Témata
Zdroj: RCMT

Postprocesor s řízením otáček vřetena

Při tříosém obrábění nástroji s kruhovou řeznou hranou se neustále mění reálný řezný průměr, a tedy i skutečná řezná rychlost. Pro zajištění konstantní řezné rychlosti a konstantního posuvu na zub byla navržena metoda řízení otáček vřetena a posuvové rychlosti, implementovaná do postprocesoru. Při obrábění tak bylo dosaženo snížení strojního času a zvýšení trvanlivosti nástroje.

Petr Vavruška

ČVUT, Fakulta strojní, RCMT

Reklama

Při tříosém obrábění nástroji s kruhovou řeznou hranou (kulovými či toroidními) se kontaktní bod mezi nástrojem a obrobkem neustále pohybuje po obvodu řezné části nástroje a tím se neustále mění reálný řezný průměr a také řezná rychlost. Při víceosém obrábění ještě záleží na úhlu naklopení a na úhlu vlečení, které ovlivňují změny reálného řezného průměru nástroje. Jak je na ukázkovém příkladu frézování válcové plochy na obr. 1 patrné, při použití kulové frézy dochází k výrazným změnám reálného řezného průměru, a tedy i řezné rychlosti, a tak požadované hodnoty řezné rychlosti je dosaženo jen na krajích dílce (viz body 1 a 3). V CAM systémech je přitom celkem snadné zjistit aktuální řezný průměr nástroje, aby v daném místě jeho dráhy mohlo dojít k přepočtu otáček vřetena a dosáhnout tak požadované hodnoty řezné rychlosti. Žádné stávající řešení (ani v CAM systému, ani v určitém nadstavbovém SW) však takový způsob optimalizace nenabízí, přestože při soustružení je konstantní řezná rychlost zcela běžnou funkcí. Proto byl otestován způsob, který automatickou optimalizaci otáček vřetena zajistí na základě výpočtu aktuálního řezného průměru nástroje při frézování – aby byl zachován konstantní posuv na zub, je zapotřebí přepočítávat i posuvovou rychlost.

Obr. 1. Změny řezné rychlosti pro ukázkový příklad frézování válcové plochy. (Zdroj: RCMT)

Varianty skutečného řezného průměru a kinematické vlastnosti vřetena

Příklad frézovací operace je vidět na obr. 2, a to včetně detailu pozice nástroje vůči obrobku. Ve skutečném případě vzniká několik variant reálných (či efektivních) řezných průměrů. Na obr. 3 jsou vidět tři varianty reálného rádiusu nástroje (Reff, Reff1, Reff2), podle toho, zda je rádius vztažen ke kontaktnímu bodu mezi nástrojem a obrobkem (CP), nebo k průniku nástroje s přídavkem materiálu (A1 nebo A2 podle směru posuvu).

Obr. 2. Příklad řádkovací operace. (Zdroj: RCMT)
Obr. 3. Varianty reálného rádiusu nástroje. (Zdroj: RCMT)

Při optimalizaci řízení otáček vřetena je zapotřebí počítat i s hodnotou zrychlení a zpomalení vřetena. Hodnoty zrychlení pro tři příklady strojů (anonymně) s různými typy vřeten jsou uvedeny v tab. 1.

Tab. 1. Naměřené hodnoty zrychlení vřeten pro tři příklady frézovacích strojů

Limitní řezný průměr kulového nástroje při obrábění

V případě tříosého obrábění se oblastem, kde je dosahováno nízkého řezného průměru nástroje, většinou nelze vyhnout. V případě víceosého obrábění lze využít úhel vlečení nástroje (odklon od normály povrchu obrobku ve směru posuvu – viz úhel ɣ na obr. 4 vpravo) a úhel naklopení (odklon od normály povrchu obrobku ve směru kolmém na směr posuvu). Je vhodné nastavit co nejvyšší úhel vlečení/naklopení, aby bylo dosaženo co nejvyššího reálného řezného průměru nástroje a nebylo nutné příliš zvyšovat otáčky vřetena, avšak vyšší hodnoty úhlů (např. 30° a více) mohou vést k náchylnosti ke vzniku vibrací nástroje. Malé hodnoty řezných průměrů jsou často příčinou špatné drsnosti výsledného povrchu. Příčinou je to, že v oblasti špičky nástroje je nevhodná řezná geometrie břitu, vznikající výjezdem brusného kotouče.

Obr. 4. Znázornění parametrů v oblasti kontaktu mezi nástrojem a obrobkem. (Zdroj: RCMT)
Reklama
Reklama
Reklama
Obr. 5. Závislost parametru RzI na úhlu vlečení pro čtyři různé průměry kulové frézy. (Zdroj: RCMT)

U daného nástroje je proto zapotřebí zjistit limitní (minimální) řezný průměr, aby na dráze nástroje bylo možné detekovat místa, kde bude docházet ke zhoršené drsnosti povrchu. Na základě experimentálně zjištěných hodnot drsnosti Rz (po obrobení plochy) a teoreticky požadované hodnoty Rz (odpovídá hodnotě scallop v CAM systému) je poměr těchto dvou hodnot vyjádřen jako parametr RzI (v ideálním případě má být roven hodnotě jedna). V grafu na obr. 5 je vidět průběh RzI pro různé hodnoty úhlu vlečení, a čím větší je průměr frézy, tím více hodnota RzI překračuje číslo jedna. Hodnoty RzI vyšší než jedna znamenají, že skutečná drsnost je vyšší než požadovaná. Od jisté limitní hodnoty úhlu vlečení bylo dosaženo poměru RzI blízkého hodnotě jedna a pro tyto limitní hodnoty byl zjištěn odpovídající limitní průměr na nástroji. Dle zjištění vyplývá, že limitní hodnoty průměrů přímo odpovídají průměru vyznačenému číslem „1“ na obr. 4, tedy průměru, který lze jednoduše zjistit mikroskopem pro jakýkoliv další nástroj použitý při výrobě.

Reklama

Reálným řezným průměrům, které jsou nižší než zjištěná limitní hodnota průměru (tzv. kritická oblast), je zapotřebí přizpůsobit specifické řezné podmínky, jelikož materiál je v této oblasti nástrojem spíše tvářen, nežli obráběn. Metoda optimalizace otáček vřetena a posuvové rychlosti byla proto vytvořena tak, aby v kritické oblasti nástroje docházelo k plynulým změnám a k omezení maximálních dosahovaných řezných podmínek.

Implementace a testování

Metoda optimalizace byla implementována do postprocesoru určeného pro CAM systém Siemens NX (obr. 6), takže uživatel CAM systému nemusí provádět žádnou práci nad rámec svých běžných aktivit a postprocesor automaticky vygeneruje NC program s optimalizovanými otáčkami vřetena a s optimální posuvovou rychlostí. Postprocesory jsou velmi důležitým prvkem v technologické přípravě výroby a musejí být vytvořeny tak, aby využily co nejvíce funkcí řídicího systému daného obráběcího stroje, a mohou zahrnovat další funkce pro optimalizaci NC programu. Pokročilé postprocesory vznikají i v rámci vývojových činností RCMT při ČVUT v Praze.

Obr. 6. Implementace optimalizační funkce do postprocesoru. (Zdroj: RCMT)

Metoda optimalizace byla otestována při výrobě části lisovací formy z nerezové oceli 1.4462. Vypočtené průběhy reálného řezného průměru nástroje jsou vidět na obr. 7 (vlevo je průběh průměru Deff podle kontaktního bodu a vpravo je průběh průměru Deff1/Deff2 podle přídavku materiálu), přičemž bylo využito grafické vizualizace průběhů reálného průměru nástroje přímo na dráze nástroje. Je vidět, že pro případ výpočtu na základě přídavku materiálu dochází k větším fluktuacím změn reálného průměru nástroje. Tento dílec byl použit pro testování na stroji Tajmac ZPS MCFV 5050 LN (tříosý obráběcí stroj s ř. s. Sinumerik 840D a vřetenem s max. otáčkami 15 000 ot.min−1). K testování byly použity monolitní tvrdokovové kulové frézy Rotana R-14154 se dvěma břity a s průměrem 16 mm.

Obr. 7. Průběh efektivního průměru nástroje (vlevo – Deff, vpravo – Deff1,2). (Zdroj: RCMT)

Testování na stroji bylo provedeno pro tři způsoby řízení technologických podmínek: 1) konvenční (konstantní otáčky a posuv), 2) řízení otáček a posuvů na základě průměru Deff a 3) řízení otáček a posuvů na základě průměru Deff1/Deff2. Pro každý způsob řízení technologických podmínek byl použit nový nástroj (vždy dvoje opakování) a bylo měřeno opotřebení na hřbetu zubů nástroje, dokud nedosáhlo limitu VBmax = 200 μm (limit životnosti). Během testu byla plocha dílce (celá dráha v NC programu) posouvána v ose Z, aby došlo k obrábění další vrstvy. Opotřebení na hřbetu nástrojů po osmi obrobených vrstvách je vidět na obr. 8, přičemž je vidět, že řízení otáček vřetena a posuvové rychlosti mělo pozitivní efekt na snížení rozsahu opotřebení. Kromě životnosti nástroje byl vyhodnocován i čas obrábění, jeho výkon, drsnost obrobené plochy a spotřeba elektrické energie. Kompletní výsledky jsou vidět v tab. 2, z níž vyplývá, že optimalizací technologických podmínek podle kontaktního bodu (průměr Deff) bylo dosaženo značných přínosů ve všech sledovaných parametrech (zejména zvýšení trvanlivosti o +28 % a snížení času obrábění o 51 % oproti konvenčnímu případu). Při optimalizaci technologických podmínek podle přídavku materiálu (Deff1,2) sice rovněž došlo k výraznému zvýšení celkové obrobené plochy (a počtu obrobených vrstev), ale oproti konvenčnímu obrábění došlo také ke snížení životnosti nástroje. Tento efekt je dán častějšími změnami reálného průměru nástroje (viz obr. 7 vpravo) oproti výpočtu efektivního řezného rádiusu podle kontaktního bodu. Na základě provedených testů byl také zjištěn pozitivní vliv optimalizace na hodnotu drsnosti obrobeného povrchu a také výrazně pozitivní vliv na snížení spotřeby elektrické energie stroje (–44 %). Pro reálné uplatnění této optimalizace je proto vhodné využívat aktuální řezný průměr nástroje vypočtený podle kontaktního bodu. Tato metoda optimalizace technologických podmínek je předmětem ochrany duševního vlastnictví na základě patentu č. 307463 a v zákaznických řešeních postprocesorů ji lze využívat pro generování NC programů určených pro CNC stroje.

Obr. 8. Opotřebení řezné hrany na hřbetu zubu nástroje pro tři způsoby obrábění (po osmi obrobených vrstvách). (Zdroj: RCMT)
Tab. 2. Výsledky testu obrábění pro tři varianty řízení technologických podmínek
Související články
Závěrečné oponentní řízení CK-SVT

V dubnu 2012 byl na půdě Fakulty strojní ČVUT v Praze oficiálně zahájen osmi letý projekt Centrum kompetence - Strojírenská výrobní technika v rámci dotačního programu Technologické agentury ČR. Projekt byl úspěšně ukončen ke konci roku 2019 a v červnu 2020 proběhlo Závěrečné oponentní řízení ve firmě TOS Varnsdorf, jednoho ze spoluřešitelů.

Sledování a řízení výroby pro její optimalizaci

Tento příspěvek je vhledem do jedné metodiky optimalizace vlastní výroby. Je zaměřen na obrobny firem s vlastním produktem a doplněn stručným komentářem o konkurenceschopnosti a o nutnosti inovovat a zvyšovat vnitřní efektivitu.

Reflexe EMO Milano 2015

Italské výstaviště Fieramilano se první říjnový týden stalo středem pozornosti strojařů především evropské provenience. Po šesti letech, kdy vrcholila hospodářská krize, se prestižní veletrh EMO vrátil do italského průmyslového regionu s „budovatelským“ mottem: Let’s build the future. Na ploše 120 000 m2 ve dvanácti výstavních halách se prezentovalo přes 1 600 vystavovatelů, z toho na 500 tuzemských. Podle závěrečné zprávy navštívilo akci přes 155 tisíc návštěvníků (145 tis. EMO Hannover 2013), polovina ze zahraničí. (Pozn. V neděli před zahájením EMO navštívilo vedlejší Expo přes 260 tisíc návštěvníků. Z České republiky do Milána vycestovalo 2 160 strojařů (2 300 na EMO Hannover 2013). Každý z návštěvníků si domů patrně odvezl svůj osobní rekord v nachozených kilometrech po výstavišti.

Související články
Seminář o monitoringu obráběcích operací

Měli jsme možnost zúčastnit se celodenního semináře o monitoringu obráběcích operací, pořádaného 20. října Společností pro obráběcí stroje a Ústavem výrobních strojů a zařízení Fakulty strojní ČVUT v Praze (RCMT, FS, ČVUT).

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Digitalizujeme svět obrábění

Digitalizace v oblasti obráběcích strojů je poměrně nový fenomén. Svět digitalizace se stává svébytným ekosystémem a Siemens jako jediný má pro jeho vytvoření a fungování potřebnou škálu nástrojů – od simulačních programů pro plánování a virtuální zprovoznění strojů, výrobků i procesů přes řídicí systémy a další prvky průmyslové automatizace po monitoring a sběr dat, cloudová úložiště i manažerské nadřazené systémy. Jaké výhody digitalizace přináší, ukázal Siemens na letošním Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně mimo jiné také na prototypu multifunkčního obráběcího centra MCU450 společnosti Kovosvit MAS.

Nebojte se výzev!

Tuto větu mi na konec rozhovoru řekl Ing. Radomír Zbožínek, člen představenstva Tajmac-ZPS, který se stále podílí na dění v mateřské firmě. Slovo "mateřská" pro pana Zbožínka platí dvojnásob, do firmy totiž nastoupil 1. listopadu 1972, takže zde "kroutí" již svou 46. sezonu. Tak akorát na to, aby jeho slova mohla posloužit i dalším lidem.

Cena MM Award na EMO

Ocenění MM Award od našich německých kolegů z časopisu MM MaschinenMarkt je specialitou veletrhů pořádaných nejen v Evropě, ale po celém světě. Nejinak tomu bylo i na letošním hannoverském EMO, kde proběhlo slavnostní předání exponátům, které odbornou porotu zaujaly. Ceny jsou udělovány ve spolupráci se svazem VDW. Protože se jedná o jediné oficiální ceny udělované na veletrhu EMO a značky MM, VDW a EMO jsou dobře známé v oboru výrobní techniky, věnujeme jim svoji pozornost v retrospektivě veletrhu.

Diskutovaný Průmysl 4.0

Fenomén Průmysl 4.0, nastínění možných směrů vývoje a příprava společnosti na změny způsobené novými technologiemi – to jsou diskutovaná témata konferencí a seminářů současnosti. Podpora výzkumu a vývoje se musí soustřeďovat na technologicky významné oblasti vycházející z potřeb české průmyslové praxe. Odborníci zdůrazňují potřebu vzdělávání a zvyšování kvalifikace zaměstnanců.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Řezné nástroje pro moderní výrobu

Trendy v obrábění kladou stále vyšší nároky i na řezné nástroje. K hlavním požadavkům na nástroje patří zejména vysoký výkon a produktivita, dlouhá doba použití, stabilita výrobní kvality, celková hospodárnost, přesnost práce, schopnost zpracování specifických materiálů, určitá forma chytrosti a konektivity a v neposlední řadě i udržitelnost při použití. Vývoj nástrojů je výrazně progresivní a vzniká tak mnoho nových technických řešení.

Aktuální trendy v oboru obráběcích strojů

Obor obráběcích strojů prochází velkými změnami, které pravděpodobně nejsou na první pohled tak zřetelné. Požadavky na stroje se mění v důsledku postupných proměn světa okolo nás a výrobci strojů na to reagují, aby si zajistili potřebnou konkurenceschopnost.

Chytré obráběcí stroje pro konkurenceschopnou výrobu

Výroba současnosti čelí v ČR několika zásadním výzvám, které ovlivňují konkurenceschopnost českých výrobních firem. Tzv. zelená a digitální transformace jsou již realitou dneška a pro firmy to může být příležitost, nebo hrozba. Současně roste komplexnost výrobních procesů, kdy provázání technologických operací ve výrobním řetězci produktu je stále náročnější. A v neposlední řadě se proměňuje pracovní trh – do důchodu odcházejí silné ročníky zkušených odborníků, které však nastupující generace nemohou zcela nahradit. Důvodem je jednak menší počet mladších lidí v produktivním věku a dále pak zásadní technologické změny, které se ve výrobě v posledních letech intenzivně dějí. Koncept chytrých obráběcích strojů tak může být možným řešením uvedených výzev.

Zvyšování užitné hodnoty obráběcích a tvářecích strojů

Konkurence v oboru prodeje obráběcích strojů je velká a všechny firmy hledají způsob, jak nabídnout koncovému uživateli vyšší užitnou hodnotu. Tato užitná hodnota se posuzuje podle parametrů koncové výrobní technologie (přesnost, jakost, produktivita, celkové náklady) a pro výrobce obráběcích strojů je to jeden z bodů, kde mohou technickými znalostmi a inovacemi ovlivnit svou konkurenceschopnost na trhu.

Aktuální přístupy ke zvyšování produktivity třískového obrábění

V každé výrobní technologii neustále klademe nové požadavky na zvyšování produktivity, přesnosti, jakosti, efektivity, spolehlivosti apod. Produktivita je jedním z důležitých parametrů, na jejichž základě lze technologie mezi sebou srovnávat. Třískové obrábění si z pohledu produktivity neustále udržuje významné postavení, neboť je schopno zajistit všechny výše uvedené požadavky i pro velmi přesné dílce. Výše celkové produktivity a samozřejmě i ostatních parametrů je dána každým článkem z tohoto řetězce: zvolený nástroj – upnutí nástroje – řezné podmínky – upnutí dílce – zvolená strategie obrábění – NC kód (vazba na CAM a postprocesor) – možnosti stroje z pohledů parametrů pohonů a též jeho technologické konfigurace (multifunkčnost) – řídicí systém.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit