Optimalizace frézování dutiny formy

Tags: CAM

pro laminování krytu kola ultralehkého letadla
Dnešní CAM systémy nám umožňují bohatý výběr strategií dráhy nástroje jak pro obrobení obrobku nahrubo, tak i pro finální dokončení tvaru obrobku načisto. Zároveň každá z nabízených strategií nám poskytuje zadání množství parametrů, jakož i nastavení různých přepínačů, které mají vliv jak na kvalitu obrobeného povrchu, tak i na čas obrábění. Samozřejmě jsou tu ještě řezné podmínky, které závisí na doporučených řezných rychlostech pro vybraný nástroj a obráběný materiál.

Největší devizou CAM-NC programátora je co nejdetailnější znalost parametrů jednotlivých strategií obrábění, jakož i jednoznačnost zadání obráběného povrchu. Všechna tato nastavení, včetně definování řezných podmínek, mají vliv na čas obrábění a zároveň na dosaženou kvalitu obrobené plochy.

Frézování dutiny formy

V následujícím bude poukázáno na vhodnost výběru ptimální strategie pro obrobení daného varu, jakož i optimálního nastavení parametrů vlivňujících kvalitu povrchu.

Postup výběru jednotlivých strategií bude ukázán na dutině formy pro laminování aerodynamického krytu kola ultralehkého letadla. Všechny stavy byly simulovány v CAD/CAM CATIA V5 R16.

Součástka byla obrobena dvěma operacemi. Obrobením polotovaru na hrubo válcovou čelní stopkovou frézou průměru D = 10 mm a následně obrobením tvaru na čisto kopírovací frézou průměru D = 10 mm. Frézovaná bude tvrzená papírová hmota.

     
Obr. 1 Kryty kol ultralehkého letadla

Obr. 2 Tvar krytu kola

Obr. 3 Polotovar a požadovaný tvar

Operace obrábění na hrubo

Výběr strategií a vliv jednotlivých nastavení na čas obrábění.

V prvním případě bylo rozhodnuto o odebrání materiálu stylem „ZIG-ZAG“ a následným konturováním tvaru v dané vrstvě (Part contouring – Pc = ON, obr. 4, 5). Maximální hloubka úběru materiálu v jedné vrstvě byla nastavena na 10 mm, vzhledem k tomu, že se jednalo o lehce obrobitelný materiál. Strategie dráhy pohybu nástroje, jakož i čas obrábění bude zpracován souhrnně tabulkově i graficky. V tomto případě by při 50% překrytí drah nástroje (PD = 50%, obr. 6), tzn., že při průměru nástroje D = 10 mm by překrytí drah představovalo 5 mm, byl čas obrobení povrchu 11 hodin a 40 minut.

Vzhledem k tomu, že hrubujeme válcovou čelní frézou, můžeme hodnotu překrytí změnit na 25 %. V takovém případě by se nám čas obrábění zkrátil na 8 hodin a 7 minut. Ušetřili bychom cca 3 hodiny a 33 minut.

V následujícím bude simulován případ při té samé definici parametrů, až na to, že bude upuštěno od konturování každé vrstvy (Part contouring – Pc = OFF, PD = 25 %, obr. 7, 8).

Čas trvání operace se zkrátil na 7 hodin a 30 minut, čímž jsme ušetřili 30 minut strojového času.

V dalším bude ukázka strategie Spiral (obr. 9), přičemž materiál bude odebíraný zvenku dovnitř v jednotlivých vrstvách. Čas trvání operace byl 7 hodin a 40 minut.

Dále ještě byly použity strategie Concentric a Helical. Časy těchto operací budou uvedeny v tabulce i v grafu.
   
Obr. 4 Definování operace obrábění na hrubo strategií ZIG-ZAG a Part contouring ON

Obr. 5 Výsledný tvar obrobení na hrubo při konturování každé vrstvy

Obr. 6 Definice překrytí drah nástroje (PD)

Obr. 7 Definování operace obrábění na hrubo strategií ZIG-ZAG a Part contouring OFF

Obr. 8 Výsledný tvar obrobení na hrubo při upuštění od konturování každé vrstvy

Z tabulky jednoznačně vyplývá, že nejvhodnější strategií pro hrubování je metoda pohybu nástroje ZIG-ZAG, bez konturování obvodu v každé vrstvě a s 25% překrytím nástroje. Rozdíl mezi nejkratším a nejdelším časem činí 252 minut, což je v přepočtu 4 hodiny a 12 minut.

Obr. 9 Obrábění strategií Spiral

Operace obrábění načisto

Výběr strategií a vplyv jednotlivých nastavení na čas obrábění.

Strategie Sweeping

Jako první byla vybrána volba Sweeping. Jde o obrobení tvarové plochy, přičemž nástroj se bude pohybovat paralelně s rovinou YZ. Bude poukázáno, jaký vliv má na čas obrobení plochy nesprávně definovaná geometrie obráběného tvaru.

Hodnota maximální výšky nerovnosti byla nastavena na MSH = 0,25 mm. Tvar byl obrobený kopírovací frézou s průměrem D = 10 mm. Maximální vzdálenost mezi 2 následujícími dráhami (Max. distance between path – MD) byla nastavena na 2 mm.

