Obrabiarki wieloosiowe i ich możliwości technologiczne Wojciech Skoczylas M2-L13

Obrabiarki wieloosiowe i ich możliwości technologiczne Dwadzieścia lat temu ze względu na ograniczający rozwój technologiczny niektóre przedmioty można było uważać za „nietechnologiczne”. Dzisiaj te przedmioty można wykonać bez większych problemów. Jednym z głównych czynników pozwalających na to są obrabiarki wieloosiowe.

Kierunek rozwoju Istotne jest rozszerzenie możliwości technologicznych współczesnych obrabiarek, wyrażające się dążeniem do obróbki przedmiotów na gotowo, przy zwiększeniu dokładności i wzroście efektywności działania układów sterowania. Rozwój obrabiarek skrawających jest podyktowany rozwojem technologii efektywnego wytwarzania, dążeniem do rozszerzania możliwości technologicznych, osiągnięcia dużej dokładności obróbki przy minimalizacji czasu i kosztów.

Celem obróbki na nowoczesnych tokarkach jest wykonanie na gotowo przedmiotu w jednym cyklu roboczym i na jednej maszynie. Stąd też od tokarek i centrów obróbkowych tokarskich wymaga się realizowania –oprócz typowych zabiegów toczenia – także wiercenia, gwintowania i rozwiercania mimośrodowego i poprzecznego oraz frezowania.

Tokarki CNC i tokarskie centra obróbkowe są to więc obrabiarki wielozabiegowe (wielofunkcyjne), przy czym znamienne ich cechy to: -zróżnicowane, wieloosiowe układy strukturalne: zespoły narzędziowe wykonują ruchy posuwowe (tokarki poziome) – rys. 1a lub ruchy posuwowe wykonuje wrzeciennik wraz z przedmiotem obrabianym (tokarki pionowe) – co umożliwia budowę tokarek pionowych o cechach obrabiarek „samoładujących się” – rys. 1b,

Rys. 1. Tokarki: a) pozioma kłowo-uchwytowa: z dwiema głowicami rewolwerowymi, b) pionowa: 1 – wrzeciennik, 2 – głowica rewolwerowa, 3 – podsystem magazynowy, 4 – układ sterowania CNC

Cechy nowoczesnych tokarek -sterowane numerycznie: wrzeciono główne C1 i przechwytujące C2, co daje możliwość obróbki przedmiotu z drugiej strony -głowice rewolwerowe z dużą liczbą narzędzi i z narzędziami obrotowymi (tokarki rewolwerowe), przy czym jedna z głowic może wykonywać ruchy w osiach Z, X, Y, a czasem też w osi B, -uniwersalny wrzeciennik narzędziowy o dużej mocy, wykonujący ruchy w osiach Z, X, Y, B (centra tokarskie)

Cechy nowoczesnych tokarek -możliwości wykonywania różnych zabiegów obróbkowych – oprócz zabiegów tokarskich również innych zabiegów z wykorzystaniem narzędzi obrotowych (frezów, wierteł, gwintowników i in.) przy nieruchomym lub obracającym się wrzecionie przedmiotowym – tak aby w wyniku obróbki uzyskać część gotową lub prawie gotową.

Kompletną obróbkę przedmiotów realizuje się dzięki sterowaniu w osiach: -C1 (i C2) – co pozwala na: frezowanie płaszczyzn, rowków wpustowych, krzywek promieniowych i bębnowych, uzębień – rys. 2, obróbkę otworów rozmieszczonych promieniowo lub równolegle do osi przedmiotu, także od strony powierzchni ustalających przedmiot we wrzecionie głównym, Rys. 2. Obróbka uzębień na tokarkach: a) dłutowanie, b) frezowanie obwiedniowe

Rys. 3. Przykłady obróbki przy sterowaniu w osiach B i Y Y – co umożliwia obróbkę płaszczyzn rozmieszczonych na cięciwie, obróbkę mimośrodów i wykorbień, B – co pozwala na obróbkę otworów rozmieszczonych pod dowolnym kątem, frezowanie płaszczyzn pod dowolnym kątem – rys. 3; Rys. 3. Przykłady obróbki przy sterowaniu w osiach B i Y -duże moce napędu głównego, zwiększony zakres prędkości obrotowych wrzeciona i prędkości posuwów;

-stosowanie lasera jako narzędzia, co pozwala na realizację zabiegów łączenia (spawania) części, hartowania powierzchniowego, bądź przecinania; - możliwość skrawania materiałów w stanie utwardzonym i zastępowania szlifowania obróbką tokarską.

Cechy nowoczesnych frezarek Tendencje konstrukcyjno-technologiczne i ulepszenia w obrabiarkach do korpusów są wielokierunkowe i znajdują odbicie w następujących właściwościach frezarskich centrów obróbkowych: -duża różnorodność konstrukcji w zależności od potrzeb klientów dla zróżnicowanego spektrum obrabianych przedmiotów; -wysoka zdolność ruchowa wyrażająca się dużą liczbą osi sterowanych (obróbka pięcioosiowa) i uniwersalnością, umożliwiającą obróbkę przedmiotu z różnych stron w jednym mocowaniu oraz produkcję krótkoseryjną, a nawet jednostkową;

-zróżnicowane, wieloosiowe układy strukturalne: 1)klasyczne – centrów frezarskich trzyosiowych: wspornikowy, ze stołem krzyżowym, w układzie T, z przesuwnym wrzeciennikiem, bramowy, 2) centrów pięcioosiowych: ze skrętnym stołem w dwóch osiach – rys. 4a, ze skrętnym wrzeciennikiem w dwóch osiach – rys. 4b, ze stołem obrotowym i skrętnym wrzeciennikiem, Rys. 4. Pięcioosiowe centra obróbkowe: a) ze skrętnym stołem w dwóch osiach, b) ze skrętnym wrzeciennikiem w dwóch osiach

3) pięcioosiowe frezarki do obróbki z pręta, 4)frezarki o zamkniętych strukturach kinematycznych (pentapod, hexapod) o bardzo wysokiej zdolności ruchowej; - zintegrowane napędy główne (elektrowrzeciona) o dużym zakresie prędkości obrotowych wrzeciona i liniowe silniki napędu posuwów o wysokich prędkościach ruchu posuwowego i przesuwowego; -nowe rozwiązania układów do automatycznej zmiany narzędzi o zwiększonej pojemności magazynów narzędziowych i krótkich czasach wymiany narzędzia; -automatyzacja wymiany przedmiotów obrabianych (palet przedmiotowych) poprzez dostosowanie obrabiarek do różnych podsystemów podawania palet (zwykłych systemów paletowych, systemów robotycznych, regałowych i innych);

Możliwości technologiczne Możliwość kompletnej obróbki przedmiotów na gotowo w jednej operacji technologicznej, dzięki obróbce wieloosiowej, wielozabiegowej z wielu stron w jednym zamocowaniu (rys. 5), wieloma różnymi narzędziami i obróbce z przechwytem na centrach tokarsko-frezarskich i frezarkach do obróbki z pręta Rys. 5. Zmniejszenie liczby mocowań na frezarkach pięcioosiowych

b) przy obróbce na obrabiarce pięcioosiowe Zmniejsza to koszt wykonania przez eliminację drogiego oprzyrządowania i skrócenie czasów przygotowawczych, ustawczych i zakończeniowych. Wieloosiowe frezowanie znalazło zastosowanie w wielu przypadkach obróbki skomplikowanych powierzchni, ścian pochylonych „ujemnie” w stosunku do osi freza. Pozwoliło na dotarcie krótkim, sztywnym narzędziem w trudnodostępne miejsca obróbki (rys. 6). Rys. 6. Wymagana długość narzędzia: a) przy obróbce na obrabiarce trzyosiowej, b) przy obróbce na obrabiarce pięcioosiowe

Frezowanie przy sterowaniu w pięciu osiach umożliwia więc obróbkę trudno dostępnych miejsc (bokiem i koń- cem narzędzia), co pozwala na wykonywanie części w postaci monolitów, poprzednio konstruowanych jako składane; Przy klasycznej technologii obróbki bazy obróbkowe oraz powierzchnie ustalające musiały być rzeczywiste. Przy obróbce na nowoczesnych obrabiarkach sterowanych numerycznie, która odbywa się w jednym zamocowaniu, bazy obróbkowe mogą być urojone (wirtualne);

Znacznie większa swoboda konstruktora w kształtowaniu przedmiotów Znacznie większa swoboda konstruktora w kształtowaniu przedmiotów. Jeszcze dwadzieścia lat temu wiele spośród wykonywanych obecnie części nazwano by „nietechnologicznymi”. Tradycyjne działania konstrukcyjne związane były między innymi z koniecznością uwzględnienia wielu ograniczeń. Konstruktor wiedział, że możliwość uzyskania małych promieni zaokrąglenia frezowanych powierzchni była bardzo ograniczona ze względu na średnicę i długość narzędzia; frezowane ściany nie mogły być zbyt cienkie ze względu na odkształcające je siły skrawania; frezowanie długich i wiotkich elementów bywało zastępowane przez składanie ich z elementów i spajanie, ze względu na trudne do opanowania drgania itd.

przy zastosowaniu obróbki HSC charakteryzującej się małymi siłami skrawania, istnieje możliwość obróbki elementów cienkościennych i o niewielkiej sztywności. Wysoka częstotliwość sił wymuszających przy frezowaniu zmniejsza problem drgań i upraszcza mocowanie przedmiotów. Zmienione technologie,umożliwiają obróbkę skrawaniem materiałów utwardzonych.

Duże prędkości obrotowe wrzecion pozwoliły na efektywne stosowanie frezów o bardzo małej średnicy. Umożliwia to frezowanie małych promieni zaokrąglenia, wąskich wgłębień czy obróbkę wąskich szczelin. Ograniczyło to zastosowanie obróbki EDM, będącej dotychczas jedynym, kosztownym rozwiązaniem. Toczenie na tokarkach sterowanych numerycznie daje konstruktorowi znacznie większą swobodę w dobieraniu tolerancji, szczególnie wymiarów (długości), i konstruowaniu przedmiotów o większej dokładności w ramach ekonomicznej dokładności obróbki.

Możliwość konstruowania i obróbki przedmiotów o bardzo skomplikowanych kształtach, o dowolnych powierzchniach, np.: wirników, łopatek turbin, kół zębatych: -frezowanie otworów o złożonym, zmiennym przekroju i osi tych otworów, która nie jest linią prostą, 1)frezowanie rowków ślimakowych o zmiennym skoku i złożonym profilu poprzecznym, 2)obróbka kątów „ujemnych” na frezarkach trzyosiowych za pomocą narzędzi specjalnych. 3)obróbka narzędziami specjalnymi (frezy kształtowe) z zastosowaniem skomplikowanego toru ruchu narzędzia w 5 osiach.

Najlepszą ilustracją zmiany poglądów na technologiczność konstrukcji będzie przykład obróbki kół zębatych na frezarkach pięcioosiowych. Proces obróbki odbywa się na jednej maszynie – frezarce pięcioosiowej (rys. 7) i obejmuje: Rys. 7. Obróbka koła zębatego na pięcioosiowej frezarce: a) frezarka Hermle C50U, b) przestrzeń obróbkowa

-toczenie, wiercenie, frezowanie koła i zgrubne frezowanie przestrzeni międzyzębnej w stanie nieutwardzonym, -zdjęcie koła zębatego z maszyny i jego obróbkę cieplną. -ponowne założenie uzębienia na tę samą maszynę i jego obróbkę wykończeniową w stanie utwardzonym. Obróbkę kół zębatych na frezarkach pięcioosiowych umożliwia specjalne oprogramowanie, które zawiera: -moduł obliczania geometrii przestrzeni międzyzębnej (wrębu) na podstawie danych koła z modelowaniem uwzględniającym profil, nośność zęba i geometrię stopy zęba; -generator toru ruchu i parametrów frezowania przestrzeni międzyzębnej w stanie nieutwardzonym; -generator toru ruchu i parametrów frezowania przestrzeni międzyzębnej po obróbce cieplnej; -generator danych pomiarowych; -postprocesor dla wybranej frezarki pięcioosiowej.

Wyrafinowane wersje oprogramowania do obróbki kół zębatych na frezarkach pięcioosiowych, np. program „Complex Rotors” firmy HPG Nederland BV, bazują na bezpośrednich obliczeniach zarysu przestrzeni międzyzębnej wg formuł matematycznych – rys. 8a. Umożliwia to dowolne ukształtowanie nie tylko zarysu wrębu, ale także linii zęba; przykładem może być pokazane na rys. 8b stożkowe koło zębate o linii zęba ukształtowanej wg funkcji cosinus. Uzębienie o linii cosinusoidalnej ma nośność zwiększoną o 40%, co pozwala na zmniejszenie wymiarów przekładni stożkowej, a tym samym jej masy i momentu bezwładności.

Podany przykład dobrze ilustruje zmianę spojrzenia na technologiczność konstrukcji, gdyż dawniej konstrukcję koła stożkowego o linii zęba ukształtowanej wg funkcji cosinus uznano by nie tylko za nietechnologiczną, ale za niemożliwą do wykonania. Rys. 8. Oprogramowania obróbki kół zębatych na frezarkach pięcioosiowych: a) model obliczenia zarysu przestrzeni międzyzębnej, b) stożkowe koło zębate o linii zęba ukształtowanej wg funkcji cosinus

Podsumowanie Rozwój obrabiarek skrawających podyktowany jest dążeniem do rozszerzania możliwości technologicznych, uzyskania dużej dokładności obróbki i ma na celu minimalizację czasu i kosztów, co sprawia, że konstruktor ma znacznie mniej ograniczeń; Podczas opracowania konstrukcji wyrobu konstruktorzy powinni śledzić postęp w budowie środków wytwarzania i poznawać aktualne możliwości wykonania zaprojektowanej produkcji.

Przykłady obróbki Rys. 9 Przykłady obróbki prezentowane na targach EMO Hannover 2012

Rys. 10 Przykłady obróbki

Źródła J. HONCZARENKO: Obrabiarki sterowane numerycznie. WNT Warszawa 2008. Katalogi producentów obrabiarek Mazak i DMG Materiały własne z prezentacji o obrabiarkach wieloosiowych w DMG Pleszew