HSM

PROBLEMY EKSPLOATACJI MASZYN
TECHNOLOGICZNYCH PODCZAS
OBRÓBKI Z DUŻYMI PRĘDKOŚCIAMI
SKRAWANIA
dr hab. inż. Krzysztof J. Kaliński
Politechnika Gdańska
Wydział Mechaniczny
Gdańsk, 23.01.2004
HIGH SPEED MACHINING – obróbka mechaniczna przy dużych prędkościach
HSM
skrawania – high speed cutting HSC
frezowanie
• Sposób zwiększenia wydajności oraz poprawy jakości wykonania wyrobów
• Duża wydajność obróbki przy znacznie mniejszych naddatkach
• Duża koncentracja operacji (ruchy narzędzia) – uzasadnienie ekonomiczne
Korzyści
Technologia HSM –optymalne
współdziałanie komponentów
⇒ poprawa jakości obróbki
jakość powierzchni
niski poziom drgań
PROCES
małe siły skrawania
⇒ skrócenie czasu wytwarzania
NARZĘDZIE
OBRABIARKA
większe prędkości skrawania
większa wydajność skrawania
HSM
krótsze czasy jałowe
⇒ obniżenie kosztów
KONSTRUKCJA
PRZEDMIOT
krótszy jednostkowy czas wytwarzania
krótszy czas pracy obrabiarki
MATERIAŁ
lepsze wykorzystanie narzędzi
obróbka bez chłodziwa – aspekt ekologiczny
obróbka stopów bezołowiowych
Cecha
Duża wydajność
skrawania
Wykorzystanie
stopy metali lekkich
stal żeliwo
Przykłady
przemysł lotniczy,
kosmiczny, matryce i
formy
Bardzo dobra jakość
obróbka precyzyjna
przemysł optyczny,
przedmioty specjalne
dokładne elementy
powierzchni
mechaniczne
Małe siły skrawania
przedmioty cienkościenne przemysł lotniczy,
kosmiczny, motoryzacja,
wyposażenie wnętrz
Duże częstości wymuszeń obróbka powyżej częstości mechanika precyzyjna
krytycznych
przemysł optyczny
Odprowadzanie ciepła
obróbka przedmiotów
mechanika precyzyjna
przez wióry
podatnych na wpływ
stopy magnezu
ciepła
trwałość ostrza [m]
Utrata
stabilności
frezowanie frezowanie frezowanie
współbieżne przeciwbieżne „zigzag”
obróbka dużych powierzchni
ruchy jałowe ⇒ mała wydajność
chropowatość Rz [µm]
Główne problemy
⇒ duże siły odśrodkowe bezwładności – obszar intensywnych badań
⇒ wzrost prędkości skrawania → obniżenie trwałości ostrzy
optymalizacja parametrów skrawania – prędkość skrawania, posuw na ostrze
kąt pochylenia narzędzia – trwałość ostrza, jakość powierzchni, dokładność
wymiarowa, stabilność obróbki
dobór materiału narzędzia
geometria narzędzia, długość mocowania w uchwycie
strategia obróbki mechanicznej – możliwość wykonania wyrobu różnymi
sposobami
trwałość ostrza [m]
frezowanie współbieżne
frezowanie przeciwbieżne
frezowanie „zigzag”
FILM 1
Przedmiot obrabiany: stal 40 CrMnMo7
Narzędzie: frez kulisty φ20 liczba ostrzy z=1
Materiał ostrza: P40, P50 TiN
Prędkość skrawania: vc=300 m/min
Posuw na ostrze: fz=0.3 mm głębokość ap=1 mm
⇒ szybkość pracy maszyny + wzrost dokładności
napęd liniowy posuwu – przyspieszenie do 30 m/s2
lepsza dokładność odwzorowania konturu
redukcja czasów pomocniczych
Frezarka 3–osiowa z napędem liniowym
TH – Darmstadt
prędkość
posuwu
[mm/min]
napęd
liniowy
napęd
konwencjonalny
przyśpieszenie [m/s2]
promień krzywizny [mm]
R = V f2 / a max
Przeznaczenie: obróbka matryc i form
Dokładność dynamiczna: < 5µm
przy prędkości posuwu 20 m/min
OBRÓBKA KONWENCJONALNA
konstruowanie
planowanie
procesu
obróbka
skrawaniem
zgrubna
CAD/CAM
ręczna wykańczająca
dokładna
HSC
oszczędność czasu
HSC
OBRÓBKA TYPU HSM
