Odborný seminář pořádaný Technickou univerzitou VŠ Báňské v Ostravě ve spolupráci se SPŠ Bruntál přinesl unikátní srovnání efektivních frézovacích strategií v celkem osmi CAM aplikacích.
V prostorách Střední průmyslové školy v Bruntále proběhl ojedinělý seminář, který se s podobným záměrem v České republice a možná ani na světě ještě neuskutečnil. Jeho cílem bylo odborné veřejnosti představit v konfrontaci uživatelské prostředí vybraných CAM aplikací a poukázat na možnosti programování tradičních a efektivních frézovacích strategií s jejich pomocí. Výchozí zadání bylo vskutku originální, jelikož se jednalo o obrobení téhož dílu za konstantních podmínek (stroj, nástroje a polotovar byly pro všechny případy totožné).
Frézovací strategie
Technologie efektivních frézovacích strategií jsou určeny právě pro optimalizaci úhlu záběru nástroje s cílem využít celé řezné části tvrdokovových monolitních karbidových fréz. Ideologií efektivní frézovací strategie je automaticky přizpůsobovat dráhu nástroje tak, aby se úhel záběru v průběhu procesu obrábění neměnil a nepřekročil maximálně přípustnou hodnotu.
Zatímco běžné konvenční strategie obrábění obrábí výsledný tvar obrobku po vrstvách, dráha nástroje se s modulárními nástavbami efektivních strategií při procesu obrábění nepřerušuje, zůstává kontinuální. Posuvová rychlost je automaticky přepočítávaná podle pohybu nástroje, které jsou při procesu obrábění vykonávány. Přednosti modulárních nástaveb jsou využívány převážně při náhlých změnách pohybů a při obrábění vnitřních hran a rohů.
Zmíněná technologie je uplatňována při efektivním, produktivním a sériovém obrábění s cílem co nejrychleji odebrat velké množství materiálu za jednotku času. Jedná se o technologii hrubovacího frézování, snižující čas obrábění, zvyšující hloubku záběru v radiálním i axiálním směru za současného prodloužení trvanlivosti nástroje. Díky výkonným algoritmům mohou programátoři volit vyšší řezné a posuvové rychlosti než při klasickém frézování. Účinné a efektivní generované dráhy nástroje jsou vhodné pro obrábění tvrdých, těžko obrobitelných a exotických materiálů.
Pestrá řada CAM aplikací
Výběr CAM softwaru byl zaměřen na aplikace používané při produktivním obrábění, využívajících efektivní strategie frézování. Pozvání prezentovat počítačovou podporu výroby přijaly společnosti Nexnet (EdgeCAM), T-support (GibbsCAM), 1CPro (HSMWorks), Sonetech (Mastercam), Delcam Brno (FeatureCAM), SolidCAM CZ (SolidCAM), 3E Praha Engineering (SurfCAM) a Semaco Tools and Software (WorkNC). Jedná se vesměs o CAM aplikace střední třídy používané v produktivní výrobě.
Experimentální díl byl konstruován tak, aby obsahoval uzavřené a otevřené kapsy, tolerované rozměry a plochy s předem definovanou drsností povrchu (viz obr. 2).
Obráběný materiál
Pro uskutečnění experimentu byla zvolena nástrojová ocel s obchodním označením Toolox44. Dle normy DIN EN ISO je její označení 1.2342/1.2344. Důvodem volby tohoto materiálu byla aplikovatelnost dvouosého frézování do nástrojového průmyslu, kde se frézovacími strategiemi obrábí formy pro lisování plastů a zápustky.
Tato kalená nástrojová ocel je vyrobená s nízkým zbytkovým pnutím, a proto má dobrou rozměrovou stálost. Ocel je dodávána o tvrdosti HBW 410—475, která odpovídá tvrdosti 41—47 HRC. Dodavatel materiálu garantuje kalený materiál na střední hodnotu o tvrdosti 44 HRC. Tento materiál není určen k dalšímu tepelnému zpracování. Nitridování nebo povrchová úprava je možná pouze při teplotách nad 590 °C. Zkoušky tvrdosti probíhají podle norem EN 10 137-1, EN 10 137-2 a EN ISO 6506-1.
Při tvrdosti 44—45 HRC je dle dodavatele JKZ Bučovice dobře obrobitelná a je vhodná především na výrobu forem pro lisování plastů, protože se může leštit a leptat s velmi dobrými výsledky. Toolox44 je možné obrábět na konvenčních strojích i na CNC obráběcích strojích. Materiál vyžaduje ostré nástroje s kladným řezným úhlem eliminující vibrace.
