APLIKACE NADSTAVBOVÝCH FUNKCÍ SOUSTRUŽNICKÉHO CENTRA NA SOUČÁST HLAVNÍ HŘÍDEL SVOČ FST 2016

Transkript

1 APLIKACE NADSTAVBOVÝCH FUNKCÍ SOUSTRUŽNICKÉHO CENTRA NA SOUČÁST HLAVNÍ HŘÍDEL SVOČ FST 2016 Martin Frnoch Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň Česká republika ABSTRAKT Smysl této práce spočívá především v otestování nadstandardních funkcí stroje CTX beta 1250 TC 4A, který je k dispozici ve výzkumné laboratoři FST. Otestování je realizovanou formou návrhu a výroby experimentálních vzorků a případného určení možnosti využití stroje na předem určené součásti hlavní hřídel s určitou výhodou v porovnání s jejím dosavadním výrobním postupem. Dále porovnává dosavadní výrobní postup součásti s dvěma navrženými výrobními postupy. Jeden z postupů je při dosavadním vybavení stroje, kdy součásti není možné vyrobit kompletně, včetně všech na ní kladených požadavků a druhý postup při jeho možném teoretickém dovybavení stroje a možností tak součást vyrobit v jednom automatizovaném procesu včetně tepelného zpracování a dokončení povrchu broušením. KLÍČOVÁ SLOVA Mimoosé soustružení, frézování ozubení, odvalování, technologie obrábění, ozubení, polygon, trigon ÚVOD Ve výrobě má smysl zavádět automatizační prvky, především u velkosériové výroby a to z několika důvodů. Jedná se o důvody ekonomické, kvalitativní a v neposlední řadě i důvody zlepšení pracovních podmínek obsluhy. Z těchto důvodů je zapotřebí průběžně inovovat jak výrobní postupy a výrobní prostředky, tak eventuálně i výrobní systémy. Právě o inovaci výrobních postupů se jedná v případě tvarově složité, rotační součásti hlavní hřídel. Tato součást obsahuje prvky, které se momentálně vyrábí na více strojích. Současná technologie výroby této součásti je tedy poměrně členitá. S progresí nových technologií se ovšem naskýtá nová možnost, a to využití moderního multiprofesního soustružnickofrézovacího centra. Jde o stroj CTX Beta 1250 TC 4A od společnosti DMG MORI. Je to vysoce moderní soustružnickofrézovací centrum, které se nachází v prostorách RTI. Stroj lze vidět na obrázku (Obr. 4). Předmětem této práce je otestování jeho výrobních možností na předem určené součásti s názvem hlavní hřídel, což je realizováno v následujících bodech. Obr. 1 - CTX beta 1250 TC 4A [1] ANALÝZA POŽADAVKŮ NA SOUČÁST Nejprve bylo nutné zjistit, jaké jsou požadavky kladené na součást výkresem díky kterým bylo pak možné určit i požadavky kladené na stroj. Na obrázku (Obr. 2) je vidět model součásti. Jedná se o složitou rotační součást, která obsahuje běžné prvky, které na soustruhu lze standardně obrobit, ovšem některé z těchto prvků mají poměrně vysoké požadavky z hlediska tolerance a jakosti povrchu. Součást obsahuje také prvky, které je nesnadné, případně nemožné na standardním soustruhu vyrobit.

2 Obr. 2 - Model součásti Jedním z těchto prvků, kterým se tato práce zabývá je trigon (Obr. 3). Ten lze geometricky charakterizovat jako kolmou taženou plochu, jejíž řídicí křivkou je křivočarý trojúhelník. Tento trojúhelník (Obr. 4) vznikne průnikem tří kružnic excentrických vůči ose součásti. Excentricita je 18,6 mm a představuje poloměr roztečné kružnice. Na té středy kružnic tvořících povrch trigonu vzájemně mezi sebou svírají 120. Tento prvek na součásti slouží pravděpodobně jako výstupní element při přenášení otáček a krouticího momentu, a svou funkcí připomíná vačku, která transformuje otáčivý pohyb na posuvný. Požadavky kladené na stroj při výrobě toho prvku ukazují, že bude docházet k synchronizovanému pohybu supportu s otáčkami vřetene a tím dojde, k simulaci excentricity. Z toho lze očekávat kladené nároky na dynamickou stránku stroje a to z důvodu značného zrychlený poměrně velkých hmot. Obr. 3 Trigon Obr. 4 - Křivočarý trojúhelník

