Control
Google překladač: English Deutsch

Exkluzivní partner sekce

Siemens

GOPAS - CAD kurzy

Více kurzů

StreamTech.tv

streamtech tv-logo

Vliv nastavení parametrů CAM na kvalitu povrchu frézované rovinné plochy

Tags: CAD | CAM | CNC

CAM a kvalita povrchuNasazení CA.. technologií do procesu vývoje a výroby produktů s sebou přineslo rozšíření možností strategií obrábění. Řezné podmínky dané rychlostí posuvu stolu a otáčkami vřetena při frézovaní stále zůstávají hlavními veličinami, které ovlivňují kvalitu obráběného povrchu. CAD/CAM systémy jakož i CNC výrobní technika nám nabízí nové možnosti, kterými umíme ovlivnit kvalitu obráběné plochy.
Mezi takové možnosti patří volba strategie dráhy nástroje, možnost volby jednosměrného anebo obousměrného obrábění a nové parametry, které přímo předurčují kvalitu obrobené plochy. Jde hlavně o možnost nastavení hodnoty parametru MSH (maximální výška nerovnosti) v CAM systému, který je v praxi měřitelný jako Rz, což je maximální výška nerovnosti profilu drsnosti povrchu.

Trocha teorie na úvod

Přesnost kopírování povrchu nástrojem má následný vliv na počet řádků programu,
čas obrábění a kvalitu obrobeného povrchu. Tuto přesnost můžeme ovlivnit právě parametrem SH (výška nerovnosti, v praxi maximální výška nerovnosti profilu drsnosti povrchu Rz, v našem případě měřená v příčném směru na dráhu nástroje) a taktéž parametrem MT (machining tolerance - přípustná odchylka dráhy nástroje od teoretického povrchu).
Obr. 1 SH (Scallop Height) – výška nerovnosti závislá na vzdálenosti dvou po sobě následujících drahách nástroje
Obr. 1 SH (Scallop Height) – výška nerovnosti závislá na vzdálenosti dvou po sobě následujících drahách nástroje

Nastavení parametru SH má vliv na obrobené a neobrobené zóny povrchu.
Obr. 2 Obrobené a neobrobené zóny povrchu
Obr. 2 Obrobené a neobrobené zóny povrchu

Vliv nastavení parametrů MT na přesnost kopírování tvaru povrchu je zřejmý z obr.č.3.
Obr. 3 MT – maximálně přípustná odchylka dráhy nástroje od teoretického povrchu (zleva doprava MT = 1 mm, MT = 0,5 mm, MT = 0,01 mm)
Obr. 3 MT – maximálně přípustná odchylka dráhy nástroje od teoretického povrchu (zleva doprava MT = 1 mm, MT = 0,5 mm, MT = 0,01 mm)

Vliv nastavení těchto parametrů na výslednou kvalitu obrobené plochy bude ukázán na příkladu obrobení modelu mobilního telefonu do lehko obrobitelné polyuretanové hmoty, tzv. syntetického dřeva.
 Obr. 4 Dvě různá nastavení parametru MSH - maximální výšky nerovnosti
Obr. 4 Dvě různá nastavení parametru MSH - maximální výšky nerovnosti

CNC program pro obrobení modelu vlevo na obr.4 měl 1120 řádků, přičemž při snížení hodnoty parametru MSH (snížení maximální výšky nerovnosti) pro případ vpravo jsme dosáhli kvalitnějšího povrchu, čímž CNC program narostl na 3053 řádků.
Obr. 5 Vliv nastavení na kvalitu obrobené plochy
Obr. 5 Vliv nastavení na kvalitu obrobené plochy

Na obr. 5 můžeme vizuálně posoudit kvalitu obrobené plochy. Čas potřebný na obrobení modelu v popředí byl 30 minut, kdežto čas potřebný pro obrobení modelu v pozadí byl 75 minut. Kvalitnější obrobení plochy si vyžádalo 2,5 násobně delší čas obrobení. Pro praxi z toho vyplívá otázka, do jaké míry přesností má smysl obrábět na CNC frézovacím centru, respektive co by stačilo dokončit broušením anebo leštěním.