montaż
Centrum obróbkowe urządzeń do wytłaczania
Zakłady SKODA
montaż
Czas [h]
system
transportu
Operacje wykańczające
Obróbka mechaniczna
Programowanie NC
Obróbka NC
HSM
Etapy skrawania
Urządzenie do wytłaczania dachu
Skrawanie zgrubne
Kontrola
dopasowanie
Obróbka
wykańczająca
Skrawanie
zgrubne
Skrawanie
zgrubne
Geometria
końcowa
HSM → skrócenie operacji wykańczających
PRZEMYSŁ SAMOCHODOWY
Obróbka powierzchni zakrzywionych
minimalizacja błędu konturu Rth
Pozostałe
Obróbka mechaniczna
Materiał
Koszt
[%]
100
Rth
80
60
40
Kontur
br
zadany
Kontur
br
rzeczywisty
Prędkość skrawania
HSM
Rth
20
0
Produkcja
seryjna
Obróbka
mechaniczna
Zgrubna
Połwykańczająca
Wykańczająca
Wykańczanie ręczna
Prace ślusarskie
Razem
Wytwarzanie
matryc i form
Koszt [%]
12
25
25
16
22
100
200
D = 10 mm
160
D
D 2 − br2
Rth = −
2
4
120
80
br
D
vf
40
0
Istotny udział w kosztach
Rth [µm]
Rth
0
1
2
br [mm]
3
4
Centrum obróbkowe HSM typu FIDIA Digit 165 – Volkswagen Braunschweig
Dane techniczne:
Max. prędkość obrotowa
wrzeciona
28 000 obr/min
Max. prędkość
posuwu stołu
27 m/min
Moc
12 kW
Przestrzeń robocza
1000×600×500 mm
Wymiary stołu
1400×800 mm
Automatyczny magazyn
15 narzędzi
Mocowanie narzędzi
uchwyt HSK–50E
+ mocowanie stożkowe
bicie promieniowe < 5 µm
Układ sterowania
FIDIA M30/MNC053
FILM 2
Pionowe centrum frezarskie
VMC FADAL 4020HT
max. prĊdkoĞü obrotowa
10 000 obr/min
Elementy napĊdu gáównego:
– silnik asynchroniczny – wektorowa
regulacja kąta przesuniĊcia
fazowego
– dwubiegowa przekáadnia pasowa
– krótkie, sztywne wrzeciono
Frezowanie dáugimi narzĊdziami –
frezy walcowo–czoáowe
frezy kuliste
Wiercenie gáĊbokich otworów –
zwiĊkszanie Ğrednicy wiertáa
Nadzorowania drgaĔ za pomocą
sterowanej programowo prĊdkoĞci
obrotowej wrzeciona
(KaliĔski K., 2002)
CNC
CYFROWY SYSTEM
STEROWANIA
PRĉDKOĝCIĄ
OBROTOWĄ
WRZECIONA
RS232
Mechatronika –dyrektoriat XII
Komisji Europejskiej
synergiczna kombinacja wiedzy z
zakresu mechaniki, elektroniki oraz
algorytmicznego sterowania
VMC FADAL
4020HT
Uchwyt mocujący
czujniki
Czujnik 2
KOMPUTEROWY
SYSTEM
ANALIZY
POMIARU
DRGAē
DRGAē
x3
Czujnik 1
x3c
Sc
x1c
A/C
x1
ap hC1
FILTRY ANALOGOWE
PROGRAMOWANE
CYFROWO
WZMACNIACZ
4–KANAàOWY
vf
x1
x1c
hC2
n(t)
S
PROKSIMITORY
x 2c
x2
Procedura nadzorowania drgaĔ:
x Symulacja komputerowa on–line
sterowania prĊdkoĞcią obrotową
wrzeciona
Rezultat: program zmiennej w czasie
prĊdkoĞci obrotowej
x Detekcja drgaĔ chatter – analiza
widmowa, analiza przebiegów czasowych
x Sterowanie on–line realizowane na
obiekcie rzeczywistym – wykorzystanie
programu zmiennej prĊdkoĞci obrotowej
PA6
125 HB
Wymiary:
200u60u60
Rezultat:
Bardzo dobra
skutecznoĞü
nadzorowania
ap=0.5 mm, n0=3000 obr/min
vf=1200 mm/min
Amplituda [mm]
RMS=0.210 mm
1.0
4000
2.0 3.0 4.0
Czas [s]
5.0
25
u10
-2
Skrawanie niestabilne
20
15
10
5
0
0
6.0
200
800
400
600
CzĊstotliwoĞü [Hz]
Programowa zmiana prĊdkoĞci – tj=0.3 s
1000
n0=3000 obr/min
3600
3200
2800
2400
2000
0
-2
0.2
0.4
ap=0.5 mm, n0=3000 obr/min
70
vf=1200 mm/min
60 RMS=0.126 mm
50
40
FRMS=0.60
30
20
10
0
-10
-20
-30
0.0 1.0
2.0 3.0 4.0
5.0 6.0
Czas [s]
u10
0.6
Czas [s]
-2
u10
25
Amplituda [mm]
Przedmiot
obrabiany:
-2
Przemieszczenie [mm]
frez trzpieniowy
NOMA 206.016
W–W
PrĊdkoĞü obrotowa [obr/mim]
NarzĊdzie:
70
60
50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
0.0
Przemieszczenie [mm]
Frezowanie
czoáowe rowka
u10
0.8
1.2
1.0
Fch=0.10
20
15
10
Skrawanie z
nadzorowaniem drgaĔ
5
0
0
200
400
600
800
CzĊstotliwoĞü [Hz]
1000
FREZOWANIE WYKAŃCZAJĄCE PŁASZCZYZN
głowica frezowa SUMIBORON
Liczba przejść
Materiał: GG25 HB240
brak chłodziwa
vc=600 – 1500 m/min fz=0,1 mm, ap=0,5 mm
Płytki wymienne
SUMIBORON
vc=1500 m/min
Objętość wiórów
[cm3/ostrze]
Zużycie powierzchni
przyłożenia VB[mm]
Bicie promieniowe
<10 µm
Rz≤6,3 µm
Prędkość skrawania [m/min]
Materiał: GG25 HB240
brak chłodziwa
vc=400 – 1500 m/min fz=0,15 mm, ap=0,5 mm
KLASYFIKACJA OBRABIAREK TYPU HSM
Maksymalmy posuw minutowy [m/min]
100
Nr
1
2
3
4
5
6
7
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
20000 40000 60000 80000 100000
Maksymalna prędkość obrotowa
wrzeciona [obr/min]
obróbka
konwencjonalna
Frezarka
FOG 2500
XHC 240
Specht II
HVM 600
HSM 700
HSC 10
HSC 13
Producent
Droop & Rein
Ex-Cell-O
Hüller –Hille
Ingersol
Mikron
PTW
PTW
HSM duża prędkość obrotowa
duży posuw minutowy
małe naddatki
Przedmioty o małych rozmiarach
Pojedyncze egzemplarze
HVM (High Velocity Machining)
mniejsza prędkość obrotowa
duży posuw minutowy
duże naddatki – niekorzystne
Frezarki bramowe
Przedmioty o dużych rozmiarach
Krótkie i średnie serie
NAPĘD GŁÓWNY
×
70
łożyska
magnetyczne
60
Problemy
⇒ Mocowanie
narzędzia – siły
odśrodkowe
Uchwyt HSK –
krótki stożek z
trzpieniem
drążonym
P=70 kW
przy n=20000 ÷
30000 obr/min
50
Moc wrzeciona, P [kW]
⇒ Moc wrzeciona
maleje ze
wzrostem
prędkości
obrotowej
×
Elektrowrzeciono
S2M
40
P = 106 × n −1,1427
30
20
10
0
0
20000
40000
60000
80000
Maksymalna prędkość obrotowa wrzeciona, n [obr/min]
100000
NAPĘD
POSUWU
serwonapęd elektromechaniczny
dokładność statyczna pozycjonowania 5÷15 µm
dokładność dynamiczna – ograniczona
bezpośredni napęd liniowy
znacznie większe przyspieszenia
średnica 40 mm, posuw 20 m/min → odchyłki kształtu 4 µm
przyśpieszenie [m/s2]
100
elektromechaniczny
serwonapęd ze śrubą toczną
skok 20 mm
skok 10 mm
napęd liniowy
parcie 8000 N
parcie 2000 N
80
60
40
20
0
0
100
200
300
400
masa w ruchu postępowym [kg]
500
układ sterowania
sterowniki prędkości i położenia
dynamiczne odchylenie położenia –
proporcjonalne do posuwu
sterowanie w układzie otwartym
sprzężenie zwrotne z układem CNC
HSM
Płyta
montażowa
MODUŁ BEZPROWADNICOWY
Elektrowrzeciono
Parametry maksymalne
prędkość posuwu 50 m/min
elektrowrzeciono
moc
40 kW
prędkość obrotowa
100 000 obr/min
Masa całkowita ok. 900 kg
Masa w ruchu ok. 320 kg
HSM
KONSTRUKCJE KLASYCZNE
MONTAŻ SEKWENCYJNY
Frezarka
bramowa
Rezultat
przedmiot
nieruchomy
złożona
geometria
eliminacja operacji toczenia (?)
Frezarka
wspornikowa
FILM 3
FILM 4
Dla nauki – a tym samym dla postępu – najważniejsze są problemy
dotąd nierozwiązane, a nie doraźne kłopoty
„Maszyny i urządzenia są dzisiaj
tak skomplikowane, że do ich
obsługi nie wystarcza już majster,
ale potrzebny jest inżynier”
Prof. Edward T. Geisler (1884–1966)
Katedra Obrabiarek do Metali
i Organizacji Technicznej
Zakładów Przemysłowych