Moderní způsoby strojního obrábění na CNC soustruzích 2. 0
Obsah: Obsah:... 1 Moderní způsoby strojního obrábění na CNC soustruzích... 2 1. Základní konstrukce CNC soustruhu... 2 1.1 Funkční jednotky... 2 1.2 Pracovní jednotky... 2 1.3 Doplňkové jednotky... 3 2. Nástroje pro obrábění... 4 2.1 Povlakování řezných materiálů... 4 2.2 Volba použití soustružnických nožů s VBD destičkami... 5 3. Základy programování... 6 3.1 NC programy... 6 3.2 Souřadnicový systém CNC soustruhu a vztažné body... 7 3.3 Kótování obrobků... 8 4. NC-programování... 9 4.1 Struktura NC bloku... 10 4.3 Významy adres v NC programu... 11 5. Příprava pro tvorbu NC programu... 11 5.1 Pracovní plán a technologie... 13 6. Simulace... 15 Použitá literatura:... 16 1
Moderní způsoby strojního obrábění na CNC soustruzích V moderním světě obrábění se stále častěji setkáme s počítačem řízenými CNC (computer numerice controlled) stroji. Pro tovární sériovou výrobu se používají i počítačem řízené CNC soustruhy. Obr.1: CNC soustruh 1. Základní konstrukce CNC soustruhu Takový jednoduchý soustruh má pracovní vřeteno s revolverovou nástrojovou hlavou, řízenou v podélném i příčném pohybu v osách X a Z. Soustruh je možné dovybavit další revolverovou hlavou s pohonem pro frézování nebo vrtání. 1.1 Funkční jednotky U obráběcích CNC strojů zajišťují všechny pohyby potřebné pro hlavní provoz elektromotory. Dalšími pohonnými jednotkami jsou servomotory pro pohony posuvů a dopravníku třísek. Řídící jednotky jistí motory před přetížením a umožňují přesné koordinované plynulé CNC řízení a regulaci otáček. 1.2 Pracovní jednotky Pracovní jednotkou CNC soustruhu je taková část stroje, která se podílí na jeho hlavní funkci. Hlavní funkcí soustruhu je třískové obrábění obrobku soustružením. Pracovní jednotka se tedy skládá z pracovního vřetena s upínacím zařízením pro obrobek (sklíčidlo) a revolverové hlavy s obráběcími nástroji. 2
A Motor vřeteníku se sklíčidlem B protivřeteno se synchronním motorem C Suporty D Nožová revolverová hlava Obr.2: Základní koncepce CNC soustruhu 1.3 Doplňkové jednotky Protivřeteno, poháněné synchronně s pracovním vřetenem, může sloužit k upnutí obrobku z druhé strany. Při upichnutí pak nezůstane na žádné z oddělených částí stopka. Dva upnuté výrobky pak mohou být současně obráběny dvěma nástroji upnutými nezávisle ve dvou nástrojových hlavách. Přesné natočení a zabrzdění pracovního vřetena umožňuje při řízení pohybu nástrojové hlavy ve třech osách (X, Y, Z) provádět na rotačně opracovaném polotovaru frézovací a příčné vrtací operace. Takové zařízení nazýváme obráběcím centrem. 3
2. Nástroje pro obrábění Pro výkonné a přesné soustružení na CNC soustruzích musí být použito i kvalitních nástrojů. Současné soustružnické nože jsou koncipovány pro náročný provoz. Použití nástrojů s výměnnými břitovými destičkami umožňuje soustružení i velmi houževnatých kovových materiálů nebo i nekovových materiálů jako je hliník a jeho slitiny. Obr. Soustr. Nůž s VBD. Výměnné břitové destičky (dále VBD) jsou vyrobeny s materiálů jako jsou slinuté karbidy, cermety, keramika nebo kubický nitrid boru. Každý druh obráběcího materiálu je určen k obrábění jiných materiálů, ale i k jiné technologii, jako je hrubování nebo hlazení. U správného výběru nástroje (nože s VBD) je nutné se vždy řídit podle doporučení výrobce, řezných podmínek a druhu obráběného materiálu. 2.1 Povlakování řezných materiálů Hlavním cílem povlakování je zvýšit otěruvzdornost řezného nástroje. Při vyšších teplotách umožňuje nástroj z lepší otěruvzdorností větší řeznou rychlost. K materiálům pro tvrdé povlaky patří zejména: Nitrid titanu (TiN) Karbid titanu(tic) Karbonitrid titanu (TiCN) Oxid hlinitý (AL2O3) Diamant (C) VBD z SK povlakovaná TiN Držák nože Výměnná břitová destička (VBD) VBD ze SK povlakovaná BN Obr.3: Soustružnický nůž s VBD 4 Obr.4: Výměnné břitové destičky
Řezné materiály Slinuté karbidy (SK) Vlastnosti: velká tepelná odolnost, velká otěruvzdornost, schopnost tlumit vibrace Použití: - pod označením P ocel, temperovaná litina - pod označením M nerezavějící nebo automatová ocel -pod označením K litina, neželezné kovy, kalená ocel Cermety Vlastnosti: velká otěruvzornost, teplotní odolnost, pevnost hrany břitu. Použití: vhodné pro dokončovací operace s velkou řeznou rychlostí. Řezná keramika Vlastnosti: velká tvrdost, použitelnost do 1200 C, pevnost v tlaku. Použití: obrábění litiny, žáruvzdorných slitin, kalené oceli při velkých řezných podmínkách. Kubický nitrid boru (BR) Vlastnosti: velká tvrdost, otěruvzdornost použitelnost do 2000 C, Použití: přesné soustružení tvrdých materiálů, kalených dílů s vysokou přesností a jakostí povrchu. Polakrystalický diamant (DP) Vlastnosti: nejtvrdší řezný materiál, otěruvzdorný, použitelnost do 600 C. Použití: obrábění neželezných materiálů a slitin hliníku s obsahem křemíku při velkém opotřebení ostatních nástrojů. Tab.1: Řezné materiály pro soustružnické nástroje 2.2 Volba použití soustružnických nožů s VBD destičkami Tvar, úhel špičky, úhel hřbetu, utvařeč třísky, způsob upnutí, velikost destičky, poloměr špičky, druh povlakování jsou kritéria označování podle ČSN 22 09 05. Podle druhu obráběného materiálu, řezných rychlostí, druhu operace vybíráme vhodný typ břitové destičky. Jiný tvar destičky použijeme při hrubovacích operacích a jiný při dokončovacích, kde je řezná rychlost obrábění vždy větší. Pro správný výběr je vhodné se poradit s výrobcem VBD a technologem výroby. 5
VBD destička určená pro hrubovací operace VBD destička určená pro dokončovací nebo kopírovací operace Obr.5: Typy VBD pro soustružení 3. Základy programování Každý počítačem řízený obráběcí stroj pracuje s programem vytvořeným obsluhou stroje nebo programátorem. Základy vytvoření NC programu si vysvětlíme v následujících kapitolách. 3.1 NC programy V NC programu jsou udány dráhy a cílové body, které má najíždět nástroj. Aby byly příkazy v programování správné, musíme zadat jednotlivé body pohybu nástroje. Základem je určit v rovině nebo prostoru systém, který umožní přesně určit polohu zadávaných bodů. Takový systém nazýváme souřadnicovým. Nulový bod souřadného systému Souřadný systém se sestává ze dvou os na sebe kolmých, na kterých je číselná hodnota nanesena v určitém měřítku. Průsečík těchto os se nazývá nulový bod souřadného systému. Vodorovná osa se označuje X a svislá Y. U soustružení je osa rovnoběžná s osou vřetene označena Z, osa na ni kolmá X. 6
Suport Obr.6: Souřadnicový systém CNC soustruhu 3.2 Souřadnicový systém CNC soustruhu a vztažné body Abychom se orientovali v programování stroje je třeba znát základní definice bodů, které nám určují pozice nástrojů, obrobku a další údaje. Souřadnicový systém CNC soustruhu U soustruhu se používá systém dvou souřadnic. Osa rovnoběžná s vřetenem je osa Z a svislá osa ve směru průměru obrobku je označena X. Vztažné body Při řízení stroje dochází k pohybu suportu, což představuje pohyb v souřadném systému. V tomto systému si určíme důležité referenční body. Nulový bod stroje je výchozí bod určený výrobcem a nelze ho měnit. Referenční bod je určený bod, který leží uvnitř pracovního rozsahu nástrojové hlavy. 7
