METODY MINIMALIZACJI OBJĘTOŚCI NADDATKÓW OBRÓBKOWYCH ODLEWÓW ŻELIWNYCH

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 45, t. 14, rok 2012 – ISSN 1896-771X

METODY MINIMALIZACJI OBJĘTOŚCI NADDATKÓW OBRÓBKOWYCH

ODLEWÓW ŻELIWNYCH

Andrzej Gessner

, Krzysztof Mrozek

1Instytut Technologii Mechanicznej, Politechnika Poznańska

e-mail: ^aandrzej.gessner@put.poznan.pl, ^bkrzysztof.mrozek@put.poznan.pl

Streszczenie

W opracowaniu przedstawiono problematykę minimalizacji objętości naddatków obróbkowych odlewów żeliwnych przy użyciu dwóch metod. Pierwsza z nich polega na minimalizacji naddatków obróbkowych dla każdego odlewu osobno. Metoda druga – Globalna Minimalizacja Naddatków Obróbkowych oparta jest na planowaniu obróbki dla wszystkich odlewów korpusowych wchodzących w skład maszyny równocześnie. Obie metody są przedmiotem zgło- szeń patentowych i wykorzystują nowoczesne metody inżynierii odwrotnej takie jak skanowanie 3D i fotogrametria.

Powodem podjęcia prezentowanej tematyki są wciąż rosnące koszty obróbki mechanicznej, która obok odlewnictwa jest głównym procesem produkcyjnym korpusów obrabiarek. Dotychczasowe wyniki wstępnych badań symulacyj- nych i laboratoryjnych z zastosowaniem metody indywidualnej minimalizacji naddatków obróbkowych pokazały, że zagadnienie warte jest dalszych badań i weryfikacji praktycznej. Mniejsza objętość naddatków obróbkowych wpły- wa nie tylko na skrócenie czasu obróbki, ale bezpośrednio przekłada się na mniejsze zużycie narzędzi oraz ograni- czenie poboru energii. Zastosowanie nowoczesnych technik bezdotykowego skanowania 3D i fotogrametrii pozwoli na znaczne uproszczenie procesu planowania obróbki, która w większości firm produkcyjnych opiera się na kon- wencjonalnych metodach trasowania każdego odlewu z osobna.

Prezentowane przez autorów metody minimalizacji naddatków obróbkowych odlewów żeliwnych mogą znacząco wpłynąć na poprawę szybkości i jakości procesów przygotowawczych obróbki mechanicznej. Wstępne wyniki badań dały pozytywne wyniki, ponadto kilka firm przemysłowych wyraziło zainteresowanie wynikami i wdrożeniem pre- zentowanego zagadnienia.

METHODS OF MACHINING ALLOWANCES MINIMIZATION OF IRON CASTINGS

Summary

The paper presents problems of machining allowances minimization by means of two minimization methods. The intention of the first one is that machining for each body cast should be planned separately. The second method – Global Minimization of Machining Allowances consists in machining planned and optimized globally for the whole bodies included in the machine. Both methods are secured by patent and are founded by the use of rapid and modern methods of reverse engineering, such as 3D scanning and photogrammetry.

The reason for taking the proposed subject matter is still growing cost of mechanical working which, next to the casting, is the main process of machine bodies production. The results of the minimization of machining allowances research based on individual calculations for each cast separately have shown so far that the machining allowances minimization matter is worthy of further research and practical verification. The smaller volume of machine cut- ting coat will not only shorten the treatment time, but also directly translate into tool wear and energy consump- tion reduction. By the use of a non-contact three-dimensional surface scanning system and photogrammetry, the treatment planning process will greatly simplify, which so far was based on tedious and very time-consuming

machining. Preliminary optimization results let us have optimistic outlook for the future even more there are ma- chine companies interested in the proposed technology.

1. WSTĘP

W dzisiejszych czasach rozwój obrabiarek opiera się głównie na poprawie wydajności i dokładności ich pracy [1, 2]. Coraz częściej nowoczesne maszyny wyposażane są w szybkie elektrowrzeciona o prędkości obrotowej rzędu kilkudziesięciu tysięcy obr./min., co przy współ- pracy z dynamicznymi napędami ruchów posuwowych pozwala na prowadzenie tzw. obróbki szybkościowej (HSM – High Speed Machining) [3]. Niestety poprawa dynamiki maszyny często wpływa na pogorszenie jej stabilności [4, 5]. To zmusiło konstruktorów do poszu- kiwania nowych rozwiązań w zakresie elementów korpu- sowych. Współcześnie korpusy obrabiarek wykonywane są głównie z żeliwa szarego, stali oraz polimerobetonu. Z tych trzech materiałów zdecydowanie najczęściej wyko- rzystuje się żeliwo [6]. Mimo iż posiada ono dziesięcio- krotnie mniejszą wartość logarytmicznego dekrementu tłumienia niż polimerobeton, to charakteryzuje się bardzo dobrą skrawalnością oraz daje możliwość uzy- skania skomplikowanych kształtów.

Odlewy żeliwne wykonywane w formach piaskowych wymagają stosowania naddatków obróbkowych rzędu od trzech do nawet kilkunastu milimetrów w zależności od kształtu i wymiarów gabarytowych przedmiotu [7].

Często zdarza się, że producent obrabiarek otrzymuje odlewy o naddatkach dochodzących do 15 mm. Z jednej strony wynika to z asekuracyjnego podejścia odlewni, zaś z drugiej podyktowane jest względami ekonomicz- nymi bowiem cena odlewu rośnie wraz z jego masą.

Taka sytuacja jest bardzo niekorzystna z punktu widze- nia producenta obrabiarek. Wraz ze wzrostem objętości naddatków rosną koszty obróbki korpusu wynikające z większego zużycia narzędzi i energii oraz pracochłon- ności.

W odpowiedzi na rosnące ceny obróbki mechanicznej autorzy pragną zaprezentować dwie metody minimaliza- cji naddatków obróbkowych. Pierwsza z nich prowadzo- na jest indywidualnie dla każdego odlewu, druga nato- miast - metoda globalna, oparta jest na planowaniu obróbki dla wszystkich odlewów korpusowych wchodzą- cych w skład danej maszyny równocześnie. Obie metody

są przedmiotem zgłoszeń patentowych i wykorzystują nowoczesne technologie inżynierii odwrotnej.

2. ANALIZA WIELKOŚCI

NADDATKÓW OBRÓBKOWYCH

W wydawnictwach książkowych o tematyce obrabiar- kowej sprzed kilku lat można przeczytać, że odlewany korpus obrabiarki po procesie wyżarzania odprężającego powinien zostać wysezonowany przez okres około roku [3]. W dzisiejszych czasach niejednokrotnie okres jedne- go miesiąca, jaki jest potrzebny na dostarczenie odle- wów do firmy obrabiarkowej od momentu zamówienia, staje się zbyt długi.

Po wykonaniu i dostarczeniu odlewów do odbiorcy istnieje konieczność zaplanowania obróbki mechanicznej.

Obecnie jest to pracochłonny i długotrwały proces trasowania wykonywany dla każdego odlewu z osobna.

Ta technologia nie daje żadnych możliwości minimaliza- cji naddatków obróbkowych. Zdarza się nawet tak, że źle wytrasowany odlew uniemożliwi wykonanie z niego gotowego korpusu.

Autorzy proponują zastąpienie przestarzałej już techno- logii trasowania odlewów nowoczesną technologią po- miaru wizyjnego. Za pomocą takich urządzeń pomiaro- wych jak TRITOP oraz GOM Atos (rys. 1, 2) istnieje możliwość zeskanowania odlewów oraz uzyskania trój- wymiarowych modeli wirtualnych w krótkim czasie [8, 9]. Zastosowanie odpowiedniej obróbki otrzymanych skanów pozwala na porównanie ich z modelami kon- strukcyjnymi poszczególnych części korpusowych.

