Advanced simulations of CNC virtual machining to increase productivity

CNC obrábìní

Produktivitu obrábìní lze ovlivnit na mnoha úrovních procesu pøípravy a realizace obrábìní. Každý typ obrobku klade specifické požadavky, pro nìž je potøeba zvolit vhodné podmínky obrábìní. V první øadì se jedná o volbu zpùsobu upnutí dílce a výbìr tvarù nástrojù, s nimiž bude možno vyrobit produktivnì požadované tvary.

Navazujícím krokem je volba strategie dráhy nástroje, která souvisí úzce s výbìrem øezných nástrojù a øezných podmínek. V této fázi pøípravy obrábìní je možno významnì ovlivnit budoucí produktivitu procesu napø. použitím strategií drah s kratšími èasy obrábìní, vedoucími ale obvykle k vyššímu zatížení nástroje a jeho zkrácené životnosti, nebo drah s nižším silovým zatížením a vyšší živostností nástroje.

Pomìr mezi cenou strojního èasu a cenou nástrojového vybavení rozhoduje o vhodnosti pøíslušné volby. V tomto pøíspìvku pøiblížíme potenciál zvyšování produktivity obrábìní zejména na stranì stroje a jeho øízení s využitím vyšší úrovnì znalosti chování celého systému stroje. Moderní CNC stroj pøedstavuje typický mechatronický systém s vazbami mezi CNC øízením, øízením pohonù, mechanickou stavbou pohonù, nosnou strukturou a vlastním øezným procesem (Obr. 1). Proces pøípravy a realizace obrábìní prochází kroky tvorby CAD modelu obrobku, jeho interpretace CAM systémem do NC dat, interpolace CNC øídicím systémem stroje, øízením pohonù a jejich interakce s mechanickou stavbu stroje a øezným procesem.

Kvalita uvedených vazeb rozhoduje o celkovém výsledku obrábìní, pøièemž jakýkoliv nesoulad v nastavení se mùže projevit zhoršenou kvalitou a pøesností ploch dílce, nebo delšími èasy obrábìní. Produktivita, jakost a pøesnost obrábìní jsou pro daný stroj ovlivnitelné kvalitou NC dat, nastavením interpolátoru CNC, øízením pohonù a volbou technologických parametrù obrábìní (Obr. 2).

Význam této problematiky stoupá zejména s velikostí a cenou obrobkù. Snaha o øešení obvyklým postupem cestou pokus – omyl je zdlouhavá a nákladná a nevede k optimálnímu výsledku, který nezaruèí ani využití dosavadních zkušeností. V pøípadech, kdy má vzniknout pouze jeden exempláø velkého obrobku není ani možno postup experimentálního ladìní øízení stroje a nastavení øezného procesu realizovat. Ve zvyšování produktivity obrábìní tak zùstává nevyužitý potenciál, který mùže dosahovat až nìkolika desítek procent. Pøi nákladech na provoz moderních strojù v øádech tisícù korun a cenách obrobkù v øádech stovek tisíc korun i více se jedná o možnosti nezanedbatelných úspor.

Obr. 1: CNC obrábìní je výsledkem øetìzce vazeb CAD/CAM pøípravy NC dat, øízení stroje s jeho mechanickou stavbou a øezného procesu

Obr. 2: Parametry ovlivòující na daném stroji výsledky obrábìní

Zdroje chyb CNC obrábìní

V bìžné praxi jsou NC data dráhového øízení na základì CAD modelu obrobku pøipravována pomocí CAM systémù. Dostupná je dnes široká škála komerènì dostupných softwarových nástrojù CAD/CAM, postprocesorù a pøípadnì dalších nástrojù pro postprocesní kontrolu NC dat.

Strategii obrábìní volí technolog podle charakteru a složitosti obrobku, návrh øezných podmínek vychází z použitého typu nástroje a doporuèení øezných rychlostí.

I pøes nasazení výkonných nástrojù CAD/CAM softwarové podpory se ovšem výsledky skuteèného obrábìní èasto výraznì liší od CAM simulací.

Obvykle dochází pøi skuteèném obrábìní k nárùstu celkového èasu obrábìní nad úroveò CAM predikce. Rozdíly skuteèných èasù obrábìní od predikovaných v CAM mohou dosahovat až desítek procent. Pøíèina tìchto rozdílù spoèívá v nezahrnutí skuteèného chování CNC øídicího systému stroje do CAM simulací.

Další omezení pøi použití standardních CAM nástrojù ve vazbì na zvyšování produktivity obrábìní vyplývají z chybìjící znalosti skuteèné dynamiky soustavy stroj – nástroj – obrobek:

• Nejsou známy dynamické vlastnosti stroje a nástroje
• Nejsou známy dynamické vlastnosti obrobku
• Nejsou známy projevy silové interakce poddajného nástroje s poddajným obrobkem.

Díky tomu není možno vhodnì pøizpùsobit øezné podmínky chování soustavy stroj – nástroj – obrobek a vzniká riziko zvýšených vibrací, nebo naopak nevyužité tuhosti soustavy.

