Pokročilé simulácie CNC virtuálneho obrábania na zvyšovanie produktivity

  • 15.02.2018
  • Spracovanie plastov
Pokročilé simulácie CNC virtuálneho obrábania na zvyšovanie produktivity

CNC obrábanie tvarovo zložitých dielov, aké reprezentujú typicky formy, predstavuje komplexné úlohy, v ktorých sa stretávajú požiadavky na produktívnu výrobu pri súčasne vysokých požiadavkách na kvalitu a presnosť povrchov. Kvalitná príprava NC dát, ich odbavenie na stroji a realizácia obrábania sú hlavnými fázami procesu, v ktorom môžu vznikať rôzne úrovne chýb. Cieľom produktívneho obrábania je minimalizácia chýb pri súčasnej minimalizácii výrobných nákladov.

CNC obrábění

Produktivitu obrábění lze ovlivnit na mnoha úrovních procesu přípravy a realizace obrábění. Každý typ obrobku klade specifické požadavky, pro něž je potřeba zvolit vhodné podmínky obrábění. V první řadě se jedná o volbu způsobu upnutí dílce a výběr tvarů nástrojů, s nimiž bude možno vyrobit produktivně požadované tvary.

Navazujícím krokem je volba strategie dráhy nástroje, která souvisí úzce s výběrem řezných nástrojů a řezných podmínek. V této fázi přípravy obrábění je možno významně ovlivnit budoucí produktivitu procesu např. použitím strategií drah s kratšími časy obrábění, vedoucími ale obvykle k vyššímu zatížení nástroje a jeho zkrácené životnosti, nebo drah s nižším silovým zatížením a vyšší živostností nástroje.

Poměr mezi cenou strojního času a cenou nástrojového vybavení rozhoduje o vhodnosti příslušné volby. V tomto příspěvku přiblížíme potenciál zvyšování produktivity obrábění zejména na straně stroje a jeho řízení s využitím vyšší úrovně znalosti chování celého systému stroje. Moderní CNC stroj představuje typický mechatronický systém s vazbami mezi CNC řízením, řízením pohonů, mechanickou stavbou pohonů, nosnou strukturou a vlastním řezným procesem (Obr. 1). Proces přípravy a realizace obrábění prochází kroky tvorby CAD modelu obrobku, jeho interpretace CAM systémem do NC dat, interpolace CNC řídicím systémem stroje, řízením pohonů a jejich interakce s mechanickou stavbu stroje a řezným procesem.

Kvalita uvedených vazeb rozhoduje o celkovém výsledku obrábění, přičemž jakýkoliv nesoulad v nastavení se může projevit zhoršenou kvalitou a přesností ploch dílce, nebo delšími časy obrábění. Produktivita, jakost a přesnost obrábění jsou pro daný stroj ovlivnitelné kvalitou NC dat, nastavením interpolátoru CNC, řízením pohonů a volbou technologických parametrů obrábění (Obr. 2).

Význam této problematiky stoupá zejména s velikostí a cenou obrobků. Snaha o řešení obvyklým postupem cestou pokus – omyl je zdlouhavá a nákladná a nevede k optimálnímu výsledku, který nezaručí ani využití dosavadních zkušeností. V případech, kdy má vzniknout pouze jeden exemplář velkého obrobku není ani možno postup experimentálního ladění řízení stroje a nastavení řezného procesu realizovat. Ve zvyšování produktivity obrábění tak zůstává nevyužitý potenciál, který může dosahovat až několika desítek procent. Při nákladech na provoz moderních strojů v řádech tisíců korun a cenách obrobků v řádech stovek tisíc korun i více se jedná o možnosti nezanedbatelných úspor.

Obr. 1: CNC obrábění je výsledkem řetězce vazeb CAD/CAM přípravy NC dat, řízení stroje s jeho mechanickou stavbou a řezného procesu 
   Obr. 1: CNC obrábění je výsledkem řetězce vazeb CAD/CAM přípravy NC dat, řízení stroje s jeho mechanickou stavbou a řezného procesu 
Obr. 2: Parametry ovlivňující na daném stroji výsledky obrábění 
   Obr. 2: Parametry ovlivňující na daném stroji výsledky obrábění 

Zdroje chyb CNC obrábění

V běžné praxi jsou NC data dráhového řízení na základě CAD modelu obrobku připravována pomocí CAM systémů. Dostupná je dnes široká škála komerčně dostupných softwarových nástrojů CAD/CAM, postprocesorů a případně dalších nástrojů pro postprocesní kontrolu NC dat.

Strategii obrábění volí technolog podle charakteru a složitosti obrobku, návrh řezných podmínek vychází z použitého typu nástroje a doporučení řezných rychlostí.

