MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISSN 1896-771X 44, s. 75-82, Gliwice 2012 MINIMALIZACJA NADDATKÓW OBRÓBKOWYCH W KORPUSACH ŻELIWNYCH ANDRZEJ GESSNER Instytut Technologii Mechanicznej, Politechnika Poznańska e-mail: andrzej.gessner@put.poznan.pl Streszczenie. W ramach pracy autor przedstawia wyniki minimalizacji naddatków obróbkowych dla małogabarytowych odlewów żeliwnych wykorzystywanych w budowie obrabiarek. W procesie minimalizacji zastosowano wirtualne modele korpusów obrabiarkowych zaprojektowanych w systemie Pro/Engineer oraz modele rzeczywistych odlewów zeskanowane optycznym systemem pomiarowym. Punktem wyjścia stał się aktualny proces technologiczny, w którym wartość naddatków wynikała z przyjętych baz obróbkowych i była ustalana podczas trasowania odlewów. Wartość naddatków odlewniczych nie jest stała, zależy od dokładności wykonania odlewu i waha się od nominalnie ok. 6mm do 12mm. W procesie optymalizacji założono, że nie ma potrzeby zbierania naddatków nominalnych (ok. 6mm) i można je selektywnie zmniejszyć do min. 2mm (wartość taką przyjęto uwzględniając błąd kształtu odlewu oraz potencjalne rzadzizny). Minimalizację prowadzono modyfikując wartość naddatków obróbkowych w 3 wzajemnie prostopadłych kierunkach. Zmniejszenie naddatków w danym kierunku z jednej strony odlewu pociągało za sobą konieczność zwiększenia naddatków o taką samą wartość po stronie przeciwnej. Poszukiwano takich 3 wartości modyfikacji w 3 kierunkach, aby uzyskać minimalną objętość naddatków. W efekcie prac określono naddatki obróbkowe dla badanych odlewów o ok. 15% mniejsze od aktualnie obrabianych. Modyfikacja procesu technologicznego rozpatrywanych odlewów zaowocuje oszczędnościami zarówno czasu pracy obrabiarek, jak też zużycia narzędzi skrawających. Przedstawione prace badawcze objęte zostały trzema zgłoszeniami patentowymi i prowadzone są w ramach projektu rozwojowego nr N R03 0101 10. 1. WPROWADZENIE W przedsiębiorstwach, które w procesie produkcyjnym wykorzystują odlewy o dużych wymiarach i skomplikowanej budowie, jedną z pierwszych operacji technologicznych jest trasowanie. Pozwala ono ocenić poprawność wykonania odlewu, a także czy wielkość naddatków na wszystkich powierzchniach obrabianych wystarcza do wykonania obróbki zgodnie z dokumentacją konstrukcyjną. Trasowany odlew ustawia się i poziomuje na stole traserskim, a następnie odpowiednimi narzędziami (m.in.: rysik traserski, cyrkiel, punktak) nanosi na jego powierzchnie rysy oznaczające bazy obróbkowe (np. osie otworów) i krawędzie powierzchni obrabianych. Względem tych rys odlew jest następnie ustawiany na
76 A. GESSNER stole obrabiarki. Stanowią one podstawową informację dla operatora obrabiarki odnośnie do obróbki powierzchni bazowych odlewu. Trasowanie to operacja czasochłonna. Wykonuje się ją ręcznie i brakuje jakichkolwiek możliwości jej automatyzacji. Czas trasowania zależy od wielkości oraz stopnia skomplikowania odlewu, np. przy odlewach prototypowych trwa nawet kilka zmian roboczych. W przypadku dużych i skomplikowanych odlewów (np. odlewy korpusów maszyn technologicznych) w praktyce stosowane jest często trasowanie tylko pierwszego odlewu określonego korpusu wykonanego w tej samej formie odlewniczej. Takie postępowanie wynika z przyjęcia założenia, że odlewy są powtarzalne i nie ma potrzeby oceniać każdego z nich. Pozwala to na zaoszczędzenie czasu przeznaczonego na trasowanie, natomiast w praktyce bardzo często błędy wykonania odlewu wychwytywane są dopiero na wydziale obróbki. Wiąże się to z realnymi stratami wynikającymi z dezorganizacji pracy, a często również z konieczności napraw odlewów. Rys. 1. Przykład