Upnutí obrobku ovlivňuje přesnost a produktivitu obrábění

Právě na vývoj automatického upínacího systému obrobků je zaměřen projekt INTEFIX řešený konsorciem firem a institucí pod vedením španělského výzkumného ústavu IK4 Tekniker. Česká republika je v konsorciu zastoupena třemi členy: firmami Strojírna Tyc a Compotech a Výzkumným centrem pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT), které je organizační součástí Ústavu výrobních strojů a zařízení Fakulty strojní ČVUT v Praze. Projekt sleduje návrh speciálních upínek z pohledu polohování obrobku, minimalizace jeho vibrací a deformací při obrábění. Dvě případové studie řešené v projektu jsou představeny v tomto příspěvku.

Prvním příkladem je obrábění tenkostěnných obrobků z Al slitin typických pro strukturální letecké dílce. Při jejich obrábění se negativně projevují dva významné faktory. S postupným odfrézováním materiálu klesá statická i dynamická tuhost dílce, takže roste jeho odtlačení řeznými silami a dílec není obroben v potřebné přesnosti. To má za následek různou tloušťku žeber či ploch vlivem elastického chování tenké stěny. Navíc nižší dynamická tuhost vede k riziku vzniku samobuzených kmitů obrobku. Druhým faktorem je jeho zkroucení po odepnutí v důsledku zbytkových pnutí v materiálu.

Jednou z častých možností je upínání dílců pomocí vakua na přípravek s negativním tvarem dílce. Takový způsob upnutí zajišťuje celoplošné podepření obrobku a tedy zvýšení jeho tuhosti. Výroba speciální upínací formy je však časově náročná a drahá a z ekonomických důvodů se proto hodí spíše pro sériovou výrobu. Pokud je vnitřní pnutí obrobku velké, může dojít k odtržení dílce z upínacích vakuových polí, a pokud není tento stav včas detekován, může dojít i při tomto způsobu upnutí k významným tvarovým odchylkám.

V projektu bylo testováno alternativní řešení: podepření velkých tvarových ploch dílce diskrétními podpěrami, ke kterým je dílec přitahován vakuovými upínkami. Skupina těchto podpěr představuje univerzální upínací řešení, které může být použito pro různé typy obrobků. Protože obráběný kus není celoplošně podepřen jako v předchozím případě, je nutno této skutečnosti přizpůsobit strategii obrábění.

Technologie byla testována na příkladu plošného leteckého strukturálního dílce s vnějšími rozměry 1 100 x 3 000 mm. Charakteristická tloušťka stěny je 3 mm s lokálními odlehčeními na 2 mm. Požadavek na dílec je dodržení jakosti povrchu Ra 0,8 a dodržení tolerance tloušťky dílce ±0,05 mm. Zvětšení tloušťky obrobené stěny s sebou totiž nese nárůst hmotnosti součásti a tato skutečnost má ve výsledku negativní vliv na celkovou hmotnost letadla, jeho užitné zatížení a zvýšení spotřeby paliva. Redukce tloušťky stěny naopak znamená zmenšení nosného průřezu a tedy riziko poškození či časté opravy dané součástky. Dodržení správné tloušťky stěny při definované jakosti povrchu je tedy klíčovým požadavkem.

V tomto případě byla vyvinuta technologie frézování dílce s adaptivní úpravou dokončovací dráhy nástroje podle skutečné tloušťky stěny. Pro podepření obráběného dílu byly vyvinuty hydraulicky stavitelné podpěry s vakuovým upínáním součásti. Hydraulika je též použita pro zpevnění pístnice vysunuté do požadované polohy integrovanou brzdou. Tím vzniká tuhá opora pod obráběnou součástí. Středem pístnice je přivedeno vakuum do savky na konci pístnice, které umožňuje připnutí dílce k podpěře. Upínka má velmi kompaktní integrovanou stavbu a vznikla ve spolupráci RCMT a německé firmy Roemheld, která je také členem projektového konsorcia. Pro zkušební obrábění byla vybrána jen část dílce, která měla shodné strukturální vlastnosti jako celá součást.

Výroba s adaptivní úpravou dráhy spočívá v následujícím postupu: Nejprve je obrobena vnější strana obrobku. Následně dojde k otočení součásti a obrábění vnitřní strany obrobku. Dílec je upnut za vnější obvod, plocha je podepřena upínkami. Volba řezných podmínek a typů řezných nástrojů byla provedena vzhledem k potřebné produktivitě procesu a také vzhledem k dynamickým vlastnostem součásti tak, aby se předešlo vzniku samobuzeného kmitání při obrábění. Takto je provedeno vyhrubování a předdokončení plochy. Následuje dokončení s přídavkem na selektivně vybraných plochách. Na těch je následně dotykovou sondou změřena poloha plochy v prostoru a pomocí ultrazvukové sondy její aktuální tloušťka. Z toho lze rekonstruovat skutečný tvar a polohu vnější strany, resp. jak je dílec deformovaný před dokončením. Dráhy pro finální dokončovací obrábění jsou upraveny tak, aby vzhledem k aktuální deformaci a tloušťce (reálná naměřená data) a poddajnosti obrobku (data ze simulačního modelu) došlo k obrobení dílce s požadovanou tolerancí tloušťky. Měření tloušťky je prováděno automaticky ultrazvukovou sondou. Pro snadné ovládání měření tvaru dotykovou sondou a měření tloušťky UZ sondou byl vyvinut specifický metrologický SW, který obsluze stroje výrazně zjednodušuje definici bodů měření i konečné vyhodnocení výsledků. Tento software je přímo propojen s řídicím systémem Heidenhain iTNC530.

