Transfer inovácií 26/2013 2013

120

Ing. Peter Ižol, PhD. Ing. Martin Karoľ

Strojnícka fakultaTU v Košiciach Katedra technológií a materiálov

Mäsiarska 74, 040 02 Košice e-mail: Peter.Izol@tuke.sk

Abstract

Machined parts with shaped surfaces are most common components when CAD/CAM systems are used to their production. Nowadays, shaped surfaces are ordinary mark of these parts. Mentioned brings up more attention to tools manufacturing, that give their shape to these parts (forming dies, stamping dies, etc.) The contribution describes the procedure of shaped surfaces creation of tool by milling technology, focusing to optimisation of finishing operation.

Key words: CNC milling, tool path strategies, machining free-form surfaces.

ÚVOD

Usporiadanie dráh nástrojov pri CNC obrábaní tvarových plôch dielcov v rozhodujúcej miere vplýva na kvalitu zhotovovaného povrchu a čas obrábania. Vhodne usporiadané dráhy nástrojov môžu ušetriť výrobný čas, odstrániť nadbytočné obrábanie a redukovať ručné dokončovanie. Napriek tomu je ručné brúsenie a leštenie obrobených plôch často nevyhnutné na dosiahnutie požadovanej drsnosti. Vhodné stratégie obrábania ale môžu významne znížiť množstvo tejto práce, rovnako ako zodpovedajúci čas i náklady [4].

Napriek zložitým tvarom nástrojov, odovzdávajúcich svoj tvar výrobkom (formy, zápustky a pod.), pre ich výrobu často postačuje 3-osové frézovanie [2, 5, 7]. Je to dané spôsobom využívania týchto tvarových nástrojov, pri ktorom výlisok či výkovok musí byť bez problémov vyberateľný z dutiny nástroja alebo stiahnuteľný z vystupujúceho tvaru nástroja. Smer vyberania alebo stiahnutia výlisku či výkovku je rovnobežný s osou frézy, zhotovujúcej dutinu či výstupok tvarového nástroja [3]. Vyberaniu výrobkov napomáhajú aj úkosy na bočných stenách tvarových nástrojov.

Pri dokončovacom obrábaní tvarových plôch na trojosových CNC frézovačkách sú najčastejšie používanými nástrojmi kopírovacie

frézy. Kopírovacie frézy ale nepatria k veľmi produktívnym nástrojom a o to viac vystupuje do popredia dôležitosť efektívnych dokončovacích stratégií. Obrábaný materiál, dostupné nástroje a zodpovedajúce rezné podmienky neposkytujú veľký priestor pre optimalizáciu. Obrábacie stratégie ale môžu byť volené, kombinované a upravované tak, aby sa dosahovali čo najlepšie výsledky.

V ďalšom texte je popisovaný spôsob výroby tvarovej časti nástroja pre podtlakové tvarovanie plastov. Pri dokončovacej operácii, realizovanej jednou z najviac používaných frézovacích stratégií, sa poukazuje na význam jedného z parametrov, voleného pri definovaní tejto stratégie. V závere je popísaná úprava postupu zhotovovania NC programu, umožňujúca zvýšiť kvalitu zhotovovaných plôch.

PODTLAKOVÉ TVAROVANIE PLASTOV

Vákuové (podtlakové) tvarovanie plastov je technológia určená pre výrobky jednoduchších tvarov bez veľkých nárokov na rozmerovú presnosť. Vákuovým tvarovaním za tepla sa zhotovujú rôzne kryty, nádoby, obaly a pod. Veľký význam má táto technológia práve pre výrobcov obalov rôznorodých výrobkov. Princíp technológie pozitívneho tvarovania je na obr. 1.

Obr. 1 Princíp pozitívneho podtlakového

tvarovania [1]

OPTIMALIZÁCIA DOKONČOVACEJ FRÉZOVACEJ OPERÁCIE PRI VÝROBE TVAROVÉHO NÁSTROJA

OPTIMISATION OF FINAL MILLING OPERATION AT SHAPING TOOL MANUFACTURING

Transfer inovácií 26/2013 2013

121

Na stole (1) stroja je upnuté pozitívne kopyto (2), tvarom zodpovedajúce budúcemu výrobku. Plastová doska je upnutá do rámu (3) a ohrievacím zariadením zohriata na tvarovaciu teplotu (a). Následne sa rám s doskou natiahne cez kopyto, resp. stôl stroja vtlačí kopyto do ohriatej dosky (b). V ďalšej fáze (c) sa vytvorí podtlak v priestore medzi doskou a kopytom. Po tomto kroku získa výťažok konečný tvar [1].

Pre overenie výroby kopyta popisovaného nástroja bolo navrhnutých viacero tvarov plastových výliskov. Jeden z návrhov spolu s tvarovým nástrojom je zobrazený na obr. 2.

Obr. 2 Plastový výlisok s tvarovou časťou nástroja

pre podtlakové tvarovanie Ďalší z návrhov je na obr. 3. V tomto

prípade je nástroj určený pre výrobu obalov s dvoma dutinami.

