VLIV ŘEZNÝCH PODMÍNEK NA KVALITU OBROBKU A ZATÍŢENÍ VŘETENA PŘI BROUŠENÍ NA 5-TI OSÉ BRUSCE SVOČ FST 20017

Transkript

1 VLIV ŘEZNÝCH PODMÍNEK NA KVALITU OBROBKU A ZATÍŢENÍ VŘETENA PŘI BROUŠENÍ NA 5-TI OSÉ BRUSCE SVOČ FST Bc. Jindřich Farský, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, Plzeň Česká republika ABSTRAKT Tato studie se zabývá ověřením vlivu řezných podmínek na kvalitu povrchu, její geometrickou přesnost a zatížení vřetene při broušení obecných tvarový ploch na 5-ti osé brusce ANCA MX7. Kdy zároveň je v této práci vytvořen NC program v softwaru NX s postprocesorem od společnosti ANCA. Jelikož se jedná o broušení obecných tvarových ploch, je vybrán jako představitel implantát horní části kolenního kloubu pro experiment. Cílem této práce je vytvořit funkční program pro broušení vybraného představitele, s tím souvisí i konstrukce upínacího přípravku a navržení technologie. Dále pak navržení experimentu a jeho provedení. Zároveň je tímto částečně ověřen nový postprocesor, jelikož se jedná o první broušení tohoto druhu na nástrojařské brusce ANCA MX7, která je umístěna na hale RTI. KLÍČOVÁ SLOVA Broušení, 5tiosá bruska, kvalita povrchu, geometrická přesnost, zatížení vřetene, NX. ÚVOD V dnešní době je potřeba docílit přených rozměrů a vysoké kvality povrchu na součástech, které jsou tvarově složité. Proto je potřeba se věnovat broušení obecných tvarových ploch, které je možné brousit na více osých bruskách. Jednou z těchto brusek je také nástrojařská bruska ANCA MX7, na které je možné pomocí softwaru NX s postprocesorem ANCA brousit právě takovéto libovolné tvarové plochy. To nese s sebou samozřejmě spousty úskalí, jak v samotném programování, tak i při procesu broušení. Cílem této práce je ověření možnosti broušení obecných tvarových ploch na vybraném představiteli, kterým je horní část kolenního kloubu. A také provedení experimentu, který je zaměřený na závislost řezných podmínek na kvalitu povrchu a zatížení vřetene. Kdy kvalitou povrchu je myšleno její drsnost a geometrická přesnost. V souvislosti s tímto je měřeno opotřebení brusného kotouče na jeho řezné části a zavedení průměrové korekce do programu. VYBRANÁ SOUČÁST Na obrázku níže (Obrázek 1), je zobrazena horní část kolenního implantátu. Vnější obalová plocha (zvýrazněná oranžovou barvou) této součásti je vhodným představitelem obecné tvarové plochy. Polotovar pro broušení je vyroben na 3D tiskárně z martenzitické oceli (X3NiCoMoTi18-9-5), která je značená od výrobce 3D tiskárny EOS MaragingstealMS1. Obrázek 1: Součást Knee_implant 1

2 PŘEDSTAVENÍ EXPERIMENTU Jak již bylo v úvodu zmíněno cílem této práce je provést experiment v závislosti řezných podmínek na kvalitě povrchu a zatížení vřetena. Pro správné navržení tohoto experimentu je potřeba si uvědomit jaké parametry budou mít největší vliv na broušený povrch a na ty se zaměřit. Z řezných parametrů jsou vybrány na provedení experimentu tyto 3 proměnné. Jedná se o axiální posuv, který je nastavován pomocí funkce maximal scalop height, neboli maximální výška výstupku, která vzniká mezi jednotlivými dráhami brusného kotouče. Jako druhá proměnná je zde vybrána řezná rychlost, která je limitována maximálními otáčkami stroje a nástroje. Jako třetí proměnou je posuvová rychlost, která je zvolena v nižších hodnotách, jelikož se jedná o prvotní broušení tohoto typu na tomto stroji. Při tvorbě programu bylo zjištěno, že brusným kotoučem