Dr. Charles Clarke RECENZE APLIKACE NX CAM TURBOMACHINERY MILLING Důležité tržní faktory... 3 Stávající specializované aplikace... 3 Nová generace flexibility... 4 Specializované operace pro lopatková kola a rotory... 5 Řízené hrubé obrábění... 5 Pružný výběr vzorů... 6 Zbytkové frézování... 6 Řízení osy nástroje... 6 Práce s nekvalitní 3D geometrií... 7 Přínosy úplného řešení CAD-CAM... 7 Závěr... 8
NX CAM TURBOMACHINERY MILLING Úvod Technologie CAD/CAM aktuálně dosáhla stavu, kdy funkce, které byly dříve považovány za pokročilé (například programování v 5 osách), se staly samozřejmostí. Technologická rozšíření však umožňují dodavatelům softwaru expanzi do specializovaných oblastí, které nabízejí větší přidanou hodnotu pro konkrétní zákazníky. Výsledkem jsou nové přídavné aplikace CAD/CAM (často označované jako doplňky), které adresují konkrétní požadavky ve specializovaných průmyslových odvětvích s vysokou mírou přesnosti a výkonu. Tyto přídavné aplikace snižují požadavky na využití specializovaných, samostatných aplikací, které fungují mimo standardní podnikové systémy. Tato recenze popisuje příklad takové pokročilé aplikace modulu NX Turbomachinery Milling, který společnost Siemens PLM Software uvedla ve verzi NX 7. Tento nový modul byl vyvinut v rámci úzké spolupráce s klíčovými zákazníky. Jedná se o tržní segment, kterému společnost Siemens PLM Software dominuje z pohledu CAD/CAM řešení a ve kterém společnost Siemens spolupracuje s důležitými zákazníky typu Pratt and Whitney, GE Aircraft Engines, Rolls-Royce a mnoha dalšími výrobci a dodavateli v oblasti leteckého průmyslu a elektrárenství. Důležitými uživateli softwaru jsou také interní divize společnosti, jako je například dceřiná společnost Siemens Power Generation. Dr. Charles Clarke Charles Clarke je uznávaný konzultant a spisovatel v oboru CAD/CAM/CAE a PLM a souvisejících oblastech. Díky vzdělání v inženýrských oborech, znalostem v oblasti CAD/CAM a osobním zkušenostem s přímým plánováním a implementací těchto systémů pro špičkové společnosti v oboru má dostatek zkušeností, o které se může opřít při hodnocení a psaní recenzí k jednotlivým produktům. Dr. Clarke je pravidelným přispěvatelem řady odborných časopisů ve Velké Británii i mezinárodně. 2 Copyright 2010 Dr. Charles Clarke
NX CAM TURBOMACHINERY MILLING Recenze produktu Důležité tržní faktory Poslední modely turbínových systémů nabízejí vysokou technickou výkonnost od výroby elektrické energie po pohonné jednotky v leteckém průmyslu. To je jedním z důvodů nárůstu poptávky po vícelopatkových komponent, které jsou zásadními prvky při konstrukci turbín. Vývoj za posledních deset let zaznamenal posun k lopatkovým diskům pro pohon vzduchových turbín (často označovaných jako lopatková kola), které nejsou sestavovány z jednotlivých lopatek a kompletovány s relativně složitým vřetenem, ale které jsou vyráběny jako jediná součástka. Jednolitý díl je většinou lehčí a dokáže přispět k vyšší technické výkonnosti. Trend takového použití je patrný z přesunu od zbrojní výroby ke komerční a zvyšování objemu výroby. Základní řešení pro 5osé obrábění obvykle nepodporuje speciální operace navržené pro snadné a efektivní programování turbínových součástí. Obrábění vícelopatkových disků a rotorů však klade vysoké nároky na programování NC, které je nutností pro ovládání víceosých obráběcích nástrojů používaných k výrobním úkonům. Přestože si řada dodavatelů CAM vybrala tyto náročné součásti pro demonstraci jejich 5osých aplikací, skutečným testem je produktivita programování. Bohužel v řadě případů není systém pro 5osé obrábění pouze variantou pro víceosé zpracování, ale takový software musí sloužit více účelům. Základní řešení pro 5osé obrábění obvykle nepodporuje speciální operace navržené pro snadné a efektivní programování turbínových součástí. Stávající specializované aplikace Po nějakou dobu byly specializované úkony při programování a obrábění složitějších součástí typu lopatkových disků či turbínových rotorů prováděny použitím speciálních obráběcích nástrojů a programovacího softwaru NC dodávaného buď výrobcem obráběcího stroje, nebo zakoupeného samostatně od dodavatele specializovaného softwaru. Pro řadu společností však takový postup není ideální, přinejmenším s ohledem na softwarové vybavení, protože je vhodnější používat aplikace, které jsou konzistentní s ostatními provozními systémy. Kromě nutnosti komunikace s několika dodavateli a přenášení či překládání dat mezi aplikacemi je nutné počítat také s otázkami správy dat a řízení verzí. U větších společností se jedná o problematiku, kdy jedna taková aplikace provozovaná mimo systém PDM (Product Data Management) přináší další náklady na efektivní správu dat. Také pořizovací cena a náklady na údržbu takových jedinečných a specializovaných balíků mohou být velmi vysoké. Copyright 2010 Dr. Charles Clarke 3
NX CAM TURBOMACHINERY MILLING Nová generace flexibility V poslední verzi systému NX od společnosti Siemens PLM Software byla uvedena specializovaná rozšiřující aplikace pro standardní systém NX CAM, která je určena výhradně pro obrábění turbínových součástí. Když společnost Siemens PLM Software popisuje frézování pro turbínové stroje, nehovoří pouze o lopatkových discích a rotorech, ale aplikaci lze použít také pro lodní šrouby a jiné rotory s více lopatkami. Obecným marketingovým termínem pro všechny tyto oblasti je frézování pro turbínové stroje. Příklad modelu rotoru programovatelného použitím aplikace NX CAM Turbomachinery Milling Klíčovým cílem nového modulu NX Turbomachinery je umožnit uživatelům provádět komplexní úlohy programování co nejjednodušším způsobem. Systém nabízí účelově orientované funkce, které přenesou uživatele do kontextu frézování pro turbínové stroje. Základní myšlenkou softwaru je jednoduchý výběr geometrie a poskytnutí údajů o druhu zamýšlených lopatek a požadovaném provozu. Pak stačí stisknout potvrzovací tlačítko a systém navrhne pro celou součástku inteligentní dráhy nástrojů bez kolizí, a to bez nutnosti dodatečných úprav či změn. V obecném softwaru by příprava dráhy nástroje pouze mezi dvěma lopatkami s jedním separátorem trvala pravděpodobně několik hodin. S aplikací NX Turbomachinery Milling je takový úkol otázkou 2 minut. Vzhledem k tomu, že výrobci mají tendenci provádět věci různým způsobem, myšlenkou aplikace NX Turbomachinery Milling je podporovat v modulu obrábění lopatek co největší flexibilitu. V několika stávajících softwarových aplikacích CAM lze obrábět pouze mezi lopatkami, které jsou přímé. Pokud se lopatky zakřivují v ose od vřetena, systém nedokáže jejich obrábění navrhnout. V systému NX CAM žádné takové omezení neexistuje. Některé rotory jsou konstruovány tak, že mezi hlavními lopatkami jsou vysoustruženy menší lopatky označované jako separátory. V některých systémech nelze separátory vůbec definovat a obecně i v těch nejlepších systémech lze pracovat maximálně s jedním separátorem. Systém NX podporuje až šest separátorů. 4 Copyright 2010 Dr. Charles Clarke
