Sodobne strategije obdelave - Esprit ProfitMilling

Podjetja se nenehno srečujejo z intenzivno konkurenco in nenehno iščejo nove načine, s katerimi bi lahko proizvajali kakovostne dele v krajših časovnih obdobjih in z nižjimi stroški. Povsem jasno je, da podjetja z večjim številom tehnologij in uvajanjem novih tehnologij obdelave proizvajajo tudi bolj kompleksne izdelke, s tem pa povečajo sposobnost podjetja, da za tržišča razvijajo in uvajajo nove izdelke.

Postopek stroje obdelave na CNC-strojih je sestavljen iz priprave vpenjanja materiala, izbire orodja, rezalnih pogojev, strategij obdelave in programiranja. Naloga programerja pa je najti optimalno kombinacijo rezalnih pogojev in strategij obdelave za izbrano orodje glede na obseg proizvodnje, kakovost obdelanih izdelkov in pravočasnost izdelave izdelka, pri tem pa morajo biti stroški izdelave dovolj nizki, da lahko podjetje uspešno posluje. Če spreminjamo optimalno kombinacijo rezalnih pogojev, na primer z izbiro agresivnejših, a še tehnično varnih rezalnih pogojev, se spreminjajo tudi stroški CNC-obdelave, saj se bo učinkovitost obdelave na kratki rok povečala, sčasoma pa se bo produktivnost zmanjšala, ker bo zaradi agresivnih rezalnih pogojev padla obstojnost orodja.

Pomembno je tudi, da zmanjšamo možnost loma orodja, nenadzorovane odrezke in s tem posledično uničene obdelovance, zato izbiramo rezalne pogoje in strategije, ki jih prinašajo realne okoliščine, to je brez vibracij ter deformacij orodja in obdelovanca.

Izbira ustrezne obdelovalne strategije in orodja je za programerja velik izziv, ki pa ga je mogoče rešiti z uporabo inteligentnih, naprednih CAM-sistemov, ki uporabljajo tehnologije z dolgotrajnim stikom orodja z obdelovancem. Idealne vrednosti bi naj bile okoli 85 %, kar dosežemo z optimizirano strategijo in izbiro idealnega premera orodja. Tako danes površinsko frezanje zamenjujemo s spiralnim ali trohoidnim oziroma s kombinacijami različnih strategij.

Omejitve tradicionalne grobe obdelave

Tradicionalna groba obdelava vsebuje ostre kote in velike vprijemne kote, ki znatno povečajo površino orodja v vprijemu. Na primer, orodje je lahko v celoti v vprijemu z materialom ob prvem grobem rezu in v vseh utorih, ki so le nekoliko širši od orodja. O orodju v polnem vprijemu govorimo takrat, ko odvzema material na obeh straneh orodja (100 % premera orodja).

Slika 1: Tradicionalna groba obdelava z večkratno inkrementalno globino 

Polni vprijemni kot orodja se lahko zgodi tudi pri prehodu iz ravnega giba na območja, kjer je oster prehod, kot je na primer vogal, kar povzroči preobremenitev orodja, posledica pa je zmanjšana življenjska doba orodja ali celo lom orodja. Zato je vzdolž celotne poti obdelave treba uporabiti konzervativnejše podajanje, globina rezanja pa se mora znatno zmanjšati, da se izognemo poškodbi orodja.

Slika 2: Polni vprijemni kot orodja

Poleg tega tradicionalna pot orodja izračuna potrebno hitrost podajanja za središče orodja. Pri linearnem gibanju orodja so podajalne hitrosti na rezalnem robu in središču orodja enake. Pri krožnem gibanju orodja pa so hitrosti na rezalnem robu in v središču orodja različne. Zakoni fizike nam pravijo, da se pri gibanju po krožni poti zunanji premer orodja giblje s hitrostjo, ki je drugačna od tiste, ki jo ima središčnica rezalnega orodja. Vse zgoraj navedene omejitve nas prisilijo, da strojne dele s tradicionalnimi strategijami obdelujemo s konservativnejšimi hitrostmi.

