Planowanie obróbki w odniesieniu do maszyn sterowanych numerycznie

W klasycznej obrabiarce otrzymanie żądanego kształtu odbywa się przez ręczne ustawienie narzędzia względem przedmiotu oraz włączenie ruchu obrotowego i posuwowego maszyny. Operator obrabiarki musi wielokrotnie sprawdzać i ewentualnie korygować kształt i wymiary obrabianej części, tak aby, były one zgodne z warunkami podanymi na rysunku wykonawczym przedmiotu. Z tego też powodu powstał pomysł numerycznego programowania maszyn (NC – Numerical Control). Zasada działania była prosta, do zwykłej obrabiarki dodano silniki, którymi sterował specjalny moduł „numeryczny”, program (procedura obróbki) dostarczany był w postaci taśmy perforowanej. Sterowanie za pomocą taśm perforowanych nie było szybkie, ale szybsze i bardziej niezawodne niż ręczne sterowanie obrabiarką. Następnym krokiem w rozwoju obrabiarek NC było zastosowanie zapisu magnetycznego, podobnego jak na taśmach magnetofonowych. Użycie tego typu nośnika umożliwiło rozszerzenie ilości sterowanych modułów obrabiarki i większą elastyczność. Taśmy były wygodniejsze w użyciu oraz posiadały dużą pojemność, jednak miały poważna wadę – były bardzo podatne na zmiany pola elektromagnetycznego. Dzięki taśmom możliwe było dokładniejsze sterowanie silnikami obrabiarki, a tym samym wzrosła dokładność obróbki. Jednak w między czasie komputery stawały się coraz powszechniejsze i zaczęto je również stosować w obrabiarkach – tym samym powstały obrabiarki CNC (Computer Numerical Control), co oznacza, że procesem roboczym obrabiarki steruje komputer. Obecnie układy sterowania obrabiarek CNC posiadają własne mikroprocesory i pamięci o dużej pojemności, do których wczytuje się programy pisane za pośrednictwem klawiatury pulpitu sterowniczego lub też gotowe programy z nośnika danych, a także przechowuje się programy wykonywanych już elementów.

Rys. 11. Obrabiarki sterowane numeryczne: a) tokarka TUG 50 firmy AFM Andrychów, b) pionowe centrum obróbkowe VC 600 firmy AVIA [www.afm.com.pl, www.avia.pl].

Obrabiarki CNC stały się bardzo powszechne i stosowane są zarówno do produkcji seryjnej jak i do jednostkowej obróbki skomplikowanych kształtów, dzięki tej technologii możliwe jest bardzo precyzyjne odtworzenie modeli komputerowych w materiale. Z biegiem lat maszyny zaczęły realizować coraz więcej funkcji, np. frezowanie na tokarce, więc zaczęły powstawać maszyny uniwersalne zwane centrami obróbczymi. Nowoczesne centra obróbcze umożliwiają praktycznie kompleksowa obróbkę części maszynowych. Coraz większe moce obliczeniowe oraz konkurencja sprawiła, że w obecnych maszynach CNC stosowane są bardzo wydajne komputery i przyjazne użytkownikowi sterowanie. Coraz częściej droga realizowana przez poszczególne narzędzia pokazywana jest na ekranie monitora jako model 3D, interfejs graficzny jest coraz bardziej przyjazny programiście.

We współczesnym przemyśle na etapie technologicznego przygotowania produkcji jak i w trakcie przebiegu procesu technologicznego najważniejszym kryterium optymalizacyjnym jest czas, który w prostej linii łączy się z kosztami. Obrabiarka CNC względem obrabiarki konwencjonalnej umożliwiła podwyższenie dokładności, zwiększyła powtarzalność, zmniejszyła straty, skróciła czas przezbrojenia, a także koszty obsługi. Ważna zaletą obrabiarek CNC jest możliwość obróbki dużej liczby różnych przedmiotów.

Dzięki zastosowaniu obrabiarek sterowanych numerycznie uzyskujemy:

- skrócenie czasu wykonania danego elementu,

- większą dokładność obróbki, - większą wydajność w wyniku skrócenia czasów pomocniczych,

- większą elastyczność pracy, ze względu na łatwe dostosowanie się do nowych zadań produkcji.

W przeciwieństwie do konwencjonalnych obrabiarek w obrabiarkach CNC są stosowane specjalne narzędzia, spełniające następujące kryteria:

- wyższa wydajność skrawania przy wysokiej trwałości,

- krótsze czasy wymiany i mocowania,

- wprowadzenie standardu narzędzia i jego racjonalizacja,

- poprawa możliwości zarządzania narzędziami.

Oprawki do narzędzi tokarskich i frezarskich (rys. 12) są znormalizowane i określone przez normy. Przy narzędziach tokarskich stosuje się przede wszystkim oprawki z chwytem cylindrycznym z uzębieniem, natomiast przy narzędziach frezarskich oprawki narzędziowe z chwytem stożkowym.

Rys. 12. Oprawki narzędziowe: a) tokarskie, b) frezarskie [www.afm.com.pl, www.avia.pl].

W technice obrabiarek sterowanych numerycznie, ze względu na wysoką trwałość i łatwość wymiany, stosuje się narzędzia z płytkami wieloostrzowymi (rys. 14). Płytki te posiadają kilka krawędzi skrawających. Dzięki temu istnieje możliwość obrócenia płytki po jej stępieniu. Płytki wieloostrzowe wykonane są ze spieków twardych lub spieków ceramicznych. Podział płytek wieloostrzowych przestawnych odbywa się według kryterium kształtu, kątów, krawędzi skrawającej, klasy tolerancji, jak również umocowania i podstawowych wymiarów.

Rys. 13. Systemy mocowania płytek noży tokarskich [www.sandvik.com].

O doborze narzędzia obróbkowego decyduje przedmiot obrabiany (jego kształt i materiał), rodzaj obróbki oraz typ obrabiarki. Dobór prawidłowego narzędzia sprowadza się do następującej procedury:

- określenie rodzaju obróbki,

- dobór zamocowania płytki,

- dobór płytki wieloostrzowej,

- dobór parametrów skrawania.

Rys. 14. Narzędzia skrawające z płytkami [www.sandvik.com].

Obrabiarki sterowane numerycznie są wyposażone w automatyczne urządzenia do wymiany narzędzi (rys. 15). W zależności od typu i zastosowania urządzenia te mogą przyjmować różne ilości narzędzi i ustawiać wybrane przez program NC narzędzie w położeniu wyjściowym i roboczym. Najczęściej spotykanymi rodzajami tych urządzeń są:

- głowica rewolwerowa,

- magazyn narzędzi.

Rys. 15. Urządzenia do automatycznej wymiany narzędzi: a) głowica rewolwerowa z napędzanymi narzędziami, b) głowica rewolwerowa bębnowa, c) magazyn narzędzi [www.afm.com.pl, www.avia.pl].

Głowica rewolwerowa jest stosowana przede wszystkim w tokarkach a magazyn narzędzi we frezarkach. Jeżeli w programie NC zostanie wywołane nowe narzędzie, głowica rewolwerowa obraca się aż do ustawienia żądanego narzędzia w położeniu roboczym. Taka automatyczna wymiana narzędzia trwa obecnie ułamki sekundy. Ekonomiczne uwarunkowania sprawiają, że często pożądana jest kompletna obróbka przedmiotu wykonywanego w jednym zamocowaniu. Jest to powodem wyposażania tokarek sterowanych numerycznie w ruchome napędzane narzędzia. Taką tokarką można wiercić, zgrubnie i dokładnie rozwiercać, frezować i nacinać gwinty.

Magazyny narzędzi są urządzeniami, z których narzędzia są pobierane, i do których, po każdej ich wymianie, są automatycznie odkładane. W przeciwieństwie do głowicy rewolwerowej magazyn narzędziowy ma tę zaletę, że można w nim zmieścić dużą liczbę narzędzi (w dużych centrach obróbkowych nawet ponad 100 narzędzi). Wymiana narzędzi przy użyciu magazynu narzędzi odbywa się za pomocą systemu chwytaków. Dwuramienny chwytak wymienia narzędzie po wywołaniu przez program NC wykonując następujące operacje:

- pozycjonowanie żądanego narzędzia w magazynie w położeniu do wymiany,

- przesunięcie wrzeciona w pozycję do wymiany narzędzia,

- wychylenie chwytaka do poprzedniego narzędzia we wrzecionie i nowego w magazynie,

- wyjęcie narzędzi z wrzeciona i magazynu oraz wychylenie chwytaka,

- wstawienie narzędzi do końcówki wrzeciona i do magazynu,

- wychylenie chwytaka do położenia spoczynkowego.

Przed umieszczeniem narzędzi obróbkowych w magazynach koniecznym jest sprawdzenie tak zwanych wartości korekcyjnych narzędzia i wpisanie ich do tabeli korekcji narzędzi układu sterowania numerycznego. Sposób wyznaczenia tych wartości w dużej mierze zależy od rodzaju obrabiarki, jej wyposażenia, dostępności specjalnych urządzeń do pomiaru i nastawiania narzędzi, rodzaju narzędzi itp. Pomiary ustawcze narzędzi mogą być dokonywane bezpośrednio na obrabiarce lub poza obrabiarką, z wykorzystaniem specjalnego stanowiska pomiarowo – ustawczego (rys. 16).

Rys. 16. Urządzenia optyczne do pomiarów wartości korekcyjnych narzędzia poza obrabiarką [www.afm.com.pl, www.avia.pl].

Obrabiarki sterowane numerycznie oraz stosowane na nich narzędzia w odróżnieniu od obrabiarek konwencjonalnych wymagają dokładnych półfabrykatów i surówek (np. wyroby hutnicze ciągnione). Zbyt duży rozrzut wymiarowy półfabrykatów w ramach danej serii może stanowić poważne zakłócenie prawidłowego przebiegu procesu obróbki, dlatego wymiary materiału wyjściowego powinny być utrzymywane w granicach tolerancji, w celu zapewnienia stałej w przybliżeniu głębokości skrawania w pierwszym przejściu. Do obróbki półfabrykatów niedokładnych należy bardzo starannie dobierać parametry skrawania i ostrożnie projektować drogę pierwszego przejścia narzędzia. Projektowanie kolejności zabiegów i ich przebiegu odbywa się w oparciu o ogólne zasady przyjęte dla obróbki konwencjonalnej. Jedynie technologia dokładnych otworów różni się od technologii tych otworów wykonywanych na tokarkach konwencjonalnych. Na tokarkach CNC nie zaleca się stosowania rozwiertaków, ale noże wytaczaki lub wytaczadła z osadzonymi w nich wymiennymi płytkami.

Ogólne zasady ustalenia i zamocowania przedmiotu obrabianego na tokarkach CNC nie różnią się od zasad stosowanych na obrabiarkach konwencjonalnych. Dość jednak istotnym elementem dodatkowym jest niekiedy konieczność wykonania baz obróbkowych na przedmiocie przewidzianym do obróbki. Większość przedmiotów toczonych wymaga obróbki z dwóch stron. Bardzo pomocnym rozwiązaniem dla tokarek jest tutaj stosowanie wrzeciona przechwytującego. Centra tokarskie są wyrazem dążenia do wykonywania dużej liczby zabiegów w jednej operacji i otrzymywania przedmiotu całkowicie obrobionego w ramach określonego stadium procesu technologicznego. Obrabiarki wyposażone w przechwytujące wrzeciono i magazyn narzędziowy z dużą liczbą narzędzi (8–16 narzędzi) pozwalają na wypełnienie prawie wszystkich zadań technologicznych i mogą być stosowane przy obróbce części technologicznie podobnych przy stałym uzbrojeniu obrabiarki.

Przygotowanie procesu technologicznego dla obrabiarek sterownych numerycznie odbywa się najczęściej w biurze technologicznym i jest zadaniem dla technologa – programisty. Jego wkład pracy jest niewątpliwie najważniejszy w łańcuchu czynności prowadzących do otrzymania przedmiotu zgodnie z założeniami konstrukcyjnymi. W porównaniu do operacji realizowanych na obrabiarkach konwencjonalnych uległ zmianie również rodzaj i zakres czynności wykonywanych przez pracownika obsługującego obrabiarkę. Pracownik przestał wykonywać czynności ręczne a stał się operatorem nadzorującym pracę obrabiarki. Techniczne przygotowanie obrabiarki CNC do obróbki nowej części sprowadza się do wczytania programu sterującego i ewentualnej wymiany oprzyrządowania technologicznego oraz wymiany lub uzupełnienia narzędzi.

Technolog – programista na podstawie rysunku wykonawczego tworzy dokumentacje technologiczną i program obróbki, używając do tego celu narzędzia, jakim jest komputer i programowanie CNC – CAD/CAM. Przykładem takiego oprogramowania jest program CAD/CAM niemieckiej firmy MTS.

Opracowano na podstawie materiałów KOWEZiU.