3 Dalším z prvků, který je předmětem zájmu této práce, je čelní nekorigované ozubení s přímými zuby a evolventím profilem (Obr. 5). Funkcí toho členu je pravděpodobně přenášení otáček a kroutícího momentu z hnacího členu na trigon. Tento prvek bude sloužit k otestování kinematiky stroje pro výrobu ozubení a to pomocí synchronizace otáček obrobku s otáčkami soustružnicko frézovacího vřetena. Obr. 5 Ozubení Na součást jsou kladeny další požadavky kromě výše zmíněných prvků například mimoosé vrtání děr, dokončování povrchu broušením, chemicko-tepelné zpracování povrchu cementací a povrchovým kalením. Tyto požadavky budou zohledněny v návrhu výrobních postupů. ROZBOR VÝROBNÍCH MOŽNOSTÍ STROJE Zde je třeba přezkoumat zda vlastnosti požadované součásti na stroj z minulé kapitoly vyhoví vlastnosti konkrétního stroje a do jaké míry alespoň na základe deklarace výrobce. Jde tedy o přezkoumání vlastností a schopností stroje s ohledem na zjištěné požadavky z analýzy součásti, které ukazují, že potencionální výroba zadané součásti představuje určitou výzvu pro otestování stroje, který alespoň některé z potřebných nadstavbových funkcí má. Pro výrobu součásti jsou potřebné tyto vlastnosti: Frézování (drážka s výběhem 5P9) Excentrické soustružení (trigon) Odvalovací frézování (ozubení) Mimoosé čelní vrtání (ustavovací důlky) Broušení (drsnost povrchu Ra 0,2-0,8) Mimoto je stroj možné dovybavit zařízeními, která by dále zvýšila výrobní možnosti stroje, a tudíž u některých součástí včetně součásti zadané, umožnila výrobu na jediném stroji toho typu. Jde o následující zařízení: Laser - pro povrchové kalení při změně materiálu - gravírování - LST (Laserem podporované obrábění) Podavač tyče Podavač hotových výrobků Vlastnosti stroje umožnují výrobu součásti, ovšem v jeho momentální výbavě není možné součást vyrobit kompletně, neboť stroj neoplývá možností povrchového kalení. Z toho důvodu nemá smysl součást na tomto stroji po tepelné úpravně dokončovat broušením a spíše využít stroje s nižší hodinovou sazbou. NÁVRH A OVĚŘENÍ POUŽITELNOSTI STROJE Trigon Před samotným ověřením výroby proběhl návrh dalších možných způsobů výroby ovšem i když se nemusí jednat o nejproduktivnější způsob, je jedním z předmětů práce především otestování kinematické vazby mezi hlavním vřetenem a pohybem supportu. Dále je popsána realizace samotné zkoušky výroby. Pro výrobu vzorku byla použita hliníková slitina typu dural, z důvodu nízké tvrdosti materiálu, momentální dostupnosti ve výrobní laboratoři FST a také

4 aby v případě kolize nedošlo k poškození stroje a nástroje. Pro obrobení byl tedy použit speciální druh soustružení a to excentrické známé také jako mimoosé. Excentrické soustružení je speciální druh obrábění, kdy v případě tohoto soustružnického centra je obrobek klasicky upnut a rotuje kolem své osy a nástroj se kromě posuvu v ose Z pohybuje současně i v ose X a Y krouživým pohybem. Mezi obrobkem a nástrojem je strojem programově vytvořena kinematická vazba a to díky synchronizaci otáček vřeten a pohybu supportu. Čímž dochází ke kruhovému pohybu supportu. Stroj si koriguje otáčky obrobku, aby došlo k odebrání požadované části kruhového polotovaru. Dráhy pro excentrické soustružení byly napsány ručně G-kódem s využitím modelu v CAD/CAM systému CATIA V5R20, pro snazší určování souřadnic. Stěžejním bodem při vytváření technologie bylo zadefinování funkce soustružení klikového čepu s názvem CRANK_TURN, která umožnila excentrické soustružení rotační plochy (Obr. 6). U této funkce bylo důležité určit parametr excentricity v ose X a natočení hlavního vřetena o 0,120,240. Při samotné výrobě si stroj při excentrickém soustružení korigoval otáčky hlavního vřetena na 98ot./min a to z toho důvodu, že pohony a regulace stroje by nezvládaly při vyšších otáčkách vřetena uřídit support nástroje, ale především setrvačné síly vznikající v důsledku hmoty supportu by při vyšších otáčkách byly příliš vysoké, způsobovali by vibrace celého stroje a mohli by narušit i jeho lokální stabilitu. Vlivem toho byla řezná rychlost omezena a což vedlo k pěchování třísky (Obr. 7). Obr Funkce soustružení klikového čepu Obr. 7 - Pěchování třísky Ozubení Pro výrobu ozubení bylo použito frézování odvalovacím způsobem. Nejprve byly navrženy další možné způsoby výroby ovšem, práce má za cíl otestovat synchronizaci otáček hlavního vřetena a otáček soustružnicko-frézovacího vřetena. Před vytvářením samotného programu pro ověření výroby ozubení bylo nejprve nutné vytvořit podprogram dráhy nástroje. Dále také definovat cyklus pro nástrojová data s názvem HOB_CYCLE_TOOL, kde je důležitým parametrem především úhel, který koriguje sklon šroubovice nástroje do řezu. Poté byl již zadefinován cyklus frézování ozubení s názvem HOB_CYCLE (Obr. 8), kde se definovali základní parametry ozubení a řezné podmínky a také byl přiřazen již vytvořený podprogram dráhy nástroje s názvem DRÁHA. Pro výrobu byla použita ocel ČSN , po dohodě s konzultantem práce.

5 Obr. 8 Funkce frézování ozubení V současné době jsou vyrobeny oba dva testované tvary. Trigon (Obr. 9) je momentálně kontrolován na metrologickém pracovišti FST. Ozubení (Obr. 10) bylo měřeno talířkovým mikrometrem přes zuby. Jeho výsledná boční vůle vyšla 120 µm, tedy 0,06 mm na plochu zubu což mohlo být způsobeno například nedostatečným zajetím frézy do hloubky řezu. K tomuto výsledku je však nutné vzít v potaz fakt, že ozubení nebylo korigované, což není v provozu běžné. Dalším faktem je, že ozubení na součásti hlavní hřídel má definované dokončování povrchu broušením, s kterým se při testování výroby nepočítalo, neboť šlo především o otestování kinematické vazby mezi vřeteny. Obr. - 9 Trigon Obr Ozubení NÁVRH ZPŮSOBU VÝROBY Výsledky zkoušky ukazují, že je možné na stroji výše zmíněné prvky vyrábět a z toho lze vycházet při tvorbě technologického postupu pro součást, v případě že by se pro její výrobu měl skutečně použít tento stroj nebo stroj s takovýmito možnostmi. Zde budou navrženy technologie dvě. Jedna z těchto technologii je při dosavadním vybavení stroje, kdy součást není možné vyrobit kompletně, tedy včetně tepelného zpracování povrchu a výrobní proces na tomto stroji by byl proveden pouze do obrobení s přídavky na broušení a cementaci. Druha technologie je při možném teoretickém dovybavení stroje, kdy by stroj byl schopen součást vyrobit kompletně v jednom automatizovaném procesu, včetně tepelného zpracování cementací s následným povrchovým kalením a také dokončit povrch broušením. ZÁVĚR A DOPORUČENÍ V dosavadním stavu práce lze říct, že stroj je schopen zadanou nebo jí podobnou součást vyrobit, ovšem ne zcela kompletně, neboť v současné době není schopen tepelně zpracovávat povrch a dovybavit ho takovými zařízeními by byla poměrně velká investice. Zbývá porovnání momentálně navrhovaných výrobních postupů s dosavadním výrobním postupem a získání informací z měření trigonu. V případě výroby součásti se stávajícím vybavením stroje by došlo při nejmenším k snížení počtu operací v porovnání s dosavadním výrobním postupem, který obsahuje celkem 25 operací.

6 PODĚKOVÁNÍ Chtěl bych tímto poděkovat vedoucímu mé bakalářské práce panu Ing. Jiřímu Vyšatovi, Ph.D. za velmi cenné rady při zpracovávání této práce a celkové vedení práce. Dále bych chtěl velmi poděkovat panu Ing. Luboši Kroftovi za praktické rady a pomoc s praktickou části práce. Dále také děkuji paní RNDr. Světlaně Tomiczkové, Ph.D a panu Doc. RNDr. Františkovi Ježkovi, Csc. za objasnění problematiky geometrické charakteristiky trigonu. LITERATURA [1] DMG MORI Products Lathes Turn-Mill Complete Machining Centres CTX TC CTX beta 1250 TC 4A[online] [cit ]. Dostupné z: