Wysokowydajna obróbka wielokątów na uniwersalnej tokarce CNC

Obróbka wielokątów na tokarce, metodą skojarzonego ruchu obrotowego przedmiotu i narzędzia, posiada ogromną zaletę znakomitej wydajności, w porównaniu z frezowaniem wielokąta. Jednak typowe tokarki zadaniowe do „toczenia” wielokątów mają sprzężone mechanicznie obroty narzędzia z wrzecionem poprzez przekładnię i sprzęgło, umożliwiające ruchy posuwowe narzędzia. Ogranicza to możliwości takiej tokarki w zastosowaniu do innych rodzajów obróbki, ze względu na ograniczenia ruchów posuwowych i przestrzeni obróbkowej (w porównaniu do tokarki uniwersalnej). Postawiono więc zadanie opracowania tokarki z możliwością toczenia wielokątów bez sprzęgania mechanicznego obrotów głowicy do wielokątów z obrotami wrzeciona.

W artykule przedstawiono wyniki badań możliwości obróbki wielokątów metodą skojarzonych ruchów obrotowych przedmiotu i narzędzia („toczenie poligonowe”), gdzie głowica z narzędziem obrotowym do obróbki wielokątów nie jest sprzężona mechanicznie z obrotami wrzeciona, a wymagane dla tej obróbki stałe przełożenie, pomiędzy obrotami przedmiotu i narzędzia, utrzymywane jest poprzez układ sterowania w trybie pracy synchronizacji stałego przełożenia obrotów wrzeciona i głowicy narzędziowej. Tokarka ta ma możliwości wykonywania przedmiotów z wielokątem, których przykłady pokazano na fotografiach 1 i 2, wykonywanych z pręta okrągłego, w jednym programie technologicznym, zachowując jednocześnie pełną funkcjonalność tokarki uniwersalnej.

Celem opisanych badań było określenie jakie parametry obróbki, wydajności i dokładności można osiągnąć przy obróbce wielokątów na tokarce uniwersalnej, jakie czynniki wpływają na tę dokładność i jakie mogą wystąpić problemy.

Badania i próby wykonano na pięcioosiowej tokarce uniwersalnej własnej produkcji, o zwiększonych możliwościach produkcyjnych, wyposażonej w dodatkowe wrzeciono, zamocowane na suporcie z wymiennymi głowicami do frezowania osiowego, promieniowego i „toczenia poligonowego”, oraz dodatkowy suport odcinający, zamocowany na wrzecienniku głównym (Fot. 3 i 4). Dodatkowe wrzeciono zwiększa możliwości obróbkowe, a dodatkowy suport odcinający daje możliwość zwiększenia wydajności – w czasie odcinania pręta suport i głowica narzędziowa mogą realizować ruchy ustawcze do następnego cyklu.

Fot. 3 i 4 Tokarka uniwersalna Venus 200GWB o zwiększonych możliwościach technologicznych

Metoda toczenia poligonowego – model teoretyczny

Model teoretyczny, opisujący funkcję synchronizacji obrotów przy „toczeniu poligonowym”, opisany w układach sterowania [2], zakłada stały stosunek prędkości wrzeciona i głowicy narzędziowej. Liczba płytek skrawających i stosunek prędkości obrotowych warunkują ilość wykonanych ścianek wielokąta. Ze względu na dokładność i płaskość wykonanych ścięć niektóre konfiguracje są znacznie lepsze od innych. Omawiany sposób obróbki, przedstawiony na schemacie na rysunku 1 poniżej, opisano na przykładzie obróbki „kwadratu” dwoma płytkami rozstawionymi w głowicy co 180º, przy zadanym stosunku prędkości wrzeciona i głowicy narzędziowej 2:1. Jest to jedna z „dobrych” konfiguracji.

Przy skrawaniu ścianki wielokąta, położenie punktu styku narzędzia skrawającego względem przedmiotu, w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu, można opisać wycinkiem płaskiej paraboli, wg poniższych wzorów:

Xt = (r_n + a)cos ω_pt – r_n cos(ω_n – ω_p) t (1)

Yt = (r_n + a)sin ω_pt + r_n sin(ω_n – ω_p) t (2)

gdzie:

a – odległość płaszczyzny obrabianej od osi obrotu przedmiotu [mm] ,

r_n – promień narzędzia [mm],

ω_p – prędkość kątowa przedmiotu obrabianego [rad/s],

ω_n – prędkość kątowa narzędzia [rad/s],

t – czas obróbki jednego boku [t],

r_p – min. promień wałka obrabianego (okręgu opisanego na wielokącie o szerokości ścięcia równym 2a) [mm].

Rys. 1 Schemat toczenia poligonowego boku wielokąta

Na schemacie (Rys. 1) pogrubioną linią zaznaczono teoretyczny profil ścięcia w chwili t₀ jako część elipsy zaznaczonej linią przerywaną, wyznaczonej wg podanych wzorów. Profil ten przemieszcza się wraz z obrotem przedmiotu. Na rysunku 1 zaznaczono początkowe, środkowe i końcowe położenia narzędzia i profilu czworokąta (w chwilach t₀, t₁ i t₂) w czasie skrawania profilu ścianki wielokąta. Część elipsy, zaznaczonej linią przerywaną w kolorze czerwonym, pomiędzy zaznaczonymi punktami pokazuje położenie ścianki wielokąta w chwili t₂ – wyjścia noża z kontaktu z przedmiotem obrabianym. W omawianym przypadku, po obrocie głowicy o 180º od chwili t₀, przedmiot obróci się o 90º i drugie narzędzie zacznie skrawać przedmiot prostopadle do pierwszej ścianki. Po pełnym obrocie przedmiotu linia styku narzędzi z przedmiotem (skrawania) zamknie się w „kwadracie”, z tym, że jedna płytka skrawająca w głowicy obrabia ścianki 1 i 3, a druga 2 i 4. Obróbkę można prowadzić przy posuwie promieniowym, do chwili dojścia noża na odległość „a” od osi obrotu przedmiotu, lub przy posuwie wzdłużnym, od razu w odległości „a” od osi obrotu.

Z przedstawionego modelu wynika, że:

obróbka jest obróbką przerywaną, narzędzie wchodzi w styk z przedmiotem tylko w chwili obróbki danej ścianki, potem następuje swobodny obrót przedmiotu i narzędzia do chwili ustawienia się w położeniu obróbki następnej ścianki,
na dokładność wykonania boku wielokąta, czyli odchyłkę kształtu ścięcia od linii prostej, mają wpływ: promień głowicy, odległość narzędzia od osi obrotu przedmiotu (wymiar „a”), ustalająca wymaganą wielkość wielokąta, stosunek prędkości i liczba płytek. Przykładowo, aby powstał sześciokąt przy tym samym przełożeniu prędkości, obróbkę prowadzimy głowicą posiadającą 3 płytki rozstawione co 120º (Fot. 5).

Fot. 5 Obróbka przedmiotu z kształtem sześciokąta

Możliwe jest także wykonanie sześciokąta dwoma płytkami przy przełożeniu prędkości 3:1, ale inny będzie kształt ścięcia. W zależności od tego doboru otrzymujemy różną dokładność-płaskość ścięcia, oraz ich kierunek (wklęsłe lub wypukłe). W związku z tym, pewne przełożenia dla danego rodzaju wielokąta są niezalecane. Typowym „dobrym” przełożeniem dla najczęściej wykonywanych sześcio- i czworokątów jest przełożenie 2:1. W tabeli 1 przedstawiono teoretyczne odchyłki uzyskiwanych ścięć od prostej, w zależności od wielkości głowicy (promienia skrawania R) i wymiaru S wielokąta (S = 2a) dla czworokątów i sześciokątów.

toczenie wielokątów — Tab. 1 Teoretyczna odchyłka profilu ścięcia od prostej wg przyjętego modelu, w zależności od wymiaru głowicy i zakładanej wielkości wielokąta, dla kwadratu i sześciokąta przy przełożeniu prędkości 2:1

Z tabeli widać, że na tę dokładność znaczący wpływ ma stosunek R/S oraz rodzaj wielokąta. Odchyłki wydają się stosunkowo duże, jednak należy pamiętać, że dla większości masowo wykonywanych detali, gdzie ścięcia służą do przytrzymania lub dokręcania, wykonuje się je w podobnych tolerancjach. W badanej tokarce zastosowano głowicę o promieniu R = 60 mm.

Badania doświadczalne

Wyniki i wnioski z badań doświadczalnych opisano w punktach poniżej:

1) Podczas skrawania ścianki wielokąta głowica skrawająca nie utrzymuje stałej prędkości – przykładowe wyniki dla różnych posuwów podano w tabeli 2.

Przedstawiono wyniki pomiarów chwilowych prędkości głowicy, przy obróbce kwadratu dla prędkości zadanej głowicy 2000 obr/min i przedmiotu 1000 obr/min. Przy tych wartościach, z modelu teoretycznego wynika, że co 15 ms kolejna płytka głowicy rozpoczyna skrawanie, które trwa ok. 2,7 ms, przez resztę czasu głowica i przedmiot obracają się swobodnie. Przerywany sposób obróbki przy tym toczeniu powoduje znaczne chwilowe zmiany obciążeń, co bezpośrednio przekłada się na cykliczne zmiany prędkości. Z danych widać, że głowica podczas skrawania nie utrzymuje stałej prędkości zakładanej dla toczenia poligonowego. Wielkość zmiany prędkości zależy od obciążenia siłami skrawania – przy zwiększonym posuwie zwiększa się przekrój warstwy skrawanej, co powoduje większe obciążenia.

2) Przy zmianie obciążenia (posuwu lub przekroju skrawania) występują błędy przemieszczeń kątowych ścięć względem siebie (Fot. 6), tym większe, im większe zmiany obciążeń.

Na fotografii 6 przedstawiono sytuację, w której jednym nożem wykonywano ścięcie o szerokości o 50% większej od szerokości noża przy wcinaniu. Przy drugim wcięciu, z tym samym posuwem, pracowała tylko połowa noża – obciążenie było o połowę mniejsze. Powstaje wówczas dodatkowy niekorzystny efekt: zmiana obciążenia powoduje przesunięcie kątowe wykonywanej ścianki wielokąta, nawet do kilku stopni [1].

3) Wymiar „s” poszczególnych par ścięć nie zawsze jest jednakowy dla wielokątów foremnych. Prawdopodobnie wynika to z faktu, że pary ścianek naprzeciwległych wykonywane są innym nożem i świadczy to o niedokładnościach geometrycznych wykonania głowicy i noży, co w sumie przekłada się na różne odległości płytek skrawających, zamocowanych w innych gniazdach głowicy, od osi obrotu. Jednak odchyłki te nie są duże (maksymalne stwierdzone do 0,03 mm [1]).

4) Zarys wykonanych ścięć nie odpowiada zarysowi teoretycznemu, różnice sięgają 100%.

W przypadku obrabianego kwadratu o boku S = 35 mm odchyłki zarysu ścięcia od prostej są znacznie mniejsze niż zarysu teoretycznego. Natomiast dla sześciokąta o tym samym wymiarze odchyłka zarysu teoretycznego wynosi tylko ok. 50 µm (patrz: tabela 1, natomiast odchyłki rzeczywiste wahają się w granicach 60-70 µm, w zależności od posuwów i obrotów. Składa się na to prawdopodobnie kilka przyczyn, jedną z nich są chwilowe zmiany prędkości, które, jak wynika z opisanej niżej modyfikacji modelu teoretycznego, wpływają raczej na zmniejszenie odchyłki. Drugą podstawową przyczyną są zmiany dynamiczne rozstawu osi wynikające ze sztywności i obróbki przerywanej, które zostały w niniejszym artykule tylko zasygnalizowane, w postaci zarejestrowanych przyśpieszeń drgań promieniowych wrzeciona. Na podstawie wykresu na rysunku 4 widać, że rozpoczęciem skrawania są uderzenia kolejnej płytki skrawającej w materiał. Częstotliwość tych uderzeń wynika z zadanych prędkości i przełożenia – dla omawianego przykładu obróbki kwadratu co 15 ms. Kolejną prawdopodobną przyczyną może być fakt, że przyjęty od dawna model teoretyczny kształtu ścięcia jest zbyt uproszczony.

Rys. 2 Drgania wrzeciona przy obróbce kwadratu: 1 sample = 0,1 ms

5) Model teoretyczny zakłada stałość przełożenia prędkości głowicy i przedmiotu. W wartościach średnich jest to spełnione. Natomiast dla tego typu obróbki przerywanej i badanej konstrukcji, w której nie ma sprzężenia mechanicznego obrotów głowicy i przedmiotu, występują chwilowe zmiany prędkości głowicy, z częstością wejścia kolejnego noża w skrawanie (Rys. 2). Układ regulacji i synchronizacji prędkości nie nadąża z doregulowywaniem prędkości głowicy, która z chwilą wejścia noża w skrawanie zostaje gwałtownie przyhamowywana. Zastosowany model teoretyczny nie odpowiada rzeczywistości, gdyż w chwilach skrawania prędkość głowicy spada, stąd dla tego rozwiązania konstrukcyjnego chwilowe przełożenie nie jest stałe. Na podstawie wyników badań doświadczalnych zmodyfikowano model teoretyczny opisujący kształt ścięcia, uwzględniając istotną zmianę prędkości głowicy w „chwili” skrawania.

Modyfikacja modelu teoretycznego

W zmodyfikowanym modelu przyjęto, że prędkość głowicy podczas skrawania można opisać z wystarczającym przybliżeniem, ruchem jednostajnie opóźnionym, wg wzoru (3):

ω_N = ω₀-ε_Nt (3)

gdzie:

ω₀ – prędkość początkowa wejścia noża w skrawanie,

ε_N – przyjęta wielkość przyśpieszenia hamowania w ruchujednostajnie opóźnionym,

t – czas wykonania ścięcia.

Przedstawione wykresy pokazują, że w zależności od wartości ω₀ i ε_N :

zmienia się punkt początkowy i końcowy wejścia i wyjścia noża podczas skrawania, czyli następuje przemieszczenie kątowe krawędzi wielokąta, względem przyjętego położenia początkowego. Wyjaśnia to błędy wykonania ścięć przedstawione na fotografii 6 przy zmianie obciążenia, gdyż zmiana ta powoduje zmiany ω₀ i ε_N. głowicy skrawającej.
zmienia się kształt ścięcia, dla przedstawianego przykładu kwadratu także wpływający na zmniejszenie odchyłki profilu ścięcia od prostej łączącej punkty t₀ i t₂. Wyjaśnia to w pewnym stopniu różnice pomiędzy otrzymywanym profilem rzeczywistym, a teoretycznym, gdzie kształt rzeczywisty ścięcia dla kwadratu jest mniejszy niż wynika to z podstawowego modelu.

Zmiany prędkości to jeden z podstawowych czynników wpływających na dokładność wykonywanych wielokątów. Zmodyfikowany model wskazuje, że średnie przełożenie powinno pozostać stałe, w przeciwnym wypadku wystąpi efekt wędrującej krawędzi wielokąta.

Podsumowanie

Przeprowadzone badania eksperymentalne i modelowe pozwoliły na:

zidentyfikowanie głównych czynników wpływających na dokładność wykonywania wielokątów metodą toczenia „poligonowego” na tokarce uniwersalnej,
wyjaśnienie niektórych przyczyn występujących zmian położenia krawędzi otrzymywanego wielokąta przy tej obróbce i uzyskiwanych dokładności wykonania, co pozwala tak napisać programy technologiczne i dobrać parametry, aby uniknąć większości występujących problemów,
określenie parametrów dopuszczalnych obrotów i posuwów dla badanej konstrukcji.

Przy zachowaniu określonych zasad dotyczących niezwiększania nadmiernie posuwu i unikania zmian obciążenia przy obróbce jednego wielokąta, zastosowane rozwiązanie konstrukcyjne nie pogarsza dokładności obróbki wielokątów względem rozwiązań ze sprzęgnięciem obrotów głowicy narzędziowej i wrzeciona tokarki, a wręcz poprawia płaskość ścięcia – wdrożono je dla rozszerzenia możliwości obróbkowych tokarki uniwersalnej CNC Venus 200GWB własnej produkcji.

Dokładność technologiczna wykonania wielokątów zależy od bardzo wielu czynników i może się znacznie wahać, jednak mając świadomość co wpływa na tę dokładność można zachować odpowiednie, a nawet znacznie lepsze dokładności niż wymagane, np. dla obróbki masowej ścięć pod klucze, dokładności przyłączek armatury hydraulicznej itp.

Duże różnice pomiędzy kształtem zarysu ścięcia modelu teoretycznego w porównaniu z zarysem z rzeczywistych pomiarów zdają się wskazywać, że model ten, przyjęty od lat, jest zbyt uproszczony. Tak dużych różnic nie tłumaczą zmiany prędkości głowicy przy skrawaniu.

Zalety i wady toczenia poligonowego w stosunku do wykonywania wielokątów w typowych operacjach frezarskich:

Zalety:

znakomita wydajność, typowy czas operacji wykonania wielokąta „pod klucz”: 1-3 s,
zwiększenie możliwości tokarki, bez potrzeby wykonywania wielokątów na innej maszynie.