Porovnání standardního frézování se strategií iMachining

Regionální technologický institut při Západočeské univerzitě v Plzni ve spolupráci se společnostmi SolidCAM CZ a Iscar ČR uspořádal zajímavý seminář s cílem porovnat dvě rozdílné frézovací strategie. Pojďme se na experiment i jeho výsledky podívat blíže.

V laboratořích Regionálního technologického institutu srovnávali standardní frézovací strategie s technologií iMachining, která je dostupná v CAM řešení SolidCAM. Program akce sestával ze dvou částí:

• V teoretické části představili programátoři oba přístupy, použité nástroje a řezné podmínky. Jak standardní programy, tak i technologie iMachining již byly odladěny v předchozích zkušebních testech, aby se i prakticky dosáhlo maximálního výkonu pro každou z technologií.
• Odpoledne následoval poslední, ostrý srovnávací test.

Výchozí podmínky experimentu byly vskutku originální, jelikož se jednalo o obrábění téhož dílu za konstantních podmínek. Stroj a nástrojové vybavení byly od stejného výrobce. Obrábění se lišilo použitím frézovacích strategií a využitím jejich potenciálu v souladu s řeznými podmínkami a výkonem CNC obráběcího stroje. Srovnávacími kritérii byly strojní čas a opotřebení nástrojů. Cílem pak bylo jediné – porovnat rozdílné programovací (obráběcí) postupy a získané poznatky správně aplikovat do výrobního prostředí.

Tvar dílu a volba materiálu

Experimentální díl obsahuje otevřenou kapsu i vnější konturu. Velikost a tvar jsou vidět na výrobním výkrese. Výstupek ve tvaru písmene U byl záměrně vysoký 16 mm, aby mohl být obrobený celou řeznou délkou nástroje. Nástroje z řady ChatterFree pro provedení experimentu dodala společnost Iscar ČR, která se podílela na experimentu a na programování standardní frézovací strategie.

Polotovar byl zvolen ze čtyř různých materiálů různé pevnosti, tvrdosti a také obrobitelnosti: :

• referenční ocel C45 (12 050.1),
• korozivzdorná ocel 1.4404 (17 349),
• nástrojová ocel žíhaná na měkko 1.2343 (19 552),
• Toolox 44.

Polotovarem byla válcovaná tyč o průměru 90 mm a tloušťce 30 mm, na které bylo před experimentem vyfrézováno osazení pro upnutí do svěráku.

Charakteristiky a obrobitelnost materiálů

Materiál C45 (12 050) je známý jako referenční materiál ocelí pro stanovení třídy obrobitelnosti. Používá se pro méně namáhané strojní díly ve stavu zušlechtěném nebo normalizačně žíhaném. Obrobitelnost je ve stavu po válcování ztížená vlivem zvýšené pevnosti. Pro obrábění je vhodnější stav žíhaný na měkko.

Chrom-niklová austenitická ocel 1.4404 (17 349) má nízký podíl uhlíku a vysokou odolnost proti korozi. Ocel je dobře obrobitelná, nicméně se jedná o korozivzdornou ocel.

Chrom-molybdenová ocel 1.2343 (19 552) se používá pro pohyblivé díly jádra a jiné části forem pro tlakové lití slitin hliníku a velké série odlitků. Je dobře obrobitelná ve stavu žíhaném na měkko, což byl stav, v jakém byla testována.

Toolox je kalená nástrojová ocel s nízkým zbytkovým pnutím, a proto má dobrou rozměrovou stálost. Dle normy DIN EN ISO je její alternativní označení 1.2342/1.2344.  Ačkoli má poměrně vysokou tvrdost i mez pevnosti a houževnatost, je velmi dobře obrobitelná.

Frézovací strategie

Cílem experimentu bylo porovnat standardní frézovací strategie s technologií iMachining. Standardní offsetové technologie mají své známé nevýhody, jako je měnící se průřez odebírané třísky (s tím souvisí proměnný řezný odpor). Rovněž dochází ke špatnému odvodu třísek, což má za následek vznik opotřebení a snížení trvanlivosti nástroje.

Použity byly nástroje Iscar ChatterFree s proměnnou geometrií břitů i šroubovice, což umožňovalo silové obrábění ve velké hloubce i při plném úhlu záběru nástroje. Klasická technologie mohla být aplikována s maximálním výkonem.

Frézovací strategie iMachining je moderní technologie určená pro optimalizaci obrábění – zejména s monolitními karbidovými nástroji s využitím celé řezné části nástroje. Podstatou strategie je automaticky přizpůsobovat dráhu nástroje a rychlost posuvu i otáček tak, aby se průřez třísky v průběhu procesu obrábění pokud možno neměnil (udržuje konstantní řezný odpor).

