Ako vyu�i� potenci�l obr�bac�ch strojov na 110 a viac percent

Regionální technologický institut p�i Západo�eské univerzit� v Plzni ve spolupráci se spole�nostmi SolidCAM CZ a ISCAR �R uspo�ádal zajímavý seminá� za ú�elem porovnání dvou rozdílných frézovacích strategií. Výsledky poukázaly na nep�ehlédnutelný vliv t�chto strategií na efektivitu obráb�ní a sni�ování náklad�.

Progresivní frézovací strategie

Tyto technologie v tomto testu zastupuje technologie iMachining z dílny software SolidCAM (Izrael). Technologii iMachining vyu�ívá v �eské republice a na Slovensku pro ú�ely svého programování nejen Iscar, ale také Guehring, WNT, Taegutec �i Tungaloy a v neposlední �ad� i spole�nost Dormer Pramet.

Technologie iMachining

Frézovací strategie iMachining je moderní technologie ur�ená pro optimalizaci obráb�ní zejména s monolitními karbidovými nástroji s vyu�itím celé �ezné �ásti nástroje. Podstatou strategie je automaticky p�izp�sobovat dráhu nástroje a rychlost posuvu i otá�ek tak, aby se pr��ez t�ísky v pr�b�hu procesu obráb�ní pokud mo�no nem�nil (konstantní �ezný odpor). Tento maximální po�adavek není zcela splnitelný, nicmén� se k n�mu dá dostate�n� p�iblí�it. Spolu s �ízením bo�ního kroku (opásání nástroje) jsou �ízeny i otá�ky a posuv s cílem konstantního pr��ezu t�ísky. Typická je velká hloubky �ezu, b�n� >2D, co� má p�íznivý vliv na sní�ení vibrací a menší opot�ebení nástroje.

Díky výkonným algoritm�m mohou programáto�i volit mnohem vyšší �ezné a posuvové rychlosti ne� p�i klasickém frézování, ovšem �asto za cenu komplikovan�jší a delší dráhy nástroje. Obráb�ní celým bokem nástroje (b�n� do hloubky 2xpr�m�r nástroje) s malým bo�ním úb�rem a optimalizovanými rychlostmi vede k vyšší efektivit� obráb�ní, kratším �as�m a je velice šetrné k nástroji i v�etenu (nízké rázy a vibrace). Efektivita se o n�co sni�uje ve chvíli, kdy se obrábí do menších hloubek – p�i malém záb�ru v ose Z je �ezný odpor celkov� nízký a neklade nároky na nástroj ani p�i pou�ití
standardní technologie. Ú�inné a efektivní generované dráhy nástroje jsou vhodné pro obráb�ní tvrdých, t�ko obrobitelných, korozivzdorných, nástrojových a exotických materiál�.

Seminá� ISCAR-Z�Ú-SolidCAM

V laborato�ích Regionálního technologického institutu se uskute�nil ojedin�lý seminá�, jeho� cílem bylo porovnat standardní frézovací strategie s technologií iMachining, která je dostupná v CAM �ešení SolidCAM. Program akce sestával ze dvou �ástí: v teoretické �ásti p�estavili programáto�i oba p�ístupy, pou�ité nástroje a �ezné podmínky. Jak standardní programy, tak technologie iMachining, ji� byly odlad�ny v p�edchozích zkušebních testech, aby se i prakticky dosáhlo maxima výkonu pro ka�dou z technologií. Odpoledne pak následoval poslední, ostrý srovnávací test.

Výchozí podmínky experimentu byly originální, jednalo o obrobení tého� dílu za konstantních podmínek. Stroj a nástrojové vybavení byly toto�né. Obráb�ní se lišilo pou�itím frézovacích strategií a vyu�ití jejich potenciálu v souladu s �eznými podmínkami a výkonem obráb�cího stroje. Srovnávacím kritériem byly strojní �as a opot�ebení nástroj�. Cílem pak bylo jediné – porovnat rozdílné programovací (obráb�cí) koncepty a získané poznatky pak um�t správn� pou�ít v praktické výrob�.

Tvar dílu a volba materiálu

Experimentální díl obsahuje otev�enou kapsu i vn�jší konturu. Velikost a tvar jsou vid�t na výrobním výkresu (obr. 1). Výstupek ve tvaru písmene U byl zám�rn� vysoký 16 mm, aby mohl být obrobený celou �eznou délkou nástroje. Nástroje z �ady ChatterFree pro provedení experimentu dodala spole�nost ISCAR �R, která se podílela na experimentu a také na programování standardní frézovací strategie.