není možné obrobit zadní část broušené plochy bez kolize. Proto bylo potřeba přidat další proměnou a to vyklopení brusného kotouče v rotační ose C. Proto finální počet proměnných pro experiment jsou 4. Jednotlivé parametry jsou zobrazeny v tabulce (Tabulka1), kde jsou přímo hodnoty a kombinace jednotlivých proměnných mezi sebou. Tabulka2ukazuje hodnoty použité pro připravení povrchu součásti pro experiment. Poslední hodnota (označena jako "hr4") v této tabulce má stejné řezné parametry jako první experiment. A to kvůli ověření posuvu drah v radiálním směru od osy upínacího přípravku. Experiment Test sc [mm] v c [m/s] v f [m/min] a e [mm] 1 0, , , ,05 4 0, , , , ,05 8 0, Tabulka1: Hodnoty experimentu Příprava povrchu pro experiment Test sc [mm] v c [m/s] v f [m/min] a e [mm] hr1 0, hr2 0, ,1 hr3 0, hr4 0, ,05 Tabulka2: Hodnoty přípravy povrchu Hodnoty zde uvedené v tabulkách, jsou použity pro provedení experimentu, který je zaměřený na kvalitu povrchu a zatížení vřetene. Kvalitou povrchu je zde myšlena drsnost broušené plochy a její geometrická přesnost. Dalším parametrem, který je sledován, je opotřebení brusného kotouče. A to z důvodů neovlivnění experimentu chybou opotřebení kotouče. PŘÍPRAVA EXPERIMENTU Jak bylo již zmíněno před samotným provedením technologie, bylo potřeba zvolit technologii broušení tak, aby mohl být proveden experiment bez kolize. V níže uvedeném textu budou představeny potřebné kroky k vytvoření funkčního programu pro provedení experimentu. Navrţení technologie Pro vytvoření vhodné technologie broušení je potřeba provést jeho základní návrh.při správném navržení technologie je poté možné provést experiment, tak aby nebyl ovlivněn chybami, které by do něj byly vneseny. Mezi návrh technologie lze zařadit definici ploch, které budou broušeny a jejich způsob broušení. Dále pak definici brusného nástroje a kinematiku stroje. Jak již bylo zmíněno v kapitole zabývající se představením součásti, broušené plochy na vybrané součásti jsou její vnější obalové, které jsou zobrazeny na obrázku oranžovou barvou (Obrázek 1). Pro broušení těchto ploch je nejvhodnější použít strategii "zig-zag", neboli strategie kdy nástroj koná pohyb tam a zpět, vždy posunutý o boční krok. Jako další potřebnou informací je typ brusného kotouče, který je rádiusový o průměru 100 mm, šířkou 6 mm a rádiusem R3 s brusivem z kubického nitridu bóru vázaný v pryskyřičném pojivu. Toto složení umožňuje brousit s řeznou rychlostí až 63 m/s. Vybraný brusný kotouč je zobrazen na obrázku (Obrázek2). Jako poslední důležitou věcí je potřeba znát kinematiku daného stroje, v tomto případě,nástrojařské brusky ANCA MX7. Kdy se jedná o 5-ti osou brusku s maximální otáčky vřetene /min. Základní princip stroje je zobrazen na kinematickém schématu stroje (Obrázek3). 2

3 Obrázek2: Rádiusový brusný kotouč Obrázek3: Kinematické schéma brusky [1] Upínací přípravek Pro přesné broušení bylo potřeba navrhnout upínací přípravek (Obrázek4), který lze upnout do kleštiny stroje. Proto je základní tvar přípravku válcovitého charakteru. Ve středná části tohoto přípravku, je dosedací plocha pro součást, která je tvořená z rovinné plochy se dvěma dírami pro šrouby. Tato plocha je zároveň rovnoběžná s referenční plochou, která je umístěna v přední části přípravku. Referenční plocha slouží pro nastavení upínacího přípravku se součástí na stroji, pokaždé do stejné polohy. Zároveň tato plocha poté slouží pro