Konstantna obremenitev orodja

Ohranjanje konstantne obremenitve orodja med grobo obdelavo preprečuje odklone orodja, ki zmanjšujejo natančnost, kakovost površine in obstojnost orodja. A konstantna obremenitev orodja tudi odpravlja potrebo po zmanjšanju podajalne in vrtilne hitrosti v vogalih.

ESPRIT (CAM-programska oprema podjetja DP Technology) optimizira obremenitev orodja z analizo količine materiala v stiku z orodjem v danem trenutku. Oblika poti orodja je določena tako, da se ohrani konstantna hitrost odvzemanja materiala in odpravlja ostre spremembe poti orodja v smeri odrezavanja. Ker vemo, da opazovani parametri ne bodo presegli določene vrednosti, se podajalna hitrost optimizira do maksimalne vrednosti.

Slika 3: Oblika poti pri konstantni obremenitvi orodja

Prednosti kontrole obremenitve orodja so:

• Optimiziranje produktivnost tako, da se obdelovanec čim hitreje grobo obdela. Odprava ostrih sprememb smeri gibanja orodja omogoča višje podajalne hitrosti.
• Izboljšanje obstojnosti orodja in kakovosti površine. Orodje ni nikoli popolnoma vkopano v material, s čimer se izognemo vibracijam in lomu dragih orodij. Rezilni rob je pri grobi obdelavi v stiku z materialom približno le 5 % rezalnega dela, medtem ko je pri tradicionalni grobi obdelavi 50 %. Izboljšano je tudi hlajenje orodja.
• Povečanje produktivnosti proizvodnje. Pri obdelavi kaljenih materialov, delov s tankimi stenami, kjer je pritisk orodja na stene odločilen dejavnik, lahko izkoristimo celotne zmogljivosti visokohitrostnih obdelovalnih centrov.
• Podaljšanje življenjske dobe stroja. Z manj pritiska in vibracij orodja podaljšamo življenjsko dobo stroja in zmanjšamo stroške vzdrževanja.
• Povečanje učinkovitosti obstoječe opreme. Obdelujemo z višjimi podajalnimi in vrtilnimi hitrostmi ter večjimi globinami rezanja kot pri tradicionalni obdelavi, tudi s starejšimi stroji ali stroji z manjšo močjo ali manjšimi vpenjali za orodja.

S kombinacijo kontrole vprijema orodja in posebne poti gibanja orodja lahko z ESPRIT programsko opremo uporabljamo konstantno obremenitev orodja v naslednjih ciklih frezanja:

• Obdelavi žepov (Pocketing)
• Obdelavi kontur (Contouring)
• 3-osni spremenljivi grobi obdelavi po Z-osi (3-Axis Variable-Z Roughing)
• 3-osni grobi obdelavi kalupov (3-Axis Mold Roughing)
• 5-osni grobi obdelavi (5-Axis Roughing)
• 5-osni obdelavi kanalov (5-Axis Channel Milling)

Kontrola vprijemnega kota

ESPRIT uporablja obdelovalni parameter vprijemni kot (Engagement Angle), ki omogoča uporabniku, da v vsakem trenutku nadzoruje največji kot stika med premerom orodja in materialom. Sistem izračuna pot orodja na podlagi določenega vprijemnega kota. Manjši kot je vrijemni kot, manjše je tudi prekritje reza. Vrednosti za vprijemni kot (Engagement Angle) in prekritje reza (Step Over) so interaktivne. Da ne bi presegli vrednosti prekritja, sistem uporablja za izračun prekritja reza radialno vprijemanje. V operacijah Contouring je parameter imenovan "Full Engage % of Radius".

Slika 4: Kontrola vprijemnega kota

Gibanje orodja za konstantno obremenitev orodja

ESPRIT ponuja za optimizirano obdelavo dve vrsti gibanja orodja, katerih rezultat je enakomerno oziroma gladko gibanje orodja, in sicer:

• trohoidno (Trochoid),
• kombinacijo trohoidnega in spiralnega oziroma vzporednega obliki (ProfitMilling).

