Șase metode pentru a spori productivitatea prelucrărilor CNC în 5 axe

Prelucrările în 5 axe cresc în popularitate ca urmare a eficienței sporite pe care ele o aduc într-o gamă largă de aplicații – de la industria aerospațială sau medicală, până la producția de echipamente industriale, matrițe și ștanțe.

Adesea, firmele au investit sume considerabile în mașini CNC performante, dar în realitate acestea nu sunt folosite la adevăratul lor potențial. Pentru a realiza acest potențial, nu este suficient să aveți numai echipamente capabile să ofere 5 axe comandate numeric, ci și o soluție CAM care să vă permită să folosiți mașina CNC pentru scopul pentru care a fost achiziționată.

Toți producătorii simt pe umerii lor, presiunea de a-și eficientiza producția. Asta înseamnă că trebuie să profite cât mai mult de investițiile făcute în echipamente și în oameni. Automatizările sunt din ce în ce mai importante în această formulă, dar pentru multe firme prioritatea cea mai mare este să profite cât mai mult de echipamentele existente.

O zonă în care multe firme văd un profit semnificativ este în utilizarea centrelor de prelucrare în 5 axe. Nu este vorba doar despre prelucrarea mai rapidă a reperelor complicate la standarde de calitate ridicate, ci și despre a finaliza cât mai multe operații folosind un singur setup (folosind o singură prindere). Având posibilitatea de a ajunge la mai multe laturi ale reperului și de a prelucra caracteristici complexe în 3D, producția de repere folosind centre de prelucrare în 5 axe comandate numeric poate aduce un aport mare în reducerea timpilor totali de mașinare, concomitent cu îmbunătățirea preciziei de prelucrare, finisărilor suprafețelor și duratei de viață a sculelor.

Pentru multe ateliere, limitarea perlucrărilor în 5 axe nu este cauzată de echipament, ci de abilitatea lor de a genera programe în 5 axe care să utilizeze la maxim avantajele oferite de CNC-urile și sculele din dotare. Dar odată cu dezvoltarea aplicațiilor CAM, aceste limitări sunt înlăturate rapid în momentul în care atelierele sunt dispuse să adopte noile tehnologii în programare.

Siemens Digital Industries Software a prioritizat dezvoltarea continuă a capabilităților de prelucrare cu  NX CAM și are multe de spus despre strategiile din care clienții au de câștigat, atât în procesul de programare, cât și cel de mașinare. Fie că produci ștanțe/matrițe sau lucrezi în industria aerospațială, medicală, energetică sau echipamente industriale, citește aici despre ce ar trebui să cauți în cele mai noi inovații în această tehnologie productivă.

Operația de finisare Guiding Curves ne permite realizarea traiectoriilor în 5 axe direct pe suprafața de prelucrat având control complet asupra dinamicii traiectoriei. Nu mai este necesară construirea suprafețelor suplimentare în CAD, iar apoi proiecția traiectoriei sculei pe suprafața de prelucrat.  Ai control deplin asupra axei sculei indiferent dacă vrei ca aceasta să rămână normală la suprafață, să interpoleze între câteva axe de sculă, să blochezi axe, ș.a.m.d. Această operație îți generează în mod automat deplasări cursive atunci când faci trecerea de la o traiectorie la alta.

Guiding Curves (curbe de ghidaj) realizează traiectorii direct pe zona de prelucrat, oferind control complet al dinamicii traiectoriei.

În acest videoclip poți să vezi procesul de programare folosind Guiding Curve în 5 axe cu o freza cu cap sferic.

Frezele butoiaș sunt folosite pentru o varietate de operații de prelucrare, dar sunt excelente pentru operații de degroșare și finisare a pereților drepți si ușor curbați pentru prelucrări în 5 axe. Datorită formei frezei butoiaș (barrel tool) poți obține aceeași finisare sau de multe ori chiar mai bună folosind un pas mai mare. Utilizând aceste scule în strategiile de prelucrare avansată, poți reduce timpul de mașinare a unor suprafețe cu până la 70% în comparație cu frezele cu cap sferic.

Frezele butoiaș (în partea stângă) prelucrează mai eficient pereții puțin curbați sau/și înclinați cu pași mai mari în comparație cu frezele cu cap sferic (în partea dreaptă)

Comparație între frezele butoiaș și frezele cu cap sferic la operație de finisare – procesul a durat de trei ori mai puțin în comparație cu același test în care a fost folosită o freză cu cap sferic. Sursa video: Fraisa.