zaručení opakovatelnosti upnutí na souřadnicoví měřicí stroj a drsnoměr. Obrázek4: Upínací přípravek Tvorba programu v softwaru NX Jak již bylo zmíněno, tak až při tvorbě programu bylo do návrhu experimentu přidána další proměnná a to vyklopení brusného kotouče o 30 v druhé polovině součásti. Jelikož v první variantě programu byla součást broušena bez vyklopení, ale při kontrole kolizí bylo zjištěno, že dochází ke kolizi upínacího přípravku s nástrojovým vřetenem, jak je zobrazeno na obrázku (Obrázek5). Z tohoto důvodu bylo potřeba vyklopit vřeteno o 30, aby nedocházelo ke kolizi. Obrázek5: Kolize přinevyklopení vřetena Obrázek6: Kolize bokubrusného kotouče Druhá úprava programu byla u vnitřního rádiusu, kdy docházelo kvůli vyklopení kotouče ke kontaktu neřezného boku brusného kotouče se součástí, jak je zobrazeno na obrázku (Obrázek6). Z tohoto důvodu byla vyřazena plocha vnitřního rádiusu z broušených ploch. Po odstranění těchto kolizních stavů již je program vyhovující pro provedení experimentu. 3

4 V rámci tvorby programu je potřeba provést také jeho převedení do čitelného formátu pro zvolený stroj. K tomuto slouží interní postprocesor od společnosti ANCA, který vygeneruje z vytvořených drah nástroje interní NC data, která jsou již čitelná pro stroj. Broušení součásti při experimentu Takto vytvořený program, bylo potřeba nejdříve vyzkoušet na stroji tzv. "na sucho". To znamená, že broušení je prováděno v ručním režimu, kdy nástroje je odsazen od součásti o zvolenou hodnotu (např. o 10 mm) a brusný proces je vykonán bez kontaktu nástroje s obrobkem, zobrazeno na obrázku (Obrázek7). Takto se kontroluje, zdali program je v pořádku a nedochází ke kolizím, které by mohli být přehlédnuté i po kontrole v softwarech, ve kterých je NC program vytvořen. Po této kontrole je již program prohlášen za funkční a provést klasické broušení, jak je zobrazeno na obrázku (Obrázek8). Jedna z výhod této kontroly je vidět při porovnání těchto dvou obrázků, protože při kontrole není puštěna technologická kapalina, takže je zcela zřetelně vidět veškerý pohyb nástroje a obrobku v pracovním prostoru. Obrázek7: Kontrola programu v reţimu "Na sucho" Obrázek8: Experimentální broušení HODNOCENÍ VÝSLEDKŮ Opotřebení brusného kotouče Opotřebení brusného kotouče je sledováno kvůli nezanesení chyby do průběhu experimentu, jelikož při broušení dochází k tzv. jevu "samoostření což způsobuje zároveň i opotřebení brusného kotouče. Zároveň u nového brusného kotouče dochází k velkému opotřebení povrchové vrstvy, jelikož brusná zrna nejsou tak pevně vázána mezi sebou pomocí pojiva. Tomuto jevu se říká tzv. "zaříznutí nástroje", kdy dochází k vysokému opotřebení v krátké době. Jakmile proběhne toto "zaříznutí", opotřebení brusného kotouče již není tak vysoké. Tento jev je zobrazen v grafu (Obrázek9), kdy je zřetelné, že při přípravě povrchu (hrubování) je opotřebení brusného kotouče vysoké a až po jeho ustálení je provedeno experimentální broušení. Toto opotřebení je korigováno pomocí průměrové korekce nástroje v programu stroje, aby bylo zabráněno zanesení chyby do experimentu. Obrázek9: Graf průběhu opotřebení 4