Díky výkonným algoritmům mohou programátoři volit mnohem vyšší řezné a posuvové rychlosti než při klasickém frézování, ovšem často za cenu komplikovanější a delší dráhy nástroje. Obrábění celým řeznou částí nástroje (běžně do hloubky dvojnásobku průměru nástroje) s malým bočním úběrem (radiální hloubka řezu a_e ) a optimalizovanými rychlostmi vede k vyšší efektivitě obrábění, kratším časům a je velice šetrné k nástroji i vřetenu (nízké rázy a vibrace). Efektivita se o něco snižuje ve chvíli, kdy se obrábí do menších hloubek – při malém záběru v ose Z je řezný odpor celkově nízký a neklade nároky na nástroj ani při použití standardní technologie. Účinné a efektivní generované dráhy nástroje jsou vhodné pro obrábění tvrdých, těžko obrobitelných, korozivzdorných, nástrojových a exotických materiálů.

Obráběcí stroj

Experiment se uskutečnil v laboratoři Regionálního technologického institutu, který je vybaven pětiosým CNC frézovacím centrem DMG Mori DMU 65 MonoBlock. Parametry stroje jsou velmi důležité pro stanovení omezujících kritérií a optimalizaci procesu obrábění – využití maximálního potenciálu a výkonu stroje. Maximální přípustné otáčky stroje jsou 18 tisíc za minutu. Frézka dosahuje výkonu 35 kW, krouticí moment je 85 Nm a pro upnutí nástrojů se používá kužel HSK A 63.

Volba řezných nástrojů

Materiály polotovarů vyžadují ostré nástroje s kladným řezným úhlem čela eliminující vibrace. Zvoleny byly monolitní karbidové hrubovací frézy řady ChatterFree, které eliminují vibrace i při větším vyložení.

Řezné podmínky

Pro obrábění standardní frézovací strategií byly zvoleny řezné podmínky na základě doporučení dodavatele řezných nástrojů (Iscar) a podle uživatelských zkušeností. Parametry se rovněž odvíjely podle materiálových vlastností (tab. 1).

Řezné podmínky pro obrábění strategií iMachining byly zvoleny podle Technologického průvodce, který je součástí řešení SolidCAM. Podle vlastností materiálu, zejména pevnosti, a podle specifikace stroje se dopočítávají optimální řezné podmínky automaticky. V tabulce 3 si můžete všimnout, že pro materiály 12 050 a 19 552 byly omezujícím kritériem maximální otáčky stroje.

Výsledky obrábění

Srovnávacím kritériem frézování dílu byl strojní čas (tab. 4). Zajímavé výsledky si vysvětlíme podrobněji.

• Ocel C45 (12 050):

Podíváme-li se na výsledky obrábění materiálu C45, tak zjistíme, že jsou srovnatelné. Což se dalo předpokládat. Jedná se o dobře obrobitelnou ocel, kterou lze obrábět celou řeznou částí nástroje (axiální hloubka řezu a_p je maximální – a_p = 16 mm). V případě standardní frézovací strategie byla zvolena radiální hloubka záběru a_e = 0,8 · D, nebyl však využitý potenciál stroje – maximální výkon. Svou roli na cestě za lepším výsledkem sehrála menší tuhost testovacího (pětiosého) stroje, která neumožnila lepší výsledek – nástroj měl ještě rezervy. Rezervy měl ale i program u technologie iMachining, kde je vidět, že u pevnějších materiálů bylo dosaženo lepších časů. Zde se bralo v potaz, že hlavní měření sil bude u náročnějších materiálů a ocel 12 050 byla pro obě technologie „rozcvičkou“. Test však ukázal, že u dobře obrobitelných materiálů bude záležet na povaze obrábění, aby se výhody technologie iMachining mohly projevit. Konstantně hluboký řez vyhovoval výborně i nástrojům ChatterFree při klasické technologii. Možný přínos by mohlo znamenat nižší opotřebení nástrojů při technologii iMachining, ale testy nemohly tento parametr postihnout.

• Korozivzdorná ocel 1.4404 (17 349):

V případě standardní frézovací strategie musela být axiální hloubka záběru a_p rozdělena do dvou vrstev z důvodu horší obrobitelnosti a menší tuhosti testovaného stroje. Pro úplnost hodnocení je toto potřeba zdůraznit, protože tuhost stroje zde byla limitující pro nástroj, který by jinak hluboký řez zvládl, možná s nižšími posuvy. Ale i schopnost vyrovnat se se strojem je výhodou technologie iMachining. Ta opět využila celé řezné délky nástroje (a_p = 16 mm) a potenciál obráběcího stroje v souladu s řeznými podmínkami. U této nejhůře obrobitelné oceli se výhody technologie iMachining projevily nejvíce. 

• Nástrojová ocel 1.2343 (19 552):

Obě strategie využily celou řeznou část nástroje, žíhaná nástrojová ocel šla dobře obrábět. Nástroje ChatterFree odvedly vynikající práci při obrábění plným průměrem nástroje, technologie iMachining však přesto dosáhla až o třetinu lepšího času. Tato výhoda času spolu s nižším opotřebením nástroje by se výrazně projevila například u rozsáhlých hrubovacích operací forem.

• Toolox 44:

Podobně jako u korozivzdorné oceli 1.4404 musela být axiální hloubka řezu a_p u standardní frézovací strategie rozdělena do dvou vrstev a nebyl plně využit potenciál monolitní karbidové frézy. V tom hrála opět úlohu nižší tuhost stroje, nicméně iMachining tuto nevýhodu dokázal eliminovat a přesvědčivě obrobil v kratším čase. I zde bychom mohli poukázat na výhodnost hrubování u forem, na které se materiál Toolox používá.

Opotřebení nástrojů

U použitých nástrojů bylo po ukončení testu změřeno opotřebení – a to konkrétně opotřebení na hřbetu břitu. Během obrábění nebylo dosaženo konce trvanlivosti nástrojů.

Nutno podotknout, že velikost maximálního přípustného opotřebení pro zvětšující se průměry nástrojů narůstá, tedy nástroje větších průměrů mohou stále ještě efektivně pracovat i s vyšším opotřebením. Vznik opotřebení je ovlivněn velikostí řezného odporu, v závislosti na řezné rychlosti, době kontaktu břitu s obráběným materiálem během řezu a také celkovou dobou obrábění. Frézy průměrů 12 a 16 mm obráběly klasickou technologií při rychlostech standardně používaných pro obráběné materiály, s většími bočními úběry, které byly na hranici tuhosti soustavy stroj–nástroj–obrobek. Fréza o průměru 8 mm obráběla metodou iMachining s extrémně vysokou rychlostí, ale s výrazně nižším bočním krokem – a tedy i s nižším zatížením nástroje.

Maximální opotřebení fréz bylo naměřeno mikroskopem Multicheck PC500. Fréza průměru 8 mm měla opotřebení na hřbetu VB = 50 µm po obrobení 4 vzorků s celkovým časem řezu 6 minut 48 sekund. Fréza o průměru 12 mm měla opotřebení na hřbetu VB = 25 µm po obrobení 2 vzorků s celkovým časem řezu 3 minuty 3 sekundy. Fréza průměru 16 mm měla opotřebení na hřbetu VB = 40 µm po obrobení 2 vzorků s celkovým časem řezu 7 minut 26 sekund.

Na naměřených hodnotách je vidět, že opotřebení všech nástrojů je poměrně malé, což ukazuje na vhodně zvolené řezné podmínky. Je ale třeba vzít v úvahu, že fréza průměru 8 mm obrobila všechny 4 vzorky. Dalším faktem je, že v případě strategie iMachining je možné dosáhnout shodného výsledku obrábění s nižšími náklady na řezné nástroje, neboť cena nástroje průměru 8 mm je výrazně nižší než cena nástroje 12 mm nebo dokonce 16 mm.

Výsledky srovnání

Srovnávací test výborně ilustroval vlastnosti obou technologií. Posloužil k získání neocenitelných zkušeností pro příští aplikace těchto technologií. Je zjevné, že význam technologie iMachining roste se zhoršující se obrobitelností materiálu (korozivzdorná ocel a kalená nástrojová ocel Toolox 44) a s možností dosáhnout velké hloubky řezu a_p. Technologie prokázala šetrnost k nástrojům, vysoký výkon a rovněž výhody predikovatelnosti řezných podmínek, což se projevilo v nižší spotřebě času na přípravu a programování. Nastavení řezných podmínek pro tento typ technologií zatím neobsahuje žádný katalog nástrojů, a ani to není možné, protože se otáčky i posuvy během obrábění dynamicky mění. Praktických zkušeností ještě není vždy dostatek, proto se jeví automatické nastavení řezných podmínek v řešení iMachining  jako naprosto zásadní vlastnost. V případě obrábění tvarů nebo hlubších řezů si přitom iMachining sám volí dynamicky i hloubky řezu (technologie „step-up“ u technologie 3D iMachining).

Tyto vlastnosti jsou pak důvodem, proč společnost Iscar ČR i Západočeská Univerzita Plzeň zařadily technologii iMachining do svého arzenálu nástrojů pro výrobu i výuku.

Videoukázka obrábění s porovnáním tradiční frézovací strategii s technologií iMachining: