Vysoké učení technické v Brně Fakulta strojního inženýrství Ústav strojírenské technologie Odbor technologie obrábění Téma: 1. cvičení - Základní veličiny obrábění Inovace studijních programů bakalářských, magisterských a doktorandských v oborech Strojírenská technologie, Strojírenská technologie a průmyslový management, Výrobní technologie a průmyslový management. 4. výukový modul: CAD/CAM Zprracoval: Ing. Alleš Polzerr l: I. l Tento projekt je spolufinancován Evropskou unií a státním rozpočtem České republiky. Následující 1
Obrábění součásti s názvem Cukřenka 1. Úvod Vývoj výpočetní techniky (softwaru i hardwaru) jde neustále dopředu, a proto je vhodné věnovat jistou míru pozornosti i "méně známým" metodám NC programování. Upozornit lze na specializované CAD systémy, stejně jako na specializované CAM nebo CAD/CAM systémy určené pro zefektivnění práce na PC. Výroba je však realizována na obráběcích strojích, které rovněž řeší tvorbu NC programů. V současné době zpravidla umožňují import grafických dat ve formátu dxf souboru. Zpracovávají tyto grafické podklady nebo přímo umožňují nadefinovat tvar kontury pomocí elementárních prvků (úsečka, oblouk). Některé řídicí systémy obráběcích strojů tedy umožňují tvorbu grafických podkladů, na které jsou dále aplikovány obráběcí strategie (hrubování, dokončování). V následujícím informativním příkladu je proto pozornost věnována tzv. dílenskému programování soustružení. Pro větší názornost je příklad zpracován a prezentován s podporou jednoho z nejužívanějších řídicích systémů v ČR Sinumerik 840D a výukové programu SinuTrain. Základní možnosti programování jsou pak popisovány a řazeny tak, aby ve výsledku bylo možno vyrobit součást naznačenou na obr. 1. Výroba této sestavy byla realizována na Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně v r. 2006 na stroji firmy Kovosvit MAS, a. s. s programováním v systému ShopTurn. Obr. 1 Sestava s názvem CUKŘENKA 2
2. Rozbor možností a tvorba NC programu NC program je u dílenského programování vytvářen ve specializovaném editoru (ShopTurn), který dialogovou formou komunikuje s programátorem. Vlastní metodika je založena na programování jednotlivých cyklů, které jsou voleny z nabídky horizontální či vertikální ikonové lišty editoru. Parametry definovaného cyklu jsou vpisovány do tabulky, která je opatřena textovým popisem každé vpisované hodnoty, krátkým textovým komentářem upřesňujícím význam parametru a grafickou nápovědou. Tvorba vlastního NC programu nevyžaduje žádné znalosti ISO programování (G-kódu). Nezbytné jsou pouze znalosti technologie obrábění soustružením. Obráběcí stroj, pro který bude programování realizováno, je dvouvřetenový s možností automatického předávání obrobku mezi vřeteny. Nožovou hlavu lze osadit až 12-ti nástroji, přičemž se může jednat o soustružnické nože levé i pravé (vnitřní i vnější), vrtáky pro výrobu otvorů v ose rotace obrobku nebo hnané vrtací a frézovací nástroje pro radiální i axiální obrábění. Celková koncepce soustruhu a rozmístění jednotlivých prvků v pracovním prostoru je naznačena na obr. 2. Obr. 2 Dvouvřetenový soustruh - SP 280 SY 3
2.1 Pracovní prostředí Pracovní prostředí systému ShopTurn je naznačeno na obr. 3. Aktuální zobrazení je tzv. oblast stroje, umožňující např. práci v ručním, automatickém nebo seřizovacím režimu. Oblast zvýrazněná červeným rámečkem slouží k usnadnění práce na PC. Obráběcí stroj má zpravidla k dispozici výrazně obsáhlejší jednoúčelovou klávesnici (obsahuje i alfanumerickou klávesnici) zajišťující komunikaci programátora (seřizovače nebo obsluhy) se strojem. Základní ovládání na stroji i na PC je prostřednictvím ikon uspořádaných do horizontální a vertikální lišty umístěné ve spodní a pravé části obrazovky. Volba příslušných ikon jednoúčelovými klávesami podél obrazovky výrobního stroje nebo kliknutím myší modifikuje pracovní oblast (obrazovku) a případně i nabídku ikonových menu. Jednoúčelové klávesy panelu obráběcího stroje lze na PC Obr. 3 Pracovní prostředí systému ShopTurn - oblast stroje nahradit funkčními klávesami (F1 až F12, případně s použitím klávesy Shift) nebo aktivováním pomocné klávesnice na monitor (při startu programu SinuTrain nesmí být aktivováno pole Full Screen). Volitelným doplňkem je i speciální klávesnice s funkčními strojními tlačítky pro ovládání SinuTrainu na PC. NC programy jsou při metodě dílenského programování skládány z jednotlivých cyklů. Při jejich zápisu pak zpravidla hovoříme o tvorbě výrobních postupů. NC bloky, jako jsou tvořeny při ISO programování, lze zobrazit při obrábění (umožňují např. kontrolu pohybu nástroje na následující souřadnice), ale pro programování většiny součástí nejsou nezbytné (umožňují optimalizovat specializovanou nebo velkosériovou výrobu). 4
