METODY MINIMALIZACJI OBJĘTOŚCI NADDATKÓW OBRÓBKOWYCH ODLEWÓW ŻELIWNYCH

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 45, t. 14, rok 2012 ISSN X METODY MINIMALIZACJI OBJĘTOŚCI ODLEWÓW ŻELIWNYCH Andrzej Gessner 1a, Krzysztof Mrozek 1b 1 Instytut Technologii Mechanicznej, Politechnika Poznańska a andrzej.gessner@put.poznan.pl, b krzysztof.mrozek@put.poznan.pl Streszczenie W opracowaniu przedstawiono problematykę minimalizacji objętości naddatków obróbkowych odlewów żeliwnych przy użyciu dwóch metod. Pierwsza z nich polega na minimalizacji naddatków obróbkowych dla każdego odlewu osobno. Metoda druga Globalna Minimalizacja Naddatków Obróbkowych oparta jest na planowaniu obróbki dla wszystkich odlewów korpusowych wchodzących w skład maszyny równocześnie. Obie metody są przedmiotem zgłoszeń patentowych i wykorzystują nowoczesne metody inżynierii odwrotnej takie jak skanowanie 3D i fotogrametria. Powodem podjęcia prezentowanej tematyki są wciąż rosnące koszty obróbki mechanicznej, która obok odlewnictwa jest głównym procesem produkcyjnym korpusów obrabiarek. Dotychczasowe wyniki wstępnych badań symulacyjnych i laboratoryjnych z zastosowaniem metody indywidualnej minimalizacji naddatków obróbkowych pokazały, że zagadnienie warte jest dalszych badań i weryfikacji praktycznej. Mniejsza objętość naddatków obróbkowych wpływa nie tylko na skrócenie czasu obróbki, ale bezpośrednio przekłada się na mniejsze zużycie narzędzi oraz ograniczenie poboru energii. Zastosowanie nowoczesnych technik bezdotykowego skanowania 3D i fotogrametrii pozwoli na znaczne uproszczenie procesu planowania obróbki, która w większości firm produkcyjnych opiera się na konwencjonalnych metodach trasowania każdego odlewu z osobna. Prezentowane przez autorów metody minimalizacji naddatków obróbkowych odlewów żeliwnych mogą znacząco wpłynąć na poprawę szybkości i jakości procesów przygotowawczych obróbki mechanicznej. Wstępne wyniki badań dały pozytywne wyniki, ponadto kilka firm przemysłowych wyraziło zainteresowanie wynikami i wdrożeniem prezentowanego zagadnienia. METHODS OF MACHINING ALLOWANCES MINIMIZATION OF IRON CASTINGS Summary The paper presents problems of machining allowances minimization by means of two minimization methods. The intention of the first one is that machining for each body cast should be planned separately. The second method Global Minimization of Machining Allowances consists in machining planned and optimized globally for the whole bodies included in the machine. Both methods are secured by patent and are founded by the use of rapid and modern methods of reverse engineering, such as 3D scanning and photogrammetry. The reason for taking the proposed subject matter is still growing cost of mechanical working which, next to the casting, is the main process of machine bodies production. The results of the minimization of machining allowances research based on individual calculations for each cast separately have shown so far that the machining allowances minimization matter is worthy of further research and practical verification. The smaller volume of machine cutting coat will not only shorten the treatment time, but also directly translate into tool wear and energy consumption reduction. By the use of a non-contact three-dimensional surface scanning system and photogrammetry, the treatment planning process will greatly simplify, which so far was based on tedious and very time-consuming method of manual body cast marking-out. 185