Nakładając na siebie idealną bryłę wykonaną przez konstruktora oraz część otrzymaną w wyniku pomiaru można uzyskać mapę kolorową odchyłek dodatnich (nadlewy, pochylenia odlewnicze, niedoczyszczenie odlewu z masy formującej, itd.), ujemnych (niedolewy) oraz błędów wynikających np. z błędnie wykonanych lub złożonych rdzeni formujących.

Andrzej Gessner, Krzysztof Mrozek

Rys. 1. Urządzenie pomiarowe TRITOP

Rys. 2. Urządzenie pomiarowe GOM Atos

Mając odpowiednio przygotowany model 3D rzeczywi- stego odlewu korpusu obrabiarki, można zrezygnować z planowania obróbki na stole traserskim na rzecz technologii wykorzystujących wspomaganie komputero- we. Daje to między innymi możliwość minimalizacji naddatków obróbkowych.

3. METODA INDYWIDUALNEJ MINIMALIZACJI OBJĘTOŚCI NADDATKÓW OBRÓBKOWYCH

Zgodnie z tą metodą każdy odlew jest poddawany procesowi minimalizacji naddatków obróbkowych indy- widualnie. Jego naddatki dzieli się na trzy grupy zgodne z kierunkami osi kartezjańskiego układu współrzędnych.

Każda grupa kierunkowa przedstawiana jest jako ilo- czyn powierzchni obrabianych oraz odpowiadającego jej naddatku (rys. 3).

Rys. 3. Przekrój sań osi Z tokarki NC w miejscu mocowania

Kolejnym krokiem jest przesunięcie baz obróbkowych w takim kierunku, aby iloczyn powierzchni obrabianych i grubości warstwy przeznaczonej do obróbki dążył do minimum. Bazy te można przesuwać w zakresie ograni- czonym konstrukcyjnie.

Rys. 4. Odlewy komponentowe frezarki ogólnego przeznaczenia Na rys. 4 przedstawiono odlewy poddane procesowi minimalizacji objętości naddatków obróbkowych. Na poniższych wykresach zaprezentowano wyniki, jakie udało się uzyskać tą metodą (rys. 5).

Rys. 5. Wyniki indywidualnej minimalizacji objętości nadda ków obróbkowych

4. METODA GLOBALNEJ MINIMALIZACJI OBJĘTOŚCI NADDATKÓW OBRÓBKOWYCH

Globalna minimalizacja naddatków obróbkowych różni się od minimalizacji indywidualnej tym, że po zeskan waniu wszystkich odlewów składających się na daną maszynę tworzy się zespół wirtualny połączony łańc chem wymiarowym. Następnie sumaryczna wielkość naddatków obróbkowych wszystkich odlewów podd wana jest minimalizacji przy uwzględnieniu ograniczeń konstrukcyjnych (rys. 6, 7, 8).

Rys. 6. Przekrój łoża frezarki wraz ze zorientowanym wzgl dem niego stołem

Rys. 5. Wyniki indywidualnej minimalizacji objętości naddat-

METODA GLOBALNEJ JI OBJĘTOŚCI NADDATKÓW OBRÓBKOWYCH

Globalna minimalizacja naddatków obróbkowych różni się od minimalizacji indywidualnej tym, że po zeskano- waniu wszystkich odlewów składających się na daną maszynę tworzy się zespół wirtualny połączony łańcu-

Następnie sumaryczna wielkość naddatków obróbkowych wszystkich odlewów podda- wana jest minimalizacji przy uwzględnieniu ograniczeń

Rys. 6. Przekrój łoża frezarki wraz ze zorientowanym wzglę-

Rys. 7. Zespół powiązanych ze sobą odlewów

Rys. 6. Schemat połączenia poszczególnych korpusów zespołu obrabiarki za pomocą wybranych wymiarów bazowych: a) równomierny rozkład naddatków obróbkowych, b), c) przykł dowe przesunięcie naddatków oraz baz obróbkowych

