o průměru 25 mm se zuby ve šroubovici o úhlu 40°. Jsou vidět silně poškozená ostří, u kterých lze přebroušením opotřebovaná místa odstranit. Vyvinutou metodou je možné přebrousit také čtyřbřitou frézu o průměru 20 mm s úhlem šroubovice 35°.

Simulace NC procesu přebrušování je provedena pomocí CutS. Pro simulaci byla jako model použita bruska Walter Helitronic Power. Dráha brousicího kotouče je založena na broušení cílového obrobku z válcového polotovaru. Proces přebrušování je vyhodnocován kontaktní analýzou v jednotlivých oblastech.

Pomocí kontaktní analýzy jednotlivých oblastí byly sledovány podmínky styku daného místa a brousicího kotouče v daném čase a vypočítáno rozpětí odebraného objemu třísek za minutu . Tento údaj slouží jako základ pro stanovení maximálního místního zatížení brousicího kotouče.

Analýza kontaktních oblastí v CutS
Pro zvětšení klikněe na obrázek.

Další obrázek ukazuje proces broušení zubové drážky na válcovém polotovaru. Proměnná b vyjadřuje polohu segmentu podél šířky brousicího kotouče. Uvedený místní objem odebraných třísek za minutu se mění podle šířky jeho záběru. Maximum objemu odebraných třísek za čas se projeví v oblasti kontaktu hrany kotouče. Nerovnoměrné rozdělení zatížení vede k jeho silnému a nepravidelnému opotřebení. Pro řešení této problematiky byla vyvinuta strategie dimenzování, ve které je nejprve odstraněna (odbroušena) část mezi řeznou částí s břity a stopkou (krček), poté jsou obroušeny staré břity opotřebovaného nástroje brou-šením dokulata proti ostřím. Dále následuje konvenční broušení zubových mezer konečného nástroje. Zde je potřeba dát pozor, aby rychlost posuvu při broušení zubových mezer byla na základě simulace zatížení brousicího kotouče optimalizována podle objemu odebraných třísek za minutu jako hraniční mez pro-cesu. Aby se dosáhlo rovnoměrného úběru materiálu při broušení zubových mezer frézy byl vyvinut postup Best-Fit pro optimalizaci shody tvaru broušeného nástroje s tvarem požadovaného nástroje. Výsledkem je rozdělení zatížení broušeného polotovaru s minimálním úběrem. min . Tak je možné vyrovnat místní zatížení brousicího kotouče v procesu broušení. Následně byla vyvinutá metoda ověřena při renovaci frézy o průměru 25 mm.

Pomocí systému analýz byla definována fréza o průměru 20 mm a s úhlem šroubovice 35° jako cílový ná-stroj. Následně byla stanovena CAD data opotřebovaného nástroje a parametr vyhledávaného nástroje. V návaznosti na tento parametr je možné definovat v bance dat sestavené u Walter Tool Studio při IFW cílový nástroj. CAD data cílového nástroje a odpovídající NC program pro výrobu cílového nástroje z válcového polotovaru byly z Tool Studio importovány do CutS. Nový NC program pro přebroušení nástroje vytvořený v CutS byl importován do řídicího systému nástrojové brusky a prakticky ověřen. Ve srovná-ní výroby nového nástroje klasickou metodou s navrženou metodou z válcového polotovaru činí u nové metody vypočítané úspory (v důsledku nižších nákladů na materiál) až 50 %.

Vysvětlení nové metody (postupu) přebrušování
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Navrženým postupem regenerace je možné opotřebované nástroje ze slinutého karbidu opět použít jako nové. Pomocí vyvinutého 3D měřicího systému lze popsat stav opotřebení břitů nástrojů původně určených do „šrotu“. Systémem analýzy lze v bance dat vyhledat optimální tvar polotovaru pro vyráběný cílový ná-stroj a pomocí konvenčního systému CAD/CAM realizovat proces regenerace opotřebovaného nástroje, který spočívá v obroušení krčku, následném odbroušení starých, opotřebovaných břitů a vybroušení zubo-vých mezer a v optimalizaci rychlosti posuvu brousicího kotouče. Proces lze simulovat ve vyvinutém systému CutS. Srovnání vyvinutého postupu regenerace s konvenčním postupem výroby nástrojů ukázalo, že je mož-né výrobní náklady snížit až o 50 %.

Pokračování řešení projektu bude zaměřeno na výzkum chování regenerovaných nástrojů při použití v praxi, především na trvanlivost jejich břitů a na optimalizaci procesu projektování. Dále bude proces regenerace rozšířen na větší oblast nástrojů (jiné rozměry, rozmanité druhy).

MM MaschinenMarkt č. 20, 2017, str. 30-34

Berend Denkena, Marc-André Dittrich, Niels Heuwold a Yanwei Liu, zpracoval: J. Řasa

jar.rasa@seznam.cz