Na obr. 6 je příklad obrobení kormidla modelu lodního motoru, kde byl polotovar obrobený nahrubo na CNC stroji a finální kvality bylo dosaženo operacemi broušení a leštění.
Obr. 6 Model kormidla, ohrubovaný polotovar a finální povrch
Obr. 6 Model kormidla, ohrubovaný polotovar a finální povrch

Rovinná plocha

Plocha byla obráběná na 3osé CNC frézovačce EMCO Mill 155 válcovou čelní frézou a kopírovací frézou. Polotovarem pro jednotlivé vzorky bylo už vzpomínané „syntetické dřevo“.
Virtuální model stejně jako generování CNC programu bylo realizováno v softwaru CATIA V5R16.

Rovinná plocha byla obráběná:
a) jednosměrně protiběžně
b) jednosměrně souběžně
c) strategií ZIG-ZAG (CC) – to je souběžně i protiběžně - kombinace a) a b)
Obr. 7 Způsoby obrábění rovinné plochy
Obr. 7 Způsoby obrábění rovinné plochy
Obr. 8 Způsob úběru materiálu při souběžném (vlevo) a protiběžném frézovaní (vpravo)
Obr. 8 Způsob úběru materiálu při souběžném (vlevo) a protiběžném frézovaní (vpravo)

Protiběžné frézování válcovou čelní frézou (nadpis obr. 9)
Obr. 9 Jednotlivá znázornění dráhy nástroje a úběru materiálu protiběžným frézováním rovinné plochy válcovou čelní frézou
Obr. 9 Jednotlivá znázornění dráhy nástroje a úběru materiálu protiběžným frézováním rovinné plochy válcovou čelní frézou

Protiběžné obrábění kopírovací frézou (nadpis obr. 10)
Obr. 10 Jednotlivé znázornění dráhy nástroje a úběru materiálu protiběžným frézováním rovinné plochy kopírovací frézou
Obr. 10 Jednotlivé znázornění dráhy nástroje a úběru materiálu protiběžným frézováním rovinné plochy kopírovací frézou
Obr. 11 Detail otisku reliéfu nástroje s polotovarem
Obr. 11 Detail otisku reliéfu nástroje s polotovarem

Postup měření a základní nastavení drsnoměru

Vyhodnocovaná délka obsahovala pět základních délek po 2,5 mm. Na výstupe z digitálního drsnoměru je počet úseků označených N = 5 a základní délka λ = 2,5 mm. Každé měření bylo uděláno 5krát a na základě těchto pěti měření byl vypočítaný aritmetický průměr.
 Obr. 12 Definování směru měření drsnosti - příčná drsnost
Obr. 12 Definování směru měření drsnosti - příčná drsnost
Obr. 13 Výstup z drsnoměru Mitutoyo
Obr. 13 Výstup z drsnoměru Mitutoyo

Zajímat nás budou parametry Ra a Rz. Hodnoty těchto parametrů budou vyhodnoceny v grafické podobě.

Měření drsnosti povrchu na hladké ploše a ploše vzniklé řezáním kotoučovou pilou

Za neobrobenou hladkou plochu byla brána plocha povrchu tabule dodané výrobcem. Při dělení materiálu vzorku na okružní pile bylo též uskutečněno měření drsnosti povrchu. Výsledky obou měření hladké plochy i plochy vzniklé řezáním jsou zpracovány v grafu č.1.
Graf 1 Porovnání parametrů Ra a Rz na „hladké ploše“ a ploše dělené řezáním
Graf 1 Porovnání parametrů Ra a Rz na „hladké ploše“ a ploše dělené řezáním

Obrábění rovinné plochy

Vliv průměru nástroje na drsnost obrobeného povrchu

V následujícím bude pojednáno o vlivu průměru válcové čelní frézy při obrábění rovinné plochy obousměrně strategií ZIG-ZAG (sem a tam).
První vzorek bude obroben válcovou čelní frézou o průměru D = 5 mm a druhá nástrojem o průměru D = 10 mm.
Graf 2 Vliv průměru nástroje na drsnost povrchu (ø5 a ø10)
Graf 2 Vliv průměru nástroje na drsnost povrchu (ø5 a ø10)