trasowania powierzchni bazowej prowadnicy w płycie suportu tokarki Na rys. 1 przedstawiono przykład trasowania powierzchni bazowej pod prowadnicę na płycie suportowej tokarki. Nowoczesne przedsiębiorstwa produkcyjne stopniowo zaczynają wprowadzać wybiórczą kontrolę jakości odlewów z wykorzystaniem optycznych systemów pomiarowych. Z powodu wysokiego kosztu sprzętu oraz konieczności opracowania szczegółowych procedur pomiarowych dla każdego odlewu sporadyczna ocena dokładności geometrycznej odlewów przeważnie zleca się wyspecjalizowanym firmom [2, 3, 7, 10, 11]. Tematem publikacji jest przedstawienie założeń nowej technologii, która wyeliminuje ręczne trasowanie, umożliwi przeprowadzenie (w szybki sposób) weryfikacji kształtu odlewu oraz wyznaczenie takich baz obróbkowych, aby objętość usuwanych naddatków była zminimalizowana [4, 5, 6]. 2. ZAŁOŻENIA WSTĘPNE Typowy odlew składający się na konstrukcję nośną maszyny technologicznej (m.in. łoże, stojak, kolumna) zawiera od ok. 15 do ok. 40 powierzchni podlegających obróbce [8]. Są one zorientowane przestrzennie względem siebie, zgodnie z wymaganiami konstrukcyjnymi, i powiązane łańcuchami wymiarowymi. Każdej powierzchni obrabianej przyporządkowany jest naddatek obróbkowy o wielkości określonej przez PN-ISO 8062 : 1997 lub też przez wewnętrzne normy firm produkcyjnych. Sumaryczna objętość usuwanego podczas obróbki skrawaniem materiału stanowi przeważnie ok. 10 20% całkowitej masy odlewu [9]. W badaniach wykorzystano odlewy wchodzące w skład średniej wielkości obrabiarek skrawających do metalu. Było to podyktowane ścisłą współpracą autora artykułu z krajowym
MINIMALIZACJA NADDATKÓW OBRÓBKOWYCH W KORPUSACH ŻELIWNYCH 77 przemysłem obrabiarkowym, tym niemniej, proponowana technologia może zostać rozszerzona na całe spektrum odlewów żeliwnych. Do badań wybrano: konik i płytę suportową tokarki oraz wrzeciennik frezarki. Wielkość naddatków obróbkowych w badanych odlewach wynikała z wewnętrznych norm koncernowych i wynosiła ok. 6mm. Z obliczeń teoretycznych, uwzględniających powierzchnie nadlewów, masa naddatków wyniosła odpowiednio: 22,3 kg, 29,1 kg oraz 17,6 kg, co stanowiło 15, 18 i 12 % masy całkowitej odlewów: wrzeciennika, konika oraz płyty suportowej. Nominalne naddatki rzeczywiste wyznaczone na podstawie masy odlewów przed i po obróbce nie różniły się więcej niż 5% od wartości teoretycznych i wyniosły odpowiednio: 23, 30 oraz 18 kg. 3. METODYKA BADAŃ Pomiary geometrii odlewów prowadzono z wykorzystaniem skanera optycznego ATOS GOM II oraz systemu fotogrametrycznego TRITOP. Zeskanowanie kompletnej geometrii badanych odlewów wymagało wykonania kilku ujęć skanerem optycznym, pomiędzy którymi należało obiekty obracać. Z tego względu w pierwszym etapie pomiarów odlewy oklejono znacznikami i systemem TRITOP wykonano ich przestrzenną mapę (rys. 2a). Mapę znaczników wykorzystywano następnie przy łączeniu części geometrii zeskanowanych skanerem ATOS (rys. 2b i c). a) b) c) Rys. 2. Skanowanie geometrii odlewów: a) odlew konika z elementami systemu fotogrametryczngo, b) odlew wrzeciennika w trakcie skanowania geometrii, c) częściowo zeskanowana geometria odlewu płyty suportowej Ocenę kształtu odlewów przeprowadzano porównując ich geometrię z geometrią modeli referencyjnych zaprojektowanych modeli obrobionych korpusów. Wynikiem porównania były mapy kolorystyczne naniesione na powierzchnie odlewów, względnie powierzchnie modeli referencyjnych. Kolory obrazowały odległości normalne pomiędzy zmierzonymi punktami geometrii odlewów a powierzchniami modeli referencyjnych. Przeprowadzenie porównania musiało poprzedzić odpowiednie zorientowanie wzajemne obu modeli.
78 A. GESSNER Oprogramowanie systemu pomiarowego GOM ATOS II udostępnia szereg metod orientowania modelu zmierzonego względem modelu referencyjnego [1]. Orientowanie może polegać na definiowaniu baz referencyjnych (np. płaszczyzny, osi walca lub stożka, punktu) w obszarze zeskanowanej geometrii i dopasowaniu ich do analogicznych referencji w modelu referencyjnym (rys. 3). a) b) Rys. 3. Zdefiniowane bazy referencyjne a) w odlewie płyty suportowej b) w jej modelu referencyjnym b) Taka metoda z jednej strony może bazować na aktualnych instrukcjach trasowania odlewów, co pozwoli na łatwiejsze przyswojenie zasad projektowanej technologii przez pracowników produkcyjnych, z drugiej jednak jest bardziej pracochłonne i nie pozwala na optymalizację wielkości naddatków obróbkowych. a) b) c) Rys. 4. Porównanie modeli odlewów z modelami referencyjnymi: a) konika, b) wrzeciennika, c) płyty suportu osi Z Możliwe jest również wykorzystanie automatycznego dopasowania modelu zmierzonego i referencyjnego metodą best-fit. Orientuje ona oba modele w taki sposób, aby suma odległości normalnych punktów pomiarowych od powierzchni referencyjnych była jak najmniejsza. Jest to najwygodniejszy sposób szybkiej oceny stopnia zgodności geometrii mierzonego odlewu i
MINIMALIZACJA NADDATKÓW OBRÓBKOWYCH W KORPUSACH ŻELIWNYCH 79 modelu referencyjnego. Na rys. 4 przedstawiono wynik porównania geometrii odlewów z ich modelami referencyjnymi dopasowanymi za pomocą metody best-fit. Kolorystyczne mapy odchyłek naniesione zostały na zeskanowane modele odlewów. Kolor zielony oznacza największą zgodność porównywanych geometrii (odległości bliskie zeru), niebieski odległości ujemne, czyli brak materiału, natomiast kolor żółty przechodzący w czerwony odległość dodatnią, co można interpretować jako naddatek na obróbkę. Tak opracowane wyniki porównania pozwalają na szybką ocenę dokładności geometrycznej wykonanego odlewu oraz wielkości naddatków na obróbkę. Rys. 5. Widok odlewu płyty suportowej z zaznaczonymi powierzchniami podlegającymi obróbce Oprogramowanie systemu skanującego udostępnia również zmodyfikowaną metodę bestfit dopasowania modeli: zeskanowanego i referencyjnego, w której oba modele są tak wzajemnie orientowane, aby suma odległości określonych zmierzonych powierzchni od referencyjnych była jak najmniejsza. Przyjmując, że dopasowanie przeprowadzone zostanie na podstawie powierzchni obrabianych, wynikiem będzie taka orientacja odlewu i modelu referencyjnego, w której objętość naddatków obróbkowych zostanie zminimalizowana. Na rys. 5 przedstawiono model zeskanowanego odlewu płyty suportowej z wybranymi obszarami geometrii podlegającymi obróbce. Rys. 6. Zestawienie masy naddatków nominalnych i zminimalizowanych Przeprowadzono obliczenia wielkości naddatków zminimalizowanych według przedstawionej metody i porównano je z naddatkami nominalnymi. Obliczenia wykonano sumując iloczyny powierzchni kolejnych naddatków oraz ich wysokości zmierzone w wybranych przekrojach wzajemnie zorientowanych modeli. Wyniki obliczeń zestawiono na rys. 6.
80 A. GESSNER Proponowana metodyka przygotowania odlewów do obróbki wykorzystana w badaniach przedstawiona została na rys. 7 za pomocą schematu blokowego. Rys. 7. Sposób przygotowania odlewu do obróbki Instrukcja trasowania odlewu tworzona jest z wykorzystaniem metody opracowanej przez autora artykułu i objętej zgłoszeniem patentowym [6]. Metoda ta zakłada, przed skanowaniem geometrii odlewu, wykonanie na 3 jego ściankach odpowiednio 3, 2 oraz 1 nawiercenia. Tak oznaczone punkty są widoczne na zeskanowanej geometrii odlewu i służą do wyznaczenia odpowiednio płaszczyzny, prostej oraz punktu, względem których w jednoznaczny sposób można zdefiniować położenie środka układu współrzędnych. Środek układu współrzędnych przedmiotu obrabianego ustawiany może być względem dodatkowego oprzyrządowania, bazującego na wykonanych punktach. Na rys. 8 przedstawiono w sposób schematyczny sposób definiowania układu współrzędnych w przedmiocie obrabianym (odlewie), na podstawie 6 oznaczonych punktów. Płaszczyzna π1 przykładowo definiowana jest poprzez określenie jej odległości od 3 nawierconych punktów i pełni funkcję poziomowania odlewu.
MINIMALIZACJA NADDATKÓW OBRÓBKOWYCH W KORPUSACH ŻELIWNYCH 81 Rys. 8. Sposób definiowania układu współrzędnych w przedmiocie obrabianym: π1 płaszczyzna przechodząca przez 3 nawiercone punkty, p prosta przechodząca przez 2 nawiercone punkty, A punkt zgodny z ostatnim nawierceniem 4. PODSUMOWANIE W artykule przedstawiono propozycję wykorzystania optycznego systemu skanującego do szybkiej oceny dokładności geometrycznej odlewów. Docelowo opracowana metodyka ma wyeliminować ręczną operację trasowania odlewów. Przeprowadzone badania potwierdziły możliwość wykonania skutecznej oceny dokładności kształtu oraz wielkości naddatków obróbkowych. Ponadto uzyskane wyniki potwierdzają tezę, że możliwa jest taka modyfikacja nominalnych naddatków obróbkowych, by w efekcie uzyskać redukcję ich całkowitej masy. Dokładność geometryczna odlewów w znacznym stopniu zależy od standardów pracy danej odlewni oraz stopnia zużycia modeli odlewniczych i nie jest stała, dlatego staje się celowe minimalizowanie naddatków obróbkowych dla każdego odlewu indywidualnie. W badanych przypadkach uzyskano realne zmniejszenie masy naddatków o 11-15%. Korzyść stanowi krótszy czas obróbki oraz mniejsze zużycie narzędzi skrawających, co bezpośrednio przekłada się na oszczędności kosztów wytwarzania. Zakładając, że proponowana minimalizacja naddatków rozszerzona zostałaby na wszystkie obrabiane w fabryce odlewy (rocznie ok. 10 000 ton), w skali roku możliwe byłoby zmniejszenie ilości wiórów o 150 ton. Korzyścią dodatkową jest 100% weryfikacja kształtu geometrycznego odlewu. LITERATURA 1. ATOS GOM II, user information. 2. 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. 292-300. 3. Galanulis K., Reich C., Thesing J., Winter D.: Optical digitizing by ATOS for press parts and tools. Internal publication, GOM, Braunschweig, 2005.
82 A. GESSNER 4. Gessner A.: Zgłoszenie patentowe nr P-390364 (5.02.2010), Sposób przygotowania odlewu do obróbki. 5. Gessner A.: Zgłoszenie patentowe nr P-390852 (31.03.2010), Sposób przygotowania odlewu do obróbki z minimalizacją naddatków. 6. Gessner A.: Zgłoszenie patentowe nr P-398463 (15.03.2012), Sposób określania układu współrzędnych przedmiotu obrabianego w odlewie. 7. Grzelka M., Chajda J., Budzik G., Gessner A., Wieczorowski M., Staniek R., Gapiński B., Koteras R., Krasicki P., Marciniak L.: Optical coordinate scanners applied for the inspection of large scale housings produced in foundry technology. Archives of Foundry Engineering 2010, 10, p. 255-260. 8. Matusiak-Szaraniec A.: Analiza konstrukcyjna i technologiczna korpusów maszyn i urządzeń technicznych. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2007, Vol. 27/2, p. 121-129. 9. Mrozek K., Gessner A.: Optymalizacja naddatków obróbkowych wielkogabarytowych odlewów żeliwnych. Postępy nauki i techniki 2011, nr 6, p. 96-103. 10. Wieczorowski M., Ruciński M., Koteras R.: Application of optical scanning for measurements of castings and cores. Archives of Foundry Engineering 2010, 10, p. 265-268. 11. Sanz-Ablanedo E., Rodríguez-Pérez J. R., Arias-Sánchez P., Armesto J.: Metric potential of a 3D measurement system based on digital compact cameras. Sensors 2009, 9, 4178-4194; doi:10.3390/s90604178 MINIMIZATION OF MACHINING ALLOWANCES FOR CAST IRON BODIES Summary. The paper consists of some results of minimization of machining allowances for little scale cast iron bodies used in machine tools manufacturing. There were used 3D models of the bodies designed by means of Pro/Engineer as well as models of real cast irons scanned by means of optical measuring system. Starting point was the actual technology process, in which machining allowances result from the machining datum surfaces and are determined during marking-out. Size of machining allowances is not constant it depends on the cast iron quality and ranges from nominal app. 6mm up to 12mm. It was assumed that there is no need to machine nominal allowances (app. 6mm) and they can be selectively minimized up to 2mm (2mm results from the cast shape error and cast porosity). Minimization was done by modifying machining allowances in 3 perpendicular direction. Reduction of allowances in particular direction on one side of the cast resulted in magnifying allowances by the same value on the opposite side. The aim was to obtain 3 modification values in 3 direction so that the volume of allowances was minimal. The result of investigation was to obtain machining allowances 15% lesser than the actual applied. Modification of technology of the analysed cast iron bodies will result in savings of machine tools operating time together with cutting tools wear reduction. The presented research involves 2 pending patent applications and is supported by the Ministry of Science and Higher Education due to grant N R03 0101 10.