5 Posunutí od výchozího modelu [mm] Drsnost povrchu Jako jeden z hlavních parametrů kvality povrchu je její drsnost.u tohoto hodnocení je sledována dosahovaná drsnost u jednotlivých řezných parametrů a následně je porovnána mezi sebou. Kdy pro každý experiment bylo provedeno změření drsnosti povrchu na několika vybraných místech na součásti a následně udělán aritmetický průměr těchto hodnot. Z těchto hodnot je na grafu (Obrázek10) patrné, že při broušení se dosahuje lepší kvality při broušení vyšší posuvovou rychlostí. Také je zde viditelný rozdíl u broušení, kde je rozestup mezi dráhami větší (sc 0,005) je dosahováno lepšího povrchu při nižší řezné rychlosti. Naopak tomu je u druhého typu broušení kde dráhy jsou blíže k sobě (sc 0,001). Jelikož drsnost povrchu není definována pouze hodnotou Ra, je dobré použít pro jeho vyhodnocení také další parametry. Proto bylo vyhodnocení provedeno s parametry Rq a Rz, kdy průběhy hodnot byly velmi podobné, jako u parametru Ra. Obrázek10: Graf průměrné drsnosti Ra Geometrická přesnost Jako další parametr, který určuje hlavně přesnost broušené plochy je její geometrická přesnost. Pomocí souřadnicového měřícího stroje je snímán povrch součásti v 8 řezech, které jsou od sebe natočeny o 30 až 45. V každém řezu je poté snímán povrch součásti v několika bodech. Tyto hodnoty jsou poté dále zpracovány a je z nich vypočtena průměrná hodnota bodů v daném řezu. Na grafu (Obrázek11) je zobrazena geometrická přesnost pro první experiment, kdy červenou barvou je ideální hodnota, které by se mělo dosáhnout při tomto broušení. Dále pak modrou barvou jsou zde vyznačeny hodnoty, kterých bylo dosaženo v jednotlivých řezech bez vyklopení brusného kotouče a zelenou barvou jsou pak vyznačeny hodnoty při vyklopení brusného kotouče. Jak je patrné z grafu, geometrická přenosnost zde neodpovídá broušenému povrchu. Proto bylo potřeba provést kontrolní vyhodnocení posunutí drah mezi jednotlivými operacemi. 1,2 1,15 1,1 1,05 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 1,0617 1,0583 0,9076 0,9057 0,9017 0,9051 1,0860 1,0875 1,0734 1,0755 1,0929 1,1013 0,8734 Obrázek11: Graf geometrickápřesnostexp 01 0,8483 0,8578 0, Pozice řezu Ideální hodnota C = 90 C = 60 5

6 Zatížení vřetene [%] Vzdálenost posunutí drah [mm] Geometrická přesnost posunutí drah Jak bylo řečeno, bylo potřeba provést ověření geometrické přesnosti posunutí drah mezi jednotlivými operacemi, jestli opravdu jsou dráhy posunuty o 0,05 mm v radiálním směru. Toto ověření je nutné provést u dvou nebo více experimentů, který mají stejné řezné podmínky. V tomto případě se jedná o poslední přípravné broušení povrchu a první experimentální broušení, kdy jsou řezné podmínky totožné. Jak je patrné z grafu (Obrázek12) hodnoty při nevyklopení brusného kotouče (modrá barva) je odchylka přibližně 0,004 mm. Tento výsledek znázorňuje, že bez vyklopení zde není chyba, jelikož tato hodnota může být ovlivněna chybou přesnosti měření souřadnicového měřícího stroje, která může být až 0,003 mm. Na rozdíl od hodnoty při vyklopení brusného kotouče, kdy průměrná hodnota odchylky je 0,011 mm. Tato hodnota se již nedá považovat za správnou z hlediska geometrické přesnosti, které by se mělo dosahovat při broušení. 