NX CAM TURBOMACHINERY MILLING Recenze produktu Specializované operace pro lopatková kola a rotory Díky nové aplikaci NX je celý systém navržen s ohledem na maximálně jednoduchou a intuitivní interakci programátora s nabídkami v kontextu lopatek, separátorů a vřeten. Očekává se konstrukce určitých geometrických návrhů, takže jedinou nutnou aktivitou je výběr typu geometrie a ostatní činnosti lze ponechat na systému. Pokud potřebujete mezi hlavní lopatky umístit separátory, je nutné sdělit systému jejich umístění. Pak aplikaci sdělíte, že chcete provést hrubé obrábění a jaký nástroj chcete použít. Potřebujete zadat, zda je vhodné použít funkci výpočtu rychlosti posunu a přeskoků a jaký materiál chcete na obrobku ponechat. Postup specifikace trvá přibližně jednu až dvě minuty a pak potvrdíte softwaru, aby zahájil výpočet dráhy nástroje. Čas výpočtu je opět jedna nebo dvě minuty a ihned poté jsou k dispozici vaše dráhy nástroje. Řízené hrubé obrábění Při hrubém obrábění můžete například omezit objem materiálu, který chcete odstranit při každém tahu nástroje, takže fréza může odstranit například vrchních 50 % plochy v jedné operaci. Lopatky rotoru jsou většinou výrazně prodloužené, takže při přibližování k jejímu konci dochází k dlouhému přesahu a obrábění může způsobit značené prohnutí lopatky. Jestliže lze lopatku zpevnit tak, že při obrábění ponecháte co největšího objem materiálu, pak lze prohnutí efektivně minimalizovat. Příklad dráhy pro nástroj hrubého frézování Uživatelé se obvykle snaží hrubě opracovat horních 50 % a jemně dofrézovat horních 40 %. A pak pokračovat s hrubým opracováním dolních 50 % a jemným dofrézováním zbývajících 60 %. Při obrábění tvrdých titanových kovů se běžně obrábí ve dvou hloubkách, takže se provádí hrubé opracování ve dvou fázích a jemné frézování také ve dvou hloubkách. Copyright 2010 Dr. Charles Clarke 5
NX CAM TURBOMACHINERY MILLING Pružný výběr vzorů Automatizace je sice důležitá s ohledem na zkrácení a usnadnění programování NC, konstruktéři však potřebují flexibilitu, aby mohli pracovat požadovaným způsobem. V systému NX máte k dispozici širokou nabídku funkcí, pokud je chcete používat. Software NX například automaticky nalezne počáteční a koncové hrany lopatky, ale vy jejich umístění můžete upravit a docílit přesně požadované dráhy. Můžete zadat, který roh chcete použít jako začátek vzoru obrábění, dále typ vzoru (shora dolů nebo ze strany na stranu), zda chcete používat přeskakování z levé lopatky na pravou, optimalizaci 20 průchodů nebo definovat vroubkování s hloubkou frézování 0,2 mm nebo 6 mm nebo 20% výšky nástroje atd. Zbytkové frézování Jednou z oblastí, kde aplikace Siemens jednoznačně vítězí nad některými ostatními systémy, je zbytkové frézování. Systém NX udržuje aktivní nebo průběžný model obrobku, takže systém si je vědom, které části součástky byly obrobeny a jaký materiál zůstal na místě. Pokud tedy hrubá fréza neodstranila materiál například mezi základnou lopatky separátoru a hlavní lopatkou, software NX CAM je schopen naprogramovat odstranění takto nedotčeného materiálu automaticky jediným kliknutím myší. Tím dochází k úspoře času při programování a efektivnějšímu obrábění. Průběžný model obrobku také funguje při otáčení a frézování, což je důležité pro operace při výrobě turbín, jejichž rotační součástky vyžadují otočné frézovací úkony. Příklad dráhy pro nástroj zbytkového frézování Řízení osy nástroje Máte také možnost omezit osu nástroje a určit, o kolik má být nástroj předsazený nebo utopený. To je obzvláště důležité při použití kruhové nebo hrotové frézy, jejíž dolní hrot není opatřen frézovacím nožem. Nakloněním nástroje pak můžete vytvořit náběhovou hranu. Předsazení nebo utopení nástroje můžete definovat samostatně pro počáteční i koncovou hranu a osa nástroje bude mezi těmito krajními polohami interpolována. Tyto parametry lze zadat u vřetena a náboje a software provede přírůstkovou interpolaci, která je zapotřebí pro přechod z jedné polohy do druhé. 6 Copyright 2010 Dr. Charles Clarke
NX CAM TURBOMACHINERY MILLING Recenze produktu K největší odchylce osy nástroje dochází při posunování nástroje v blízkosti počátečních a koncových hran, protože v této části je největší zakřivení. Odchylku můžete minimalizovat opravou osy nástroje v blízkosti počáteční a koncové hrany lopatky. Můžete zadat, že do 20 mm od počáteční nebo koncové hrany chcete udržovat stejnou osu nástroje pro zbývající průchod. Rozhodně se chcete vyhnout náhlým změnám osy nástroje, které mohou mít za následek poškození povrchu nebo frézy. V některých situacích i malá změna osy nástroje může představovat velký zásah do frézované hrany nástroje. V této chvíli pomůže systém NX řídit rychlost změn osy nástroje. Společnost Siemens prohlašuje, že speciální funkce pro obrábění hran lopatek je jednou z položek, které byly plánovány a podobě jako ostatní funkce jsou navrženy s ohledem na urychlení a usnadnění požadovaných úkonů v novém softwaru se speciálními funkcemi pro lopatkové disky a rotory. Práce s nekvalitní 3D geometrií Ostatní systémy CAM jsou velmi konkrétní ohledně druhů 3D geometrie, které lze použít jako základ programování NC v těchto složitých součástech. Vyhledání a oprava problémů v matematických modelech CAD může být zdlouhavou a náročnou operací. Nový systém NX nabízí výraznou úsporu času, protože před programováním nevyžaduje vyřešení problémů s geometrií modelu. Software NX CAM pracuje přímo s importovanou geometrií a vytváří čisté dráhy nástrojů bez typických oprav a opětovného modelování. Tím ušetříte hodiny času při přípravě před programováním NC. Přínosy úplného řešení CAD-CAM Příklad simulace řízené G-kódem s použitím modelu strojového obrábění NX CAM Jedna výhoda řešení NX spočívá v tom, že software CAM je součástí úplné sady aplikací s možností využití ve výrobním inženýrství, kde všechny komponenty jsou zpětně propojeny k modelu obecných součástí. Pomocí softwaru NX má programátor NC přístup k úplné sadě nástrojů NX CAD, které v případě potřeby podporují vytváření 3D modelu z výkresu. Díky konzistentnímu modelu se případné úpravy geometrie promítnout do závislých dat, jako jsou dráhy nástrojů NX CAM nebo dokonce kontrolní programy NX CMM. Přesně stejné funkce CAD můžete také využít při modelování všech ostatních komponent, které potřebujete k dokončení procesu, od nástrojů a držáků po úplné 3D modely obráběcích nástrojů s plnou kinematikou potřebných pro simulaci výroby. Copyright 2010 Dr. Charles Clarke 7
NX CAM TURBOMACHINERY MILLING Závěr Vzhledem k velkému počtu demonstračních ukázek systémů CAM, které ukazují simulaci implementovaného 5osého softwaru použitého na rotorové součásti, můžete nabýt dojmu, že všechny balíky CAM jsou vhodné k programování takto složitých součástí. Přestože počet CAM systémů pro víceosé obrábění se za posledních pět let na trhu velice rozšířil, jsou mezi dostupnými balíky velké rozdíly, zejména pokud opustíte ukázkový režim a chcete v aplikacích dosáhnout skutečných výsledků. Tento rozdíl se zvětší, jakmile zavedené systémy typu NX CAM (dříve Unigraphics CAM) začnete používat ve skutečně specializovaných oblastech, jako je frézování pro turbínové stroje. Touto novou verzí přináší společnost Siemens novou úroveň funkcí. Jako vždy lze možnosti dále rozšiřovat a společnost Siemens sděluje, že vyvíjí další specializované funkce. Plánuje například, že doplní předem připravené funkce pro speciálně navržené výplně lopatek tak, abyste nemuseli používat standardní volby obrábění výplní dodávaných se současným systémem NX CAM. Vzhledem k tomu, že již samotné řešení NX CAM představuje mnohaúčelový systém se specializovanými a odzkoušenými funkcemi, představuje tato aplikace skvělou volbu pro zákazníky, kteří požadují špičkové výsledky v oblasti programování vícelopatkových součástek, jako jsou lopatková kola nebo rotory, a dávají přednost řešením dodávaným se všemi specializovanými podpůrnými funkcemi od uznávaného dodavatele systémů CAD/CAM, jako je společnost Siemens. 8 Copyright 2010 Dr. Charles Clarke