2.2 Posloupnost při programování obrábění zadané součásti Prvním krokem po startu programu ShopTurn je zpravidla přechod do oblasti adresáře (klávesou F10 - Menu Select - a následně F2 - Program). Založení nového adresáře nebo programu provedeme prostřednictvím ikony Nový na vertikální liště. Součástí založení nového souboru je úvodní charakteristika obrobku a některých parametrů pracovní oblasti stroje. Tyto parametry však lze kdykoli později editovat. U dvouvřetenového soustruhu je možno dalším krokem programovat polohu druhého vřetene a definovat tak obrábění nejprve v pravém sklíčidle. Zde bylo započato i obrábění výše naznačených součástí cukřenky - spodní i horní díl. Požadavek nastavení obráběcího stroje pro výrobu spodního dílu i víčka vedl k seřízení hydraulicky ovládaných sklíčidel. Prvotní obrábění v pravém sklíčidle vyžaduje seřízení čelistí na průměr polotovaru (φ_110_mm). Následné obrábění (obr. 4) připravilo levé čelo součásti a upínací průměr 108 mm. Další obrábění probíhalo po automatickém předání součásti do levého sklíčidla s připravenými měkkými čelistmi. Rozdíl mezi průměrem polotovaru a max. průměrem finální součásti není velký, nicméně rozsah pohybu hydraulických čelistí po seřízení je rovněž pouze cca 2 mm. Postup NC programování obrábění vnějšího tvaru součásti v levém (hlavním) sklíčidle je velmi obdobný (obr. 5). Vyžaduje programování cyklu pro zarovnání čela součásti, definici kontury (viz následující kapitola) výběr hrubovací a dokončovací strategie. Než však začneme věnovat pozornost programování, je vhodné ještě poukázat na upínání polotovarů. Rozsah pohybu čelistí je dán konstrukcí (délkou) ovládací tyče, přičemž upínací průměr je seřizován polohováním (ručním přestavěním) jednotlivých čelistí sklíčidla. Sevření a rozsah pohybu čelistí je dále kontrolován (ovlivňován) nastavením koncových spínačů (obr. 6). Obr. 4 Obrábění v pravém sklíčidle Obr. 5 Obrábění v levém sklíčidle Obr. 6 Koncové spínače sklíčidla 5
2.3 Tvorba kontury v konturovém editoru Editor pro tvorbu kontur (obr. 7) lze aktivovat položkou z ikonového menu Soustružení konturové a následně Nová kontura. Vlastní tvorba křivky je pak založena na postupné definici počátečního bodu a dále jednotlivých přímkových nebo obloukových elementů. Tvorba úsečky je navíc v ikonovém menu rozdělena na dvě rovnoběžky se strojními osami (dvě ikony) a na úsečku pod úhlem (třetí ikona). Pro charakterizování kruhového oblouku je možno volit mezi zadáváním koncového bodu a rádiusu nebo např. středu křivosti. Pro zápis hodnot souřadnic je zpravidla nabízeno několik polí, přičemž není nezbytné vyplňovat všechna. Lze je chápat jako možnost volby parametrů při definování elementu (např. koncovým bodem X, Z nebo přímkou a úhlem). Tvorba jednotlivých prvků je dále rozšířena o integrovanou položku přechodu na následující element (zjednodušení při tvorbě zaoblení / sražení). Upozornit lze i na ikonu s názvem Všechny parametry, která je aktivní při vyplňování hodnot tvořeného prvku. Skrývá se pod ní nabídka (obr. 8), která blíže specifikuje např. posuv vztažený k prvku, posuv vztažený ke sražení nebo velikost přídavku na broušení. Všimneme-li si orientace křivky na obr. 7, zjistíme, že příprava grafických podkladů pro levé i pravé sklíčidlo je stejná. Zde naznačená křivka definující tvar součásti musí být pro výrobu v pravém vřeteni před obráběním transformována zrcadlením. Obr. 7 Editor pro tvorbu kontur - obrábění v pravém sklíčidle - Obr. 8 6