Trohoidno gibanje je vedno krožno. Pot orodja se začne kot spirala na največjem področju,
dokler ne doseže največjega polmera, ki se še prilega obliki, nato pa uporabi krivuljo, ki se prilagaja obliki področja.

Slika 5: Trohoidno gibanje orodja

ProfitMilling je strategija visokohitrostne grobe obdelave, ki omogoča znatno večje globine obdelave in bistveno višje vrtilne hitrosti. Namesto kontrole samo enega parametra
ProfitMilling spremlja več bistvenih parametrov rezanja in karakteristik stroja. ProfitMilling strategija izračunava pot orodja glede na prerez odrezka ter stranske sile na orodje, pri tem pa ohranja vprijemni kot orodja in stopnjo odstranjevanja materiala v določenem območju.

Slika 6: Gibanje orodja pri ProfitMilling strategiji

ProfitMilling strategija obdelave

ProfitMilling strategija odstrani omejitve tradicionalne grobe obdelave. Ostri koti so zamenjani z mešanimi gladkimi prehodi orodja. Namesto rezanja orodja s polnim premerom se uporablja trohoidna strategija obdelave, namesto konstantne središčne podajalne hitrosti pa se izračunajo dinamične podajalne hitrosti skozi celotno pot orodja in izkorišča zmogljivosti stroja (pospeševaje in pojemanje) za optimizacijo poti orodja. Z vzdrževanjem konstantne obremenitve orodja, tako da ne presežemo določene vrednosti, se lahko podajalne hitrosti optimizirajo do maksimalne vrednosti. ProfitMilling strategija prav tako izkorišča manjše količine odstranjevanja materiala v kotih, kar odpravlja vibriranje orodja in konstanten vprijemni kot orodja. Prav tako optimira prehodne premike z majhnimi Z-osnimi dvigi, da se prepreči vlečenje orodja na že obdelani površini. Kot posledico teh izboljšav lahko dosežemo globljo, hitrejšo in učinkovitejšo obdelavo, s tem pa drastično zmanjšamo čas obdelave, ker pot orodja vodi orodje na meji svoje zmogljivosti.

Prednosti cikla ProfitMilling so zmanjšanje časov obdelave, podaljšanje življenjske dobe orodja, zmanjšanje časa programiranja, zmanjšane porabe energije in pomembnih izboljšav produktivnosti.

Začetni testi so bili najprej opravljeni na Univerzi v Kaliforniji, v raziskovalnem laboratoriju Davis, skupaj z analizami, izvedenimi pri strankah in partnerjih z orodji. Rezultati testa so pokazali, da ProfitMilling strategija običajno zmanjša čas obdelovalnega cikla za 75 % v primerjavi s tradicionalno koncentrično strategijo grobe obdelave.

Strategija Trochoid je primerna za pravokotne oblike ali oblike brez otokov, ker se lahko določi več spiralnega gibanje orodja. Za nepravilne oblike ali pa oblike z otoki pa dobimo boljši rezultat s ProfitMilling strategijo. V obeh primerih poti orodja so trohoidni gibi povezani z ravnimi gibi, ki so rahlo dvignjeni po osi Z, da orodje ne bi drselo po že obdelani površini.

Slika 7: Pot orodja pri Trochoid strategiji in ProfitMilling strategiji

Trohoidno gibanje v ozkih območjih (utorih) nadzira parameter Trochoidal Radius. Manjši je polmer, bolj trohoidno je gibanje orodja. Najmanjši polmer omogoča praktično omejitev pospeševanja stroja, ki je potrebno za zelo majhne trohoidne premike orodja, ter je izražen kot odstotek premera orodja. Za na primer 40 % premera orodja 10 mm znaša najmanjši polmer trohoidnega gibanja 4 mm.

Slika 8: Gibanje v ozkih področjih in trohoidni polmer

Ko je najmanjši polmer prevelik, sistem samodejno pretvori gibanje orodja v frezanje utora. V tem primeru lahko uporabnik določi strategijo frezanja utora ter za področja, ki jih ni mogoče obdelati z želenim vprijemnim kotom uporablja, različno rezalno hitrost, podajanje in globino rezanja.

Slika 9: Gibanje orodja pri prevelikem trohoidnem polmeru

Obdelavo kotov (vogalov) nadzira parameter "Minimun Corner Radius". To je najmanjša velikost polmera v vogalih. Velik polmer povzroči manjše upočasnitve v vogalih, pa tudi manjše odstranjevanje materiala. Velikost polmera se določi glede na to, kako stroj uporablja pospeševanje in zaviranja gibanja orodja v smeri posamezne osi.

Slika 10: Najmanjši polmer v vogalih

Za operacije konturnega gibanja (Contouring) lahko s trohoidno strategijo omogočimo, da ustvarimo na poti orodja zanke na katerem koli področju, kjer ESPRIT zazna, da je orodje v polnem vprijemu z materialom.

Slika 11: Ustvarjanje zank pri konturnem gibanju

Podajanje za optimalno obdelavo

Za ProfitMilling in Trochoid strategijo obdelave je standardno podajanje mogoče podvojiti ali potrojiti. Na učinkovitost podajanja vplivajo naslednji dejavniki:

• Število zob: kadarkoli je to mogoče, uporabimo orodja z večjim številom zob, da bi dosegli višje podajalne hitrosti. Vendar pa je potrebno za večje podajalne hitrost zmanjšati možnost nabiranja odrezkov med zobmi.
• Hladilna tekočina: hladilna tekočina se na splošno ne priporoča, saj lahko njena uporaba poveča toplotni šok na rezalnem robu. ProfitMilling strategija poti orodja večino nastale toplote prenese v odrezek in stran od orodja ter obdelovanca. Za odstranjevanje odrezkov je priporočljivejši zrak pod visokim tlakom.
• Moč stroja, orodje, material in obdelovalne strategije: ti pogoji določajo, ali je bolje uporabiti večji vprijemani kot z manjšimi podajalnimi hitrostmi ali pa manjši vprijemni kot pri višjih podajalnih hitrostih.
• Strojno pospeševanje in pojemanje: način, kako stroj upravlja pospeševanje in pojemanje interpoliranih gibanj, vpliva na učinkovitost podajalnih hitrosti.

Parameter "Transition Feedrate %" kontrolira podajanje ravnih prehodnih premikov orodja med posamezno trohoidno potjo orodja in so rahlo dvignjeni po osi Z, da orodje ne bi drselo po že obdelani površini. Ker ti premiki potekajo vedno po območjih, ki so že bila obdelana, se lahko izvajajo z znatno višjimi podajalnimi hitrostmi. Vendar pa bo sistem preprečil, da bi podajanje za prehodne premike orodja preseglo najvišjo podajalno hitrost, določeno za trohoidno pot orodja.

Slika 12: Prehodni premiki orodja in dvig orodja po Z-osi

Pri Contouring strategiji, kjer se trohoidno gibanje doda le, kadar je to potrebno, so v operaciji določene podajalne hitrosti in rezalne hitrosti za standardno gibanje orodja, pri čemer se podajalna hitrost podajalnega gibanja za trohoidno pot orodja določi kot odstotek standardnega podajanja. Na primer Full Engage % of Feedrate se lahko nastavi od 150 % do 200 %.

Optimizirana globina rezanja in smer odrezavanja

Večino delov je mogoče obdelovati na globini dvakratnega premera orodja (2xD). Povečanje globine bo povečalo življenjsko dobo orodja, saj je obraba orodja razporejena po celotni dolžini zoba orodja.

Trohoidna pot orodja se običajno uporablja z enosmernim odrezavanjem, ki omogoča istosmerno frezanje. To je optimalna smer za največjo kakovost površine in življenjsko dobo orodja. Vendar pa pri grobi obdelavi, kjer kakovost površine ni tako pomembna, lahko čas obdelave zmanjšamo z izmeničnim istosmernim in protismernim frezanjem.