Obr. 1 – Výkres dílu

Polotovar byl zvolen ze �ty� r�zných materiál� r�zné pevnosti, tvrdosti a také obrobitelnosti: referen�ní ocel C45 (12 050.1), korozivzdorná ocel 1.4404 (17 349), nástrojová ocel �íhaná na m�kko 1.2343 (19 552) a Toolox 44.

Mechanické vlastnosti materiál� jsou uvedeny v tab. 1.

Tab. 1 – Mechanické vlastnosti

Polotovarem byla válcovaná ty� o Ø 90 x 30, na které bylo p�ed experimentem vyfrézováno osazení pro upnutí do sv�ráku.

Obr. 2 – Polotovar upnutý ve sv�ráku na stole obráb�cího centra DMU 65 MonoBlock

Ocel C45 (12 050) je známá jako referen�ní materiál ocelí pro stanovení t�ídy obrobitelnosti. Pou�ívá se pro mén� namáhané strojní díly ve stavu zušlecht�ném nebo normaliza�n� �íhaném. Obrobitelnost je ve stavu po válcování ztí�ená vlivem zvýšené pevnosti. Pro obráb�ní je vhodn�jší stav �íhaný na m�kko.

Chrom-niklová austenitická ocel 1.4404 (17 349) má nízký podíl uhlíku a vysokou odolnost proti korozi. Ocel je dob�e obrobitelná, nicmén� je to nerez, co� hovo�í za vše.

Chrom-molybdenová ocel 1.2343 (19 552) se pou�ívá pro pohyblivé díly jádra a jiné �ásti forem pro tlakové lití slitin hliníku a velké série odlitk�. Je dob�e obrobitelná ve stavu �íhaném na m�kko, co� byl stav, v jaké byla testována.

Toolox je kalená nástrojová ocel s nízkým zbytkovým pnutím, a proto má dobrou rozm�rovou stálost. Dle normy DIN EN ISO je její alternativní ozna�ení 1.2342/1.2344. A�koliv má pom�rn� vysokou tvrdost i mez pevnosti a hou�evnatost, tak je velmi dob�e obrobitelná.

Frézovací strategie

Cílem experimentu bylo porovnat standardní frézovací strategie s technologií iMachining. Standardní offsetové technologie mají své známé nevýhody, jako je m�nící se pr��ez odebírané t�ísky (s tím souvisí prom�nný �ezný odpor). Rovn� dochází ke špatnému odvodu t�ísek, co� má za následek vznik opot�ebení a sní�ení trvanlivosti nástroje. Oproti tomu byly pou�ity nástroje ISCAR ChatterFree s prom�nnou geometrií b�it� i šroubovice, co� umo��ovalo silové obráb�ní ve velké hloubce i p�i plném opásání nástroje. Klasická technologie tak mohla odevzdat své skute�né maximum.

Trajektorie nástroje standardní frézovací strategií pro obrobení experimentálního dílu je uvedena na obr. 3.

Obr. 3 – Trajektorie nástroje standardní frézovací strategií

Obr. 4 – Trajektorie nástroje efektivní frézovací strategie iMachining

Obráb�cí stroj

Experiment se uskute�nil v laborato�i Regionálního technologického institutu, který je vybaven p�tiosým CNC frézovacím centrem DMG Mori DMU 65 MonoBlock (obr. 5). Parametry stroje velmi d�le�ité pro stanovení omezujících kritérií a optimalizace procesu obráb�ní – vyu�ití potenciálu stroje.

Maximální p�ípustné otá�ky stroje jsou 18 tisíc za minutu. Frézka dosahuje výkonu 35 kW, krouticí moment je 85 Nm a pro upnutí nástroj� se pou�ívá ku�el HSK A 63.

Obr. 5 – P�tiosé CNC frézovací centrum DMU 65 MonoBlock

Nástrojové vybavení

Materiály polotovar� vy�adují ostré nástroje s kladným �ezným úhlem �ela eliminující vibrace. Zvoleny byly monolitní karbidové hrubovací frézy �ady ChatterFree (obr. 6), které eliminují vibrace i p�i v�tším vylo�ení. Nástroje k provedení testu dodala spole�nost ISCAR �R.

Obr. 6 – Monolitní karbidová fréza ISCAR ChatterFree

�ezné podmínky

Pro obráb�ní standardní frézovací strategií byly zvoleny �ezné podmínky na základ� doporu�ení dodavatele �ezných nástroj� (ISCAR) a podle u�ivatelských zkušeností. Parametry se rovn� odvíjely podle materiálových vlastností uvedených v tab. 1.

Tab. 2 – Pou�ité �ezné podmínky pro frézování standardní strategií

�ezné podmínky pro obráb�ní strategií iMachining byly zvoleny podle Technologického pr�vodce, který je sou�ástí �ešení SolidCAM. Podle vlastností materiálu, zejména pevnosti a podle specifikace stroje se dopo�ítávají optimální �ezné podmínky automaticky. V tabulce 2 si m��ete všimnout, �e pro materiály 12 050 a 19 552 byly omezujícím kritériem maximální otá�ky stroje.

Tab. 3 – Pou�ité �ezné podmínky pro frézování strategií iMachining

Výsledky obráb�ní

Srovnávacím kritériem frézování dílu byl strojní �as (tab. 4). Zajímavé výsledky si vysv�tlíme podrobn�ji.

Tab. 4 – Strojní �as

Podíváme-li se na výsledky obráb�ní materiálu C45 tak zjistíme, �e jsou srovnatelné, co� se dalo p�edpokládat. Jedná se dob�e obrobitelnou ocel, kterou lze obráb�t celou �eznou �ástí nástroje (axiální hloubka �ezu ap je maximální – ap = 16 mm). V p�ípad� standardní frézovací strategie byla zvolena radiální hloubka záb�ru ae = 0,8 · D, nebyl však vyu�itý potenciál stroje – maximální výkon.

Svou roli na cest� za lepším výsledkem sehrála menší tuhost testovacího (p�tiosého) stroje, která neumo�nila lepší výsledek - nástroj m�l ješt� rezervy. Rezervy m�l ale i program u technologie iMachining, kde je vid�t, �e u pevn�jších materiál� bylo dosa�eno lepších �as�. Zde se bralo v potaz, �e hlavní m��ení sil bude u náro�n�jších materiál� a ocel 12 050 byla pro ob� technologie „rozcvi�kou“.

Test však ukázal, �e u dob�e obrobitelných materiál� bude zále�et na povaze obráb�ní, aby se výhody technologie iMachining mohly projevit. Konstantn� hluboký �ez vyhovoval výborn� i nástroj�m ChatterFree p�i klasické technologii. Mo�ný p�ínos by mohlo znamenat ni�ší opot�ebení nástroj� p�i technologii iMachining, ale testy nemohly tento parametr postihnout.

Korozivzdorná ocel 1.4404 (17 349)

V p�ípad� standardní frézovací strategie musela být axiální hloubka záb�ru ap rozd�lena do dvou vrstev z d�vodu horší obrobitelnosti a menší tuhosti testovaného stroje. Pro úplnost hodnocení je toto pot�eba zd�raznit, proto�e tuhost stroje zde byla limitující pro nástroj, který by jinak hluboký �ez zvládl, mo�ná s ni�šími posuvy. Ale i schopnost vyrovnat se se strojem je výhodou technologie iMachining. Ta op�t vyu�ila celé �ezné délky nástroje (ap = 16 mm) a potenciál obráb�cího stroje v souladu s �eznými podmínkami. U této nejh��e obrobitelné oceli se výhody technologie iMachining projevily nejvíce.

Nástrojová ocel 1.2343 (19 552)

Ob� strategie vyu�ily celou �eznou �ást nástroje, �íhaná nástrojová ocel šla dob�e obráb�t. Nástroje ChatterFree odvedly vynikající práci p�i obráb�ní plným pr�m�rem nástroje, technologie iMachining však p�esto dosáhla a� o t�etinu lepšího �asu. Tato výhoda �asu spolu s ni�ším opot�ebením nástroje by se výrazn� projevila nap�íklad u rozsáhlých hrubovacích operací forem.

Toolox 44

Podobn� jako u korozivzdorné oceli 1.4404 musela být axiální hloubka �ezu ap u standardní frézovacístrategie rozd�lena do dvou vrstev a nebyl pln� vyu�itý potenciál monolitní karbidové frézy. V tom hrála op�t úlohu ni�ší tuhost stroje, nicmén� iMachining tuto nevýhodu dokázal eliminovat a p�esv�d�iv� obrobil v kratším �ase. I zde bychom mohli poukázat na výhodnost hrubování u forem, na které se materiál Toolox pou�ívá.

Opot�ebení nástroj�

U pou�itých nástroj� bylo po ukon�ení testu zm��eno opot�ebení a to konkrétn� opot�ebení na h�betu b�itu. B�hem obráb�ní nebylo dosa�eno konce trvanlivosti nástroj�. Nutno podotknout, �e velikost maximálního p�ípustného opot�ebení pro zv�tšující se pr�m�ry nástroj� nar�stá, tedy nástroje v�tších pr�m�r� mohou stále ješt� efektivn� pracovat i s vyšším opot�ebením.

Vznik opot�ebení je ovlivn�n velikostí �ezného odporu, v závislosti na �ezné rychlosti, dob� kontaktu b�itu s obráb�ným materiálem b�hem �ezu a také celkovou dobou obráb�ní. Frézy pr�m�r� 12 a 16 mm obráb�ly klasickou technologií p�i rychlostech standardn� pou�ívaných pro obráb�né materiály, s v�tšími bo�ními úb�ry, které byly na hranici tuhosti soustavy stroj – nástroj - obrobek*.

Fréza pr�m�ru 8 mm obráb�la metodou iMachining s extrémn� vysokou rychlostí, ale s výrazn� ni�ším bo�ním krokem a tedy i s ni�ším zatí�ením nástroje. Maximální opot�ebení fréz bylo nam��eno mikroskopem Multicheck PC500. Fréza pr�m�ru 8 mm
m�la opot�ebení na h�betu VB = 50 μm po obrobení 4 vzork� s celkovým �asem �ezu 6 minut 48 sekund.

Fréza o pr�m�ru 12 mm m�la opot�ebení na h�betu VB = 25 μm po obrobení 2 vzork� s celkovým �asem �ezu 3 minuty 3 sekundy. Fréza pr�m�ru 16 mm m�la opot�ebení na h�betu VB = 40 μm po obrobení 2 vzork� s celkovým �asem �ezu 7 minut 26 sekund.

Na nam��ených hodnotách je vid�t, �e opot�ebení všech nástroj� je pom�rn� malé, co� ukazuje na vhodn� zvolené �ezné podmínky. Je ale t�eba vzít v úvahu, �e fréza pr�m�ru 8 mm obrobila všechny 4 vzorky. Dalším faktem je, �e v p�ípad� strategie iMachining je mo�né dosáhnout shodného výsledku obráb�ní s ni�šími náklady na �ezné nástroje, nebo� cena nástroje pr�m�ru 8 mm je výrazn� ni�ší ne� cena nástroje 12 mm nebo dokonce 16 mm.

Záv�r

Srovnávací test výborn� ilustroval vlastnosti obou technologií a jako takový poslou�il k získání neocenitelných zkušeností pro p�íští aplikace t�chto technologií. Je zjevné, �e význam technologie iMachining roste se zhoršující se obrobitelností materiálu (korozivzdorná ocel a kalená nástrojová ocel Toolox 44) a s mo�ností dosáhnout velké hloubky �ezu ap. Technologie prokázala šetrnost k nástroj�m, vysoký výkon a rovn� výhody predikovatelnosti �ezných podmínek, co� se projevilo v ni�ší spot�eb� �asu na p�ípravu a programování. Nastavení �ezných podmínek pro tento typ technologií zatím neobsahuje �ádný katalog nástroj�, a ani to není mo�né, proto�e se otá�ky i posuvy b�hem obráb�ní dynamicky m�ní. Rovn� praktických zkušeností ješt� není v�dy dost, proto se jeví automatické nastavení �ezných podmínek v �ešení iMachining jako naprosto zásadní vlastnost. V p�ípad� obráb�ní tvar� nebo hlubších �ez� si p�itom iMachining sám volí i dynamicky i hloubky �ezu (technologie „step-up“ u 3D iMachiningu)

Tyto vlastnosti jsou pak d�vodem, �e spole�nost ISCAR �R i Západo�eská Univerzita Plze� za�adily technologii iMachining do svého arzenálu nástroj� pro výrobu i výuku.