Obr. 3 Plastový výlisok s tvarovou časťou nástroja pre podtlakové tvarovanie

Pre realizáciu výroby bol zvolený druhý variant s dodatočnými úpravami dna dutín výlisku. Pre overenie navrhnutého postupu bol 3D model kopyta zmenšený v mierke 1:2. Overenie výroby sa realizovalo na tomto zmenšenom modeli [6]. Materiálom modelu nástroja bola hliníková zliatina 42 4201 (AlCu4Mg).

VÝROBA MODELU

Výroba modelu kopyta bola realizovaná na 3-osovej CNC frézovačke, pre ktorú bol riadiaci program navrhnutý systémom SolidCAM. Pre zhotovenie tvaru kopyta boli využité tri operácie: hrubovacia, preddokončovacia a dokončovacia. Hrubovanie sa realizovalo frézovacím nástrojom priemeru 8 mm, stratégiou kontúra s toleranciou presnosti tvaru 0,1 mm. Pre nasledujúce operácie bol ponechaný prídavok 1 mm. Analýza zvyškového materiálu po simulácii hrubovacieho obrábania je znázornená na obr. 4.

Obr. 4 Analýza zvyškového materiálu po

hrubovaní Pri preddokončovaní sa použil nástroj

priemeru 6 mm. V parametroch stratégie konštantné Z (resp. Z úrovne obrábania) boli nastavené nasledujúce hodnoty: prídavok pre nasledujúcu operáciu 0,1 mm, konštantný krok v smere osi Z 0,75 mm, bočný krok 1,5 mm (v rovine X - Y, pre rovinné plochy) a tolerancia presnosti tvaru 0,1 mm. Priebeh simulácie preddokončovacieho obrábania je znázornený na obr. 5, zodpovedajúci reálny stav z výroby je na obr. 6.

Dokončovanie bolo realizované kopírovacou frézou priemeru 4 mm. V parametroch stratégie konštantné Z sa nastavila premenlivá vzdialenosť medzi dráhami v smere osi Z tak, aby výška nerovností na zvislých, šikmých i zaoblených plochách dosahovala 0,01 mm. Rovnaká dovolená výška nerovností bola predvolená aj pre rovinné plochy, orientované v smer osí X - Y. Pre toleranciu presnosti tvaru sa zadala hodnota 0,01 mm.

Transfer inovácií 26/2013 2013

122

Obr. 5 Priebeh simulácie preddokončovacieho obrábania

Obr. 6 Priebeh preddokončovacej operácie

Dve navrhnuté alternatívy dokončovania sa líšili len parametrom, v použitom CAM systéme nazvanom Dokončenie Z roviny. Parameter môže mať len dva stavy – zapnuté alebo vypnuté. Pri zapnutom dokončení Z rovín sú dráhy generované tak, že nástroj obchádza všetky plochy obrobku, nachádzajúce sa v aktuálnej Z-ovej výške. Pri viacerých vystupujúcich objemoch obrobku nástroj preskakuje z jednej časti na druhú v tejto Z úrovni. Vypnuté dokončenie Z rovín generuje dráhy nástroja tak, aby sa súvisle obrobil každý jednotlivý výstupok obrobku.

Časť dráh nástroja, získaných pri prvej alternatíve dokončovania, je znázornená na obr. 7. Zhusťovanie dráh nástroja v smere osi Z, vyvolané snahou systému dodržať zadanú výšku nerovností na zaoblených plochách nižšieho z výstupkov, sa prejavilo aj na šikmých plochách vyššieho výstupku. Sprievodným javom je aj zvýšený počet premiestnení nástroja medzi oboma výstupkami. Tieto presuny sú realizované rýchloposuvom – na obrázku čiary znázornené červenou farbou.

Obr. 7 Dráhy nástroja pri zapnutom parametri dokončenie Z roviny

Na obr. 8 je zobrazená analýza stavu

získaného povrchu, v spodnej časti obrobku je pre porovnanie ešte prídavok z predošlej operácie. Vplyv zhusťovania dráh nástroja v smere osi Z je badateľný, ale výraznejšie sa to na nerovnostiach povrchu neprejavilo. Detailný pohľad na zhotovený model kopyta je na obr. 9.

Obr. 8 Analýza nerovností povrchu

Obr. 9 Detail výrobku s viditeľným prejavom vplyvu zhusťovania dráh nástroja

Transfer inovácií 26/2013 2013

123

Dráhy nástroja, vygenerované pri druhej alternatíve (vypnuté dokončovanie Z roviny), sú zobrazené na obr. 10. Badateľná je výrazná redukcia pohybov nástroja bez obrábania, čo viedlo k skráteniu času dokončovacej operácie o 15%. V oblasti, ktorá je na úrovni zaoblených plôch nižšieho výstupku, došlo pri tejto alternatíve naopak k zväčšeniu vzdialenosti medzi dráhami nástroja v smere osi Z.

