Na obrazku wyróżniającym publikację pokazano przykład obróbki przedmiotu – materiał: stal na formy 1.2312 o twardości 32 HRC. Zastosowano frez firmy Sandvik o średnicy 12 mm z 5 ostrzami o całkowitej wysokości roboczej 26 mm. W programie obróbkowym a_p=25 mm, a ae=10% średnicy frezu, około 1,2 mm. Posuw na ząb f_z=0,12 mm/ostrze. Prędkość obrotowa wynosiła 8000 obr/min, posuw roboczy między 4000 a 6000 mm/min. Prędkość skrawania v_c=300÷330 m/min. Optymalizacja HPM polegała na modyfikacji przebiegu ścieżki poprzez zoptymalizowanie z wykorzystaniem programu VoluMill.

Obróbka HPM (ang. High Performance Machining) to szybkościowa obróbka wydajnościowa, która bardzo dobrze sprawdza się na etapie zgrubnej obróbki form. Obróbka HSM/HSC – ang. High Speed Machining / High Speed Cutting) znajduje zastosowanie przede wszystkim w zakresie obróbki wykańczającej (dokładność obróbki, chropowatość powierzchni obrobionej). Obróbka HPM cechuje się możliwie największymi wartościami głębokości i szerokości skrawania, dzięki czemu uzyskuje się znaczne tempo usuwania materiału [cm³/min].

Ilustracja.1 Obróbka klasyczna – konturowanie (dzięki uprzejmości CAMdivision Sp. z o.o.).

Obróbka form i matryc to przede wszystkim frezowanie kieszeni 2D oraz 2,5D. Obróbka klasyczna to charakterystyczny przebieg ścieżki narzędzia, który odpowiada zarysowi konturu kieszeni (ilustracja 1) Na każdej głębokości obróbki pomiędzy kolejnymi przejściami narzędzia zachowana jest stała odległość. W przypadku tego typu obróbek wykorzystywany jest głównie frez palcowy, który w warunkach obróbki zgrubnej (HPM) pracuje przeważnie połową swojej szerokości i ze stałą głębokością skrawania.

Jeżeli nie będzie się uwzględniać zmienności wartości posuwu (stała niezmienna wartość), zaakceptuje się występowanie nagłych zmian kierunku przebiegu ścieżki narzędzia oraz występowanie zmiennej powierzchni styku narzędzia i przedmiotu obrabianego (kąt opasania narzędzia) należy liczyć się z brakiem stabilności obróbki. Źródłem braku stabilności obróbki są:

• zmienność sił skrawania,
• zmienność obciążeń narzędzia i napędu głównego.

Brak stabilności obróbki objawia się następująco:

• wystąpienie drgań samowzbudnych (w układzie PN – przedmiot-narzędzie),
• odkształcenia narzędzia,
• skrócenia okresu trwałości narzędzia (możliwość katastroficznego stępienia ostrza – KSO).

Brak stabilności obróbki odbija się na jej efektach:

• pogorszenie dokładności obróbki,
• większa chropowatość powierzchni,
• błędy kształtu,
• uszkodzenia powierzchni dyskwalifikujące przedmiot obrabiany (braki),
• szybsze zużycie narzędzia (w tym jego zniszczenie).

Ilustracja 2. Kąt opasania narzędzia (dzięki uprzejmości CAMdivision Sp. z o.o.).

Na ilustracji 2 (za zgodą CAMDIVISION Sp. z o.o.) pokazano rysunek przedstawiający poglądowo obróbkę powierzchni wypukłej (a.), naroża (b.), płaszczyzny (c.) oraz powierzchni wklęsłej (d.). W każdym z tych przypadków kąt opasania narzędzia (θ), jest inny.

Jeżeli za punkt odniesienia przyjmie się obróbkę płaszczyzny (rys.2.c.) to w przypadku:

• obróbki powierzchni wypukłych (rys.2.a.) kąt opasania maleje θ;
• obróbki naroży i powierzchni wklęsłych jego wartość wzrasta (rys.2.b. i 2.d.);

Ilustracja 1 pokazuje zmienną szerokość skrawania, co stanowi przyczynę zmienności sił skrawania. W konsekwencji narzędzie oraz napęd główny poddawane są zmiennym obciążeniom. Biorąc pod uwagę charakter obróbki zgrubnej HPM (szerokość i głębokość skrawania) nagłe zmiany kierunku kierunku przebiegu ścieżki narzędzia są bardzo niekorzystne. Obróbka naroży stanowi przykład zwiększonej szerokości skrawania oraz istotnej zmiany przebiegu ścieżki narzędzia. Dla obróbki klasycznej zgrubnej kieszeni (konturowanie) w narożach szerokość skrawania przekracza 50% średnicy narzędzia. Dla porównanie przy obróbce wykańczającej (HSM/HSC) szerokość skrawania wynosi około kilku procent średnicy narzędzia.

Optymalizacja przebiegu ścieżki narzędzia oraz parametrów obróbkowych (szczególnie posuwu roboczego) pozwala na uniknięcie zmienności kąta opasania narzędzia. Większość stosowanych programów i systemów CAM (m.in. NX CAM, PowerMill firmy Delcam, Mastercam, CATIA, SolidCAM, Esprit, NCSimul, Vericut) poprzez stosowanie różnych metod optymalizacyjnych oraz strategii obróbkowych umożliwiać optymalizację procesów obróbkowych. Stosowane są również tzw. programy asocjatywne, czyli programy zewnętrzne współpracujące z innymi programami lub systemami CAM – np. VoluMill. Program ten został opracowany niejako jako dedykowany dla optymalizacji przebiegu ścieżki narzędzia w obróbce zgrubnej HPM.

Optymalizacja – wiąże się zawsze z jej kryterium. W zakresie technologicznym i organizacji produkcji nadrzędnym kryterium są koszty produkcji. W ujęciu technologicznym (proces technologiczny, techniki wytwarzania) stosuje się różne kryteria, np.:

• skrócenie głównego czasu maszynowego,
• wydłużenie okresu trwałości narzędzia,
• zachowanie stałej szerokości skrawania.

Program VoluMill stosuje to ostatnie z powyżej przedstawionych kryteriów technologicznych. Optymalizacja w tym przypadku prowadzi do znacznej modyfikacji przebiegu ścieżki narzędzia względem obróbki klasycznej. Dodatkowo wykorzystanie różnych strategii obróbkowych pozwala uniknąć nagłych zmian ścieżki narzędzia. Na ilustracji 3 pokazano przykładowy zrzut z programu NX CAM z wykorzystaniem VoluMill, na którym uwidoczniono dobór strategii obróbki.

Ilustracja 3 Przykładowy zrzut ekranu programu NX CAM z zastosowaniem VoluMill (dzięki uprzejmości CAMdivision Sp. z o.o.)

Obszar stosowalności HPM to przede wszystkim obróbka zgrubna (często usunięcie ponad 80% materiału). Domeną obróbek HSM/HSC jest obróbka kształtująca i wykańczająca. We wszystkich tych aplikacjach stabilność obróbki jest istotna. W obróbce zgrubnej technologom zależy na jak najmniejszym zużyciu narzędzia, oraz unikaniu katastrofalnego stępienia ostrza. W obróbkach wykańczających należy zapewnić osiągnięcie wymagań jakościowych (dokładność geometryczna, chropowatość powierzchni). Optymalizacja programów obróbkowych jest tu naturalnym rozwiązaniem.

Źródła

1. Uddin M.S., Ibaraki S., Matsubara A., Nishida S., Kakino Y., Constant Engagement Tool Path Generation to Enhance Machining Accuracy in End Milling, JSME International Journal 2006, str. 43-49
2. Ibaraki S., Ikeda D., Yamaji I., Matsubara A., Kakino Y., Constant Engagement Tool Path Generation for Two-Dimensional End Milling, Japan-USA Symposium on Flexible Automation 2004
3. Siemiński P., Małkiński J., Badanie wpływu szerokości skrawania i prędkością posuwu na wartość sił skrawania podczas frezowania frezami palcowymi
4. Coleman G., VoluMill. Chip Thinning; Chip Thickness Control,Celeritive Technologies, Inc., 2011
5. Galewski M., Rozprawa doktorska. Nadzorowanie drgań podczas frezowania szybkościowego smukłymi narzędziami z wykorzystaniem zmiennej prędkości obrotowej wrzeciona, Politechnika Gdańska 2007
6. Morek R., Obrabiarki HSM, STAL. Metale & Nowe Technologie 7-8/2012 str. 8