2.4 Volba hrubovací a dokončovací strategie Pro hrubování a dokončování zarovnání čela součásti (obr. 9) lze použít programování lineárních pohybů řezného nástroje nebo speciálního cyklu, který definuje obdélníkovou oblast pohybu nástroje. Volbou max. hodnoty přísuvu, přídavku na dokončení a směru řezání (radiální nebo axiální) je proces obrábění charakterizován. Pro složitější tvary, vyžadující obrábění podél kontury, je tato křivka v systému nakreslena (viz předcházející kapitola) nebo je importována prostřednictvím integrovaného modulu s názvem CADReader. Zde pro obrobení vnějšího tvaru plně postačily nástroje pro Obr. 9 Zarovnání čela kreslení v konturovém editoru. I druhou křivku, charakterizující zbývající část vnějšího tvaru součásti, bylo vhodné doplnit obloukem, který tečně navázal na předcházející již obrobenou plochu (obr. 10). Vliv délkových korekcí jednotlivých aplikovaných nástrojů a silové působení soustavy S-N-O tedy lze eliminovat i při přípravě kontur. Po definici křivky zpravidla následuje hrubování součásti. To lze provádět podélným nebo čelním soustružením (k dispozici je i obrábění paralelně s konturou). Pro zadanou součást bylo aplikováno podélné vnější levým soustružení stranovým uběracím nožem (obr. 11). Obr. 11 Podélné soustružení Obr. 10 Konturový editor 7
2.5 Obrábění dutiny Obrábění tvarové dutiny (obr. 12) soustružnickým nožem je na první pohled srovnatelné s programováním výroby vnějších tvarů: příprava konturové křivky definující tvar (obr. 13), následná volba hrubovací a dokončovací strategie. Výrobu však může nečekaně zkomplikovat pravý vřeteník, který vždy neumožní pohyb řezného nástroje až do osy rotace obrobku. Dutinu v tomto případě je nutné před vnitřním soustružením předvrtat osovým vrtákem φ 25 mm a k tomuto průměru navázat i vnitřní konturu. V případě, že dno dutiny po vrtání nemá požadovanou drsnost povrchu i při programování časové prodlevy na dně otvoru, je nutné je např. stopkovou frézou v hnaném upínači dokončit. Tento nástroj není nutné polohovat až do osy rotace obrobku, poněvadž obrábění dna zajistí rotace řezného nástroje v hnaném upínači a současné otáčení obrobku (při polohování nástroje tečně k maximální obráběné kružnici, definující plochu dna, a časové prodlevě, odpovídající jedné otáčce obrobku, je dno začištěno). Obr. 12 Tvarová dutina součásti CUKŘENKA Obr. 13 Konturový editor s křivkou pro vnitřní obrábění 8
2.6 Gravírování Gravírování neboli frézování nápisů na válcových (vnějších i vnitřních), rovinných nebo čelních plochách lze programovat velmi zjednodušeně. Postačí definice řezných podmínek, způsob zarovnání, vztažný bod a zvolený text. Polohováním textu v souřadnicích XZ, stanovením hloubky, velikosti textu a vzdálenosti mezi jednotlivými písmeny, případně úhlu natočení, je nápis určen. Nápis na plášti lze polohovat i prostřednictvím osy Y, která v některých případech transformuje obvod válce do rozvinuté plochy. Pro dva nápisy na jednom válci (v tomto případě φ 108 mm) vzájemně pootočené o 180 je nutno předepsat hodnotu Y = 0 mm a u druhého nápisu hodnotu Y = 169,56 mm. Obr. 14 Dialogové okno pro gravírování Mezi speciální požadavky však lze zařadit např. frézování nápisu zrcadlově převráceného (pro výrobu forem). I to lze velmi snadno realizovat programováním předcházejícího bloku, ve kterém je příslušná osa nejprve zrcadlena. Vhodné je však nezapomenout na opětovné navrácení zrcadlené osy do původního stavu, poněvadž by např. navazujícím nástrojem mohlo dojít k nevhodnému polohování (ke kolizi). 9
4. Závěr Závěrem je možno konstatovat, že součást byla úspěšně vyráběna na MSV 2006. Programování probíhalo přímo na panelu CNC obráběcího stroje, jehož specializovaná funkční tlačítka usnadňují ovládání softwaru ShopTurn. Při programování na PC v identickém prostředí programu SinuTrain modulu ShopTurn lze rovněž rozšířit ovládací možnosti standardní klávesnice o panel s identickými strojními funkčními klávesami. I bez této nadstavbové klávesnice však lze plnohodnotně programovat na PC. Upozornit je však především nutné na schopnost obráběcího stroje polohovat řezné nástroje do blízkosti funkčních prvků pracovního prostoru (především rotujících čelistí sklíčidel). Např. levý soustružnický nůž lze polohovat do těsné blízkosti rotujících čelistí levého sklíčidla, poněvadž jeho špička je zpravidla krajním bodem sestavy VBD-držák-upínač. U rotující frézy v hnaném upínači však musíme počítat s tělesem upínače, které nesmí s rotujícími čelistmi kolidovat. Při vhodném polohováním s aretací sklíčidla však lze frézovat i mezi čelistmi - viz frézované drážky s texty ESF a FSI. Více však až v dalších z volně navazujících informativních příkladů. Zpracoval: pro Ing. Aleš Polzer Tel.: +420 5 4114 2559 E-mail: polzer@fme.vutbr.cz Vysoké učení technické v Brně FSI, ÚST, Odbor obrábění v rámci řešení projektu ESF s registračním číslem CZ.04.1.03/3.2.15.1./0075. Více na: http://esf.fme.vutbr.cz Obr. 15 Fotografie jedné z vyráběných součástí Předchozí 10