Další významný pøíspìvek ke kvalitì výsledkù obrábìní pøedstavuje nastavení parametrù CNC øízení stroje. Vhodnou volbou parametrù zrychlení, osových a dráhových jerkù, nebo dalších vyšších funkcí lze významnì ovlivnit produktivitu, pøesnost a jakost obrobeného povrchu.

Posledním èlánkem v øetìzci vazeb na stranì stroje je øízení pohonù, jejichž nastavení mùže mít významný dopad na kmitání soustavy stroj – nástroj – obrobek.

Kvalitní regulace pohonù stroje ovlivòuje nejen jakost a pøesnost povrchu dílce, ale sekundárnì i celkový èas obrábìní.

Virtuální model stroje a simulace obrábìní

Komplexita výše uvedených vazeb a optimalizace obrábìní je motivací vývoje pokroèilých virtuálních modelù strojù a virtuálního obrábìní.

Cílem je vytvoøení simulaèních modelù, které umožní relevantnì predikovat skuteèné výsledky obrábìní a díky zahrnutí všech èástí øetìzce vazeb øízení – mechanická stavba stroje vèetnì jeho kmitání (Obr. 3) umožní identifikovat zdroje chyb obrábìní, simulovat interakci nástroje s obrobkem a pomáhat úèinnì optimalizovat nastavení øídicího systému stroje, øízení pohonù, nebo technologických parametrù.

V Èeské republice je takto koncipovaný softwarový systém virtuálního modelování strojù unikátní a je vyvíjen na základì vlastního výzkumu na pùdì ÈVUT v Praze, RCMT.

Obr. 3: Schéma virtuálního modelu stroje pro simulace virtuálního obrábìní

Aplikace virtuálního obrábìní

Pøínos virtuálního modelu stroje vystihuje ukázka vizualizace èásti povrchu zkušebního dílce (Obr. 4). Zatímco CAM simulace CL dat ukazuje témìø nulové odchylky od referenèního CAD modelu (Obr. 4 vlevo), na simulaci s využitím skuteèného CNC øídicího jsou dobøe patrné v pøechodových èástech povrchu chyby nedoøezáním materiálu vlivem dynamiky interpolátoru (Obr. 4 uprostøed). Zahrnutí modelu stroje a pohonù ukazuje realistické pøekmity, vzniklé dynamikou systému stroje (Obr. 4 vpravo).

Obr. 4: Rùzné úrovnì simulace dat dráhového øízení: zcela vlevo CAM simulace CL dat, uprostøed CNC simulace s využitím virtuálního jádra skuteèného CNC systému a vpravo simulace pomocí virtuálního modelu stroje. Vizualizaci reálných stop nástroje umožòuje pouze virtuální model. Znázornìny jsou odchylky od výchozího CAD modelu

Pomocí virtuálních modelù jsou øešeny optimalizaèní úlohy pro zkracování èasù pøi souèasném zachování požadované kvality a pøesnosti, nebo úlohy zvýšení kvality a pøesnosti obrábìní. Ukázku optimalizace jakosti obrábìného povrchu ukazuje Obr. 6. Vhodným nastavením vyšších funkcí v CNC øídicím systému stroje Siemens 840 D se podaøilo docílit podstatného zvýšení jakosti povrchu a souèasnì zkrácení èasu obrábìní.

Na pøíkladu velkosériové výroby letecké souèástky z Al slitin, vyrábìné ve fi rmì AXA CNC STROJE, se podaøilo zmìnami v nastavení interpolátoru CNC systémy a regulace pohonù dosáhnout zkrácení výrobního èasu o 20 % na výsledných 28 minut. Získaná úspora èasu umožnila firmì ušetøit kapacitnì jednu smìnu pøi paralelní výrobì na dvou strojích. Jiným pøíkladem je využití virtuálního modelu pro optimalizaci CNC interpolátoru a NC kódu na pìtiosé frézování kompresorového kola z Al slitiny. Pøi požadavku zachování maximálních chyb pøesnosti povrchu do 0,04 mm byl èas obrábìní jedné mezilopatkové mezery zkrácen o 58 % ze 6 min. na 2,5 min.

Obr. 6: Optimalizací nastavení parametrù CNC øízení je možno dosáhnout významného zvýšení kvality a pøesnosti obrábìní. Vlevo ukázka pùvodního nastavení a vpravo optimalizovaného

Shrnutí

CNC obrábìní tvarových ploch pøedstavuje rozsáhlé úlohy optimalizace strategie obrábìní, nastavení interpolátoru CNC systému stroje, øízení pohonù a øezných podmínek, jejichž cílem je dosažení vysoké produktivity, kvality a pøesnosti obrábìní. RCMT nabízí v této oblasti komplexní podporu ve všech fázích návrhu a realizace obrábìní s podporou pokroèilých simulací virtuálního obrábìní.

Tuto problematiku rozebíral Ing. Matej Sulitka na semináøi Formy a Plasty Brno 2017, poøádaném firmou SVOBODA: