A HSC technológia részletes bemutatása 3.rész

A négy részes cikksorozatunkban a GF AgieCharmilles Mikron cég által készített a HSC technológiát átfogóan ismertető tanulmányát olvashatják, mely nyomtatott formában júniustól a Műszaki Magazinban is megjelenik. Regisztrált felhasználóinknak a teljes tanulmány PDF formátumban is elérhető a letöltési oldalunkon.

MM_HSC_01

Az NC-programok ütközésvizsgálata a munkadarabok növekvő komplexitásával egyre fontosabbá válik. Ütközés az alábbi gépelemek között történhet: szerszám(-tartó) és munkadarab(-tartó készülék); gépszánok között, valamint gépszán és szerszám(-tartó) és munkadarab(-tartó készülék) között.

Míg a szerszám(-tartó) és a munkadarab(-tartó készülék) közötti ütközést már a CAM-rendszerben ellenőrizhetjük, a gépszánok ütközésvizsgálata a szerszámgép-kinematika figyelembevételével történhet a posztprocesszálás közben vagy az alatt. A modern CAM-rendszerek nemcsak ütközés-vizsgálatra képesek, hanem a szerszámpálya- és folyamatparaméterek előretekintő tervezésével is rendelkeznek, hogy ütközés esetén automatikusan új pályajavaslatokat generáljanak, melyekkel ezek az ütközések elkerülhetők.

Posztprocesszor

A posztprocesszor fordítja le a szerszámpályák CAM-rendszerspecifikus leírását vezérlésspecifikus NC-mondatokká. A gép-teljesítmény optimális kihasználásához a posztprocesszorban megvan a lehetőség arra, hogy a vezérlés gyártóspecifikus ciklusait kiadja az NC-programba. Ezenkívül lehetőség van a posztprocesszor hozzáigazítására az ügyfél specifikus használati profiljához is. Ezáltal mind a munkavégzés, mind a munka minősége jelentősen befolyásolható.

Új programok tesztelése

Különösen az egyedi és kis sorozatú gyártásban bír nagy jelentőséggel a tesztelési idő és a tesztelés biztonsága. Az NC-programok létrehozása mellett itt gyakran rejtett lehetőségek vannak a következők csökkentésére:

  • selejtmennyiség,
  • nem produktív gépidő (mellékidők),
  • ütközésveszély/kiesési idők/javítási költség.

A CAx-folyamatláncban lévő szimulációs lehetőségekkel lehetővé válik ezeknek a munkalépéseknek az áthelyezése a számítógépes munkahelyre.

A HSC-környezet jellemzői

MM_HSC_02

Nagyításhoz kattintson a képre!

Szerszám és szerszámtartók

A nagy orsófordulatszámok miatt a HSC-megmunkálásoknál előnyben részesítjük a HSK-A és HSK-E típusú szerszámtartó rendszereket. Az ilyen típusú szerszámtartók egy definiált homlokfelfekvő felülettel rendelkeznek.

Kiegyensúlyozás minősége és futás

Már a munka-előkészítés során alapvető hibákat lehet elkövetni, melyek a vibrációmentes és biztonságos folyamatot lehetetlenné teszik. A stabil HSC-folyamat szempontjából döntő az, hogy a szerszám-szerszámtartó egységet előírás szerint egyensúlyozzuk ki, és a futáspontosságot ellenőrizzük, valamint, hogy a – kiegyensúlyozatlanságtól függő – fordulatszám-korlátozást figyelembe vegyük. A rosszul kiegyensúlyozott vagy ütéssel futó szerszámrendszerek az alábbiakat okozzák:

  • egyértelműen rosszabb felületminőség,
  • egyértelműen rövidebb szerszámélettartam,
  • rosszabb folyamatstabilitás és -biztonság,
  • maróorsó sérülése lehetséges.

A kiegyensúlyozatlanság és futáspontatlanság kihatása a regeneratív rezgésnyomokra a forgácsolás során az alábbi elvi vázlatokból válik érthetővé:

MM_HSC_03_1

A kiegyensúlyozás minősége jelentősen befolyásolja az egész forgó rendszer dinamikus viselkedését. Kiegyensúlyozatlanság alatt egy excentrikusan körbeforgó tömeget értünk. Ez a tömeg centrifugális erőket okoz, amik a fordulatszámmal négyzetesen nőnek. Ez azt jelenti, hogy ugyanaz a kiegyensúlyozatlanság egy 42 000 1/perc orsónál 441-szer nagyobb centrifugális erőt okoz, mint egy 2000 1/perc orsónál (212=441). Emiatt a kiegyensúlyozatlanság a nagy sebességű megmunkálásoknál különösen negatívan hat a szerszámtartó egységre. Ha a felületminőséggel szemben nagyon nagy követelményeket támasztunk, akkor kézenfekvő, hogy HSK-E interfésszel rendelkező zsugortokmányokat alkalmazzunk.

A szerszámbefogás technikája

A szerszámbefogási technikában a HSC-területen az alábbi szerszámtartók terjedtek el:

  • patronok és
  • zsugorkötések.

Alternatív rendszerek, mint pl. Weldon befogók, a specifikus hátrányok miatt nem javasoltak a nagy sebességű HSC-megmunkálásokhoz.

Amíg a patronos szerszámbefogók a jó csillapítótulajdonságaik miatt a nagyolási folyamatot pozitívan befolyásolhatják, a zsugorbefogók merevsége és ismétlési pontossága kifejezetten nagy. Ez döntő tényező a munkadarabon kialakítandó tökéletes felületekhez. A zsugorkötésekkel nagyon jó futáspontosság (0,003 mm alatt) érhető el, és az átvihető forgatónyomatékok is nagyok.

A zsugor-szerszámbefogók különböző kialakításai:

A zsugor-szerszámbefogók különböző kialakításai:

Az átvihető forgatónyomatékok a befogóeszközök konstrukciós kialakításától függnek. A felépítés alapján egyértelmű különbségeket lehet megfigyelni.

MM_HSC_06

Nagyításhoz kattintson a képre!

MM_HSC_07

Nagyításhoz kattintson a képre!

Követelmények a HSC-szerszámmal szemben

A geometria kihatásai a HSC-folyamatra

A szerszám rezgései közvetlenül befolyásolják az elérhető felületminőséget. Ezért a HSC-simítási műveleteknél rendkívül fontos az egyenletes forgácsolóerő, hogy ne keletkezzenek rezgések a szerszámban. A következő geometriai jellemzők pozitívan befolyásolhatják az egyenletes forgácsolóerő-viszonyokat:

  • Nagy futáspontosság az egyenletes élterhelés érdekében,
  • nagyfokú élátfedés az egyenletes erőeloszlás érdekében (vagyis nagy csavarvonal-hajlásszög és fogszám),
  • rövid élhosszok a nagy merevség érdekében (a meredek falak megmunkálásához a szárátmérőt kismértékben lecsökkentik),
  • mag keresztmetszetének optimálása, hogy az élhatás minimális legyen a horonykifutásnál.

Mivel a HSC-eljárással nagy keménységű anyagok is megmunkálhatók, a megmunkálandó anyag keménységével az anyagalakítási ellenállás is nő. A növekvő terhelés a vágóélen az ékszög stabil kialakítását is maga után vonja. Mivel azonban a nagy forgácsolási sebességeknél a szerszámhátlap és a munkadarab-felület érintkezési zónájában több súrlódási hő keletkezik, a szerszám hátszögét nem szabad csökkenteni. Emiatt az ékszög stabilitásának növelése csak a homlokszög csökkentésével érhető el. Nagyon kemény anyagok forgácsolásánál ez akár negatív homlokszögeket is eredményezhet. Az ékszög azonnali átizzásának vagy lokális kitörésének elkerülésére egy pontosan meghatározott rádiuszt köszörülnek az ékszög csúcsára.

Az alkalmazandó simítószerszám effektív gömbgeometriája közvetlenül kihat a megmunkálandó munkadarab formapontosságára. Ezért a szerszám mikrométer tartományban mozgó nagyon szűk rádiusztűrése igen fontos alapfeltétel a nagy precizitású alkatrészek készre munkálásához.

Tömör keményfém HSC-maró sarokrádiusszal

Tömör keményfém HSC-maró sarokrádiusszal

Tömör keményfém HSC-simítómaró

Tömör keményfém HSC-simítómaró

Moduláris szerszámkoncepció HSC-fejjel

Moduláris szerszámkoncepció HSC-fejjel

Szerkezeti anyagok és bevonatok

Elméletileg érvényes: az alkalmazott szerszámanyag legyen keményebb a megmunkálandó anyagnál. Minél nagyobb a keménységbeli különbség a munkadarab és a szerszám anyaga között, annál hosszabb a szerszám éltartama a kopást illetően. Ezenkívül a lokálisan extrém magas hőmérsékletek miatt biztosítani kell a szerszámanyag oxidációval szembeni ellenálló képességét is. A szerszámél nagyfokú termikus váltóterhelése és a szerszámanyag oxidációval szembeni ellenállásigénye szükségessé teszi a legfinomabb szemcséjű keményfém-alapanyagok bevonatolását.

A bevált bevonatrendszerek, pl. TiN, TiCN és TiAlCN határait a HSC-megmunkálásoknál gyorsan elérjük. Ezért fejlesztettek ki olyan többkomponensű bevonatokat, melyek magas alumíniumtartalmú nitrideken és további adalékanyagokon – pl. ittrium, vanádium vagy tantál – alapulnak. Még ennél is magasabb teljesítményt csak nanoréteg-struktúrákkal – pl. CBN vagy PKD – lehet elérni.

Műhelykörnyezet

Egy szerszámgép legfontosabb minőségi jellemzőin kívül, mint pl.

  • DIN ISO 10791-2:2001 szerinti geometriai pontosság,
  • DIN ISO 230-2:1997 szerinti pozicionálási pontosság és ismétlési pontosság,
  • DIN ISO 230-4:1994 szerinti köralakteszt, a nagy pontosságú munkadarabok gyártásánál a folyamatbiztonságra vonatkozó egyéb követelményekkel együtt további aspektusokat is figyelembe kell venni és definiálni szükséges.

A megmunkálási feltételekre különösen oda kell figyelni:

  1. Milyenek a környezeti feltételek a szerszámgép felállítási helyén?
    • hőmérséklet-stabilitás,
    • padlózat minősége,
    • rezgések külső hatások miatt, pl. szomszédos szerszámgépek, teherszállítás stb.
  2. Használnak-e hűtővizet a precíziós alkatrészek megmunkálásánál?
  3. Vannak-e gépállási idők az egyes megmunkálási lépcsők között?
  4. Kevert üzemeltetés a gyakorlat? Melyik munkadarabanyagot munkálják meg a leggyakrabban?
  5. Milyen orsófordulatszámot használnak gyakran a precíziós alkatrészek finommegmunkálásához (simító művelet)?
  6. Milyen jellemző méretekkel rendelkeznek a megmunkálandó precíziós alkatrészek?
  7. Milyen előtolási értékeket használnak a precíziós alkatrészek finommegmunkálásához (simító művelet)?
  8. Milyen finommegmunkálási időket (simítási idők) várnak el jellemzően a munkadaraboknál?
  9. Használnak-e mérőtapintót a szerszámgépen?
  10. Milyen módon mérik a munkadarabokat?
  11. Alaposan tisztítják-e a szerszámokat és szerszámtartókat?
  12. Rendszeresen karbantartják-e a szerszámgépet?

Csak a megmunkálási feltételek átfogó analízisével lehet a fent felsorolt követelményeknek megfelelni. Ehhez a legtöbb esetben szükséges a szerszámgép gyártójának szakszerű támogatása, amely átfogó ismeretekkel rendelkezik a géprendszerről.

A HSC-szerszámgép

A HSC-technológia strukturális és átfogó beavatkozást igényel a forgácsolás folyamatába. A sikeres HSC-folyamathoz a szerszámgép architektúrája rendkívül fontos. A hatáslánc elején a megváltozott forgácsképződési folyamat helyezkedik el. A hatáslánc végén van a HSC-nek megfelelő géprendszer.

A HSC-szerszámgép főbb komponensei:

  • konstrukciós kialakítás
  • dinamikus merevség
  • könnyűszerkezetes felépítés, tömegeloszlás, csillapítás
  • hajtások
  • teljesítmény-jelleggörbe, hűtés
  • szabályozási struktúra, szabályozás minősége
  • vezérlés
  • HSC-funkcionalitás
  • kompenzáció
  • szerszámorsó
  • csendes futás nagy fordulatszám esetén
  • hőtani stabilitás

Konstrukciós kialakítás

Mivel a HSC-megmunkálás minősége nagymértékben függ a HSC-szerszámgép dinamikai határaitól, már a szerszámgép konstrukciós kialakítása során különös figyelmet kell fordítani a dinamikai merevségre.

A kiváló dinamikai merevséget csak konzekvens könnyűszerkezetes felépítéssel, a mozgó tömegek jó tömegeloszlásával a nyugvó tömegekhez képest, és jól csillapító kompozit anyagokkal lehet elérni. Mivel minden mozgó tömeg rendelkezik tömegtehetetlenséggel, nagy erőváltozásoknál (indító és fékező gyorsulások) deformáció lép fel, és az ezekkel az erőkkel terhelt gépelemek kilengenek. Az érintett gépelemek kilengése relatív elmozdulást okoz a szerszám csúcsa és a megmunkálandó munkadarab között. Ez a jelenség negatívan befolyásolja a szerszám kopását és a munkadarab felületminőségét. Ezért döntő tényező a tengelyszánok konstrukciós elhelyezése és konstrukciós felépítése a HSC-folyamat minőségének szempontjából. Gyakran követik el azt a hibát, hogy a szerszámgép dinamikai tulajdonságait lekorlátozzák a tengelyek mozgási sebességére és a maximális gyorsulási képességre a gyorsjáratok során. Tény az, hogy ez az eljárás nem kielégítő. A megmunkálási idő és a megmunkálás minősége lényegében a HSC-marógép effektív szerszámpálya-dinamikájától függ. Ezt az effektív pályadinamikát azonban egy másik fizikai tényező határozza meg: a gyorsulásváltozás (másodrendű gyorsulás). Csak a gyorsulásváltozás nagy értéke teszi lehetővé a megmunkálási idő csökkentését és a marószerszámok élettartamának növelését.

A maximális gyorsulásváltozás alapját a HSC-marógép dinamikai merevsége képezi.

A gyorsulásváltozás alatt azt értjük, hogy milyen gyorsan érhető el a névleges gyorsulás (j=Δa/Δt). Minél nagyobb a gyorsulásváltozás, annál jobban nő a gyorsulás.

Példa  1

MM_HSC_11

Az ábrából kivehető, hogy sem a programozott sebességet, sem a maximális gyorsulást nem értük el. Ehelyett a maximálisan elért előtolási sebesség 7500 mm/perc, és a maximális gyorsulás csak 6 m/s-re nőtt. Ezek az alacsony értékek arra vezethetők vissza, hogy a tengelymozgást már a maximális sebesség elérése előtt le kell fékezni ahhoz, hogy a szerszámgép meg tudjon állni az 5 mm út megtétele után.

 

MM_HSC_12

 

 

 

 

 

 

Példa 2

MM_HSC_13

Az ábrából kivehető, hogy ugyan rövid ideig elértük a programozott sebességet, a géptengely maximális gyorsulását azonban nem értük el. A maximális gyorsulás csak 10 m/s értékre nőtt.

 

 

MM_HSC_14

 

 

 

 

 

 

Példa sebességprofilra az X-Y síkban

MM_HSC_15

A programozott 5000 mm/perc előtolási sebességet az egyenes szakaszokon a gép nem éri el. Szükséges idő az út megtételéhez: 1,96 másodperc.

 

 

 

 

 

MM_HSC_16

A programozott 5000 mm/perc előtolási sebességet az összes szakaszon eléri a gép (de kilép a kontúrból). Szükséges idő az út megtételéhez: 1,03 másodperc.

 

 

 

 

 

Fordította: Major Tamás, GALIKA Szerszámgépek Kft.