Témata
Reklama

Zvyšování produktivity při obrábění

Obrábění patří ke klíčovým výrobním technologiím. Hlavní předností obrábění je schopnost realizovat téměř neomezenou škálu tvarů a velikostí obrobků s potřebnou přesností a jakostí povrchu v kusové i sériové výrobě. Pro obrábění součástí na CNC strojích jsou dnes běžně komerčně dostupné všechny potřebné nástroje: softwarová CAD+CAM podpora včetně virtuálních simulací a postprocesorů na jedné straně, hardwarová realizace v podobě moderních obráběcích strojů a nástrojů na straně druhé.

Doc. Petr Kolář

Inženýrský i doktorský titul v oboru Výrobní stroje a zařízení získal na Fakultě strojní ČVUT v Praze. Zde se i následně habilitoval. Od roku 2001 pracuje ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT), které je od roku 2012 organizační součástí Ústavu výrobních strojů a zařízení FS ČVUT. V letech 2015-2019 pracoviště vedl. Působí též na Českém institutu informatiky, robotiky a kybernetiky, ČVUT v Praze a na Fraunhofer IWU Dresden. Odborně se zabývá výzkumu a spolupráci s průmyslovými firmami v tématech dynamického chování výrobních strojů, chytrými výrobními stroji a Průmyslem 4.0.

Cesta od CAD modelu součásti k její fyzické výrobě je však dlouhým řetězcem, kde každý krok ovlivňuje produktivitu, přesnost a jakost obráběné součásti.
To znamená, že v každém kroku lze hledat zdroj zvýšení produktivity a snižování nákladů obráběcího procesu. Odborníci Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT), které je součástí Ústavu výrobních strojů a zařízení na Fakultě strojní ČVUT v Praze, se problematice zvyšování produktivity při obrábění věnují dlouhodobě s uceleným pohledem na celý řetězec obráběcí technologie.

Reklama
Reklama
Reklama

Příprava NC kódu

Cesta k realizaci obrobku začíná v prostředí CAM, do kterého je načten CAD model součásti. Prvním zásadním krokem je rozhodnutí o upnutí dílce a tvarech nástrojů, které budou potřeba pro vytvoření požadovaného tvaru při definovaném způsobu upnutí. Následuje rozhodnutí o volbě nástrojů (včetně využití sdružených a speciálních nástrojů) a strategii pro vytvoření jejich drah tak, aby se maximum tvaru a povrchu obrobilo při minimálním množství ujetých drah. Toto je první místo, kde lze konečnou produktivitu obrábění výrazně ovlivnit.

Volba správné strategie generování dráhy nástroje má větší význam zejména v případě obrábění těžkoobrobitelných materiálů, jako jsou nerezové oceli nebo slitiny titanu či niklu. Vhodným způsobem obrábění jsou strategie vedoucí k ochraně břitu před jeho tepelným nebo silovým přetížením. Příkladem takových přístupů je trochoidální frézování. I zde je potenciál zvýšení produktivity. Například při úpravě dráhy pro konstantní silové zatížení břitu došlo při frézování slitiny Nimonic 80A k nárůstu produktivity o 6 % ve srovnání se standardním trochoidním obráběním.

Strategie generování dráhy nástroje je úzce spjata s volbou řezných nástrojů a řezného prostředí. Pro každou aplikaci je nutné zvolit ze široké nabídky správnou kombinaci řezného materiálu, ochranného povlaku, geometrie břitu, řezných podmínek a řezného prostředí (obrábění na sucho, MQL, kryogenní, záplavové nebo vysokotlaké chlazení). Především pro oblast sériové výroby se vyplatí provést optimalizaci řezných podmínek, která zajistí nastavením vhodných řezných parametrů konkrétní intenzitu opotřebení nástroje a tedy i trvanlivost jeho břitu tak, aby došlo k minimalizaci celkových nákladů obrábění vzhledem k ceně nástrojů a hodinové sazbě stroje. Vhodnou volbou nástroje a úpravou řezných podmínek došlo například ve firmě Aisan Industry Czech v sériové výrobě menších dílců z nástrojové oceli frézováním k úspoře 25 % výrobních nákladů na jeden dílec.

Vytvořené dráhy nástroje jsou postprocesorem přeloženy do podoby NC kódu pro načtení strojem. Na úrovni tohoto překladu lze též výrazně ovlivnit produktivitu přípravy technologie i produktivitu obrábění, zejména 5osého frézování. Problém standardních systémů spočívá v nesprávném výpočtu požadované posuvové rychlosti rotačních os a v nerespektování aktuálního průměru (kulového, toroidního) nástroje. V důsledku toho dochází k poklesu reálné posuvové i řezné rychlosti při obrábění, což snižuje produktivitu. Pomocí tzv. technologického modulu pro korekci posuvové rychlosti je možno dodržet požadovanou hodnotu posuvové rychlosti nástroje vůči obrobku. Nasazení postprocesoru umožňuje generovat do NC programu korigované hodnoty posuvové rychlosti tak, aby nedocházelo k nerovnoměrnému zatěžování břitu řezného nástroje a došlo ke zvýšení kvality obrobku (ve smyslu tvarové přesnosti i drsnosti povrchu), především v místech, kde se relativní rychlost mezi nástrojem a obrobkem blíží nule. Zároveň tak ve většině případů dochází ke zkrácení strojního času. Např. při 5osém frézování lopatkových kol je v praxi dosaženo časové úspory ve výši až 40 % původního strojního času.