Prezentowana metoda wpłynie nie tylko na obszar obróbki mechanicznej, lecz również na technologię montażu maszyny. Proces jednoczesnego planowania obróbki mechanicznej dla wszystkich odlewów wchodz cych w skład maszyny wprowadzi duże udogodnienia dla procesu montażu, najważniejsze bowiem powierzc nie poszczególnych części wymiarowane będą od jednej bazy całego zespołu.

powiązanych ze sobą odlewów

Rys. 6. Schemat połączenia poszczególnych korpusów zespołu obrabiarki za pomocą wybranych wymiarów bazowych: a) równomierny rozkład naddatków obróbkowych, b), c) przykła- dowe przesunięcie naddatków oraz baz obróbkowych

zentowana metoda wpłynie nie tylko na obszar obróbki mechanicznej, lecz również na technologię montażu maszyny. Proces jednoczesnego planowania obróbki mechanicznej dla wszystkich odlewów wchodzą- cych w skład maszyny wprowadzi duże udogodnienia

montażu, najważniejsze bowiem powierzch- nie poszczególnych części wymiarowane będą od jednej

Andrzej Gessner, Krzysztof Mrozek

Oznaczone jaśniejszym kolorem powierzchnie obrabiane (rys. 4) pokazują jak bardzo skomplikowanym procesem jest trasowanie korpusów maszyn. Obie prezentowane metody przyczynią się nie tylko do ograniczenia objęto- ści wiórów, ale sprawią, że proces planowania obróbki stanie się prostszy i mniej wrażliwy na powstanie błę- dów.

5. PODSUMOWANIE

Obie metody minimalizacji naddatków obróbkowych bezpośrednio wpływają na ograniczenie kosztów produk-

cji komponentów obrabiarkowych. Metoda globalna charakteryzuje się większą efektywnością, jednakże jej praktyczne zastosowanie jest uzasadnione tylko w obszarze maszyn wielkogabarytowych.

Wadą przedstawionych metod jest trudność ich zauto- matyzowania oraz wysoki koszt zakupu pomiarowych systemów wizyjnych niezbędnych do uzyskania modeli 3D obrabianych odlewów.

Literatura

1. Parus A., Chodźko M., Hoffman M.: Eliminacja drgań samowzbudnych z zastosowaniem aktywnego uchwytu obróbkowego. „Modelowanie Inżynierskie” 2011, nr 42, t. 11, s. 325-332.

2. Berg M., Keller S.: MAHO. Training literature. CNC 432. AG Pfronten, 1991.

3. Kosmol J.: Model cieplny elektrowrzeciona. „Modelowanie Inżynierskie” 2010, nr 39, t. 8, s. 119-126.

4. Schulz H.: High-speed machining. “Annals of the CIRP” 1992, 41, 2, p. 637-643.

5. Ehmann K., Kapoor S., Devor R., Lazoglu I.: Machining process modeling. “Journal of Manufacturing Science and Engineering” 1997, 119, p. 655 – 663.

6. Honczarenko J.: Obrabiarki sterowane numerycznie. Warszawa: WNT, 2008.

7. Norma PN-H/72-83104 „Odlewy z żeliwa szarego – Tolerancje wymiarowe, naddatki na obróbkę skrawaniem i odchyłki masy”.

8. Cuypers W., Van Gestel N., Voet A., Kruth J. P., Mingneau J., Bleys P.: Optical measurement techniques for mobile and large-scale dimensional metrology. “Optics and Lasers in Engineering” 2009, 47, p. 292 – 300.

9. Wieczorowski M., Ruciński M., Koteras R.: Application of optical scanning for measurement of castings and cores.

“Archives of Foundry Engineering” 2010, 10, p. 265 – 268.