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,0487 0,0480 0,0476 0,0450 0,0426 0,0428 0,0451 0,0440 Ideální hodnota C = 90 0,03 0,02 0,0370 0,0398 0,0398 0,0385 0,0351 0,0375 0,0378 0,0370 C = 60 0, Obrázek12: Graf geometrické přesnosti posunutí drah Pozice řezu Zatíţení vřetene Jako poslední vyhodnocovaným parametrem je zatížení vřetene. Při broušení jednotlivých experimentů, je do grafu zaznamenáváno procentuální zatížení vřetene. Z tohoto grafu je pak určena střední hodnota zatížení pro jednotlivé řezné rychlosti. Je potřeba také říci, že již samotné roztočení brusného kotouče má vliv na zatížení vřetena, proto je pro jednotlivé řezné rychlosti změřeno zatížení při běhu brusného kotouče bez procesu broušení tzv. "na prázdno". Kdy tato hodnota je pak odečtena od hodnot z broušení a je tak dána procentuální velikost zatížení pouze procesem broušení.na grafu (Obrázek13) je zobrazen průběh zatížení při řezné rychlosti 40 m/s. Kdy je patrné že zatížení je rozdílné bez vyklopení a při vyklopení. Červenou přímkou je pak vyznačeno zatížení od odstředivé síly při roztočeném brusném kotouči. 5,9 6 5,8 5,7 5,6 5,5 5,4 5,3 5,2 5,1 4,9 5 4,8 4,7 4,6 4,5 vc = 40 m/s Obrázek13: Graf zatíţení přiřezné rychlosti 40 m/s C = 90 C = 60 Na prázdno Pozice řezu 6

7 Pro lepší porovnání velikosti zatížení je zde uveden sloupcový graf (Obrázek14) s průměrnými hodnotami zatížení pro řeznou rychlost 30 a 40 m/s. Kdy od zatížení při procesu broušení je odečteno zatížení od odstředivé síly při běhu kotouče na prázdno.jak je možné si povšimnout, tak s rostoucí řeznou rychlostí zatížení vzrůstá. Vzniklé zatížení je zde dosahuje opravdu minimálních hodnot z důvodů, že velikost zatížení je závislé na hloubce odebírané vrstvy, která zde byla pouze 0,05 mm. Z tohoto důvodu jsou vzniklá zatížení velmi malá. Zatížení [%] 0,80 0,70 0,60 0,50 C=90 0,40 0,30 0,20 0,53 0,42 0,48 0,71 0,61 0,66 C=60 Průměr 0,10 0, Obrázek14: Graf porovnání zatíţení mezi řeznými rychlostmi Vc [m/s] ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Problematika broušení obecných tvarových ploch je velmi složitá a tato práce pouze znázorňuje část této problematiky. Jelikož hlavní myšlenkou je ověření, zdali je možné brousit obecné tvarové plochy na nástrojařské brusce ANCA MX7, která je prioritně určena pro broušení válcovitých nástrojů (fréz, vrtáku, apod.). Pro potvrzení tohoto ověření bylo potřeba provést také experimenty, které ukazují jakých hodnot kvality povrchu, lze dosahovat při broušení těchto obecných tvarových ploch.aby toto broušení bylo možné provést, je k tomu potřeba použít softwar NX s postprocesorem od společnosti ANCA. Touto studií je potvrzeno, že tyto tvary lze brousit i v přiblížení se k drsnostem a přesnostem, které jsou očekávány u brusek tohoto charakteru,jak je patrné z výsledků, které jsou zde uvedeny. Jelikož tato problematika je velmi rozsáhlá, je potřeba se zaměřit na velmi detailní přípravu budoucích experimentů, kdy jejich vyhodnocování může ukázat přesnější hodnoty, než jsou uvedeny zde. Jelikož je třeba nutné se zaměřit více na průběh opotřebení brusného kotouče, jeho orovnávání a nástrojové korekce. Tyto parametry pak mohou zamezit vnesení geometrická chyba do broušení. Dále je potřeba takédbát na přesnost upínacího přípravku, který je použit. Jelikož nepřesnost ve výrobě upínacího přípravku může velmi ovlivnit výslednou kvalitu povrchu a přesnost broušené součásti. PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek byl podpořen projektem SGS : Výzkum a vývoj pro inovace v oboru strojírenská technologie - technologie obrábění II LITERATURA [1] Uživateslký manuál kestroji ANCA MX7 [2] Klocke, Fritz.Manufacturing Processes 2 - Grinding, Honing, Lapping. Berlin : Springer-Verlag Berlin Heidelberg, [3] ANCA. Interní materiál od společnosti ANCA určený ke školení na použití posprocesoru v systému NX, k nahlédnutí v kanceláři LEO na RTI. 7