Rozšířené funkce postprocesorů mají velký význam při přípravě NC kódu pro moderní multifunkční stroje a stroje se speciální kinematikou rotačních os. Zde je potenciál ke zvýšení produktivity skryt v jednodušším prostředí pro technologa pro kombinaci technologií soustružení a frézování v jednom CAM SW. Speciální funkce postprocesoru umožňuje generovat víceosé soustružnické operace se souvislým řízením naklápěcí osy. Technolog tak může realizovat soustružení v různých polohách naklopení obrobku, což umožňuje přístup nástroje do míst, která by byla při standardním (2osém) soustružení s daným nožem nepřístupná. Postprocesor lze dále doplnit o funkci automatického rozpoznání dráhy nástroje s nutností použití cyklu 800 pro polohování rotačních os stroje a víceosé dráhy nástroje, kdy je zapotřebí použít funkci TRAORI.

Součástí zvyšování produktivity obrábění na stroji je též komplexní kontrola a optimalizace výsledků obrábění pomocí simulací virtuálního obrábění. V RCMT jsou využívány kromě komerčně dostupných nástrojů i vlastní vyvíjené pokročilé SW prostředky, které posouvají kontrolu NC programů až na úroveň schopnosti predikce a hodnocení skutečných časů, kvality a přesnosti obrábění. Kontrola postupuje od CAM simulací s analýzou kolizí (pouze na kinematickém modelu stroje) až po virtuální obrábění s využitím plnohodnotného virtuálního modelu stroje. Virtuální analýza procesu zahrnuje popis celého řetězce vazeb mezi CNC řídicím systémem, řízením pohonů, mechanickou stavbou stroje a řezným procesem (obr. 1).

Obr. 1. Řetězec od CAD modelu k hotovému obrobku

Takto koncipovaný model stroje umožňuje věrohodně simulovat interakci nástroje s obrobkem a účinně optimalizovat nastavení řídicího systému stroje, řízení pohonů nebo technologických parametrů. Uvedeným rozsahem pokrytých vlivů převyšují tyto vyvinuté nástroje jakýkoliv aktuálně komerčně dostupný optimalizační SW. Příkladem využití takového nástroje byla ve spolupráci s firmou Kovosvit Mas optimalizace 5osého frézování lopatkového kola z Al slitiny o průměru 240 mm. Při zachování požadované přesnosti povrchu do 0,04 mm byl čas obrábění jedné mezilopatkové mezery zkrácen ze 6 minut na 2,5 minuty. To znamená, že došlo ke zvýšení produktivity o 58 % při zachování přesnosti a jakosti obrobeného dílce.

Ukázky vizualizace tvarových odchylek po simulaci obrábění lopatek kompresorového kola

Odbavení NC kódu na stroji

NC kód je po načtení do NC stroje zpracováván interpolátorem, který geometrická data z kódu převádí do dráhových dat v čase vstupujících do regulace pohonů stroje. Způsob přípravy NC kódu a nastavení parametrů interpolátoru rozhodují o tom, jak rychle bude NC kód odbaven. Naladění vhodných parametrů kaskádní regulace servopohonů ovlivňuje chování stroje při dráhovém řízení.

V tomto softwarovém nastavení parametrů pohonů a interpolátoru na míru konkrétní aplikaci je skryt další významný potenciál pro zvyšování produktivity v sériové výrobě. Příkladem může být nastavení interpolátoru a pohonů stroje a také optimalizace NC kódu (úpravy posuvových rychlostí a zkrácení přejezdů) realizované ve firmě AXA CNC Stroje, která velkosériově vyrábí letecké součástky z Al slitin. Výsledkem provedených změn bylo zkrácení výrobního času konkrétního dílce z 35 minut na 28 minut. Toto zkrácení cyklového času o 20 % firmě umožnilo při paralelní výrobě na dvou strojích ušetřit kapacitně jednu směnu.

Jiným příkladem z této oblasti je příprava optimálního NC kódu a naladění parametrů rotační osy C a přísuvové osy X na hrotové brusce z produkce Slováckých strojíren (Závod 08 TOS Čelákovice) při broušení tvarových vaček. Cílem bylo při dané produktivitě (cyklovém času) dosáhnout definované jakosti povrchu a přesnosti tvaru vačky ±0,03 mm v aplikaci s extrémními nároky na dynamiku strojních os. Naladěním regulace a optimalizací NC kódu s využitím polynomické interpolace se podařilo při požadované jakosti povrchu a produktivitě obrábět ve zlepšené přesnosti ±0,015 mm. Tímto komplexním zásahem tedy vznikl prostor pro další zvýšení produktivity výroby.