2 METODY MINIMALIZACJI OBJĘTOŚCI NADDATKÓW Proposed by the authors machining allowances minimization methods may contribute to the preparatory process of machining. Preliminary optimization results let us have optimistic outlook for the future even more there are machine companies interested in the proposed technology. 1. WSTĘP W dzisiejszych czasach rozwój obrabiarek opiera się głównie na poprawie wydajności i dokładności ich pracy [1, 2]. Coraz częściej nowoczesne maszyny wyposażane są w szybkie elektrowrzeciona o prędkości obrotowej rzędu kilkudziesięciu tysięcy obr./min., co przy współpracy z dynamicznymi napędami ruchów posuwowych pozwala na prowadzenie tzw. obróbki szybkościowej (HSM High Speed Machining) [3]. Niestety poprawa dynamiki maszyny często wpływa na pogorszenie jej stabilności [4, 5]. To zmusiło konstruktorów do poszukiwania nowych rozwiązań w zakresie elementów korpusowych. Współcześnie korpusy obrabiarek wykonywane są głównie z żeliwa szarego, stali oraz polimerobetonu. Z tych trzech materiałów zdecydowanie najczęściej wykorzystuje się żeliwo [6]. Mimo iż posiada ono dziesięciokrotnie mniejszą wartość logarytmicznego dekrementu tłumienia niż polimerobeton, to charakteryzuje się bardzo dobrą skrawalnością oraz daje możliwość uzyskania skomplikowanych kształtów. Odlewy żeliwne wykonywane w formach piaskowych wymagają stosowania naddatków obróbkowych rzędu od trzech do nawet kilkunastu milimetrów w zależności od kształtu i wymiarów gabarytowych przedmiotu [7]. Często zdarza się, że producent obrabiarek otrzymuje odlewy o naddatkach dochodzących do 15 mm. Z jednej strony wynika to z asekuracyjnego podejścia odlewni, zaś z drugiej podyktowane jest względami ekonomicznymi bowiem cena odlewu rośnie wraz z jego masą. Taka sytuacja jest bardzo niekorzystna z punktu widzenia producenta obrabiarek. Wraz ze wzrostem objętości naddatków rosną koszty obróbki korpusu wynikające z większego zużycia narzędzi i energii oraz pracochłonności. W odpowiedzi na rosnące ceny obróbki mechanicznej autorzy pragną zaprezentować dwie metody minimalizacji naddatków obróbkowych. Pierwsza z nich prowadzona jest indywidualnie dla każdego odlewu, druga natomiast - metoda globalna, oparta jest na planowaniu obróbki dla wszystkich odlewów korpusowych wchodzących w skład danej maszyny równocześnie. Obie metody są przedmiotem zgłoszeń patentowych i wykorzystują nowoczesne technologie inżynierii odwrotnej. 2. ANALIZA WIELKOŚCI W wydawnictwach książkowych o tematyce obrabiarkowej sprzed kilku lat można przeczytać, że odlewany korpus obrabiarki po procesie wyżarzania odprężającego powinien zostać wysezonowany przez okres około roku [3]. W dzisiejszych czasach niejednokrotnie okres jednego miesiąca, jaki jest potrzebny na dostarczenie odlewów do firmy obrabiarkowej od momentu zamówienia, staje się zbyt długi. Po wykonaniu i dostarczeniu odlewów do odbiorcy istnieje konieczność zaplanowania obróbki mechanicznej. Obecnie jest to pracochłonny i długotrwały proces trasowania wykonywany dla każdego odlewu z osobna. Ta technologia nie daje żadnych możliwości minimalizacji naddatków obróbkowych. Zdarza się nawet tak, że źle wytrasowany odlew uniemożliwi wykonanie z niego gotowego korpusu. Autorzy proponują zastąpienie przestarzałej już technologii trasowania odlewów nowoczesną technologią pomiaru wizyjnego. Za pomocą takich urządzeń pomiarowych jak TRITOP oraz GOM Atos (rys. 1, 2) istnieje możliwość zeskanowania odlewów oraz uzyskania trójwymiarowych modeli wirtualnych w krótkim czasie [8, 9]. Zastosowanie odpowiedniej obróbki otrzymanych skanów pozwala na porównanie ich z modelami konstrukcyjnymi poszczególnych części korpusowych. Nakładając na siebie idealną bryłę wykonaną przez konstruktora oraz część otrzymaną w wyniku pomiaru można uzyskać mapę kolorową odchyłek dodatnich (nadlewy, pochylenia odlewnicze, niedoczyszczenie odlewu z masy formującej, itd.), ujemnych (niedolewy) oraz błędów wynikających np. z błędnie wykonanych lub złożonych rdzeni formujących. 186

3 Andrzej Gessner, Krzysztof Mrozek Kolejnym krokiem jest przesunięcie baz obróbkowych w takim kierunku, aby iloczyn powierzchni obrabianych i grubości warstwy przeznaczonej do obróbki dążył do minimum. Bazy te można przesuwać w zakresie ograniczonym konstrukcyjnie. Rys. 1. Urządzenie pomiarowe TRITOP Rys. 2. Urządzenie pomiarowe GOM Atos Mając odpowiednio przygotowany model 3D rzeczywistego odlewu korpusu obrabiarki, można zrezygnować z planowania obróbki na stole traserskim na rzecz technologii wykorzystujących wspomaganie komputerowe. Daje to między innymi możliwość minimalizacji naddatków obróbkowych. 3. METODA INDYWIDUALNEJ MINIMALIZACJI OBJĘTOŚCI Zgodnie z tą metodą każdy odlew jest poddawany procesowi minimalizacji naddatków obróbkowych indywidualnie. Jego naddatki dzieli się na trzy grupy zgodne z kierunkami osi kartezjańskiego układu współrzędnych. Każda grupa kierunkowa przedstawiana jest jako iloczyn powierzchni obrabianych oraz odpowiadającego jej naddatku (rys. 3). Rys. 4. Odlewy komponentowe frezarki ogólnego przeznaczenia Na rys. 4 przedstawiono odlewy poddane procesowi minimalizacji objętości naddatków obróbkowych. Na poniższych wykresach zaprezentowano wyniki, jakie udało się uzyskać tą metodą (rys. 5). Rys. 3. Przekrój sań osi Z tokarki NC w miejscu mocowania prowadnicy osi X oraz wózka prowadnicy osi Z z oznaczeniem bazy i naddatków obróbkowych oraz niektórych wymiarów 187

4 METODY MINIMALIZACJI OBJĘTOŚCI NADDATKÓW Rys. 7. Zespół powiązanych ze sobą odlewów Rys. 5. Wyniki indywidualnej minimalizacji objętości naddatków obróbkowych 4. METODA GLOBALNEJ MINIMALIZACJI OBJĘTOŚCI Globalna minimalizacja naddatków obróbkowych różni się od minimalizacji indywidualnej tym, że po zeskanowaniu wszystkich odlewów składających się na daną maszynę tworzy się zespół wirtualny połączony łańcuchem wymiarowym. Następnie sumaryczna wielkość naddatków obróbkowych wszystkich odlewów poddawana jest minimalizacji przy uwzględnieniu ograniczeń konstrukcyjnych (rys. 6, 7, 8). Rys. 6. Schemat połączenia poszczególnych korpusów zespołu obrabiarki za pomocą wybranych wymiarów bazowych: a) równomierny rozkład naddatków obróbkowych, b), c) przykładowe przesunięcie naddatków oraz baz obróbkowych Prezentowana metoda wpłynie nie tylko na obszar obróbki mechanicznej, lecz również na technologię montażu maszyny. Proces jednoczesnego planowania Rys. 6. Przekrój łoża frezarki wraz ze zorientowanym wzglę- dem niego stołem obróbki mechanicznej dla wszystkich odlewów wchodzących w skład maszyny wprowadzi duże udogodnienia dla procesu montażu, najważniejsze bowiem powierzchnie poszczególnych części wymiarowane będą od jednej bazy całego zespołu. 188

5 Andrzej Gessner, Krzysztof Mrozek Oznaczone jaśniejszym kolorem powierzchnie obrabiane (rys. 4) pokazują jak bardzo skomplikowanym procesem jest trasowanie korpusów maszyn. Obie prezentowane metody przyczynią się nie tylko do ograniczenia objętości wiórów, ale sprawią, że proces planowania obróbki stanie się prostszy i mniej wrażliwy na powstanie błędów. 5. PODSUMOWANIE bezpośrednio wpływają na ograniczenie kosztów produkcji komponentów obrabiarkowych. Metoda globalna charakteryzuje się większą efektywnością, jednakże jej praktyczne zastosowanie jest uzasadnione tylko w obszarze maszyn wielkogabarytowych. Wadą przedstawionych metod jest trudność ich zautomatyzowania oraz wysoki koszt zakupu pomiarowych systemów wizyjnych niezbędnych do uzyskania modeli 3D obrabianych odlewów. Obie metody minimalizacji naddatków obróbkowych Literatura 1. Parus A., Chodźko M., Hoffman M.: Eliminacja drgań samowzbudnych z zastosowaniem aktywnego uchwytu obróbkowego. Modelowanie Inżynierskie 2011, nr 42, t. 11, s Berg M., Keller S.: MAHO. Training literature. CNC 432. AG Pfronten, Kosmol J.: Model cieplny elektrowrzeciona. Modelowanie Inżynierskie 2010, nr 39, t. 8, s Schulz H.: High-speed machining. Annals of the CIRP 1992, 41, 2, p Ehmann K., Kapoor S., Devor R., Lazoglu I.: Machining process modeling. Journal of Manufacturing Science and Engineering 1997, 119, p Honczarenko J.: Obrabiarki sterowane numerycznie. Warszawa: WNT, Norma PN-H/ Odlewy z żeliwa szarego Tolerancje wymiarowe, naddatki na obróbkę skrawaniem i odchyłki masy. 8. Cuypers W., Van Gestel N., Voet A., Kruth J. P., Mingneau J., Bleys P.: Optical measurement techniques for mobile and large-scale dimensional metrology. Optics and Lasers in Engineering 2009, 47, p Wieczorowski M., Ruciński M., Koteras R.: Application of optical scanning for measurement of castings and cores. Archives of Foundry Engineering 2010, 10, p