I přes nasazení výkonných nástrojů CAD/CAM softwarové podpory se ovšem výsledky skutečného obrábění často výrazně liší od CAM simulací.

Obvykle dochází při skutečném obrábění k nárůstu celkového času obrábění nad úroveň CAM predikce. Rozdíly skutečných časů obrábění od predikovaných v CAM mohou dosahovat až desítek procent. Příčina těchto rozdílů spočívá v nezahrnutí skutečného chování CNC řídicího systému stroje do CAM simulací.

Další omezení při použití standardních CAM nástrojů ve vazbě na zvyšování produktivity obrábění vyplývají z chybějící znalosti skutečné dynamiky soustavy stroj – nástroj – obrobek:

  • Nejsou známy dynamické vlastnosti stroje a nástroje
  • Nejsou známy dynamické vlastnosti obrobku
  • Nejsou známy projevy silové interakce poddajného nástroje s poddajným obrobkem.


Díky tomu není možno vhodně přizpůsobit řezné podmínky chování soustavy stroj – nástroj – obrobek a vzniká riziko zvýšených vibrací, nebo naopak nevyužité tuhosti soustavy.

Další významný příspěvek ke kvalitě výsledků obrábění představuje nastavení parametrů CNC řízení stroje. Vhodnou volbou parametrů zrychlení, osových a dráhových jerků, nebo dalších vyšších funkcí lze významně ovlivnit produktivitu, přesnost a jakost obrobeného povrchu.

Posledním článkem v řetězci vazeb na straně stroje je řízení pohonů, jejichž nastavení může mít významný dopad na kmitání soustavy stroj – nástroj – obrobek.

Kvalitní regulace pohonů stroje ovlivňuje nejen jakost a přesnost povrchu dílce, ale sekundárně i celkový čas obrábění.

Virtuální model stroje a simulace obrábění

Komplexita výše uvedených vazeb a optimalizace obrábění je motivací vývoje pokročilých virtuálních modelů strojů a virtuálního obrábění.

Cílem je vytvoření simulačních modelů, které umožní relevantně predikovat skutečné výsledky obrábění a díky zahrnutí všech částí řetězce vazeb řízení – mechanická stavba stroje včetně jeho kmitání (Obr. 3) umožní identifikovat zdroje chyb obrábění, simulovat interakci nástroje s obrobkem a pomáhat účinně optimalizovat nastavení řídicího systému stroje, řízení pohonů, nebo technologických parametrů.

V České republice je takto koncipovaný softwarový systém virtuálního modelování strojů unikátní a je vyvíjen na základě vlastního výzkumu na půdě ČVUT v Praze, RCMT.

Obr. 3: Schéma virtuálního modelu stroje pro simulace virtuálního obrábění 
   Obr. 3: Schéma virtuálního modelu stroje pro simulace virtuálního obrábění 

Aplikace virtuálního obrábění

Přínos virtuálního modelu stroje vystihuje ukázka vizualizace části povrchu zkušebního dílce (Obr. 4). Zatímco CAM simulace CL dat ukazuje téměř nulové odchylky od referenčního CAD modelu (Obr. 4 vlevo), na simulaci s využitím skutečného CNC řídicího jsou dobře patrné v přechodových částech povrchu chyby nedořezáním materiálu vlivem dynamiky interpolátoru (Obr. 4 uprostřed). Zahrnutí modelu stroje a pohonů ukazuje realistické překmity, vzniklé dynamikou systému stroje (Obr. 4 vpravo).

 Obr. 4: Různé úrovně simulace dat dráhového řízení: zcela vlevo CAM simulace CL dat, uprostřed CNC simulace s využitím virtuálního jádra skutečného CNC systému a vpravo simulace pomocí virtuálního modelu stroje. Vizualizaci reálných stop nástroje umožňuje pouze virtuální model. Znázorněny jsou odchylky od výchozího CAD modelu. 

   Obr. 4: Různé úrovně simulace dat dráhového řízení: zcela vlevo CAM simulace CL dat, uprostřed CNC simulace s využitím virtuálního jádra skutečného CNC systému a vpravo simulace pomocí virtuálního modelu stroje. Vizualizaci reálných stop nástroje umožňuje pouze virtuální model. Znázorněny jsou odchylky od výchozího CAD modelu

 

Obr. 5: Výsledky simulací virtuálního obrábění (vpravo) věrohodně zachycují stopy nástroje při skutečném obrábění (vlevo)

 

   Obr. 5: Výsledky simulací virtuálního obrábění (vpravo) věrohodně zachycují stopy nástroje při skutečném obrábění (vlevo)

 

Pomocí virtuálních modelů jsou řešeny optimalizační úlohy pro zkracování časů při současném zachování požadované kvality a přesnosti, nebo úlohy zvýšení kvality a přesnosti obrábění. Ukázku optimalizace jakosti obráběného povrchu ukazuje Obr. 6. Vhodným nastavením vyšších funkcí v CNC řídicím systému stroje Siemens 840 D se podařilo docílit podstatného zvýšení jakosti povrchu a současně zkrácení času obrábění.

