Pokročilé simulace CNC virtuálního obrábění pro zvyšování produktivity

-- 11.01.2018

CNC obrábění tvarově složitých dílců, jaké reprezentují typicky formy, představuje komplexní úlohy, v nichž se potkávají požadavky na produktivní výrobu při současně vysokých požadavcích na kvalitu a přesnost povrchů. Kvalitní příprava NC dat, jejich odbavení na stroji a realizace obrábění jsou hlavními fázemi procesu, v němž mohou vznikat různé úrovně chyb

CNC obrábění

Produktivitu obrábění lze ovlivnit na mnoha úrovních procesu přípravy a realizace obrábění. Každý typ obrobku klade specifické požadavky, pro něž je potřeba zvolit vhodné podmínky obrábění. V první řadě se jedná o volbu způsobu upnutí dílce a výběr tvarů nástrojů, s nimiž bude možno vyrobit produktivně požadované tvary.

Navazujícím krokem je volba strategie dráhy nástroje, která souvisí úzce s výběrem řezných nástrojů a řezných podmínek. V této fázi přípravy obrábění je možno významně ovlivnit budoucí produktivitu procesu např. použitím strategií drah s kratšími časy obrábění, vedoucími ale obvykle k vyššímu zatížení nástroje a jeho zkrácené životnosti, nebo drah s nižším silovým zatížením a vyšší životností nástroje.

Poměr mezi cenou strojního času a cenou nástrojového vybavení rozhoduje o vhodnosti příslušné volby. V tomto příspěvku přiblížíme potenciál zvyšování produktivity obrábění zejména na straně stroje a jeho řízení s využitím vyšší úrovně znalosti chování celého systému stroje. Moderní CNC stroj představuje typický mechatronický systém s vazbami mezi CNC řízením, řízením pohonů, mechanickou stavbou pohonů, nosnou strukturou a vlastním řezným procesem (Obr. 1). Proces přípravy a realizace obrábění prochází kroky tvorby CAD modelu obrobku, jeho interpretace CAM systémem do NC dat, interpolace CNC řídicím systémem stroje, řízením pohonů a jejich interakce s mechanickou stavbu stroje a řezným procesem.

Kvalita uvedených vazeb rozhoduje o celkovém výsledku obrábění, přičemž jakýkoliv nesoulad v nastavení se může projevit zhoršenou kvalitou a přesností ploch dílce, nebo delšími časy obrábění. Produktivita, jakost a přesnost obrábění jsou pro daný stroj ovlivnitelné kvalitou NC dat, nastavením interpolátoru CNC, řízením pohonů a volbou technologických parametrů obrábění (Obr. 2).

Význam této problematiky stoupá zejména s velikostí a cenou obrobků. Snaha o řešení obvyklým postupem cestou pokus – omyl je zdlouhavá a nákladná a nevede k optimálnímu výsledku, který nezaručí ani využití dosavadních zkušeností. V případech, kdy má vzniknout pouze jeden exemplář velkého obrobku není ani možno postup experimentálního ladění řízení stroje a nastavení řezného procesu realizovat. Ve zvyšování produktivity obrábění tak zůstává nevyužitý potenciál, který může dosahovat až několika desítek procent. Při nákladech na provoz moderních strojů v řádech tisíců korun a cenách obrobků v řádech stovek tisíc korun i více se jedná o možnosti nezanedbatelných úspor.

Zdroje chyb CNC obrábění

běžné praxi jsou NC data dráhového řízení na základě CAD modelu obrobku připravována pomocí CAM systémů. Dostupná je dnes široká škála komerčně dostupných softwarových nástrojů CAD/CAM, postprocesorů a případně dalších nástrojů pro postprocesní kontrolu NC dat.

Strategii obrábění volí technolog podle charakteru a složitosti obrobku, návrh řezných podmínek vychází z použitého typu nástroje a doporučení řezných rychlostí. I přes nasazení výkonných nástrojů CAD/CAM softwarové podpory se ovšem výsledky skutečného obrábění často výrazně liší od CAM simulací.

Obvykle dochází při skutečném obrábění k nárůstu celkového času obrábění nad úroveň CAM predikce. Rozdíly skutečných časů obrábění od predikovaných v CAM mohou dosahovat až desítek procent. Příčina těchto rozdílů spočívá v nezahrnutí skutečného chování CNC řídicího systému stroje do CAM simulací.

Další omezení při použití standardních CAM nástrojů ve vazbě na zvyšování produktivity obrábění vyplývají z chybějící znalosti skutečné dynamiky soustavy stroj – nástroj – obrobek:

Díky tomu není možno vhodně přizpůsobit řezné podmínky chování soustavy stroj – nástroj – obrobek a vzniká riziko zvýšených vibrací, nebo naopak nevyužité tuhosti soustavy.

Další významný příspěvek ke kvalitě výsledků obrábění představuje nastavení parametrů CNC řízení stroje. Vhodnou volbou parametrů zrychlení, osových a dráhových jerků, nebo dalších vyšších funkcí lze významně ovlivnit produktivitu, přesnost a jakost obrobeného povrchu.

Posledním článkem v řetězci vazeb na straně stroje je řízení pohonů, jejichž nastavení může mít významný dopad na kmitání soustavy stroj – nástroj – obrobek. Kvalitní regulace pohonů stroje ovlivňuje nejen jakost a přesnost povrchu dílce, ale sekundárně i celkový čas obrábění.

Virtuální model stroje a simulace obrábění

Komplexita výše uvedených vazeb a optimalizace obrábění je motivací vývoje pokročilých virtuálních modelů strojů a virtuálního obrábění.

Cílem je vytvoření simulačních modelů, které umožní relevantně predikovat skutečné výsledky obrábění a díky zahrnutí všech částí řetězce vazeb řízení – mechanická stavba stroje včetně jeho kmitání (Obr. 3) umožní identifikovat zdroje chyb obrábění, simulovat interakci nástroje s obrobkem a pomáhat účinně optimalizovat nastavení řídicího systému stroje, řízení pohonů, nebo technologických parametrů.

V České republice je takto koncipovaný softwarový systém virtuálního modelování strojů unikátní a je vyvíjen na základě vlastního výzkumu na půdě ČVUT v Praze, RCMT.

Aplikace virtuálního obrábění

Přínos virtuálního modelu stroje vystihuje ukázka vizualizace části povrchu zkušebního dílce (Obr. 4). Zatímco CAM simulace CL dat ukazuje téměř nulové odchylky od referenčního CAD modelu (Obr. 4 vlevo), na simulaci s využitím skutečného CNC řídicího jsou dobře patrné v přechodových částech povrchu chyby nedořezáním materiálu vlivem dynamiky interpolátoru (Obr. 4 uprostřed). Zahrnutí modelu stroje a pohonů ukazuje realistické překmity, vzniklé dynamikou systému stroje (Obr. 4 vpravo).

Pomocí virtuálních modelů jsou řešeny optimalizační úlohy pro zkracování časů při současném zachování požadované kvality a přesnosti, nebo úlohy zvýšení kvality a přesnosti obrábění. Ukázku optimalizace jakosti obráběného povrchu ukazuje Obr. 6. Vhodným nastavením vyšších funkcí v CNC řídicím systému stroje Siemens 840 D se podařilo docílit podstatného zvýšení jakosti povrchu a současně zkrácení času obrábění.

Na příkladu velkosériové výroby letecké součástky z Al slitin, vyráběné ve fi rmě AXA CNC STROJE, se podařilo změnami v nastavení interpolátoru CNC systémy a regulace pohonů dosáhnout zkrácení výrobního času o 20 % na výsledných 28 minut. Získaná úspora času umožnila firmě ušetřit kapacitně jednu směnu při  paralelní výrobě na dvou strojích. Jiným příkladem je využití virtuálního modelu pro optimalizaci CNC interpolátoru a NC kódu na pětiosé frézování kompresorového kola z Al slitiny. Při požadavku zachování maximálních chyb přesnosti povrchu do 0,04 mm byl čas obrábění jedné mezilopatkové mezery zkrácen o 58 % ze 6 min. na 2,5 min.

Shrnutí

CNC obrábění tvarových ploch představuje rozsáhlé úlohy optimalizace strategie obrábění, nastavení interpolátoru CNC systému stroje, řízení pohonů a řezných podmínek, jejichž cílem je dosažení vysoké produktivity, kvality a přesnosti obrábění. RCMT nabízí v této oblasti komplexní podporu ve všech fázích návrhu a realizace obrábění s podporou pokročilých simulací virtuálního obrábění.

Přednáška ke zhlédnutí dostupná zde:

Autor: Ing. Matej Sulitka, Ph.D.,ČVUT v Praze, Fakulta strojní, RCMT