Obr. 10 Dráhy nástroja pri vypnutom parametri dokončenie Z roviny

Na obr. 11 je znázornená analýza stavu

povrchu po tejto alternatíve dokončovacej operácie. Aj v tomto prípade je vplyv väčšej vzdialenosti medzi dráhami nástroja badateľný, aj keď bez výraznejšieho prejavu na nerovnostiach povrchu.

Obr. 11 Analýza nerovností povrchu

Obidve popisované alternatívy sú využiteľné pri reálnej výrobe. Nepravidelné stopy po nástroji, badateľné na zhotovenom povrchu, sú odstrániteľné pri následnom brúsení a leštení povrchu. Spoliehanie sa na záverečné ručné operácie ale zvyšuje celkový výrobný čas i náklady na zhotovenie tvarového nástroja. V ďalšej časti je naznačený postup, umožňujúci redukovať tieto činnosti.

NÁVRH ÚPRAV

Pri popisovanom postupe bola oblasť pre dokončovacie obrábanie definovaná tak, aby obsahovala všetky tvarové plochy budúceho výrobku – obr. 12. Obrobenie všetkých plôch v danej oblasti bolo potom realizované jednou operáciou.

Obr. 12 Pôvodná oblasť pre dokončovacie

obrábanie

Úprava spočíva v rozdelení obrábanej oblasti na tri menšie časti, z ktorých každá je zhotovovaná samostatne vlastnou operáciou. Prvé dve oblasti zahrnujú jednotlivé výstupky (obr. 13), tretia oblasť definuje podstavu pod výstupkami.

Obr. 13 Samostatné oblasti pre každý z výstupkov

Dráhy nástroja pre obrobenie väčšieho

z výstupkov sú zobrazené na obr. 14. Dráhy sú usporiadané rovnomerne, neovplyvnené okolitými plochami.

Analýza stavu povrchu je znázornená na obr. 15. Prvý bol zhotovený menší výstupok (vpravo), na následne zhotovovanom väčšom výstupku sú nerovnosti povrchu rovnomerné.

Transfer inovácií 26/2013 2013

124

Obr. 14 Rovnomerné dráhy nástroja

Obr. 15 Analýza nerovností povrchu

ZÁVER

Popisovaná úprava NC programu prispieva k zlepšeniu vzhľadu zhotovovaných plôch a zabezpečuje rovnomernú drsnosť povrchu na všetkých zhotovovaných plochách. V prípadoch, keď sú kladené zvlášť vysoké požiadavky na kvalitu povrchu, umožňuje navyše redukovať zdĺhavé a nákladné ručné dokončovanie. Čas NC programátora, strávený vytváraním a dolaďovaním dokončovacích operácií, je kompenzovaný zvýšením kvality zhotovovaných plôch a znížením nákladov na ďalšie operácie.

Komplexné geometrie súčasných výrobkov si vynucujú potrebu riešiť zložitejšie výrobné problémy a to hlavne pri zhotovovaní povrchov foriem a tvárniacich nástrojov. Riešenia sú často sú realizovateľné pomocou CAM systémov, obsahujúcich množstvo nástrojov, umožňujúcich vytvárať, modifikovať a optimalizovať frézovacie operácie.

Literatúra

[1] Lenfeld, P.: Technologie II. Zpracování plastů [online]. Liberec: TU, FS [cit. 2013-06-13]. Dostupné na Internete <http://www.ksp.tul.cz/ cz/kpt/obsah/vyuka/skripta_tkp/sekce_plasty/08.htm>.

[2] Yan, S. - Shuilai, W. - Shuiguang, T.: Uneven offset method of NC tool path generation for free-form pocket machining. In: Computers in Industry. 2000, č. 43, s. 97–103.

[3] Merdol, S. D. - Altintas, Y.: Virtual cutting and optimization of three-axis milling processes. In: International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2008, č. 48, s. 1063– 1071.

[4] Ramos, A.M. - Relvas, C. - Simões, J.A.: The influence of finishing milling strategies on texture, roughness and dimensional deviations on the machining of complex surfaces. In: Journal of Materials Processing Technology. 2003, č. 136, s. 209–216.

[5] Chen, C.Z. – Song, D.: A practical approach to generating accurate Iso-Cusped tool paths for three-Axis CNC Milling of sculptured surface parts. In: Journal of Manufacturing Processes. Roč.. 8, 2006, č. 1.

[6] Karoľ, M.: Frézovacie stratégie a ich využitie pri výrobe tvarovo zložitých súčiastok. Diplomová práca. Košice: TU SjF, 2012, 85 s.

[7] Pokorný, P. - Šimna, V.: The proposal of a system for determining the characteristics of modeled surfaces. In: Tehnicki Vjesnik - Technical Gazette. Roč. 19, 2012, č 1, s. 197-199.

Článok vznikol s podporou projektu

VEGA 1/0500/12 „Výskum zlepšovania kvality frézovania tvarových plôch pokročilými povlakovanými nástrojmi“.