1

Charakterystyka strategii toru narzędzia w operacjach na obrabiarki sterowane numerycznie.

Autorzy:Marcin Nowacki, Michał Praczkowski, Marcin Pietruszewski.

Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn M2-L13

2

Rola strategii obróbkowych

Zakładając stałość wszystkich parametrów geometrycznych (m.in. grubość i szerokość warstwy skrawanej itd.) i technologicznych (m.in. prędkość skrawania, posuw itd.) procesów skrawania, można zauważyć, że czas obróbki nie będzie uzależniony od kształtu toru narzędzia.

Wpływ na czas obróbki będą miały tylko następujące czynniki: • udział czasów ruchu jałowego,• pokrywania się pasów skrawanego materiału,• różnic w kinematyce ruchów narzędzia (tzn. dodatkowe ruchy takie jak ‘wygładzanie’ itp.).

3

Rola strategii obróbkowych

W związku z powyższymi tezami, odpowiedni wybór strategii obróbkowej przedmiotu obrabianego może znacznie skrócić czas jego obróbki. Kluczem jest wybór optymalnego toru narzędzia.

Dziedzina ta została mocno zagospodarowana przez systemy CAM, czyli Computer-aided Manufacturing, które już od lat 60 ubiegłego wieku (UNISURF- Pierre Beziers, Renault) znacząco ułatwiły i umożliwiły rozwój obróbki coraz bardziej finezyjnych kształtów.

Na dzień dzisiejszy do najbardziej rozpowszechnionych programów CAM nalezą:• CATIA, firmy Dassault Systemes,• PowerMILL, firmy Delcam,• NX, firmy Siemens PLM Software.

4

Rodzaje strategii obróbkowych

ZIG ZAG CLEARING

Strategia zaprojektowania w celu optymizowania ilości ruchów prostoliniowych ostrza. Wykorzystywana jest do operacji trójwymiarowego profilowania. Narzędzie wykonuje swoisty zygzak z możliwością dodatkowego ruchu wzdłuż osi Z.

Zaleta:

• Dosyć optymalne prędkości skrawania w porównaniu do bardziej podstawowych strategii, szczególnie strategii obrabiających płaszczyznę o jednostronnym ruchu narzędzia.

Rys. 1. Strategia obróbkowa typu Zygzak

5

Rodzaje strategii obróbkowych

CONSTANT OVERLAP SPIRAL

Nazwa ta jest angielskim odpowiednikiem tzw. stałej zakładki. Ta strategia zakłada obróbkę kieszeni po spirali. Jest to jedna z podstawowych strategii obróbkowych.

Wada:

• Ta strategia może prowadzić do nakładania się na siebie ścieżek narzędzia. Może to mieć wpływ na jakość obrobionego przedmiotu.

Rys. 2. Strategia obróbkowa typu COS.

6

Rodzaje strategii obróbkowych

PARALLEL SPIRAL

Strategia ta polega na prowadzeniu toru narzędzia równolegle do konturu przedmiotu, spiralnie. Narzędzie zaczyna obróbkę od środka kieszeni następnie spiralnie oddala się od niego, idąc równolegle do krawędzi kieszeni.

Zalety:

• Najbardziej podstawowa strategia obróbkowa dostępna w systemach CAM.

• Pozwala na osiągnięcie w miarę dobrych i jednorodnych wyników.

Rys. 3. Strategia obróbkowa typu Parallel Spiral

7

Rodzaje strategii obróbkowych

HIGH SPEED

Technika szybkiej obróbki kieszeni zawierająca opcję obróbki po trochoidzie (Trochoida, krzywa płaska nakreślona przez punkt leżący na promieniu okręgu toczącego się po stronie wewnętrznej (hipotrochoida, hipocykloida) lub zewnętrznej (epitrochoida, epicykloida) drugiego okręgu.). Ta technika obróbki umożliwia optymalną pracę narzędzia w pełnym materiale. Można określić maksymalny procentowo kontakt narzędzia z materiałem w pojedynczych cięciach.

Zalety:

• Wykonywanie pętli eliminujących gwałtowne zmiany kierunku narzędzia przy obróbce kieszeni.

Rys. 4. Strategia obróbkowa typu High Speed

8

Rodzaje strategii obróbkowych

MORPH SPIRAL

Strategia obróbki typu Morph polega na śledzeniu wpierw elementu wewnętrznego i w miarę kierowania się narzędzia na zewnątrz kieszeni śledzenie krawędzi owej kieszeni. Wynikiem takiego działania jest pojedyncze przejście, które eliminuje nagłe ruchy repozycjonujące narzędzie.

Rys. 5. Strategia obróbkowa typu Morph Spiral.

9

Rodzaje strategii obróbkowych

ONE WAY

Ta strategia należy do grupy podstawowych strategii obróbki. Polega ona na prowadzeniu obróbki wyłącznie w jednym kierunku. Narzędzie podąża od np. lewej krawędzi kieszeni do prawej, po czym wracane jest z powrotem do lewej krawędzi kieszeni. Taka obróbka zwiększa procent ruchów jałowych i wydłuża czas obróbki.

Rys. 6. Strategia obróbkowa typu One Way.

10

Rodzaje strategii obróbkowych

ONE WAY

Ta strategia należy do grupy podstawowych strategii obróbki. Polega ona na prowadzeniu obróbki wyłącznie w jednym kierunku. Narzędzie podąża od np. lewej krawędzi kieszeni do prawej, po czym wracane jest z powrotem do lewej krawędzi kieszeni. Taka obróbka zwiększa procent ruchów jałowych i wydłuża czas obróbki.

Rys. 6. Strategia obróbkowa typu One Way.

11

Przykład strategii obróbkowej zastosowanej do rzeczywistej obróbki

Film 1. Przykład obróbki zgrubnej przy wykorzystaniu strategii High Speed.

12

Zależność czasu obróbki od typu wybranej strategii obróbkowej.

Nr Nazwa strategiiCzas

w [min] w[s]

1 Zygzak 2 min. 15 sek. 135 sek.

2 Constant Overlap Spiral 2 min. 47 sek. 167 sek.

3 Parallel Spiral 2 min. 49 sek. 169 sek.

4Parallel Spiral Clean

Corners2 min. 53 sek. 173 sek.

5 Morph Spiral 3 min. 42 sek. 222 sek.

6 High Speed 5 min. 58 sek. 358 sek.

7 One way 5 min. 45 sek. 345 sek.

8 True Spiral 3 min. 53 sek. 233 sek.

Tab. 1. Czasy obróbki kieszeni prostokątnej przy stałych parametrach obróbki przy pomocy różnych strategii obróbkowych.

13

Zależność czasu obróbki od typu wybranej strategii obróbkowej.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

ZygzakConstant overlap SpiralParalel SpiralParalel Spiral Clean CornersMorph SpiralHigh SpeedOne wayTrue Spiral

Rys. 7. Wykres czasów obróbki według poszczególnych strategii obróbkowych.

14

Zależność czasu obróbki od typu wybranej strategii obróbkowej.

Tab. 2. Czasy obróbki kieszeni o złożonym zarysie przy stałych parametrach obróbki przy pomocy różnych strategii obróbkowych.

Nr Nazwa strategii czas

w [min] w[s]

1 Zygzak 3 min. 36 sek. 216 sek.

2 Constant overlap Spiral 3 min. 45 sek. 225 sek.

3 Paralel Spiral 3 min. 47 sek. 227 sek.

4 Paralel Spiral Clean Corners 4 min. 03 sek. 297 sek.

5 Morph Spiral 8 min. 26 sek. 243 sek.

6 High Speed 8 min. 50 sek. 530 sek.

7 One way 15 min. 25 sek. 925 sek.

8 True Spiral 6 min. 45 sek. 405 sek.

15

Zależność czasu obróbki od typu wybranej strategii obróbkowej.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

ZygzakConstant overlap SpiralParalel SpiralParalel Spiral Clean CornersMorph SpiralHigh SpeedOne wayTrue Spiral

Rys. 8. Wykres czasów obróbki według poszczególnych strategii obróbkowych.

16

Zależność czasu obróbki od typu wybranej strategii obróbkowej.

Z wyników, przeprowadzonych przez autora pracy dyplomowej, badań jasno wynika podział na dwie grupy: obróbkę szybszą i obróbkę wolniejszą. Różnice między strategiami sięgają nawet kilku minut, co na przykład w produkcji seryjnej przełożyłoby się na wydłużenie obróbki nawet o kilkadziesiąt minut w efekcie wydłużając czas produkcji i podnosząc jej koszty. Pierwsze cztery kolumny od lewej dotyczą strategii podstawowych (Zygzak, Parallel Spiral z lub bez Clean Corners, Constant Overlap Spiral). Druga grupa to strategie o bardziej skomplikowanych torach ruchu takie jak Morph Spiral czy High Speed. Jednak czas obróbki nie może być jedynym parametrem wpływającym na wybór strategii. Naprzeciw stoją także takie zmienne jak jakość obrabianej powierzchni, geometria obrabianej powierzchni oraz przede wszystkim możliwości narzędzia.

17

Narzędzie i jego możliwości, a strategia obróbkowa.

Według specjalistów firmy Sandvik Coromant istnieje pewna luka między wiedzą o narzędziach skrawających jakie posiadają ich producenci, a programami typu CAM, prześcigającymi się coraz nowszymi strategiami obróbki.

Przykład, który uwypukla jeden z mankamentów bezkrytycznego używania sugerowanych przez program toru narzędzia widoczny jest na rysunku poniżej.

Rys. 9. Zużycie narzędzie po: 15 przejściach z odpowiednią techniką wejścia w PO (po lewej) oraz po 2 przejściach z nieodpowiednią techniką wejścia w materiał (po prawej).

18

Narzędzie i jego możliwości, a strategia obróbkowa.

Firma Sandvik Coromant opracowała kilka punktów dla osób stosujące systemy CAM, aby wydłużyć żywotność narzędzia:

1. Roll the Tool In

2. Ramp Down

3. Spiral Out

4. Slice Corners

5. Turn Left then Right

6. Drive by the Edge

19

Narzędzie i jego możliwości, a strategia obróbkowa.

Roll the Tool In

Frezy z węglików spiekanych (przynajmniej te oferowane przez firmę Sandvik Coromant) najlepiej sprawują się kiedy grubość wióra podczas obróbki maleje. Dzięki takiej metodzie siła skrawania jest uwalniana stopniowo a nie gwałtownie.

Rys.10. Idea ‘Roll the Tool In’.

20

Narzędzie i jego możliwości, a strategia obróbkowa.

Ramp Down

Polega na rezygnacji z frezowania kieszeni poziom po poziomie w osi Z, a raczej łagodnym przejściu z warstwy do warstwy. Kończąc frezowanie kieszeni na jednym poziomie narzędzie miałoby swobodnie zjeżdżać niżej i kontynuować obróbkę. Im takie zejście dłuższe tym lepiej. Możliwe jest również zastosowania ścieżki narzędzia, które stale zagłębiałoby się w materiał (oś Z).

Rys.11. Zrzut ekranu pokazującego metodę ‘Ramp Down’.

21

Narzędzie i jego możliwości, a strategia obróbkowa.

Spiral Out

By zredukować zużycie narzędzia przy zmianie kierunków zwłaszcza podczas obróbki naroży, należy ograniczyć większość procesu frezowania kieszeni do cyrkularnego toru, najlepiej od środka kieszeni. Właśnie taka strategia nazywana jest ‘Spiral Morphing’.

Rys.12. Metoda ‘Spiral Out’.

22

Narzędzie i jego możliwości, a strategia obróbkowa.

Slice Corners

Spiral Morphing pozostawi po sobie najprawdopodobniej naddatki szczególnie w narożach przedmiotu obrabianego. Takie naddatki najprawdopodobniej byłyby wybierane przez mniejsze narzędzie drastycznie zmniejszając jego żywotność. ‘Corner Slicing’ umożliwia obróbkę naroży serią ścieżek narzędzia zapewniających promieniste zagłębianie się narzędzia w naddatki.

Rys.13. Metoda ‘Slice Corners’.

23

Narzędzie i jego możliwości, a strategia obróbkowa.

Turn Left Then Right

Podobnie jak narzędzia do frezowania, noże tokarskie mogą znacznie ucierpieć z powodu naprężeń powstających przy gwałtownym spadku obciążenia działającego na narzędzie. By zminimalizować ten efekt firma Sandvik Coromant proponuje toczenie trochoidalne. Polega ono na skrawaniu wpierw w lewo po czym narzędzie wgłębia się jeszcze bardziej i skrawa w przeciwnym kierunku. Dzięki temu obciążenie działające na narzędzie pozostaje prawie niezmienne wydłużając życie narzędzia.

Rys.14.Toczenie trochoidalne.

24

Narzędzie i jego możliwości, a strategia obróbkowa.

Drive by the Edge

Ostatni punkt dotyczy w szczególności obrabiania turbin silników odrzutowych. Stopy przeznaczone na te silniki mają nadzwyczajne właściwości, a ich obróbka jest bardzo dokładna, ostrożna i przede wszystkim powolna.

Zamiast używania narzędzi o niewielkich średnicach możliwe jest zastosowanie większych frezów o okrągłych płytkach skrawających prowadzonych w odpowiedni sposób po obrysie turbiny, skrawając odpowiednią krawędzią narzędzia. Ta metoda zdecydowanie przyspiesza obróbkę. Rys.15.Metoda Drive by the Edge

25

Podsumowanie.

Strategia obróbkowa ma wpływ na czas trwania obróbki oraz jakość uzyskanego przedmiotu. Odpowiedni jej dobór i późniejsza modyfikacja może przedłużyć żywotność narzędzia, jednocześnie zapewniając większą dokładność.

Szybki rozwój oprogramowania CAM sprzyja rozwijaniu nowych strategii obróbkowych, reklamowanych jako rewolucyjne, szybsze i dokładniejsze. Zdarza się jednak, że za takimi hasłami stoją rozwiązania niedopracowane i nieuwzględniające obciążeń jakie działają na narzędzie podczas usuwania naddatku materiału przy obróbce. Obsługa systemów CAM będzie wymagała nadzoru ze strony technologów, którzy powinni weryfikować rzeczywistość z tym co przedstawia taki system.

26

Źródła.

• http://zasada.ps.pl/m2-l13/pomoce/

• http://www.cnccookbook.com/CCCAMToolpaths.htm

• http://www.myyellowcoat.com/smart-ideas/cnc-programming-tool-path/

• http://www.designnews.pl/menu-gorne/artykul/article/strategie-obrobkowe-hsm-we-wspolczesnych-systemach-cam/

• http://www.mastercam.pl/?mod=2&id=7