21/04/2010 18:48:05

Produktivita a přesnost představují rozdílné aspekty v konkurenci dodavatelů obráběcích strojů. Vstupní podmínky ve výrobě se neustále mění. Je požadováno hospodárné zvládnutí výroby ve stále menších dávkách a se stoupajícími nároky na přesnost. Přitom se vyžaduje nejvyšší řezný výkon při hrubování a následně vysoká přesnost obrábění načisto. Při frézování drahých forem se vyžaduje rychlé odebrání objemu materiálu při hrubování a vysoká jakost povrchu jako výsledek dokončovacích operací. Současně jsou nezbytné vysoké posuvy s cílem dosažení krátkého času obrábění při jemném krokování souběžných trajektorií nástroje.

Vzhledem k významným změnám provozních podmínek při obrábění roste význa m teplotní přesnosti, resp. stability obráběcích strojů. Na oteplení kuličkového šroubu lineárních pohonů má velký vliv zrychlení a velikost posuvu. Avšak při výrobě v malých dávkách a často se měnících technologiích lze těžko dosáhnout teplotně stabilního stavu. Přesnost prvního kusu současně získává velký význam pro hospodárnost výroby. Stálé střídání operací vrtání, hrubování a obrábění načisto způsobují výkyvy teplotního stavu obráběcího stroje. Během hrubování stoupá výkon frézování na hodnotu kolem 80 %, zatímco při obrábění načisto klesá pod 10 %. Klíčovou roli pro stabilizaci teplotních poměrů na stroji představuje podchycení polohy v pohonech posuvů.

Teplotní stabilita obráběcích strojů

Pro zabránění vzniku teplotních odchylek jsou využívána různá konstrukční řešení jako aktivní chlazení, symetrická výstavba stroje a měření teplot. Podstatným zdrojem nárůstu délky vlivem oteplení v lineárních osách je kuličkový šroub. V závislosti na rychlosti posuvu a řezných silách se mohou tyto přírůstky délky rychle měnit. Změna délky na obráběcím stroji (typicky 100 µm.m^-1 v průběhu 20 min) může vést k markantním chybám rozměru obrobku.

Podchycení polohy v pohonech posuvů

Údaj polohy NC osy je možné snímat z úhlové polohy kuličkového šroubu ve spojení s rotačním snímačem nebo z přímého odměřování lineárním snímačem polohy (pravítky). Pokud je poloha pohonu snímána rotačním snímačem, pak má kuličkový šroub dvojí funkci: jako součást pohonu mus acute; přenášet vysoké síly, ale současně je od něj očekávána přesnost a konstantní stoupání při odměřování polohy. Polohová smyčka však vyhodnocuje pouze údaje rotačního snímače. Vzhledem k tomu, že opotřebení šroubu a plovoucí lokální změny teplot mechaniky pohonů nelze kompenzovat, hovoříme v tomto případě o tzv. semiclosed loop, tedy nepřímé polohové vazbě. Chyba polohování pohonů není opakovatelná a může podstatně ovlivnit kvalitu obrobků.

Je-li poloha snímána přímým odměřováním pohybu saní, tedy lineárním snímačem polohy, vyloučí polohová vazba vliv mechaniky posuvu. V tomto případě hovoříme o přímé polohové vazbě. Vůle a nepřesnosti v přenosové kinematické soustavě nemají vliv na přesnost záznamu polohy. Přesnost měření závisí prakticky na přesnosti a umístění snímače polohy na stroji.

Tato základní úvaha pro lineární osy platí samozřejmě i pro odměřování polohy otočných stolů. Také zde je možn te; snímat polohu z motoru na konci kinematického řetězce nebo přímo v ose stolu z přesného úhlového snímače polohy s vysokou reprodukovatelností.

Vliv přesnosti pohonů na obrobek

Ve strojírenství zcela jednoznačně vyvstává potřeba výroby v malých dávkách. Pro výrobce dílců tak představuje přesnost prvního kusu v sérii významný ekonomický faktor. Obráběcí stroje určené pro přesnou výrobu v malých dávkách stojí před velkou výzvou. Typickou hodnotou posuvu při hrubování jsou 3-4 m.min^-1 a při obrábění načisto 0,5 až 1 m.min^-1. Rychloposuvy při výměně nástrojů dosahují hodnot až o řád vyšších. V operacích, jako je vrtání a vystružování, jsou střední hodnoty posuvů ve vztahu k oteplení kuličkového šroubu nepatrné. V jednotlivých operacích obrábění se potom mění teplotní poměry po délce šroubu v závislosti na různých hodnotách posuvu. Proměnný stav zátěže při náhonu kuličkovým šroubem může vést při kompletním obrábění spolu s nepřímou polohovou vazbou k napjatosti, která se projeví jako nespojitosti prvního druhu na povrchu dílce. Pro přesné obrobení dílců v malé sérii je tedy přímá polohová vazba s lineárními snímači nezbytným předpokladem.

Příklad obrábění dílů pro letecký průmysl

Díly z lehkých materiálů pro letecký průmysl (např. z titanu) jsou většinou vyráběny z přířezů, které jsou materiálově značně náročné. V typických případech představuje odběr třísek i přes 90 % objemu polotovaru. Výroba takových součástí využívá velmi výkonná HSC obráběcí centra s vysokými posuvy a vysokou řeznou rychlostí. Řezný proces využívá vysoké řezné parametry, v jejichž důsledku se vyvíjí v kuličkovém šroubu třecí teplo. Ztráty způsobené třením a teplotní roztažnost se v průběhu obrábění mění v závislosti na změnách řezných podmínek při hrubování a dokončování. V sériové výrobě s velmi krátkými časy obrábění stoupá teplota šroubů s počtem kusů v dávce. V případě nepřímé polohové vazby (bez lineárního snímače polohy) se jednotlivé dílce liší rozměrově jeden od druhého. V důsledku teplotní roztažnosti kinematického řetězce stroje pak v takových případech většinou nejsou dosaženy předepsané tolerance. Při použití přímého lineárního snímače polohy pro odměřování délky se tyto odchylky nevyskytují.

Posouzení vlivu vazby na přesnost dílce

Obrobek na obrázcích představuje dvouramennou páku pro letecký průmysl s tolerancí středů vrtaných otvorů ve třídě IT7. Pro posouzení přesnosti nepřímé polohové vazby byly díry obráběny nadvakrát na témže dílci. Druhá část dílu byla obráběna v posunutí o 10 mm směrem dolů. Celkově se jedná o 20 cyklů obrábění na stejném dílci. Při obrábění s nepřímou polohovou vazbou se navzájem odchylují kontury obou dílců, což je patrné na vystupující hraně po obvodu dílce. Působení teplotní roztažnosti kuličkového šroubu je na dílci patrné tím zřetelněji, čím více se pohony vzdalují od ložisek šroubu.

Zachovaný rozměr 350 mm ve třídě přesnosti IT 7 odpovídá odchylce ±28 µm. Toho nelze dosáhnout s nepřímou polohovou vazbou, kde naměřená odchylka představuje 44 µm. Naopak při použití lineárních snímačů polohy - tedy přímé zpětné vazby - není obvodová hrana patrná. Zbývající odchylka 10 µm je připisována teplotní roztažnosti lože nebo stojanu stroje. Rozteč děr může dosáhnout zatřídění do IT 5. Za těchto okolností může být zaručena opakovaná přesnost při obrábění druhého dílce dávky.

Shrnutí

Úspěšné obrábění vyžaduje teplotně stabilizovaný obráběcí stroj, nejen po stránce vlastní konstrukce, ale i teploty dílny, ve které je nasazen. Proměnlivé zatížení by nemělo mít významný vliv na přesnost stroje. Posuvové osy musí držet přesnost v celém rozsahu zdvihu i při velkých změnách posuvů a řezných sil. Rušivý vliv má rychlostní a silové oteplení kuličkového šroubu, kde může po 20 minutách obrábění vzniknout polohová odchylka až 100 µm při použití rotačního snímače pro měření polohy nástroje, vestavěného v motoru pohonu. Odstranění těchto jevů je vázáno na použití přímého odměřování polohy nástroje lineárními snímači polohy.

Autor: Jan Štědrý

Zdroj: www.strojirenstvi.beseen.cz

dne: 12. Dubna 2010