Z grafického vyjádření jakož i z tabulkových hodnot vyplývá, že vliv průměru nástroje při obrábění rovinné plochy strategií Sem a Tam je minimální. Řezná rychlost byla stejná. U nástroje s průměrem D = 5 mm byla rychlost posuvu vf  = 300 mm/min a otáčky n = 3000 min-1. U nástroje s průměrem D = 10 mm byla rychlost posuvu vf  = 300 mm/min a otáčky n = 1500 min-1.

Vliv strategie frézování:

obousměrné obrábění, jednosměrné-protiběžné, jednosměrné-souběžné

V následujícím si porovnáme obrobení rovinné plochy válcovou čelní frézou s průměrem D = 10 mm v případě obousměrného obrábění Sem a Tam a následně jednosměrným obráběním-protiběžně a jednosměrně-souběžně.
Graf 3 Vliv strategie pohybu nástroje na drsnost povrchu rovinné plochy
Graf 3 Vliv strategie pohybu nástroje na drsnost povrchu rovinné plochy

Z grafického vyjádření vyplývá, že protiběžné respektive souběžné obrábění nemá výrazně rozdílný vliv na drsnost obrobené plochy. Ale zároveň je vidět, že obousměrné obrábění má v tomto případě kladný vliv na kvalitu obrobené plochy. Vyplývá to z toho, že když se nástroj pohybuje obousměrně, dochází k určitému překrytí drah už obrobené a právě obráběné plochy, což má příznivý vliv na výslednou obrobenou plochu.

Vliv tvaru nástroje, maximální výšky nerovnosti, protiběžného a souběžného frézování na drsnost povrchu rovinné plochy

V dalším bude pojednáno o obrábění rovinné plochy válcovou čelní frézou a kopírovací frézou průměru D = 5 mm. Přičemž se bude měnit i parametr maximální výšky nerovnosti MSH popsaný v teorii výše.

MSH = 0,05 mm

Měření příčné drsnosti

V prvním případě bude nastavena maximální hodnota výšky nerovnosti MSH = 0,05 mm při přípustné odchylce obrábění MT (Machining Tolerance) = 0,01 mm.
V těchto případech budeme měřit jak příčnou drsnost – drsnost měřená kolmo na vedlejší pracovní pohyb nástroje, tak i podélnou drsnost – drsnost měřená ve směru dráhy pohybu nástroje.
Graf 4 Porovnání vlivu tvaru nástroje a strategie frézování na drsnost rovinné plochy – příčná drsnost
Graf 4 Porovnání vlivu tvaru nástroje a strategie frézování na drsnost rovinné plochy – příčná drsnost

Z grafického vyjádření vyplývá, že nejkvalitnější povrch dosáhneme při souběžném frézování válcovou čelní frézou. Nejdůležitějším poznatkem je, že nemá žádný význam obrábět rovinnou plochu kopírovací frézou. Pokud je možnost výměny nástroje, rovinné plochy třeba jednoznačně obrábět válcovou čelní frézou.

Měření podélné drsnosti

Jakou drsnost povrchu dosáhneme pokud ji budeme měřit v podélném směru bude pojednáno v následujícím.
Graf 5 Porovnání vlivu tvaru nástroje a strategie frézování na drsnost rovinné plochy – podélná drsnost
Graf 5 Porovnání vlivu tvaru nástroje a strategie frézování na drsnost rovinné plochy – podélná drsnost

Z měření podélné drsnosti vyplývá, že nejkvalitnějšího povrchu dosáhneme při obrobení plochy válcovou čelní frézou. I když při měření podélné drsnosti nejsou až tak zřetelné rozdíly, zda plocha byla obráběná válcovou čelní frézou anebo kopírovací frézou, jako při měření příčné drsnosti.

Za úvahu stojí porovnání maximální výšky nerovnosti při obrábění kopírovací frézou. Hodnota MSH = 0,05 mm odpovídá 50 µm. To by mělo platit pro příčnou drsnost. Analogií by mělo být, že teoreticky požadovaná a nastavená hodnota MSH by měla odpovídat prakticky naměřené hodnotě Rz. Po pravdě řečeno platilo by to při dokonalém obrobení povrchu. V našem případě má vliv na výslednou drsnost jak profil reliéfu povrchu obráběného materiálu, tak i mikrostruktura obrobeného povrchu.

MSH = 0,01 mm

Měření příčné drsnosti

V druhém případě bude nastavená hodnota maximální výšky nerovnosti MSH = 0,01 mm při přípustné odchylce obrábění MT (Machining Tolerance) = 0,01 mm.
 Graf 6 Porovnání vlivu tvaru nástroje a strategie frézování na drsnost rovinné plochy – příčná drsnost
Graf 6 Porovnání vlivu tvaru nástroje a strategie frézování na drsnost rovinné plochy – příčná drsnost

Z grafu vyplývá, že protiběžnost respektive souběžnost frézování nemá výrazný vliv na drsnost obrobené plochy. Hodnoty Ra i Rz klesly oproti MSH = 0,05 přibližně o třetinu. Navzdory tomu vznikl větší rozdíl u nastavení „teoretické výšky nerovnosti“ 0,01 mm t.j. 10 μm. Se zvýšením přesnosti dosáhneme kvalitnější povrch, ale ne úměrně nastavené přesnosti.

Měření podélné drsnosti

Graf 7 Porovnaní vlivu tvaru nástroje a strategie frézování na drsnost rovinné plochy – podélná drsnost
Graf 7 Porovnaní vlivu tvaru nástroje a strategie frézování na drsnost rovinné plochy – podélná drsnost

Při měření drsnosti povrchu v podélném směru jsme dosáhli vyrovnanějších hodnot.
 Obr. 14 Vzorek pro rovinnou plochu, vlevo obrobeno válcovou čelní frézou, vpravo kopírovací frézou
Obr. 14 Vzorek pro rovinnou plochu, vlevo obrobeno válcovou čelní frézou, vpravo kopírovací frézou

Shrnutí poznatků

  • Vliv průměru nástroje - při obrábění válcovou čelní frézou dosahujeme přibližně stejné Rz při obou průměrech frézy D = 5 mm a D = 10 mm.
  • Vliv strategie obrábění – jednosměrným frézováním (protiběžným respektive souběžným) dosahujeme méně kvalitní povrch jak při obousměrném obrábění.
  • Mezi protiběžným a souběžným frézováním není v naměřených hodnotách téměř žádný rozdíl.
  • Vliv tvaru nástroje – jednoznačně nejnižší hodnoty Ra a Rz dosáhneme při obrábění rovinné plochy válcovou čelní frézou než kopírovací frézou. Se snižováním hodnoty maximální výšky nerovnosti MSH při frézovaní kopírovací frézou (snižováním hodnoty výšky nerovnosti) tento rozdíl klesá, ale zvyšuje se čas obrábění.
  • Vliv zvyšování přesnosti obrobeného povrchu (snižování hodnoty maximální výšky nerovnosti) – při obrábění rovinné plochy válcovou čelní frézou nastavení parametru MSH nemá vliv na kvalitu obrobené plochy.
  • Při obrábění rovinné plochy kopírovací frézou zvyšováním přesnosti MSH dosahujeme nižší hodnoty Rz.

Autoři pracují na Strojníckej fakulte TU v Košicích.

Článek byl vypracován v rámci řešení úlohy KEGA 3/4244/06 - Virtuální laboratoř metrologie ve studijním oboru Mechatronika a úlohy VEGA 1/3145/06 Řešení konstruktivního problému - klasický versus evoluční přístup.

Mohlo by vás zajímat:
 

Přidat komentář

Bezpečnostní kód
Obnovit