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 Tramvaj 1. Úvod Následující příklad CAD/CAM technologie programování prostřednictvím software PowerMILL 6.0 je zaměřen na obrábění přední a zadní části (jsou shodné) modelu tramvaje pro MHD (obr.1), kterou navrhla designérka Barbora Zapletalová - obr.2 - (b.zap@centrum.cz). Na následujících stránkách je pozornost věnována pouze problematice programování a obrábění, nicméně neuškodí uvést několik základních informací o součásti a celku, ke kterému je navržena. Design tramvaje je koncipován s ohledem na předpokládanou dlouhou životnost, která se v současnosti pohybuje kolem 30ti let. Vnější tvary vycházejí z jednouchých geometrických prvků - koule, válce a rovinné plochy, přičemž dominantním prvkem celkového designu jsou boční stěny z kouřového skla, které začínají 40 cm od podlahy a končí těsně pod stropem. Dveře jsou osvětleny LED diodami a celkový interiér je řešen tak, aby vyšel vstříc potřebám širokého spektra cestujících. Tramvaj je plně klimatizovaná, podlaha je opatřena protiskluzovým povrchem. Hlavní osvětlení interiéru je řešeno úspornými zářivkami a diodami ke zdůraznění funkčních tlačítek. (Animace - *.mpg, *.wmv) Předchozí Obr. 1 Tramvaj pro MHD Obr. 2 Kompletování obrobených dílů Následující 2
Zásadní Zásadní rozdíl řešení interiéru a rozmístění sedadel je mezi krajními a středním článkem (obr. 3,4,5). Středový článek je nízkopodlažní, s velkým prostorem pro kočárky a invalidní vozík. Jedná se o místo koncipované rovněž pro větší počet stojících cestujících. Tato část je řešena jako prostor, kde se budou zdržovat větší počty lidí po kratší dobu. Je zde menší počet sedadel a jejich rozmístění je po obvodu (obr.4), podobně jako je zvykem v metru. Krajní články jsou řešeny jako klidová zóna určená pro cestující na delší vzdálenosti. Je zde méně prostoru pro stání a sedadla jsou orientována převážně ve směru jízdy (obr.3). V posledním článku je v zadní části prostor na stání s pěkným výhledem do všech stran, který je zároveň využitelný pro pohodlnou (klidnou) přepravu zavazadel. Obr. 3 Pohled ve směru jízdy Předchozí Obr. 4 Pohled směrem dozadu Obr. 5 Orientace sedadel mezi přední, středovou a zadní částí vozu (zleva) Následující 3
2. Rozbor možností a tvorba NC programu Při výrobě tvarově komplikovaných obrobků, jako je např. čelo (obr.6) modelu tramvaje (obr.7), lze úspěšně využít CAD/CAM technologie obrábění. Nyní nahlédneme na některé z dostupných nástrojů systému PowerMILL 6.0, které lze úspěšně aplikovat na zvolenou součást. Hlavní míra pozornosti je věnována současným možnostem a parametrům dostupných strategií, přičemž není cílem hledání naprosto nejdokonalejšího postupu obrobení zvolené součásti, ale spíše upozornění na možná úskalí. Obr. 6 Průběh obrábění součásti Obr. 7 Model po kompletaci se součástmi obráběnými CAD/CAM technologií Obrábění je specifikováno na tříosý obráběcí stroj - vertikální konzolová frézka FV25 CNC A s řídicím systémem Heidenhain itnc 530. Materiál obrobku - dřevo - a požadavek obrobit součást co možná nejlevněji (nejrychleji) umožnil nákup pouze základního nástrojového vybavení z HSS: 1. Hrubovací stopková fréza - dlouhá s rovným čelem, 1 břit přes střed, 3 zuby, φ10mm s děleným ostřím a 2. fréza s kulovým čelem φ10 mm, 2břity, s prodlouženou stopkou. Předchozí Následující 4
2.1 Import modelu a počáteční nastavení polohy Obrobek Upnutí polotovaru lze rozebírat z pohledu přesnosti obrábění, komplikovanosti programování i dostupnosti nástrojového vybavení, které lze pro celkové obrobení použít. Zde je však vzhledem k účelu součásti zvoleno uchycení šrouby k pomocnému kusu, jako je popsáno v příkladu č. 2 a naznačeno na obrázku č. 8. Import grafického modelu lze realizovat položkou roletového menu Soubor - Import modelu (obr. 9). Integrovaný grafický překladač data zpracuje a model vyobrazí. Nyní ho lze uložit položkou Export modelu do formátu *.dgk, který již při dalším otevření nebude vyžadovat opětovný překlad. Obr. 8 Ilustrativní náčrt upnutí součásti Toto uložení však zaznamenává i informace o orientaci normál na jednotlivé plochy a o poloze celku (jednotlivých ploch). Před exportem je tedy vhodné provést nezbytné transformace. Dialogové okno transformací lze aktivovat kliknutím pravým tlačítkem myši nad modelem a výběrem položek Editace - Transformuj. Např. změnu polohy pak lze realizovat ve spojitosti s ikonou Polotovar. Na dialogovém okně volby polotovaru je dostupná nabídka definice rozměrů polotovaru dle polohy min. a max. obrazových bodů. Automatická detekce polohy těchto limit je provedena po kliknutí na ikonu Počítej. Postupným posouváním modelu součásti o vypočtené hodnoty (s opačným znaménkem) lze stanovit přesnou polohu nulového bodu obrobku, ke kterému jsou vztahovány hodnoty souřadnic NC programu. Pomocný upínací prvek Obr. 9 Import grafického modelu a možnosti transformace Pozn.: Funkce pracovních rovin zde zatím není řešena. Předchozí Následující 5
2.2 Nastavení polotovaru a posuvů nástroje Mezi úvodní kroky předcházející volbě hrubovací strategie obrábění lze zařadit volbu polotovaru. Tvar i jeho hlavní rozměry jsou definovány volbou parametrů dialogového okna Polotovar (obr.10), přičemž tyto zadávané hodnoty nemusí vždy přesně odpovídat max. rozměrům grafického modelu. K dispozici jsou např. možnosti (tvary) polotovaru: - kvádr - definovaný limitními rozměry v jednotlivých osách - válec - definovaný polohou středu, výškou a poloměrem zaoblení - hranice, obraz - definovaný hranicí nebo 2D křivkou - model - definovaný importovaným 3D grafický model typu "solid" Pro nastavení posuvových rychlostí lze využít dialogového okna Řezné podmínky (obr.11). Zde je možno předepsat hodnotu rychloposuvu, která zpravidla vychází z parametrů obráběcího stroje, ale i hodnoty pracovních posuvů. Ty jsou děleny na Posuv a Sjezdy, což je zpravidla hodnota určená procentuálně z hodnoty posuvu, která se uvádí v katalozích řezných nástrojů. U dvoubřité frézy zpravidla hodnota rychlosti při sjezdu odpovídá 50% hodnoty posuvu. Obr. 11 Dialogové okno pro nastavení řezných podmínek Obr. 10 Dialogové okno - Polotovar Tabulku dialogového okna Řezné podmínky lze vyplňovat i automaticky kliknutím na ikonu Nahrej z aktivního nástroje. Před importem těchto dat je však nutno příslušný řezný nástroj aktivovat a mít u něj předem vyplněnou tabulku Data obrábění. Tato tabulka je zpravidla obrazem hodnot doporučovaných výrobcem řezného nástroje. Předchozí Následující 6
2.3 Nastavení přejezdů a počáteční i koncové polohy řezného nástroje Na následující nastavení (obr. 12) lze nahlédnout ze dvou pohledů - čas a kvalita povrchu. Tyto dva parametry jdou při programování mnohdy proti sobě a právě hledání optima mezi jejich nastaveními je rozhodující pro efektivní výrobu. Pro minimalizaci tzv. "zbytečných přejezdů vzduchem" lze využít dialogové okno Přejezdy. V oblasti Přírůstek výšky lze ovlivnit velikost výjezdu nástroje z řezu. Ta může být vždy až na rovinu rychloposuvu nad obrobkem (bezpečnější, ale časově náročnější) nebo vždy jen o hodnoty definovaného přírůstku vztažené k aktuální Z-pozici nástroje (výjezd je tzv. inkrementální, nejkratší). Z pohledu pětiosého obrábění není nutno realizovat výjezd vždy na rovinu nad obrobkem, ale je k dispozici i bezpečná oblast typu válec, koule nebo kvádr. Po kliknutí na ikonu Nastav na výšku polotovaru a Akceptuj je provedeno nastavení, které ovlivní generování následně volené strategie. V případě editace dráhy již vytvořené (a aktivované) je nutno kliknout na ikonu Aplikuj na aktivní dráhu. Nastavení polohy počátečního a koncového bodu již výrobní čas příliš neovlivní. Umožňuje však zajistit např. bezpečnou manipulaci s obrobkem v pracovním prostoru obráběcího stroje nebo najetím nad pozici nulového bodu obrobku vizuálně zkontrolovat korektnost nastavení. Obr. 12 Dialogová okna nastavení přejezdů, počátečního a koncového bodu Předchozí Následující 7
2.4 Volba hrubovací strategie Volba hrubovací strategie je zpravidla ovlivňována snahou odebrat max. množství materiálu za co možná nejkratší čas. Z dostupných strategií (obr.13) bylo vybráno Hrubování offsetem. Tato strategie je zjednodušeně řečeno rychlá z pohledu programování i vzhledem k vytvořené dráze řezného nástroje. Strategie Hrubování odvrtáním vyžaduje speciální nástrojové vybavení. Nelze ji aplikovat na všechny obráběcí stroje a vyžaduje předchystání dráhy (křivky), podle které bude prováděno postupné odebírání přebytečného materiálu axiálním pohybem řezného nástroje. Z pohledu času programování se jedná o strategii náročnější, ale z pohledu obrábění dochází mnohdy k výrazné časové úspoře. Pozn.: Vzhledem ke zvláštnostem tohoto druhu programování mu bude věnována pozornost v samostatném výukovém příkladu. Strategie Hrubování profilu odebírá materiál pouze podél "svislých" stěn modelu (obr.14). Lze ji úspěšně aplikovat na celkové polodokončovací obrábění některých typů obrobků. Strategie Hrubování rastrem je v základě velmi podobná dialogovému oknu pro hrubování offsetem. Způsob automatického generování dráhy je však výrazně odlišný a aplikací této strategie na obrobení součásti, při současném zachování všech počátečních nastavení (posuvy, radiální i axiální kroky, ponechání přídavku, atd.), je obrábění rovněž časově náročnější. 0br. 13 Hrubovací strategie Obr. 14 Hrubování profilu Předchozí Následující 8
2.5 Volba dokončovací strategie a kontrola kolizí Volba dokončovací strategie vychází nejen z tvaru a rozměrů modelu, ale i z požadované drsnosti povrchu jednotlivých ploch obrobku. Zvolená hrubovací strategie je zpravidla aplikována na celek, což u dokončovacího obrábění většinou nelze. K dosažení parametrů definovaných technickým výkresem je mnohdy nutno aplikovat jednu strategii pouze na vybrané plochy, plochu nebo pouze její část. Součást obráběná v tomto příkladu je vhodná k ukázce hned několika nedostatků, kterých je nutno se v praxi vyvarovat. 1.Strategie 3D offset dokončení neumožňuje nastavení generování dráhy řezného nástroje po spirále směrem ze středu k okraji. 2.Velikost radiálního kroku (s ohledem na zbytkovou nerovnost tvarových ploch) musí být co možná nejmenší. 3.Obrábění přídavku na rovinných svislých plochách s tímto min. krokem je neefektivní. 4.Celkové rozměry součásti i její tvar vyžadují nástroj s velkým vyložením a malým upínacím průměrem držáku. ad. 1 Vznikající problém viz předchozí příklad č.2. ad. 2 a 3 Program PowerMILL nabízí možnost automatického výpočtu kroku na základě geometrie zvoleného nástroje a hodnoty tolerance, která se provede po kliknutí na ikonu zvýrazněnou na obrázku č.15. Zmenšování hodnoty tohoto kroku zvyšuje přesnost obráběné součásti, zároveň však výrazně prodlužuje dobu obrábění. Obr. 15 ad. 4 Otázku, zda je možno zvoleným nástrojem obrobit součást, lze bezpečně zodpovědět Obr. 16 s využitím funkcí pro kontrolu kolizí a bourání (obr.16). Tyto funkce je však vhodné popisovat ve spojitosti s možnostmi importu upínačů (svěrák, upínky, specielní přípravky), a proto jim bude věnována pozornost až v některém z volně navazujících příkladů. Předchozí Následující 9
3. Závěr Můžeme se jen domnívat, kolik času uplyne, než se projedeme vozem z obr.17. Již nyní však můžeme úspěšně programovat obrábění dalších typů designérských návrhů kolejových vozidel pro MHD. Výše naznačený postup (kroky) CAD/CAM technologie programování vedl k úspěšnému obrobení požadovaných součástí (obr.18), přičemž byla dodržena požadovaná rozměrová i geometrická přesnost. Ta je však z pohledu obrábění ocelových forem určených např. pro vstřikování plastů výrazně nižší. Dodatečné leštění bylo realizováno ručně. Obr. 17 Návrh designu tramvají MHD pro třetí tisíciletí Zpracoval: Ing. Aleš Polzer Tel.: +420 5 4114 2559 E-mail: polzer@fme.vutbr.cz pro 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. Obr. 18 Jedna z obrobených součástí Více na: http://esf.fme.vutbr. cz Předchozí 10