Una dintre marile avantaje ale prelucrărilor în 5 axe este abilitatea de a controla înclinarea sculei pentru a o îndepărta de cavitatea sau peretele cavității de prelucrat, pentru a evita coliziunile cu scula sau portscula. Aceasta ne permite utilizarea unor scule mult mai scurte, ceea ce conduce la o mașinare cu regimuri mai agresive, cu vibrații reduse și o rugozitate a suprafeței mai bună. Aceasta este o strategie ideală pentru piese cu cavități adânci și suprafețe line pe lângă pereți înalți.

Înclinarea automată de la 3 la 5 axe, ajustează vectorul sculei pentru situații unde portscula sau freza ar intra in coliziune cu suprafețele adiacente.

Fie că ai de prelucrat o cavitate de matriță sau o formă prismatică, cea mai rapidă metodă de a înlătura material este utilizarea unei strategii de degroșare cu viteză mare. Mai întâi, folosind un proces de prelucrare în 5 axe, te poți apropia mai mult de reperul dorit în stadiul semi-finisat, ceea ce reduce timpii de ciclu pentru finisare în mod semnificativ. Iar atunci când adăugăm și frezarea adaptivă, timpii totali de mașinare sunt reduși în mod dramatic.

Folosind frezarea adaptivă, puteți reduce adâncimea tăierii radiale (pasul) cu mai puțin de 25% din diametrul sculei dar puteți crește adâncimea axială a tăieturii. Pentru că acum așchia este mult mai mică decât avansul per dinte, puteți crește substanțial avansul. Asta va rezulta într-o prelucrare mai rapidă și mai ușoară, care permite o așchiere mai agresivă și o înlăturare de metal cu o rată mai mare, ceea ce reduce timpul de prelucrare cu până la 60%. Totodată este generată mai puțină căldură și mai puține vibrații în zona de tăiere, care la rândul lor permit o uzură a sculei predictibilă.

Cu un pas mai mic dar cu o adâncime mai mare de tăiere, degroșarea adaptivă multi-axă permite viteze mai mari de avans și o înlăturare de material în proporții mult mai mari.

Bloc de oțel 850-1100 N/mm2 prelucrat cu strategie adaptivă în 5 axe. Rutina de degroșare folosește interpolare elicoidală pentru a intra în material, apoi înlătură material prin așchieri rapide și ușoare. Sursa videoclipului: Fraisa.

Secretul în a face acest proces să funcționeze este abilitatea de a menține o forță de tăiere constantă de-a lungul întregii rutine. De exemplu, când scula intră într-un colț cantitatea de material de tăiat crește și astfel apare o încărcare mare pe sculă. Asta, împreună cu alte schimbări în momentul așchierii, creează șocuri care pot conduce la fragmentare, suprafețe finisate prost și o scădere în durata de viață a sculei. Cu frezarea adaptivă, traiectoria este alterată în mod automat pentru a menține o încărcare constantă asupra sculei, astfel obținând o tăiere rapidă și cursivă. Această tehnică este benefică mai ales când degroșăm cavități și miezuri în materiale moi (aluminiu sau oțel), dar materiale dure precum Inconel și titan. Acestă tehnică combină prelucrările cu rată mare de îndepărtare a materialului, cu o durată de viață predictibilă și mai lungă a sculelor.

Turbomachinery Milling simplifică programarea reperelor de rotație cu pale cum sunt rotoarele și turbinele.

Modulul Turbomachinery Milling din Siemens NX CAM simplifică procesul complex de programare cu comandă numerică în 5 axe pentru reperele de rotație cu pale multiple precum: rotoare, blisks și turbine. Cu o suită de funcții specifice de proces gândite special pentru aceste tipuri de repere, soluția permite realizarea rapidă a programelor optimizate, obținând programe cu un timp de execuție mic, o finisare bună a suprafețelor și o viață mai lungă a sculelor.

Noi progrese în Turbomachinery Milling includ:

• Multiple Stripe Cut Level Support, permite împărțirea precisă și racordarea segmentelor de suprafețe ale palelor de turbină. Caracteristica de așchiere stripe cut levels permite traiectoriei palei să fie împărțită în secțiuni de tip: superior, intemediar și inferior care pot fi controlate independent șcu o trecere cursivă între operațiile separate de prelucrare.

Multiple Stripe Cut Level Support permite segmentarea lamelor pentru optimizarea mașinării pe suprafețele din acele zone.

• Tangent Barrel Tool Support aduce aceleași beneficii pe care le oferă și frezele butoiaș  pentru mașinarea matrițelor și ștanțelor dar pentru pale și alte tipologii de pereți curbați folosind spline-uri. Aceste suprafețe pot fi prelucrate cu până la 50% mai rapid în comparație cu finisarea folosind frezele cu cap sferic, având o suprafață mai bine finisată și o durată de viață mai lungă a sculei.

Prelucrări de tip Tangent barrel folosind Siemens NX Turbomachinery Milling.

• Custom Stock Offsets (adaosuri personalizate de material) oferă posibilitatea ajustării cantității de material ramasă în spatele palei printr-un control precis al adaosului în operațiile de semi-finiție și finiție. Această funcție este una avansată, utilizată de producătorii de motoare din industria aerospațială, care au cerințe riguroase de toleranțe, permite prelucrarea de precizie mare care poate compensa deformarea palelor subțiri și flexibile în timpul operațiilor de așchiere.

Custom Stock Offsets permite controlul precis asupra cantității de material lasată în urma prelucrării.

Turn-milling este o tehnică excelentă pentru prelucrări de mare volum într-un timp scurt al reperelor cu suprafețe cu forme circulare sau conice care au caracteristici discontinue. Aceste operații pot fi realizate folosind scule cu plăcuțe, monobloc, ceramice, sferice, etc.

În acest videoclip puteți viziona un exemplu de degroșare turn-milling pe o mașina capabilă de multi-tasking. Aceasta este o freză cilindro-frontală cu plăcuțe, semifabricatul fiind din Inconel 718. Combinația dintre sculă și startegia de așchiere fac posibilă degroșarea extrem de rapidă a aliajelor de nichel greu de prelucrat.

Folosind turn-milling, poziționarea sculei în raport cu suprafața reperului este critică. Este important în majoritatea aplicațiilor ca materialul sa fie tăiat folosind muchia activă a sculei. Acest fapt va preveni back cutting-ul suprafeței reperului, îmbunătățind condițiile care conduc la o viață mai lungă a sculei.

O alternativă în curs de dezvoltare este folosirea roboților pentru prelucrarea unei anumite topologii de repere. De ce? Roboții permit mașinarea mai eficientă a reperelor voluminoase și sunt cazuri în care este imposibilă mutarea reperului către echipamentul tehnologic – de exemplu, pentru a realiza găuri într-o aripă de avion sau fuzelaj este mai simplu să mutăm robotul acolo unde este nevoie de prelucrările respective. Roboții pot executa operații de post-prelucrare, cum ar fi lustruirea sau debavurarea, care în alte condiții ar necesita lucru manual, îmbunătățind astfel precizia și calitatea acestor operații. Cu alte cuvinte putem realiza atât mașinarea cât și finisarea folosind un singur proces automatizat. Într-o celulă automatizată de lucru, roboții pot fi utilizați atât pentru operații de încărcare/descărcare în/din CNC, cât și pentru prelucrări, permițând înlocuirea totală a unui echipament CNC.

Sunt oare roboții suficient de preciși și de rigizi pentru a realiza operații de prelucrări prin așchiere? Ultima generație de roboți a facut pași mari în această direcție având abilitatea de a realiza prelucrări grele și de precizie, iar dezvoltarea continuă. Într-un proiect, Siemens lucrează în colaborare cu Universitatea Tehnică din Münhen pentru a atinge standarde ridicate de precizie în prelucrări (vedeți video). Angajând o tehnologie digitală – denumită compensarea forței bazată pe simulare – s-a reușit prelucrarea reperelor folosind traiectorii precise de până la 100 microni (μm). Rezultatele sunt optimiste și suntem convinși că mașinarea folosind roboți va câștiga popularitate din ce în ce mai mare pe o gamă variată de aplicații.

Folosirea roboților pentru prelucrări de mare precizie reprezintă focusul principal al acestui proiect comun între Siemens și Universitatea Tehnică din Munhen. Metodele de compensare a forțelor bazate pe simulare permit roboților să atingă precizii de traiectorii de până la 100 μm.

Fie că reprezinți un atelier de producție de unicate sau un producător de serie, stăpânirea mașinării în 5 axe îți poate oferi un avantaj strategic. Poți produce repere complexe cu mai puține operații și din mai puține prinderi. În multe cazuri, puteți reduce timpul de prelucrare și îmbunătăți durata de viață a sculei, în același timp creșterea calității suprafețelor prelucrate. Poți reduce costurile de producție și să livrezi piesele mai rapid.

Au fost vremuri în care nu puteam profita la maxim de o investiție în mașini CNC în 5 axe deoarece prelucrările ar fi fost limitate de timpul necesar și dificultatea realizării programelor care să folosească eficient echipamentul. Acele vremuri au trecut. Cu tehnologia CAM de astăzi poți realiza tot ceea ce îți propui în 5 axe cu o recuperare a investiției care depășește oricare alte metode de producție.

Pentru mai multe informații și detalii recomand să lecturați și roboții industriali vs mașinile cu comandă numerică.