RSPTT

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

Części maszyn, aparatury pomiarowej i medycznej oraz innych

precyzyjnych produktów są kształtowane metodami:

- bezubytkowymi (odlewanie, spiekanie, obróbka plastyczna);
- ubytkowymi (obróbka skrawaniem – wiórowa i ścierna, obróbka

erozyjna, metody hybrydowe);

- przyrostowymi (szybkie wytwarzanie prototypów i narzędzi).

W  referacie  omawiane  są  wybrane  zagadnienia  współczesnej
obróbki  ubytkowej,  ze  względu  na  jej  szczególnie  szerokie
rozpowszechnienie,  zwłaszcza  w  zakresie  końcowej  obróbki
części.  Obok  obróbki  skrawaniem    (kiedy  powstają  mniej
(obróbka  ścierna  –  ścieranie)  lub  bardziej  widoczne  wióry
(obróbka

wiórowa)),

charakteryzującej

się

znaczną

uniwersalnością i dokładnością rozwinęły się metody erozyjne (w
których materiał obrabiany jest usuwany w postaci atomów,
drobnych i bardzo drobnych odprysków oraz wykruszeń):

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

- obróbka elektroerozyjna (EDM – elektro  discharge machining);
- obróbka elektrochemiczna (ECM – electro chemical machining);
- obróbka strumieniowo-erozyjna, występująca w licznych
odmianach, jako:
      - o. laserowa (LBM – laser beam machining),
      - o. elektronowa (EBM- elektron b.m.),
      - o. jonowa (IBM – ion b.m.),
      - o. plazmowa (PBM – plasma b.m.),
      - o. fotonowa z wykorzystaniem promieniowania słonecznego
        (SBM – solar b.m.),
      - o. strumieniem wody o dużym ciśnieniu:

- strugą czystej wody (WJM – water jet machining lub FJM

– fluid jet machining, jeżeli zostaje użyte inne medium
robocze (np. płynny azot)),

- strugą wodno-ścierną (AWJM – abrasive water jet
machining).

Obrabiarki EDM i ECM są budowane jako:

-drążarki, pracujące elektrodami kształtowymi, przy czym
sterowniki CNC oraz budowa tych obrabiarek umożliwiają
dodatkowe ruchy elektrod rozszerzające możliwości obróbkowe,

- wycinarki drutowe (zwłaszcza rozpowszechnione w technice EDM;
WEDM – wire elektro dischange machining),

- obrabiarki pracujące elektrodą uniwersalną (EDM-CNC, ECM-CNC),
    w  stosunku  do  tych  metod  używa  się  często  terminu
„frezowanie”,
    do  tej  grupy  można  też  zaliczyć  obrabiarki  pracujące  wirującą
tarczą
  grafitową działające na zasadzie EDM i używane m.in. do
  wytwarzania narzędzi diamentowych ( ten przypadek bywa
    niesłusznie  nazywany  „szlifowaniem  elektroerozyjnym”  (EDG  –
elektro-
  discharge grinding)).
Metody  erozyjne  i  hybrydowe  są  stosowane  przede  wszystkim  do
materiałów,

których

obróbka

skrawaniem

jest

trudna,

nieekonomiczna, a czasem wręcz niemożliwa.

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

Metody hybrydowe obróbki ubytkowej obejmują rozległą i stale

powiększającą się grupę przypadków, w których łączy się różne metody. Na
tej zasadzie obróbka skrawaniem może być wspomagana :

-drganiami o częstotliwościach ultradźwiękowych,

-nagrzewaniem obszaru skrawanego wiązką laserową,
Metody obróbki ściernej (np. szlifowanie, gładzenie) są łączone z EDM

lub ECM), podobnie występują połączenia różnych metod erozyjnych. Jak
dotąd najczęściej spotyka się (lub też można liczyć na rozpowszechnienie)
takich metod jak:

-obróbka elektrochemiczno-ścierna (AECM – abrasive ECM),
także z wykorzystaniem elektrody uniwersalnej (AECM – CNC),

-obróbka elektrochemiczno-elektroerozyjna (ECDM),

-obróbka elektroerozyjno-ścierna (AEDM- abrasive EDM,

-obróbka elektrochemiczno-ultradźwiękowo-ścierna (AECM – US),

-obróbka elektroerozyjno-ultradźwiekowa (EDM –US),
W stosunku do metod obróbki erozyjnej oraz metod hybrydowych używa

się często terminu „niekonwencjonalne metody obróbki”. Dla zilustrowania
współczesnych metod obróbki ubytkowej będzie podany teraz szereg
przykładów:

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

1. Obróbka czopów korbowych na centrum tokarsko-frezarskim (R,

Stryczek, St. Płonka, J. Szadkowski: Tangent Face Milling of
Crankshafts Journals – Computer Aided Form Deviations Analysis,
Proc. of DMC 2005, Košice, s. PL 75-76)- rys. 1.1- 1.6.

Rys. 1.1. Sterowane numerycznie (komputerowo) osie
centrum tokarsko-frezarskiego Mill-Turn (WFL Millturn
Technologies GmbH, Austria).

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

2. Obcinanie dziobu zatopionego okrętu podwodnego Kursk

(Bow of the Kursk cut with „diamond chain”, Industrial
Diamond Review 3/2002 s. 151-152) – rys. 2

Rys. 2. Schemat operacji obcinania dziobu okrętu “Kursk”.

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

4. Obróbka laserowa bardzo krótkimi impulsami jest rozwijana
bardzo intensywnie; pod koniec XX w. uzyskiwano impulsy o długości
10 nanosekund, początek XXI przyniósł femtolasery.
Ogólne porównanie zastosowań wybranych rozwiązań urządzeń
laserowych przedstawia się następująco:

Typ lasera

Nd: YAG

Praca

normalnie

impulsowa

Nd: YAG

komutacja

dobroci

rezonatora

CPA

Ti: szafir

Długość impulsu

1 ms

100 ns

100 fs

Intensywność

(W/cm

)

Moc średnia (W)

100- 1000

100-1000

1 - 10

Jakość

powierzchni

obrobionej

niedobra

dobra

znakomita

Wydajność

wysoka

niska

Koszt

niski

średni

wysoki

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

Chirped pulse amplification technique. Na podstawie : J. Mejer,

K.  Du.,  A.  Gillner,  D.  Hoffmann,  V.S.  Kovalenko,  T.  Masuzawa,  A.
Ostendorf,  R.  Poprawe,  W.  Schulz:  Laser  Machining  by  Short  and
Ultrashort  Pulses, State of  the Art. and New Opportunities in  the
Age of the Photons. Annals of the CIRP Vol. 51/2/2002

Obrabiarka Ultrasonic 20 HSC 20 linear (grupa DMG)

Obróbka zgrubna materiałów trudnoobrabialnych z
wykorzystaniem drgań ultradźwiękowych, frezowanie
HSC(obroty

wrzeciona

40000

min

-1

sterowanie

adaptacyjne, napędy liniowe, 5 osi.

6. Obrabiarka Ultrasonic 70 -5 (grupa DMG). Obróbka szkła
kwarcowego, węglika krzemu, płytki i maski dla przemysłu
półprzewodników,

struktury

filigranowe,

stosowanie

narzędzi o średnicach < 1 mm.

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

7. Obrabiarka Lasertec 40 (grupa DMG). Obróbka laserowa
3D, m.in. filigranowych części do żeliwnych form
wtryskowych, elektrod z SiC.
8.

Prędkości

obrotowe

moce

elektrowrzecion

współczesnych obrabiarek.GMN Paul Mueller Industrie
GmbH Co KG, Norymberga: do 180 000 min

-1

, do 150

kW, w najbliższej przyszłości do 250 000 min

-1

9.Struktury równoległe (kinematyki równoległe) w budowie
obrabiarek,  robotów  i  roboto-  obrabiarek  (j.  Szadkowski:
Roboto-obrabiarki  o  kinematyce  szeregowej  i  równoległo-
szeregowej.  Mat.  7  Konf.  N.-T.”Wytwarzanie  elementów
maszyn  ze  stopów  metali  o  specjalnych  właściwościach.
Zesz. Nauk. Polit. Rzeszowskiej, Mechanika z. 66, Rzeszów
2006, s. 225-228).

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

Tzw.

kinematyki

równoległe

znajdują

coraz

szersze

zastosowanie  w  budowie  robotów  i  obrabiarek.  Mechanizmy
Gough’a (1947r.) i Stewarta (1965r.) zostały w latach 90. XX w.
wykorzystane w budowie obrabiarek sterowanych w 6. osiach –
typu  hexapodu  lub  hexaglide’u.  Równocześnie  rozwijały  się
zastosowania  tych  mechanizmów  w  robotyce.  Praktyka
przemysłowa    wykazała  przy  tym  zapotrzebowanie  na
mechanizmy  przestrzenne    o  mniej  niż  6.  stopniach  swobody,
zwłaszcza na napędzane i sterowane równolegle platformy o 3.
stopniach  swobody,  stanowiące  kompletne  rozwiązanie  lub  też
uzupełniane

dodatkowymi

szeregowymi

mechanizmami

dodającymi dalsze stopnie swobody. Roboty przemysłowe mogą
bądź obsługiwać inne maszyny wytwórcze lub pomiarowe, bądź
też  mogą  wykonywać  operacje  obróbki,  montażu  lub  inspekcji.
Stąd  do  grupy  robotów  wykonujących  operacje  obróbki  bywa
stosowany  termin  roboto-obrabiarki  (RO).  Podkreśla  on
zacieranie  się  różnic  pomiędzy  obrabiarkami  i  robotami,
szczególnie widoczne w zakresie kinematyk równoległych

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

RO  mogą  mieć  budowę  szeregową  (  a  więc  typową  dla  starszych
generacji  robotów),  równoległą  albo  równoległo-szeregową.  W
przypadku  obróbki  przedmiotów  o  złożonych  kształtach  i
wymagających  obróbki  wielostronnej  RO  powinna  mieć  5-6  stopni
swobody,  które  mogą  być  uzyskane  przez  konstrukcję  szeregową,
albo też – co jest często już dzisiaj spotykane – jest to platforma o
3.  stopniach  swobody  uzupełniania  dalszymi,  szeregowymi
członami zapewniającymi dalsze stopnie swobody.
We  współczesnym  przemyśle  maszynowym  wykonuje  się  jeszcze
stale  bardzo  dużo  operacji  ręcznych,  wspomaganych  jedynie
narzędziami zmechanizowanymi. W przemyśle niemieckim istnieje
np.  ok.  29.000  takich  miejsc  pracy,  na  których  wykonuje  się  min.
operacje  usuwania  zadziorów  i  oczyszczania  odlewów.  Koszty
osobowe  są  wysokie,  jakość  pracy  ulega  znacznym  wahaniom,
praca jest niebezpieczna i męcząca. Automatyzacja tych czynności
wymaga  obróbki  wieloosiowej  i  -  często  –  sterowania
adaptacyjnego.  Alternatywnym  rozwiązaniem  dla  obrabiarek
wieloosiowych są tutaj roboty.

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

Podobne problemy decyzyjne powstają w przypadkach

zautomatyzowanej  obróbki  części    o  skomplikowanych
kształtach,  wymagających  wielu  zabiegów  obróbkowych    i
wielostronnego  pozycjonowania  narzędzia  w  stosunku  do
przedmiotu  obrabianego.  Także  tutaj  RO  może  stanowić
rozwiązanie tańsze.

Znaczne perspektywy zastosowania roboto-obrabiarek

stwarza  przemysł  samochodowy.  Wykorzystanie  robota  o
kinematyce  szeregowej  jest  tu  uważane  za  rozwiązanie
konkurencyjne  (tańsze)  w  porównaniu  z  użyciem  obrabiarki
wieloosiowej.  Zwracają  uwagę  zastosowanie  np.  w  obróbce
bloków cylindrowych i felg (Audi), wsporników półosi i korpusów
skrzyni  biegów  (BMW)].  Dla  części  stalowych  i  żeliwnych
wchodzi  w  grę  usuwanie  zadziorów    i  oczyszczanie,  dla  części
ze stopów aluminium – także wiercenie i frezowanie

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

Schemat  RO  Tricept  firmy  Neos  Robotics  AB  (Szwecja)  o  strukturze
równoległo-szeregowej jest pokazany na rys. 9.1. Zespół kinematyki
równoległej  składa  się  z  platformy  stałej  1;  platformy  ruchomej  2;
trzech  łańcuchów  napędowych  3,  4  i  5;  łańcucha  biernego,
złożonego  z  centralnej  kolumny  6  oraz  par  kinematycznych  7  i  8,
ujmującego  platformie  2  trzy  stopnie  swobody;  zespołu
pomiarowego  DMS  zawierającego  enkoder    9  kolumny  centralnej  6
oraz  dwa  enkodery  10  i  11  przegubu  8.    Zespół  kinematyki
szeregowej WMS obejmuje osie 4. i 5. i zawiera dwa enkodery. DMS
(Direct  Measuring  System)  dostarcza  dokładnych  danych  o
rzeczywistym  położeniu  platformy  2,  a  WMS  (Wrist  Measuring
System  –  o  położeniu  końcówki  łańcucha  szeregowego.  Sterownik
Tricepta oblicza uchyby i koryguje położenia w osiach obrabiarki co
2. milisekundy. Wersja Tricept Module 805 ze sterownikiem  Siemens
840  D  (5  osi)  osiąga  powtarzalność  pozycjonowania  +-  10μm,
maksymalne  przyspieszenie  2g  i  maksymalną  prędkość  90  m/min.
Materiały  firmowe  Neos  Robotics  zawierają  przykłady  zastosowania
tej RO w przemyśle samochodowym.

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

Document Outline