Pro zvětšení klikněte na tabulky.

Aby bylo možné provést frézování požadovaného kusu z polotovarů typu svařenec nebo odlitek, je nutno jednak zajistit zarovnání souřadného systému obrobku vůči souřadnému systému obráběcího stroje a dále je nutno správně určit nulový bod obrábění, aby bylo možno obrobit všechny potřebné plochy v rámci objemu přídavků na těchto plochách. Po vložení polotovaru do stroje musí být tedy nejprve proměřena jeho poloha v pracovním prostoru a jeho skutečný tvar. Vzájemné natočení souřadných systémů stroje a obrobku lze kompenzovat u tříosého portálového stroje v rovině XY uživatelským natočením souřadného systému stroje. Natočení dílce v rovinách YZ a XZ se obvykle provádí fyzicky podkládáním dílce tak, aby došlo k jeho hrubému vyrovnání podle indikátorových hodinek. Následuje správné určení nulového bodu obrábění. To je časově náročné a vyžaduje zkušenou obsluhu stroje. Část prací je možné provést mimo stroj tzv. orýsováním dílce. Tento postup se používá většinou v sériové výrobě; šetří se tím čas na stroji, ale je nutné mít opět zkušeného rýsovače a prostor pro orýsování součástí.

Řešení v projektu se zaměřilo na zkrácení doby vyrovnání dílce. Z toho důvodu byly vyvinuty a realizovány prototypy aktivních upínek, které mohou v rámci zdvihu 50 mm změnit automaticky svou výšku s vysokou přesností a v této poloze se uzamknout. Součástí řešení je také ovládací SW pro jednoduché měření aktuální polohy dílce pomocí dotykové sondy a automatické ustavení obrobku. Operátor proměří dotykovou sondou reálnou polohu klíčových ploch polotovaru přímo z externího ovládacího SW, který je propojen s řídicím systémem Heidenhain iTNC530. Následuje výpočet potřebného natočení dílce v rovinách YZ a XZ a souřadnice nulového bodu, která je automaticky zaslána do řídicího systému. Po automatickém vyrovnání dílce dojde k jeho upnutí hydraulickými upínkami v dané poloze a lze zahájit obrábění. Ovládací SW byl navržen pro maximální jednoduchost a snadné zvládnutí operátorem stroje, celý proces je tak ovládán z jednoho prostředí. Aktivní upínky se servopohony se mohou využít nejen k vyrovnání dílce, ale též k jeho řízené předdeformaci (pokud je to požadované pro zjednodušení přípravy drah nástroje).

Široké aplikační pole se u nově vyvinutého upínacího systému složeného z vlastních upínek a ovládacího SW dá předpokládat i v dalších aplikacích, kde je v praxi věnováno mnoho času vyrovnání dílce před obráběním. Příkladem může být vyrovnání dlouhých obrobků před konečným broušením. Zde je po prvním upnutí proměřen reálný tvar dílce a ten je následně automaticky upínkami vyrovnán do požadovaného tvaru.

Upínací systém je důležitým prvkem přípravy celé technologie obrábění. Popsané automatické upínací prvky jsou centrálně ovládány jedním SW. Ten umožňuje operátorovi i pohodlnou spolupráci s metrologickými vstupy, např. údaji z dotykové sondy nebo senzoru pro měření tloušťky. Pořizovací náklady na takový systém jsou samozřejmě vyšší než v případě běžných mechanických upínek a sady podkládacích plechů; hlavní výhodou je však univerzálnost systému a možnost výrazně zkrátit čas přípravy obrobku na stroji. Pokud je řešení porovnáváno se speciálními upínacími přípravky, kde je cena srovnatelná, je nutno zdůraznit univerzálnost uvedených řešení, neboť popsané prvky jsou univerzální a umožňují rekonfigurovat upínací systém (v mnoha případech automaticky) podle potřeb aktuálního obrobku.

Popsané výsledky byly financovány ze zdrojů Evropské unie v rámci projektu INTEFIX č. 609306.

RCMT, ČVUT v Praze
Strojírna Tyc

Ing. Petr Kolář, Ph.D., Miroslav Kolář

E.Kopecka@rcmt.cvut.cz