Za zmanjšanje celotnega časa obdelave uporabimo izmenično (ali cik-cak) trohoidno gibanje, ki odpravlja dolgotrajne premike, programer pa mora določiti, ali je zmanjšanje časov obdelave dovolj, da izravna zmanjšanje kakovosti površine zaradi vibracij orodja na stenah in dnu glede na običajno gibanje orodja (protismerno ali istosmerno). Zmanjšanje časov obdelave je torej odvisno od zmanjšanja števila premikov od prvotne enosmerne poti orodja. Pri uporabi protismernega frezanja je priporočljivo uporabiti manjši vprijemni kot.

Slika 13: Enosmerno frezanje in izmenično (cik-cak) frezanje

Primer uporabe

Srednje poklicne in tehniške šole s področja strojništva so se prvič opremljale s CNC-stroji v devetdesetih letih prejšnjega stoletja, in sicer najprej v šolskem letu 1986/87 kot poizkusno izobraževanje na didaktičnih strojih EMCO Compact 5 CNC (stružnica) in EMCO F1 CNC (frezalni stroj) v takratni litostrojski šoli. Za prenos in shranjevanje programov so se uporabljali namizni računalniki Schneider, s katerimi so s prirejeno programsko opremo tudi računalniško programirali. Pozneje so se še ostale slovenske šole postopoma opremljale s posameznimi zgoraj navedenimi stroji pa tudi z drugimi EMCO didaktičnimi stroji ter s CNC-stroji različnih proizvajalcev.

Drugo opremljanje strojnih šol je potekalo v letu 2003, ko je dvanajst šol dobilo stružnico EMCO Concept Turn 105 in frezalni stroj EMCO Concept Mill 105 s pripadajočo programsko opremo EMCO WinNC ter devet simulacijskih mest s krmilnikom Siemens Sinumerik 840 D. V letu 2005 pa so še ostale šole dobile posamezen stroj, stružnico ali frezalni stroj. Za računalniško podprto programiranje smo večinoma uporabljali takratni Pro/ENGINEER (zdaj Creo) in druge CAM-programe. Z ustanavljanjem Medpodjetniških izobraževalnih centrov (MIC) smo na šole dobili novejše CNC-stroje in ostalo strojno opremo. Da bi lahko maksimalno izkoristili zmogljivosti strojev je bilo potrebno posodobiti tudi programsko opremo. Na naši šoli smo se odločili za ESPRIT, ki ga v Sloveniji zastopa podjetje Audax. Programi, pripravljeni z ESPRIT in uporabo strategije ProfitMilling so omogočali bistveno večje globine frezanja in večje podajalne hitrosti ob manjši potrebni moči stroja, kajti moč šolskega didaktičnega stroja EMCO Mill 250 znaša 6.8 kW. Uporabljali smo običajna orodja iz hitroreznega jekla in karbidnih trdin za lahke obdelovalne pogoje, pri tem pa se je zaradi zmanjšanja vibracij orodja izboljšala kvaliteta površine, zmanjšal pa se je tudi čas obdelave. Zaradi manjših vibracij orodja se poveča tudi življenjska doba stroja.

Slika 14: Izdelki, izdelani s ProfitMilling strategijo

Zaključek

Ko gre za izdelavo visokokakovostnih, natančnih delov, ki naj ne bi zahtevali veliko dragocenega časa, ESPRIT-ova patentirana, pametna in učinkovita ProfitMilling strategija grobe obdelave omogoča odstraniti več materialov v krajšem časovnem obdobju brez zmanjšanja kakovosti in tako daje podjetju več dobička.

Prednosti ProfitMilling strategije so zmanjšanje časa strojne obdelave, podaljšanje življenjske dobe orodja, krajši čas programiranja, zmanjšana poraba energije in pomembne izboljšave produktivnosti - tudi z orodji za lahke in srednje zahtevne obdelovalne pogoje. Z izbiro rezalnih parametrov na optimalni ravni dosežemo maksimalno hitrost odstranjevanja materialov in izdelamo večje količine. Medtem ko pot orodja, izdelana s ProfitMilling strategijo, lahko izgleda podobno tistim, ki jih ponujajo drugi računalniško podprti sistemi (CAM), je pomembno vedeti, da je orodna pot veliko več od položaja orodja in da je dinamično spreminjanje podajanja bistvenega pomena za orodne poti.