Obr. 10 Nesprávný výběr obráběné plochy – nedefinovaná limitní křivka plochy

Obr. 11 Správný výběr obráběné plochy – korektně definovaná limitní křivka plochy

Na první pohled je zřejmé, že čas obrobení plochy cca 12 hodin 50 minut je příliš dlouhý. Pokud se podíváme na zeleně znázorněnou dráhu nástroje (obr. 10) a na obrobení plochy načisto na obr. 11, je zřejmé, že nástroj obrábí rovinnou plochu „naprázdno“. Této situaci se dá předejít definováním limitní křivky, jak tomu je na obr. 11. Následně vidíme, že nástroj už neobráběl „naprázdno“ rovinnou plochu, ale šel jen po okraj tvarové plochy, čímž se čas obrábění zkrátil na polovinu, což je cca 6 hodin a 15 minut. Tento případ jasně ukazuje, jak je důležité znát možnosti funkcí a jak důležité je správné definování obráběného povrchu.

Navzdory tomu, že čas operace obrábění načisto byl zkrácen z 12 hodin na 6 hodin, jsou ještě rezervy, kde by se dalo uspořit. Jedná se o dilema, jestli má smysl přímo na frézce dosáhnout finálního tvaru, respektive jestli nám postačí obrobení tvaru s větší povolenou maximální výškou nerovnosti, ale za kratší čas. Finální kvalita povrchu bude dosažena jinými dokončovacími technologiemi – broušením, respektive leštěním.

V následujícím kroku byla zvětšena hodnota výšky nerovnosti z MSH = 0,25 mm na MSH = 0,75 mm, při maximální vzdálenosti dvou po sobě následujících drahách nástroje na MD = 3 mm. Při tomto nastavení se čas zkrátil na cca 4 hodiny a 15 minut, což je úspora 2 hodin oproti předešlému nastavení.

Poslední optimalizace strategie Sweeping bude s nastaveními, jak je na obr. 12, tj. MSH = 0,75 mm a MD = 4 mm. Při tomto nastavení jsme dosáhli času 3 hodiny a 10 minut. Což je další úspora 1 hodiny a 5 minut oproti předešlému nastavení. Vizualizace kvality povrchu při dvou různých nastaveních parametrů MSH a MD je na obr. 13.

V následujícím budou analyzovány ještě dvě strategie, a to Zlevel a Contour Driven.

Obr. 12 Dialogové okno nastavení parametrů MSH a MD

Strategie Zlevel – konstantní Z výška

Analýza ukazuje, že čas je při zachování ostatních parametrů obrábění téměř dvojnásobný – 6 hodin a 10 minut.

Strategie Contour Driven

Při této strategii zadáme obráběnou plochu a její limitní křivku. Následně vybereme konturu, kterou bude uzavřená křivka, a orientace obrábění bude určená na základě definování čtyř po sobě následujících bodů.

Hodnoty nastavených parametrů zůstávají jako při předešlých strategiích, aby bylo možné porovnat časy obrábění. Obrábění touto strategií by trvalo 9 hodin. Z následující tabulky dole vidíme, že mezi nejkratším a nejdelším časem při obrábění načisto je rozdíl 578 minut, což činí úsporu 9 hodin a 38 minut.

Obr. 13 Vizualizace obrobeného povrchu při dvou různých nastaveních MSH = 0,25 mm, MD = 2 mm (vlevo) a MSH = 0,75 mm, MD = 4 mm (vpravo)
 
Obr. 14 Vizualizace obrobeného povrchu při strategii Zlevel (vlovo) a Obr. 15 Vizualizace obrobeného povrchu při strategii Contour Driven (vpravo)

Obr. 16 SH (Scallop Height) – parametr nastavení výšky nerovnosti

Závěr

Celkový čas obrobení (nahrubo + načisto) poloviny dutiny formy při optimálních podmínkách z časového hlediska činil 640 minut, což je 10 hodin 40 minut.

Při nejnevhodnější kombinaci by obrábění trvalo 1470 minut, což je 24 hodin a 30 minut. Celková úspora času při porovnání nejvhodnější a nejnevhodnější kombinace při obrábění nahrubo a při obrábění načisto by tak činila 13 hodin a 50 minut. Celkem se jedná téměř o poloviční úsporu času.

Dokonalá znalost nastavení jednotlivých parametrů a přepínačů, jakož i definování správné strategie dráhy nástroje má velký vliv na čas obrábění a ekonomiku provozu.

Operace obrobení nahrubo je vhodné vykonat s co největším průměrem nástroje a s co možno nejmenším překrytím dvou po sobě následujících drah. Při obrábění načisto je nutno jednoznačně definovat obráběný tvar a jeho hraniční konturu v daném softwaru.

Článek byl vypracován v rámci řešení úlohy VEGA 1/0401/08 – Metódy 3D modelovania s uvažovaním využitia virtuálnych simulačných CA – technológií.

Autor pracuje na SjF TU v Košicích.