Na příkladu velkosériové výroby letecké součástky z Al slitin, vyráběné ve fi rmě AXA CNC STROJE, se podařilo změnami v nastavení interpolátoru CNC systémy a regulace pohonů dosáhnout zkrácení výrobního času o 20 % na výsledných 28 minut. Získaná úspora času umožnila firmě ušetřit kapacitně jednu směnu při paralelní výrobě na dvou strojích. Jiným příkladem je využití virtuálního modelu pro optimalizaci CNC interpolátoru a NC kódu na pětiosé frézování kompresorového kola z Al slitiny. Při požadavku zachování maximálních chyb přesnosti povrchu do 0,04 mm byl čas obrábění jedné mezilopatkové mezery zkrácen o 58 % ze 6 min. na 2,5 min.

Obr. 6: Optimalizací nastavení parametrů CNC řízení je možno dosáhnout významného zvýšení kvality a přesnosti obrábění. Vlevo ukázka původního nastavení a vpravo optimalizovaného 

   Obr. 6: Optimalizací nastavení parametrů CNC řízení je možno dosáhnout významného zvýšení kvality a přesnosti obrábění. Vlevo ukázka původního nastavení a vpravo optimalizovaného

 


Shrnutí

CNC obrábění tvarových ploch představuje rozsáhlé úlohy optimalizace strategie obrábění, nastavení interpolátoru CNC systému stroje, řízení pohonů a řezných podmínek, jejichž cílem je dosažení vysoké produktivity, kvality a přesnosti obrábění. RCMT nabízí v této oblasti komplexní podporu ve všech fázích návrhu a realizace obrábění s podporou pokročilých simulací virtuálního obrábění.

Tuto problematiku rozebíral Ing. Matej Sulitka na semináři Formy a Plasty Brno 2017, pořádaném firmou SVOBODA:


  • autor:
  • Ing. Matej Sulitka, Ph.D., ČVUT v Praze, Fakulta strojní, RCMT
  • JAN SVOBODA s.r.o.

    JAN SVOBODA s.r.o.

    Komplexné dodávky polotovarov pre formy na plasty,  nástroje na  lisovanie plastov a ľahkých kovov, obrábacie nástroje.



Mohlo by vás tiež zaujímať

  • Technológia vstrekovania plastov s podporou plynu (GIT)

    Technológia vstrekovania plastov s podporou plynu (GIT)

    • 14.03.2019
    • Spracovanie plastov

    Oblasť vstrekovania plastov má k dispozícii celý rad technológií umožňujúcich dosiahnuť požadovaný tvaru a kvalitu výrobku. Patrí sem aj metóda vstrekovania s podporou plynu (Gas Assisted Injection Moulding / Gas Injection-Technology - GIT), ktorá spočíva v privedení plynu (dusíka) do jadra...

  • Bioplasty: Sľubné, ale drahé

    Bioplasty: Sľubné, ale drahé

    • 13.03.2019
    • Spracovanie plastov

    Jedným z biologických plastov, ktoré v posledných rokoch vyvolali veľký záujem, je PHA produkovaný baktériami. PHA nie je len jeden, ale rodina prirodzene sa vyskytujúcich biopolyesterov s potenciálom nahradiť rad bežných fosílnych...

  • PP KOVANDA: Nové technológie a trendy sušenia hygroskopických plastových materiálov

    PP KOVANDA: Nové technológie a trendy sušenia hygroskopických plastových materiálov

    • 07.03.2019
    • Spracovanie plastov

    Sušenie a vysúšanie materiálu je neoddeliteľnou súčasťou vedúcou ku kvalite finálneho produktu, teda výlisku. Pre kvalitné spracovanie plastov je potrebné zvoliť vždy adekvátnu sušiacu zostavu a to nie len vzhľadom k spotrebe daného materiálu, ale treba zohľadniť aj správny princíp samotného...

  • Fillamentum uvádza na trh polyvinylchlorid vhodný pre 3D tlač

    Fillamentum uvádza na trh polyvinylchlorid vhodný pre 3D tlač

    • 05.03.2019
    • Spracovanie plastov

    Fillamentum, česká firma, ktorá na svetovom trhu patrí k špičke vo výrobe strún do 3D tlačiarní, uvádza do predaja už dlho očakávaný filament Vinyl 303. Polyvinylchlorid, na ktorého vývoji Fillamentum spolupracovalo s nemeckou značkou Nakano, bol uvedený do predaja 4. marca...



 

Archív článkov