Shrnutí

V každém obráběcím procesu je možné najít zdroje pro zvýšení produktivity a snížení nákladů při obrábění. Pro nalezení úspor je třeba správně posoudit celý řetězec CAD – CAM (včetně nástrojů a řezných podmínek) – postprocesor – NC stroj. RCMT v této oblasti nabízí komplexní podporu zákazníkům, která má konkrétní přínosy, jak ukazují vybrané příklady z realizované praktické spolupráce.

RCMT, ČVUT v Praze

Ing. Petr Kolář, Ph.D.

P.Kolar@rcmt.cvut.cz

Reklama
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.

RCMT - 20 let ve výzkumu obráběcích strojů

Před 20 lety se začaly psát dějiny novodobé tuzemské výzkumné základny strojírenské výrobní techniky. Tento příspěvek nahlíží na klíčové milníky na jeho cestě očima aktérů, kteří stáli a stojí po jeho boku. Vydejme se společně na cestu, která formovala dnešní podobu Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii RCMT (Research Center of Manufacturing Technology) při FS ČVUT v Praze.

Hlavní trendy EMO Hannover 2017 očima výzkumníků

Hannoverský veletrh EMO je právem považován za výkladní skříň toho nejlepšího, co inovační týmy světových leaderů i jejich následovníků navrhli a v prototypech či již sériově nabízejí. Sektor výrobních strojů bývá na špici technického pokroku v oblasti strojírenství a udává směr dalším oborům, které jej následují. U nás má velkou tradici a není proto s podivem, že letos do Hannoveru zavítalo na 2 200 českých návštěvníků.

Související články
Výzkum v oblasti výrobní techniky a technologie

MM Průmyslové spektrum se po dlouhá léta systematicky věnuje problematice výzkumu, vývoje a inovací. V rámci spolupráce nabízíme prostor zveřejňovat své názory a postoje jak zástupcům výzkumné sféry, tak i komerčním firmám.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Upnutí obrobku ovlivňuje přesnost a produktivitu obrábění

Přesnost a produktivitu obrábění ovlivňuje mnoho faktorů. Svůj podíl na výsledku má typ a vlastnosti použitého obráběcího stroje, volba nástrojů a řezných podmínek, zvolená strategie obrábění a v neposlední řadě i způsob upnutí a vyrovnání dílce před obráběním. V některých specifických případech je volba upnutí klíčovým faktorem pro realizaci celé technologie v požadovaných parametrech.

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.

Plzeňské setkání strojařů

Katedra technologie obrábění Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni letos uspořádala již devátý ročník mezinárodní konference Strojírenská technologie Plzeň. V porovnání s minulým ročníkem zaznamenala podstatně větší návštěvnost – čítala téměř dvě stě účastníků a uskutečnilo se bezmála šedesát prezentací. Náš časopis na konferenci figuroval jako mediální partner akce.

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.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

CIMT Peking, Část 2. Win Together

Podtitul veletrhu CIMT 2019 byl: 融合共赢 智造未来. Musíte uznat, že motto veletrhu je v této pro nás exotické podobě zahaleno značným tajemstvím. Dáte-li větu do automatického překladače, výsledná myšlenka zní: fúze a výhra. Jednoduchá slova, divný obsah - tento způsob nalezení významu věty opravdu není žádná výhra. Proto se o nápravu "ztráty v překladu" pokusíme v druhém vstupu z veletrhu, ve kterém se tentokrát podíváme i za technikou.

CIMT Peking, Část 1. Obecný pohled

V předvelikonočním týdnu se v Pekingu uskutečnil veletrh obráběcích strojů CIMT 2019. V asijském regionu se jedná o obdobu veletrhu EMO Hannover. A stejně jako EMO je velkou měrou národní výstava německé výrobní techniky, tak CIMT je převážně čínský. V tomto prvním vstupu se podíváme na letošní ročník trochu s odstupem, aniž bychom se zaměřili na konkrétní exponáty.

Úspora vedlejších časů

V současné době se firmy v České republice potýkají s nedostatkem pracovníků. Obzvláště citelná je tato situace v oblasti strojírenství, kde jsou na pracovníky kladeny vyšší požadavky na vzdělánV současné době se firmy v České republice potýkají s nedostatkem pracovníků. Obzvláště citelná je tato situace v oblasti strojírenství, kde jsou na pracovníky kladeny vyšší požadavky na vzdělání a praxi v oboru. Nelze ani očekávat, že se situace sama zlepší nebo nás zachrání zahraniční pracovníci. í a praxi v oboru. Nelze ani očekávat, že se situace sama zlepší nebo nás zachrání zahraniční pracovníci.

Nový pohled na moderní CAM programování v praxi

Při své dennodenní praxi se odborníci firmy Grumant u svých zákazníků opakovaně setkávají s tím, že jsou programy připravovány přímo na strojích. Důsledkem toho jsou ztráty strojní kapacity a dále dochází ke ztrátě kontroly nad výrobním procesem z hlediska použitých strategií a řezných podmínek. Ani tam, kde se již používá CAM programování, nemusí být vyhráno. O tom, jak revolučně vidí CAM programování ve firmě Grumant, pojednává tento článek.

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.

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