Nástroje a obráběcí stroj
Nástrojové vybavení vyplývá z tvaru navrženého dílu. Jelikož se jedná o obrábění drážek, kapes a zkosené plochy, byly na semináři použity monolitní hrubovací karbidová čtyřbřitá stopková fréza o průměru 12 mm, monolitní karbidová dokončovací šestibřitá stopková fréza s leštěným povlakem o průměru 8 mm a kulová kopírovací fréza o průměru 8 mm s vyměnitelnými břitovými destičkami. Přesnou specifikaci jejich doporučených řezných parametrů měli zúčastnění k dispozici (přehledové tabulky najdete v sérii článků věnovaných tomuto semináři na webu Průmysl.cz).
Realizace ukázek probíhala na CNC obráběcích strojích Quaser MV 184E. Jedná se o tříosá vertikální frézovací CNC centra konstruovaná s vysokou variabilitou speciálních provedení a vysokou tuhostí skeletu. Stroje jsou řízeny řídicím systémem Heidenhain TNCi530. Tyto stroje jsou vybavením SPŠ Bruntál, která je používá mj. pro výuku NC programování a praxi.
Průběh a vyhodnocení semináře
Seminář byl rozdělen na dva bloky. V prvním bloku měli za úkol zástupci počítačové podpory výroby představit odborné veřejnosti uživatelské prostředí a možnosti programování v CAM aplikacích. V druhém bloku pak následovaly reálné ukázky obrábění experimentálního dílu.
NC kódy byly vytvořeny v každém prezentovaném CAM systému a ukázky obrábění probíhaly celé odpoledne v dílnách SPŠ Bruntál. Ukázky obrábění byly přenášeny živě na plátno, aby mohli sledovat průběh obrábění všichni návštěvníci.
Vyvodit závěry použití frézovacích strategií z délky strojního času by bylo velmi unáhlené. Strojní čas by také mohl být zavádějícím ukazatelem, jelikož kratší doba obrábění by se mohla projevit na rozsahu opotřebení nástrojů a jejich snížené trvanlivosti.
Nelze hodnotit výhody či nevýhody CAM aplikací, lze však hodnotit aplikované strategie frézování z hlediska obrobeného povrchu, opotřebení nástrojů, na které mají vliv především použité řezné parametry, geometrická přesnost, drsnost obrobeného povrchu a neméně zkušenost programátora.
Díky lepšímu pochopení dnešních metod frézovacích strategií a nástrojových technologií, stejně jako různých typů opotřebení a schopnosti tato opotřebení analyzovat, se může výrobní proces zefektivnit, snížit počet obráběcích cyklů, zvýšit životnost a její stálost, zlepšit tolerance obrobků, dosáhnout vysoké kvality obrobeného povrchu tvarových částí a menšího opotřebení v nástrojovém vybavení.
Cílem semináře bylo provázat spolupráci střední a vysoké školy s odbornou praxí a představit odborné veřejnosti programování efektivních dvouosých frézovacích strategií a přípravu obráběcího postupu v CAM aplikacích s použitím dostupných moderních frézovacích nástrojů společnosti Seco Tools na konkrétním příkladu a zhodnotit tak možnosti současně dostupných frézovacích strategií.
Reakce veřejnosti
Seminář rozpoutal s krátkým odstupem času vlnu otázek a připomínek na internetovém fóru c-n-c.cz. Jako autor tohoto článku, který byl zároveň spoluorganizátorem semináře, níže připojuji oficiální komentář k tomuto následnému dění, na něž již pořadatelé neměli vliv.
Jak již zaznělo, záměrem semináře bylo poukázat na moderní frézovací strategie a jejich aplikace v praxi. Úkolem semináře bylo obrobení za konstantních předem známých podmínek s nejlepším možným výsledkem v souladu s výkresem obrobku (pro všechny byl připraven stejný stroj, nástroj, obrobek i upnutí). Tyto podmínky musel každý respektovat, i když má zkušenosti s jiným vybavením.
Mezi dodavateli CAM řešení tak nastalá situace vyvolala jakousi soutěž. Je však nutné konstatovat, že v průběhu semináře nepanovala žádná rivalita, nýbrž pohodová atmosféra, doplněná mnoha věcnými připomínkami, jejichž rozvíjení se odehrávalo nad bohatým rautem.
V zájmu organizátorů byla také prezentace programování obrábění v každém ze zastoupených CAM systémů, jež v samostatném bloku přednášek předcházely samotnému obrábění. Ku škodě své i přítomných návštěvníků však naprostá většina prezentujících tuto příležitost využila k předvedení výhod zastupovaného softwaru, případně jeho historii a praktické ukázce zpracování konkrétního úkolu se věnovali vesměs pouze okrajově v několika momentech. O tom, jestli tuto formu upřednostnili prezentující před přímým programováním z toho důvodu, že by součást v časovém rozmezí dvaceti minut nestihli naprogramovat, lze pouze polemizovat.
Důležitou myšlenkou semináře bylo představit pracovní prostředí CAM systémů a vysvětlit volbu strategií pro konkrétní geometrické útvary na experimentálním dílu. To, že s programováním souvisí i pracovní prostředí CAM, a jak funguje při řešení konkrétního zadání, jsme se na semináři u většiny prezentovaných softwarů nedozvěděli. Jediným, kdo celou přednášku věnoval očekávanému popisu programovacího postupu, byl uživatel softwaru HSMWorks.
Tvrdá realita obrábění v praxi
Druhá část semináře byla stěžejní a ukázala, jak se výsledky programátorů projevily v samotném procesu obrábění. K vidění bylo opravdu mnoho. Mohli jsme shlédnout dokončené i nedokončené obrobky, zlomený nástroj, nebo „utopenou frézu“. Tento problém vznikl v důsledku programátora, který pravděpodobně nerespektoval pracovní podmínky a řezné parametry doporučené výrobcem řezných nástrojů společností Seco Tools. Jestliže některý z dodavatelů před seminářem provedl zkoušky obrobitelnosti a při obrábění se nevyskytly žádné potíže, mohl se předem informovat, zda jsou tyto podmínky dostupné i na obráběcím stroji v dílnách SPŠ Bruntál. Tím je myšlen dostatečný tlak chladicího média, ať už to byl vzduch, nebo procesní kapalina, upnutí obrobku, či upnutí nástrojů.
Pokud všichni respektovali doporučené řezné parametry a využili k tomu své zkušenosti, očekávalo se, že dosáhnou podobných výsledků. Z časů obrábění (viz tabulka), které byly zaznamenány na semináři, už to tak nevypadá. Nutno podotknout, že z času obrábění nelze usuzovat o nejlepším CAM systému, ani o nejlépe použitých frézovacích strategiích. Čas obrábění souvisí s opotřebením nástrojů majícím vliv na drsnost povrchu, geometrickou a tvarovou přesnost, zbytkové povrchové napětí a řadu dalších aspektů a z tohoto důvodu je vyhodnocení časově velmi náročné.
Z řad odborných návštěvníků vzešly ohlasy, že by proces obrábění dopadl jinak, kdyby byly k dispozici jiné nástroje, jiný stroj a všeobecně jiné pracovní prostředí a další názory ze strany prezentujících, že by byl výsledek lepší, když by se spustil obráběcí proces podruhé apod. Na tyto varianty nelze brát ohled, jelikož měli všichni přítomní stejné výchozí podmínky a bylo pouze na nich, jak umí tyto vstupní parametry využít.
V praxi je proces obrábění taktéž omezen určitými kritérii, která se musí respektovat. Nejčastěji bývají omezující kritéria finanční, a ta platila i v tomto případě. Kolik firem si může dovolit na prvním obrobku experimentovat a druhý pustit jako odladěný program? Zde je nutné také připomenout, že CAM systém je pouze programovací prostředí, které je podřízeno lidskému faktoru a z tohoto důvodu se na procesu obrábění projeví zkušenosti technologa.
Samotné CAM systémy moc srovnávat nelze
Na základě ohlasů ze semináře se organizační tým rozhodl vyjádřit k takovému hodnocení, které bude vyplývat z naměřených hodnot týkajících se geometrické a tvarové přesnosti, drsnosti obrobeného povrchu a opotřebení nástrojů. Proměřit všechna tato hlediska bude časově náročné, takže na tento verdikt si ještě musíme počkat.
Hodnotit samotný CAM systém jako produkt by bylo složitou záležitostí a v tomto ohledu se pořadatelé semináře necítí kompetentní k závěrům. Každý CAM software má své výhody či nevýhody a jeho specializace se projeví v praxi. Navíc, jak už bylo zmíněno, programování v CAM softwaru je do velké míry ovlivněno zkušenostmi technologa a jeho znalostí výrobního prostředí.
Závěrem bych velmi rád zmínil, že výsledkem nemusí být porovnání, zda je ten či onen CAM systém výhodnější. Přínosnějším bude výsledek, na základě kterého lze konstatovat, že aplikované strategie (ať už klasické nebo efektivní) mají menší či větší vliv na parametry související s jakostí povrchu a jestli jej vůbec nějakým způsobem ovlivňují.
Jestliže vás zaujaly výsledné časy obrábění, podívejte na informačním portálu Průmysl.cz na sestřih videozáznamu ze semináře.
Připravil Marek Pagáč, odborný redaktor magazínu o CAD/CAM technologiích CAXMIX.