Nulový bod obrobku je vztažen k nulovému bodu stroje a může být libovolně přemístěn. Je vhodné jej zvolit tak, aby byl shodný s nulovým bodem na výkrese. Vztažné bod nástroje je poloha špičky nástroje, která se liší u každého nástroje, proto zadáváme řídícímu systému pro každý nástroj hodnoty korekcí, které určují vzdálenost referenčního bodu a špičky nástroje. Vztažný bod revolverové Bod výměny Vztažný bod Referenční Nulový bod Nulový bod 3.3 Kótování obrobků Obr.7: Vztažné body CNC soustruhu Kótování vzhledem k poloze nulového bodu obrobku může být provedeno dvěma způsoby. Viz. Obr.x. Nulový bod se může nacházet na čele výrobku ke straně blíže k nástroji, v takovém případě zadáváme dráhu osy Z v minusové hodnotě. Pokud se nulový bod nachází na druhé straně obrobku, na straně která je upnuta v čelistích, osu Z zadáváme vždy v kladných hodnotách. Pokud se suport s revolverovou hlavou a upnutým nástrojem pohybuje a obrábí před výrobkem nazýváme toto obrábění před osou. Tento způsob obrábění je totožný jako u klasického soustruhu. Obrábí-li nástroj obrobek ze zadní strany nazýváme toto obrábění za osou. 8
Obr.8: Kótování vzhledem k poloze nulového bodu obrobku Obr.9: Vztah pracovní polohy nástroje (suportu) k souřadnému systému 4. NC-programování Pro tvorbu NC programů je nezbytně nutná přehledná programová struktura. Dbáme li na přehlednost, je značně ulehčeno hledání chyby, případně provedení změn. Tuto přehlednost oceníme zejména při hledání chyby v programu převzatém po jiném programátorovi. Příklad obrábění pomocí NC programu V úvodu jsme se zmínili, že NC program nám udává dráhy a cílové body, které nám najíždí nástroj. V našem případě je nástrojem soustružnický nůž, který nám jede po zadané dráze v ose X a ose Z. Nulový bod obrobku je zadán na pravé straně obrobku tzv. čele. Nůž jede po zadané dráze v ose X je to hodnota 76 mm a ose Z je to hodnota 92 mm. Protože je nulový bod obrobku na pravé straně, jede nástroj v ose Z vždy do minusových hodnot. Při pohledu na obrázek zjistíme, že nůž se nachází v pozici osy X na hodnotě 76 mm a osy Z -15,254. 9
X -Z Nulový bod Obr.10: Vztah pracovní polohy nástroje (suportu) k souřadnému systému 4.1 Struktura NC bloku Oproti klasickým soustruhům jsou moderní obráběcí NC stroje vybaveny číslicovým řízením. NC program musíme pro automatické obrábění rozvést do jednotlivých pracovních kroků a tyto instrukce přeložit do řídícího systému srozumitelné řeči kódu. 4.1.1 Bloky NC program se skládá z bloků (řádků). Které jsou sestaveny z jednotlivých příkazů slov. 4.1.2 Slovo, příkaz, významová část Každý příkaz (slovo) se skládá ze dvou částí. Adresné a Významové. Adresa určuje, kam bude instrukce směřována. 10
N110 G01 X+60 M03 číslo bloku slovo slovo slovo Určuje hodnotu / počet a specifikuje adresnou část. Může být buďto přímo hodnotou (X+60- je na souřadnici X = 60) nebo kódem (G01- je po přímce prac. posuvem). 4.3 Významy adres v NC programu 5. N G X Z F S T M ČÍSLO BLOKU (ŘÁDKU) PŘÍPRAVNÁ FUNKCE SOUŘADNICE CÍLOVÉHO BODU SOUŘADNICE CÍLOVÉHO BODU POSUV POČET OTÁČEK VŘETENA ČÍSLO NÁSTROJE / ČÍSLO ŘÁDKU KOREKCÍ POMOCNÉ FUNKCE (SMYSL OTÁČENÍ VŘETENE, CHLAZENÍ) Tab.2: Adresy NC bloku 11
Příprava pro tvorbu NC programu Dříve než programátor napíše NC program, musí pozorně prostudovat výkresové podklady a výrobní zadání. Jestliže jsou pak k dispozici všechny potřebné informace pro vytvoření programu je možno zahájit plánování jednotlivých pracovních kroků. Důležité je, aby programátor také bral v úvahu, na kterém stroji může být výrobek později zhotoven a jaké nástroje a upínací prostředky jsou pro tento stroj k dispozici. Osnova programování má tyto základní body: 1. Analýza výkresu obrobku 2. Určení pracovního plánu 3. Volba upínacích prostředků a potřebných nástrojů (sestavení seřizovacího listu) 4. Vytvoření NC programu 12 Obr.11: Výkres obrobku
5.1 Pracovní plán a technologie V pracovním plánu programátor navrhne tzv. strategii obrábění ve, které se určí pořadí obráběcích operací na výrobku. Při pohledu na čtvrtý bod (druhý řádek) pracovního postupu si vysvětlíme základní příkazy a jejich významy. Slovo T0101 nám označuje, že pracujeme s nástrojem, který je umístěn v revolverovém zásobníku na první pozici. V našem případě se jedná o rohový nůž levý. G 96 je funkce, která nám určuje konstantní (stálou, neměnnou) řeznou rychlost s otáčkami S 260 ot/min. Pomocná funkce M04 určuje směr otáček vřetena, v našem případě jde o levé otáčky. Funkce G 95 je stanovení posuvu na otáčku, v našem případě jde o hodnotu F 0,250 mm/otáčku. Funkce M08 je funkce aktivovaného chlazení emulzí. Pracovní postup Typ nástroje, pozice v revolverové hlavě Náčrt obrábění 1 2 3 Stanovit míry neobrobeného dílu a ověřit disponibilitu materiálu. Upnout obrobek Určit nulový bod Válec D: 80 mm délka L: 122 mm Materiál: AlMg1 Sklíčidlo: KFD-HS 130 Upínací čelisti: HM-110_130-02.001 Hloubka upnutí: 18.0 mm 4 Zarovnání čela ROHOVÝ NŮŽ LEVÝ CL-SCLCL-2020/L/1208 ISO30 T0101 G96 S260 M04 G95 F0.250 M08 5 Hrubování vnější kontury ROHOVÝ NŮŽ LEVÝ CL-SCLCL-2020/L/1208 ISO30 T0101 G96 S260 M04 G95 F0.350 M08 13
6 Vrtání SPIRÁLOVÝ VRTÁK DR-18.00/130/R/HSS ISO30 T0505 G97 S1200 M03 G95 F0.220 M08 7 Hrubování vnitřní kontury UBĚRACÍ NŮŽ VNITŘNÍ, ZASTŘEDOVÝ. BI-SCAAL-1010/L/0604 ISO30 T0808 G96 S220 M04 Tab.3: Pracovní plán 14
6. Simulace Před prvním spuštěním a otestováním vytvořeného programu v praxi má možnost obsluha stroje spustit simulaci na monitoru. Význam možnosti spuštění této simulace na monitoru je především v tom, že se předejde kolizi při chybném zapsání programu. Obsluha má možnost během simulace kontrolovat jednotlivé kroky obrábění a vyhodnocovat tak správný a bezchybný postup. Některé obráběcí stroje jsou vybaveny tzv. protikolizním systémem, který má za úkol přerušit obrábění ve chvíli, kdy by mohlo dojít ke kolizi nástroje nebo obrobku s jinou částí stroje a tím i k poškození. Obr.12: Monitor se spuštěnou simulací 15
Použitá literatura: Text: 1) Martin Wolf, průmyslový design, http-dl.uk.fme.vutbr.cz. 2) J. Dillinger a kol., MODERNÍ STROJÍRENSTVÍ pro školu a praxi, str.114-116, ISBN 978-80-86706-19-1 3) Jaroslav Dubrava, Výukový modul - Programování CNC soustružení, SPŠ Uherský Brod. Obrazová část: 1) MTS, Výukový program Ovládání CNC simulátoru soustružení, verze 6, MTS GmbH Kaiserin-Augusta-Allee 101 D-10553 Berlin 2) Martin Wolf, průmyslový design, http-dl.uk.fme.vutbr.cz. 3) Jaroslav Dubrava, Výukový modul - Programování CNC soustružení, SPŠ Uherský Brod. 16