XII Konferencja Naukowa Technologia obróbki przez nagniatanie O PROBLEMACH WIELOOSIOWEGO NAGNIATANIA NA CENTRACH OBRÓBKOWYCH Daniel GROCHAŁA 1, Wojciech KWACZYŃSKI 1 1 dr inż. - Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Instytut Technologii Mechanicznej STRESZCZENIE W artykule zaprezentowano wstępne wyniki badań wpływu stosowanej strategii na topografię powierzchni. Przedstawiono metodykę projektowania operacji technologicznych łączących kształtujące frezowanie z wykończeniowym nagniataniem powierzchni przestrzennych złożonych. Oprócz parametrów technologicznych obu obróbek bardzo ważna jest trajektoria narzędzia frezującego i nagniatającego. Właśnie od trajektorii zależy Struktura Geometryczna Powierzchni oraz jej tekstura. Aspekty te odgrywają ważną rolę w wytwarzaniu narzędzi do produkcji seryjnej takich jak formy wtryskowe, matryce czy tłoczniki. Często SGP narzędzia zostaje odwzorowana na powierzchni wytwarzanego wyrobu. Autorzy przedstawiają wyniki badań wpływu strategii na topografię powierzchni przedmiotów wykonanych ze stali 42CrMo4 ulepszonych do twardości ~35HRC. Słowa kluczowe: obróbka wieloosiowa, frezowanie, nagniatanie, topografia powierzchni 1. WPROWADZENIE Stan SGP form wtryskowych, matryc i tłoczników zostaje odbity na powierzchni przedmiotów takich jak wypraski, odlewy i odkuwki. Częstym problemem stawianym przed technologiem jest osiągnięcie jednorodnej (izotropowej) SGP wszystkich fragmentów powierzchni formujących wyrób. Zmiany krzywizn powierzchni (wklęsłe - wypukłe, ostre krawędzie, załamania i przejścia) sprawiają trudności z utrzymaniem stałych warunków skrawania. Często w takim miejscu prędkość skrawania vc zostaje spowolniona a posuw narzędzia fr zmniejszony [7]. Otrzymanie żądanego stanu SGP jest tym trudniejsze im bardziej gładka powierzchnia ma zostać wytworzona. Wszelkie niedokładności obróbki kształtującej, będą trudne do usunięcia w trakcie obróbki wykończeniowej i nawet niewielkie błędy będą doskonale widoczne na tle gładkich i refleksyjnych powierzchni - rys.1. Głównie z tego względu powierzchnie form wtryskowych (zwłaszcza do tworzyw sztucznych i gumy) są matowane (poprzez zastosowanie obróbki elektroiskrowej lub strumieniowo ściernej). W przemyśle motoryzacyjnym matowanie form wtryskowych jest nadal bardzo powszechne. Wytworzenie dużych powierzchni (desek rozdzielczych, paneli drzwiowych, itp.) o niezmiennej równomiernej strukturze w różnych fragmentach widocznych dla użytkownika powierzchni nadal jest zadnieniem dość trudnym. Ponadto użytkownikowi sprzętu RTV, AGD, zabawek itp. chropowata - matowa powierzchnia wydaje się miła w dotyku, dając jednocześnie poczucie pewności w chwili uchwycenia w dłoń. -100-
Jednak w ostatnich latach trendy wzornictwa przemysłowego w różnych gałęziach produkcji skierowano na wytwarzanie gładkich powierzchni o dużej refleksyjności. Z tego względu produkcja form wtryskowych stała się trudniejsza. Technolog projektujący operacje frezowania wykończeniowego zmuszony jest do stosowania technologicznych parametrów obróbki dających mniejszą chropowatość przy jednoczesnym stosowaniu w systemach CAM trajektorii freza cechujących się równomiernym obciążeniem krawędzi skrawającej. Tak przygotowane powierzchnie poddawane są pracochłonnemu ręcznemu polerowaniu. W główniej mierze od pracownika wykonującego ręcznie zabieg polerowania formy wtryskowej, jego doświadczenia i staranności zależy efekt końcowy. Ręczna wykończeniowa obróbka form Rys. 1. Powierzchnia wypraski z ABS z odbitymi śladami frezowania w formie wtryskowej wtryskowych przysporzyć może wielu problemów z otrzymaniem izotropowości i powtarzalności wszystkich obrabianych fragmentów powierzchni. Dobrą alternatywą dla ręcznej wykończeniowej obróbki powierzchni przestrzennych złożonych wydaje się być nagniatanie. Obróbka znana od dawna i chętnie stosowana w przypadku obróbki brył obrotowych. Nie jest jeszcze dość popularna jako zabieg obróbki wykończeniowej po frezowaniu powierzchni przestrzennych złożonych - rys.2a. Jednak w ostatnich latach można zauważyć zainteresowanie tą techniką obróbki [1 9]. W połączeniu z kształtującym frezowaniem możliwe są do otrzymania gładkie, bardzo refleksyjne powierzchnie [1, 4 6] - rys.2b. Rys. 2. Powierzchnia formy wtryskowej, a) po frezowaniu kształtującym; b) po frezowaniu kształtującym i wykończeniowym nagniataniu [2] Natomiast nowoczesne nagniataki z mikrohydraulicznymi układami zasilane cieczą chłodząco smarującą z wrzeciona obrabiarki [3] pozwalają na wyeliminowanie wad dotychczas stosowanych narzędzi, tj. konieczność stosowania przewodów zasilających narzędzie cieczą -101-
Rys. 3. Pięcioosiowe nagniatanie nagniatakiem hydrostatycznym na centrum frezarskim DMG DMU-60 hydrauliczną z zewnętrznych zasilaczy [1, 2, 5, 6, 9] - rys. 3. Również dzięki nowym rozwiązaniom narzędzi do nagniatania [3] proces obróbki może zostać całkowicie zautomatyzowany i zintegrowany na jednej obrabiarce wyposażonej w magazyn narzędzi. W takiej sytuacji czas potrzebny na przezbrojenie obrabiarki CNC z frezowania na nagniatanie zależny jest jedynie od czasu wymiany narzędzia (tzw. czas od wióra - do wióra). Brak przewodów hydraulicznych w przestrzeni roboczej maszyny ma jeszcze jedną istotną zaletę. Bardzo szerokie stają się możliwości programowania trajektorii narzędzia nagniatającego. Brak przyłączy hydraulicznych i elastycznych przewodów zasilających narzędzie znacznie ogranicza ryzyko związane z możliwością wystąpienia kolizji. MONOBLOCK [2]. 2. BADANIE WPŁYWU RELACJI TRAJEKTORII FREZOWANIA I NAGNIATANIA NA TOPOGRAFIĘ POWIERZCHNI W ITM ZUT w Szczecinie przeprowadzono serię badań, których celem było określenie wpływu wzajemnej trajektorii kształtującego frezowania i wykończeniowego nagniatania na topografię powierzchni. W celu uproszczenia warunków badań i zapewnienia powtarzalności uzyskanych wyników powierzchnie przestrzenne zastąpiono płaszczyznami. Próbki o wymiarach 100x100x20mm ulepszono cieplnie do twardości 35±1HRC. Następnie powierzchnie badaną poddano frezowaniu na centrum frezarskim DMG DMU-60 MONOBLOK. Głowicę torusową ustawiono pod kątem 15 0 w stosunku do osi maszyn. Nagniatanie prowadzono na centrum frezarskim MIKRON VCE 500. W badaniach stosowano wykonany w ITM ZUT nagniatak hydrostatyczny z siłownikiem miechowym i z ceramiczną końcówką kulistą (ZrO2). Do badań wytypowano trzy strategie - rys.4. Rys. 4. Strategie nagniatani, a) ortogonalna - z jednym przejściem nagniatającym PR; b) podwójnie ortogonalna z dwoma przejściami nagniatającymi PP, c) krzyżowo skośna z dwoma przejściami nagniatającymi SK -102-
Pozostałe użyte technologiczne parametry obróbki prezentowane są w tab. 1. Tabela 1. Zestawienie technologicznych parametrów frezowania i nagniatania podczas badań wpływu strategii na topografię powierzchni Nazwa param. Prędkość skrawania Głębokość warstwy skrawanej Posuw na obrót Posuw poprzeczny frezowania (wierszowanie) Posuw poprzeczny przy nagniataniu Prędkość nagniatania Siła nagniatania Średnica kulki nagniatającej Strategia Symbol vc ap fr fwf fwn vb FN dk Jedn. m/min mm mm/obr. mm mm mm/min N mm PR 110 0.5 0.5 A=0.3 B=0.7 0.14 8000 500 10 PP 110 0.5 0.5 A=0.3 B=0.7 0.14 8000 500 10 SK 110 0.5 0.5 A=0.3 B=0.7 0.14 8000 500 10 Rys. 5. Profilometr AltiSurf A520 umożliwiający pomiary optyczne i stykowe Pomiary topografii powierzchni prowadzono z wykorzystaniem multi-sensorycznej maszyny do badań SGP AltiSurf A520. W badaniach wykorzystano konfokalny sensor optyczny CL2 o zakresie pracy do 400 µm i rozdzielczości w osi Z wynoszącej 22 nm - rys.5. Pomiary wykonano na polach o wymiarach 4x4 mm. Analizę zebranych danych prowadzono z wykorzystaniem oprogramowania AltiMap PREMIUM 6.2. Opracowanie topografii powierzchni przebiegało zgodnie z normą ISO/TS 25178. Do oceny stanu SGP wykorzystano następujący zestaw parametrów SGP 3D: średnią arytmetyczną wysokość powierzchni Sa, Sa = 1 Z(x, y) dxdy (1) A A średnią kwadratową wysokość powierzchni Sq, Sq = 1 A Z2 (x, y)dxdy A maksymalną wysokość powierzchni Sz, Sz = Z max Z min (3) gdzie: x, y - współrzędne punktów skanowanej powierzchni, A - pole powierzchni skanowanej próbki, -103- (2)
Z - współrzędna wysokościowa zarejestrowanego punktu powierzchni, Zmax - najwyższa współrzędna zarejestrowanego wzniesienia powierzchni, Zmin - najniższa współrzędna zarejestrowanej doliny powierzchni. Wartości parametrów SGP 3D otrzymane w trakcie badań prezentowane są w tab. 2. Tabela 2. Wartości parametrów SGP 3D otrzymane podczas badania strategii dla f wn=0.14mm i siły nagniatania F N=500N Wierszowanie przy frezowaniu Strategia / parametr SGP 3D f wf=0.3 (A) f wf=0.7 (B) PR PP SK PR PP SK Sa 0,435 0,404 0,399 0,779 0,453 0,384 Sq 0,574 0,512 0,5 0,897 0,568 0,483 Sz 10,1 7,93 9,5 8,28 10,1 5,57 Powierzchnie otrzymane po frezowaniu z fwf=0.3mm (A) i nagniataniu przedstawiono na rys. 6. Natomiast na rysunku 7 przestawiono powierzchnię frezowaną z fwf=0.7mm. W każdej strategii stosowano nagniatanie z posuwem poprzecznym fwn=0.14mm. Rys. 6. Powierzchnie frezowane z f wf=0.3mm, nagniatane siłą F N=500N i posuwem poprzecznym f wn=0.14mm przy strategii: a) ortogonalnej - z jednym przejściem nagniatającym PR; b) podwójnie ortogonalnej z dwoma przejściami nagniatającymi PP, c) krzyżowo skośnej z dwoma przejściami nagniatającymi SK Rys. 7. Powierzchnie frezowane z f wf=0.7mm, nagniatane siłą F N=500N i posuwem poprzecznym f wn=0.14mm przy strategii: a) ortogonalnej - z jednym przejściem nagniatającym PR; b) podwójnie ortogonalnej z dwoma przejściami nagniatającymi PP, c) krzyżowo skośnej z dwoma przejściami nagniatającymi SK -104-
3. PROGRAMOWANIE FREZOWANIA I NAGNIATANIA Z badań wstępnych nad wpływem strategii frezowania i nagniatania widoczny jest istotny wpływ zastosowanej trajektorii narzędzia na końcową SGP. Pod tym względem w obu przypadkach najlepszą okazała się strategia z dwoma przejściami nagniatania krzyżowo - skośnego. Wpływ strategii jest tym bardziej widoczny im większe nierówności po frezowaniu poddano nagniataniu. Z badań [1], wiadomo że możliwe w pewnym zakresie parametrów frezowania jest otrzymanie porównywalnych SGP po wykończeniowym nagniataniu. Warunkiem jest użycie odpowiedniego zestawu technologicznych parametrów nagniatania - zwłaszcza siły. Dlatego wydaje się celowe stosowanie dużych wartości wierszowania przy frezowaniu w celu uzyskania wysokiej wydajności, warunkiem koniecznym również staje się stosowanie strategii krzyżowo - skośnej z dwoma przejściami nagniatającymi. Strategia przy projektowaniu wieloosiowej obróbki w każdym z przypadków (frezowanie, nagniatanie) obejmować będzie dwa składniki. Pierwszym składnikiem będzie określenie technologicznych parametrów obróbki, decydujących o przebiegu procesu skrawania lub nagniatania. Drugim składnikiem jest składnik określający parametry geometryczne takie jak: kompleksowa trajektoria ruchu narzędzia (rys. 8) z uwzględnieniem chwilowej jego orientacji względem przedmiotu obrabianego [4]. Odcinki ścieżki narzędzia: 1 2 najazd 2 3 wejście 3 4 przejście (pierwsze) 4 5 łączenie (pierwsze) 6 7 przerwa 8 9 wyjście 9 10 odjazd 3 8 warstwa przejść (jeden poziom skrawania) 1 10 kompletna ścieżka narzędzia Rys. 8. Podstawowe elementy trajektorii narzędzia skrawającego lub nagniatającego i ich usytuowanie na ścieżce narzędzia [4] Utworzenie geometrycznego składnika strategii obróbkowej (frezowanie - nagniatanie) na obrabiarkę wieloosiową każdorazowo składać się będzie z następujących czynności - rys. 9: a) zdefiniowania położenia przedmiotu względem zerowej bazy obrabiarki (rys. 9a), b) zdefiniowania wysięgu narzędzi (rys. 9b), c) wygenerowania trajektorii ruchu narzędzi (rys. 9c), d) ustalenia koniecznego sterowania położeniem osi narzędzi (rys. 9d), e) przeprowadzenia kontroli kolizji (rys. 9e). -105-
Rys. 9. Kolejność czynności przy tworzeniu wieloosiowej strategii obróbki (opis w tekście) [10] Na proces planowania trajektorii narzędzi w łączonych zabiegach kształtującego frezowania i wykończeniowego nagniatania bezpośredni wpływ mają czynniki technologiczne takie jak: a) orientacja przedmiotu obrabianego w przestrzeni obróbki, b) sposób dekompozycji przedmiotu obrabianego na struktury elementarne (podział na regiony, ułatwiający proces planowania i realizacji obróbki), c) całościowa konfiguracja procesu obróbki (możliwości technologiczne elementów układu OUPN). Ponadto należy zwrócić uwagę, iż przy generowaniu trajektorii ruchu narzędzia nagniatającego należy mieć na uwadze wcześniej wygenerowaną trajektorię ruchu narzędzia skrawającego. Nagniatanie jest bezubytkową obróbką wykończeniową, której efekt w dużej mierze zależy od stanu SGP po frezowaniu. Programując trajektorię nagniataka dochodzi jeszcze jeden ważny czynnik, mianowicie narzucona orientacja krzyżowo - skośna strategii nagniatania do śladów pozostawionych przez frez. Narzucona krzyżowo skośna orientacja kolejnego narzędzia znacznie ogranicza wybór możliwych strategii obróbkowych zawężając w rzeczywistości do jedynego możliwego rozwiązania. Strategii liniowej rys. 10. -106-
Rys. 10. Sposób definiowania kierunku orientacji przejść liniowych dla części 3D obrabianych w płaszczyźnie XY z uwzględnieniem osi Z Każdorazowo postulat ten należy mieć na uwadze już na etapie generowania trajektorii freza. Dobrze byłoby, gdyby oprogramowanie CAM, umożliwiało synergiczne projektowanie trajektorii dwóch zabiegów w ramach jednej operacji (frezowanie + nagniatanie). Z góry podpowiadając wszystkie postulaty. Jednakże komputerowe wspomaganie nagniatania najczęściej odbywa się z wykorzystaniem frezarskich modułów oprogramowania CAM, i to na technologu spoczywa odpowiedzialność za zrealizowanie wszystkich postulatów prawidłowej obróbki. Planując, bądź tylko wybierając strategię obróbkową, powinno się dążyć do otrzymania jak najefektywniejszej trajektorii narzędzia dla wybranych (założonych) warunków operacji. Generalną różnicą w stosunku do frezowania jest znaczna gęstość ścieżki nagniatającej, która odpowiada ścieżce stosowanej przy bardzo dokładnym frezowaniu wykończeniowym. Ponadto najlepiej by było zastosować jedno wejście nagniataka, nieprzerwaną obróbkę i jedno wyjście narzędzia. Również na tym aspekcie technolog musi skupić uwagę podczas przygotowania programu sterującego. Jedynym udogodnieniem w programowaniu nagniatania, w ostatnim czasie wydaje się być możliwość śledzenia kolizji przy nagniataniu. Warunkiem koniecznym w tym przypadku jest stosowanie narzędzi, takich jak nagniataki mikrohydrauliczne [3], które nie wprowadzają dodatkowych elementów w przestrzeń roboczą. W takiej sytuacji śledzenie kolizji w frezarskim module CAM odbywać się może podobnie jak ma to miejsce podczas programowania zabiegów frezarskich. Charakterystycznym punktem narzędzia jest wierzchołek elementu nagniatającego. Jego położenie można śledzić podobnie jak położenie wierzchołka freza kulistego czy głowicy torusowej. -107-
Rysunek 11 przedstawia przykładowe okno planowania obróbki wieloosiowej, sposobem gwarantującym uzyskanie trajektorii narzędzia prostopadłą do krzywej definiującej. Jest to okno oprogramowania SolidCAM współpracującego z oprogramowaniem CAD SolidWorks. W lewym polu okna przedstawione jest drzewo planowanej operacji technologicznej, na którym została oznaczona pozycja: kontrola podcięć. Prawidłowa definicja tej opcji (gałęzi) pozwala uniknąć możliwych kolizji, a w przypadku ich wystąpienia, pozwala określić reakcję na ich występowanie, co wpłynie oczywiście na charakter uzyskanej trajektorii narzędzia. Użytkownik wybiera elementy wchodzące w skład ustawionego na obrabiarce narzędzia które mają zostać sprawdzone pod kątem ich kolizyjności z pozostałymi elementami układu OUPN. Użytkownik w kolejnym kroku określa sposób reakcji na zaistniałą kolizję, definiuje ją poprzez wybór tzw. strategii (np. decyduje czy pominąć te regiony przy generowaniu trajektorii, czy np. próbować manipulować orientacją osi narzędzia, by jednak ten regiony obrobić). Rys. 11. Definiowanie kontroli kolizji (podcięć) w systemie SolidCAM. 4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Nowoczesne nagniataki z mikrohydrauliką pozwolą technologowi znacznie uprościć programowanie ścieżki narzędzia nagniatającego. Pozwolą również na koncentrację technologiczną, praktycznie eliminując czas potrzebny na przezbrojenie. Jednak w systemach CAM wciąż brak jest modułów do nagniatania, podpowiadających technologowi jakie postulaty należy spełnić aby prawidłowo zrealizować obróbkę - rys. 12. -108-
Rys. 12. Ścieżka narzędzi do obróbki powierzchni przestrzennych złożonych uwzględniająca postulaty prawidłowego frezowania i nagniatania Przeprowadzone badania są badaniami wstępnymi, w których zastosowano szereg uproszczeń jednak pozwalają na sformułowanie następujących wniosków: Technolog projektując ścieżkę narzędzia na pierwszy wybór powinien dobrać strategię obróbki krzyżowo - skośną. Przy obróbce różnice parametrów Sa i Sq na skutek zastosowanej strategii nagniatania mogą sięgać do 10% przy obróbce powierzchni frezowanych z małą wartością wierszowania fwf (tj. 0.3mm) i nawet do około 50% przy obróbce powierzchni frezowanych z dużymi wartościami wierszowania fwf (tj. 0.7mm). Używanie stereometrycznych parametrów SGP w badaniach nad wpływem strategii frezowania i nagniatania jest bardzo wygodne. Możliwe staje się ilościowe porównanie wartości wyznaczanych parametrów dla różnych przypadków obróbki. W ten sposób w sposób ilościowo zostają jednocześnie ujęte wysokościowe współrzędne punktów powierzchni oraz jej tekstura. Nowoczesne techniki oceny topografii powierzchni pozwalają na ocenę jej izotropowości. Wydaje się za celowe podjęcie prac, które ujęły by wpływ technologicznych parametrów obróbki i strategii na izotropowość powierzchni. Niezbędne wydaje się podjęcie dalszych prac w celu poznania dokładnego wpływu stosowanych technologicznych parametrów obróbki, jak również samej strategii na wartości stereometrycznych parametrów SGP. -109-
LITERATURA [1] Grochała D.: Nagniatanie narzędziami hyrostatycznymi powierzchni przestrzennych złożonych na frezarkach CNC. Rozprawa doktorska ITM ZUT w Szczecinie 2012. http://zbc.ksiaznica.szczecin.pl/content/24025/praca+dokt+d.+grocha%c5%82a.pdf [2] Grochała D., Sosnowski M.: Problemy technologii nagniatania powierzchni przestrzennych złożonych na centrach obróbkowych. Miesięcznik naukowo techniczny MECHANIK 1/2011 s.14-18. [3] Gubała R., Grochała D., Olszak W.: Mikrohydrauliczne narzędzie do nagniatania złożonych powierzchni przestrzennych Miesięcznik naukowo techniczny MECHANIK 1/2014 s.22-23. [4] Kwaczyński W., Chmielewski K., Grochała D.: Programowanie frezowania i nagniatania złożonych powierzchni przestrzennych na centrach frezarskich ze sterowaniem wieloosiowym. Współczesne problemy technologii obróbki przez nagniatanie Tom III Monografia pod red. prof.w. Przybylskiego Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny Gdańsk 2011 - ISBN 978838857957-8, s. 179-191. [5] Lopez de Lacalle L.N., Lamikiz A., Munoa J., Sanchez J.A.: Quality improvement of ballend milled sculptured surfaces by ball burnishing. International Journal of Machine Tools & Manufacture 2005r., nr 45, s.1659-1668. [6] Lopez de Lacalle L.N., Lamikiz A., Sanchez J.A., Arana J.L.: The effect of ballburnishing on heat-treated steel and inconel 718 milled surfaces. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2007r., nr 32, s.958-968. [7] W. Olszak, J. Mackiewicz, D. Grochała, W. Kwaczyński Nagniatanie jako zabieg wykończeniowy po frezowaniu złożonych powierzchni przestrzennych na frezarkach CNC opublikowano w materiałach V Jubileuszowej Konferencji Naukowo Technicznej z cyklu: Projektowanie Procesów Technologicznych. Poznań 2006 ISBN 978-83- 903808-7-2 s.300 310. [8] Polowski W., Czechowski K., Toboła D., Rusek P., Kalisz J., Janczewski Ł.: Wybrane aspekty obróbki wiórowej jako obróbki poprzedzającej nagniatanie Monografia VI Szkoły Obróbki Skrawaniem - Obróbka Skrawaniem Efektywne Wytwarzanie, Wrocław 2012 ISBN978-83-91-917677-7-1, s.503-512. [9] Rodríguez A., López de Lacalle L.N., Celaya A., Lamikiz A., Albizuri J. : Surface improvement of shafts by the deep ball-burnishing technique. Surface & Coatings Technology 2012r., nr 206, s.2817 2824. [10] Podręcznik użytkownika oprogramowania SolidCAM Simultaneous 5 Axis Machining. THE PROBLEMS IN MULTIAXIAL BURNISHING ON MACHINING CENTRES SUMMARY The paper will present design methodology combining technological operations of milling shaping finishing burnishing the surface spatial complex. In addition to the technological parameters of both treatments is very important trajectory programming milling and burnishing tool. Then the trajectory depends on the state of Geometric Structures Surface and its texture. These aspects are important in the production of production tools, such as casting molds or dies. Where SGP tool is mapped on the surface of an article of manufacture. The appropriate combination of strategies and technological parameters of processing can achieve so. synergies exhibiting isotropic receiving surface with low roughness. -110-