Analýza a optimalizace faktorů ovlivňujících rozměrovou přesnost obrábění obráběcích center
Abstrakt: Tento článek důkladně zkoumá různé faktory, které ovlivňují rozměrovou přesnost obrábění obráběcích center, a dělí je do dvou kategorií: faktory, kterým lze předejít, a faktory, kterým nelze zabránit. U faktorů, kterým lze předejít, jako jsou obráběcí procesy, numerické výpočty v ručním a automatickém programování, řezné prvky a ustavování nástrojů atd., jsou provedeny podrobné rozpracování a navržena odpovídající optimalizační opatření. U faktorů, které lze předejít, včetně deformace obrobku při chlazení a stability samotného obráběcího stroje, jsou analyzovány příčiny a mechanismy jejich vlivu. Cílem je poskytnout komplexní znalostní reference technikům zapojeným do provozu a řízení obráběcích center, aby se zlepšila úroveň kontroly rozměrové přesnosti obrábění obráběcích center a zvýšila se kvalita výrobků a efektivita výroby.
I. Úvod
Obráběcí centra, klíčové zařízení v moderním obrábění, přímo souvisí s rozměrovou přesností obrábění a kvalitou a výkonem výrobků. V reálném výrobním procesu ovlivňují rozměrovou přesnost obrábění různé faktory. Je velmi důležité tyto faktory důkladně analyzovat a hledat účinné metody řízení.
Obráběcí centra, klíčové zařízení v moderním obrábění, přímo souvisí s rozměrovou přesností obrábění a kvalitou a výkonem výrobků. V reálném výrobním procesu ovlivňují rozměrovou přesnost obrábění různé faktory. Je velmi důležité tyto faktory důkladně analyzovat a hledat účinné metody řízení.
II. Faktory ovlivňující situaci, kterým lze předejít
(I) Proces obrábění
Racionalita obráběcího procesu do značné míry určuje rozměrovou přesnost obrábění. Na základě dodržování základních principů obráběcího procesu je třeba při obrábění měkkých materiálů, jako jsou hliníkové díly, věnovat zvláštní pozornost vlivu železných pilin. Například během frézování hliníkových dílů mohou železné piliny vznikající při řezání v důsledku měkké textury hliníku poškrábat obrobený povrch, a tím způsobit rozměrové chyby. Pro snížení těchto chyb lze přijmout opatření, jako je optimalizace dráhy odvádění třísek a zvýšení sání zařízení pro odvádění třísek. Současně by se v uspořádání procesu mělo rozumně plánovat rozložení přídavků pro hrubování a dokončování. Při hrubování se používá větší hloubka řezu a posuv pro rychlé odstranění velkého množství přídavku, ale měl by se ponechat vhodný přídavek pro dokončování, obvykle 0,3–0,5 mm, aby se zajistilo, že při dokončování bude dosaženo vyšší rozměrové přesnosti. Pokud jde o použití upínacích přípravků, je kromě dodržování zásad zkrácení upínacích časů a používání modulárních upínacích přípravků nutné zajistit také přesnost jejich polohování. Například použitím vysoce přesných upevňovacích kolíků a upevňovacích ploch k zajištění přesnosti polohy obrobku během procesu upínání, čímž se zabrání rozměrovým chybám způsobeným odchylkou upínací polohy.
Racionalita obráběcího procesu do značné míry určuje rozměrovou přesnost obrábění. Na základě dodržování základních principů obráběcího procesu je třeba při obrábění měkkých materiálů, jako jsou hliníkové díly, věnovat zvláštní pozornost vlivu železných pilin. Například během frézování hliníkových dílů mohou železné piliny vznikající při řezání v důsledku měkké textury hliníku poškrábat obrobený povrch, a tím způsobit rozměrové chyby. Pro snížení těchto chyb lze přijmout opatření, jako je optimalizace dráhy odvádění třísek a zvýšení sání zařízení pro odvádění třísek. Současně by se v uspořádání procesu mělo rozumně plánovat rozložení přídavků pro hrubování a dokončování. Při hrubování se používá větší hloubka řezu a posuv pro rychlé odstranění velkého množství přídavku, ale měl by se ponechat vhodný přídavek pro dokončování, obvykle 0,3–0,5 mm, aby se zajistilo, že při dokončování bude dosaženo vyšší rozměrové přesnosti. Pokud jde o použití upínacích přípravků, je kromě dodržování zásad zkrácení upínacích časů a používání modulárních upínacích přípravků nutné zajistit také přesnost jejich polohování. Například použitím vysoce přesných upevňovacích kolíků a upevňovacích ploch k zajištění přesnosti polohy obrobku během procesu upínání, čímž se zabrání rozměrovým chybám způsobeným odchylkou upínací polohy.
(II) Numerické výpočty v manuálním a automatickém programování obráběcích center
Ať už se jedná o ruční nebo automatické programování, přesnost numerických výpočtů je zásadní. Během procesu programování se jedná o výpočet drah nástrojů, určení souřadnicových bodů atd. Například při výpočtu trajektorie kruhové interpolace, pokud jsou souřadnice středu kružnice nebo poloměru vypočítány nesprávně, nevyhnutelně to povede k rozměrovým odchylkám při obrábění. Pro programování složitých tvarů je pro přesné modelování a plánování drah nástroje zapotřebí pokročilý CAD/CAM software. Během používání softwaru je třeba zajistit přesnost geometrických rozměrů modelu a pečlivě kontrolovat a ověřovat generované dráhy nástroje. Programátoři by zároveň měli mít solidní matematický základ a bohaté programátorské zkušenosti a měli by být schopni správně volit programovací instrukce a parametry podle požadavků na obrábění dílů. Například při programování vrtacích operací by měly být přesně nastaveny parametry, jako je hloubka vrtání a vzdálenost odjetí, aby se předešlo rozměrovým chybám způsobeným programovacími chybami.
Ať už se jedná o ruční nebo automatické programování, přesnost numerických výpočtů je zásadní. Během procesu programování se jedná o výpočet drah nástrojů, určení souřadnicových bodů atd. Například při výpočtu trajektorie kruhové interpolace, pokud jsou souřadnice středu kružnice nebo poloměru vypočítány nesprávně, nevyhnutelně to povede k rozměrovým odchylkám při obrábění. Pro programování složitých tvarů je pro přesné modelování a plánování drah nástroje zapotřebí pokročilý CAD/CAM software. Během používání softwaru je třeba zajistit přesnost geometrických rozměrů modelu a pečlivě kontrolovat a ověřovat generované dráhy nástroje. Programátoři by zároveň měli mít solidní matematický základ a bohaté programátorské zkušenosti a měli by být schopni správně volit programovací instrukce a parametry podle požadavků na obrábění dílů. Například při programování vrtacích operací by měly být přesně nastaveny parametry, jako je hloubka vrtání a vzdálenost odjetí, aby se předešlo rozměrovým chybám způsobeným programovacími chybami.
(III) Řezné prvky a kompenzace nástroje
Řezná rychlost vc, posuv f a hloubka řezu ap mají významný vliv na rozměrovou přesnost obrábění. Nadměrná řezná rychlost může vést ke zvýšenému opotřebení nástroje, a tím ovlivnit přesnost obrábění; nadměrná rychlost posuvu může zvýšit řeznou sílu, způsobit deformaci obrobku nebo vibrace nástroje a vést k rozměrovým odchylkám. Například při obrábění vysokotvrdých legovaných ocelí, pokud je řezná rychlost zvolena příliš vysoká, je břit nástroje náchylný k opotřebení, což zmenšuje obráběný rozměr. Přiměřené řezné parametry by měly být stanoveny komplexně s ohledem na různé faktory, jako je materiál obrobku, materiál nástroje a výkon obráběcího stroje. Obecně je lze zvolit pomocí řezných zkoušek nebo na základě příslušných manuálů pro obrábění. Důležitým prostředkem k zajištění přesnosti obrábění je také kompenzace nástroje. V obráběcích centrech může kompenzace opotřebení nástroje v reálném čase korigovat rozměrové změny způsobené opotřebením nástroje. Obsluha by měla včas upravovat hodnotu kompenzace nástroje podle skutečného stavu opotřebení nástroje. Například během kontinuálního obrábění dávky dílů se obráběné rozměry pravidelně měří. Pokud se zjistí, že se rozměry postupně zvětšují nebo zmenšují, upraví se hodnota korekce nástroje, aby se zajistila přesnost obrábění následujících dílů.
Řezná rychlost vc, posuv f a hloubka řezu ap mají významný vliv na rozměrovou přesnost obrábění. Nadměrná řezná rychlost může vést ke zvýšenému opotřebení nástroje, a tím ovlivnit přesnost obrábění; nadměrná rychlost posuvu může zvýšit řeznou sílu, způsobit deformaci obrobku nebo vibrace nástroje a vést k rozměrovým odchylkám. Například při obrábění vysokotvrdých legovaných ocelí, pokud je řezná rychlost zvolena příliš vysoká, je břit nástroje náchylný k opotřebení, což zmenšuje obráběný rozměr. Přiměřené řezné parametry by měly být stanoveny komplexně s ohledem na různé faktory, jako je materiál obrobku, materiál nástroje a výkon obráběcího stroje. Obecně je lze zvolit pomocí řezných zkoušek nebo na základě příslušných manuálů pro obrábění. Důležitým prostředkem k zajištění přesnosti obrábění je také kompenzace nástroje. V obráběcích centrech může kompenzace opotřebení nástroje v reálném čase korigovat rozměrové změny způsobené opotřebením nástroje. Obsluha by měla včas upravovat hodnotu kompenzace nástroje podle skutečného stavu opotřebení nástroje. Například během kontinuálního obrábění dávky dílů se obráběné rozměry pravidelně měří. Pokud se zjistí, že se rozměry postupně zvětšují nebo zmenšují, upraví se hodnota korekce nástroje, aby se zajistila přesnost obrábění následujících dílů.
(IV) Nastavení nástroje
Přesnost ustavení nástroje přímo souvisí s rozměrovou přesností obrábění. Proces ustavení nástroje spočívá v určení relativní polohy mezi nástrojem a obrobkem. Pokud je ustavení nástroje nepřesné, nevyhnutelně se v obráběných dílech vyskytnou rozměrové chyby. Výběr vysoce přesného vyhledávače hran je jedním z důležitých opatření ke zlepšení přesnosti ustavení nástroje. Například pomocí optického vyhledávače hran lze přesně detekovat polohu nástroje a hrany obrobku s přesností ±0,005 mm. U obráběcích center vybavených automatickým ustavovačem nástrojů lze jeho funkce plně využít k dosažení rychlého a přesného ustavení nástroje. Během operace ustavování nástroje je třeba věnovat pozornost také čistotě prostředí pro ustavování nástroje, aby se zabránilo vlivu nečistot na přesnost ustavování nástroje. Obsluha by zároveň měla striktně dodržovat provozní postupy ustavování nástroje a provádět více měření a vypočítávat průměrnou hodnotu, aby se snížila chyba ustavování nástroje.
Přesnost ustavení nástroje přímo souvisí s rozměrovou přesností obrábění. Proces ustavení nástroje spočívá v určení relativní polohy mezi nástrojem a obrobkem. Pokud je ustavení nástroje nepřesné, nevyhnutelně se v obráběných dílech vyskytnou rozměrové chyby. Výběr vysoce přesného vyhledávače hran je jedním z důležitých opatření ke zlepšení přesnosti ustavení nástroje. Například pomocí optického vyhledávače hran lze přesně detekovat polohu nástroje a hrany obrobku s přesností ±0,005 mm. U obráběcích center vybavených automatickým ustavovačem nástrojů lze jeho funkce plně využít k dosažení rychlého a přesného ustavení nástroje. Během operace ustavování nástroje je třeba věnovat pozornost také čistotě prostředí pro ustavování nástroje, aby se zabránilo vlivu nečistot na přesnost ustavování nástroje. Obsluha by zároveň měla striktně dodržovat provozní postupy ustavování nástroje a provádět více měření a vypočítávat průměrnou hodnotu, aby se snížila chyba ustavování nástroje.
III. Neodolatelné faktory
(I) Deformace obrobků ochlazováním po obrábění
Obrobky během obrábění generují teplo a při ochlazování po obrábění se deformují v důsledku tepelné roztažnosti a smršťování. Tento jev je běžný při obrábění kovů a je obtížné se mu zcela vyhnout. Například u některých velkých konstrukčních dílů z hliníkových slitin je teplo generované během obrábění relativně vysoké a po ochlazování je zřejmé zmenšení rozměrů. Pro snížení vlivu deformace ochlazováním na rozměrovou přesnost lze během obrábění rozumně použít chladicí kapalinu. Chladicí kapalina může nejen snížit řeznou teplotu a opotřebení nástroje, ale také zajistit rovnoměrné ochlazování obrobku a snížit stupeň tepelné deformace. Při výběru chladicí kapaliny by se mělo vycházet z materiálu obrobku a požadavků na obráběcí proces. Například pro obrábění hliníkových dílů lze zvolit speciální řeznou kapalinu ze slitiny hliníku, která má dobré chladicí a mazací vlastnosti. Kromě toho by se při měření in situ měl plně zohlednit vliv doby ochlazování na velikost obrobku. Obecně by se měření mělo provádět po ochlazení obrobku na pokojovou teplotu, nebo lze odhadnout změny rozměrů během procesu ochlazování a výsledky měření lze korigovat podle empirických dat.
Obrobky během obrábění generují teplo a při ochlazování po obrábění se deformují v důsledku tepelné roztažnosti a smršťování. Tento jev je běžný při obrábění kovů a je obtížné se mu zcela vyhnout. Například u některých velkých konstrukčních dílů z hliníkových slitin je teplo generované během obrábění relativně vysoké a po ochlazování je zřejmé zmenšení rozměrů. Pro snížení vlivu deformace ochlazováním na rozměrovou přesnost lze během obrábění rozumně použít chladicí kapalinu. Chladicí kapalina může nejen snížit řeznou teplotu a opotřebení nástroje, ale také zajistit rovnoměrné ochlazování obrobku a snížit stupeň tepelné deformace. Při výběru chladicí kapaliny by se mělo vycházet z materiálu obrobku a požadavků na obráběcí proces. Například pro obrábění hliníkových dílů lze zvolit speciální řeznou kapalinu ze slitiny hliníku, která má dobré chladicí a mazací vlastnosti. Kromě toho by se při měření in situ měl plně zohlednit vliv doby ochlazování na velikost obrobku. Obecně by se měření mělo provádět po ochlazení obrobku na pokojovou teplotu, nebo lze odhadnout změny rozměrů během procesu ochlazování a výsledky měření lze korigovat podle empirických dat.
(II) Stabilita samotného obráběcího centra
Mechanické aspekty
Uvolnění mezi servomotorem a šroubem: Uvolnění spojení mezi servomotorem a šroubem povede ke snížení přesnosti přenosu. Během obrábění, když se motor otáčí, uvolněné spojení způsobí zpoždění nebo nerovnoměrné otáčení šroubu, což způsobí odchylku trajektorie pohybu nástroje od ideální polohy a povede k rozměrovým chybám. Například při vysoce přesném obrábění kontur může toto uvolnění způsobit odchylky ve tvaru obrobeného obrysu, jako je nedodržení požadavků na přímost a kruhovitost. Pravidelná kontrola a utahování spojovacích šroubů mezi servomotorem a šroubem je klíčovým opatřením k prevenci takových problémů. Pro zvýšení spolehlivosti spojení lze použít matice proti uvolnění nebo prostředky na zajištění závitů.
Uvolnění mezi servomotorem a šroubem: Uvolnění spojení mezi servomotorem a šroubem povede ke snížení přesnosti přenosu. Během obrábění, když se motor otáčí, uvolněné spojení způsobí zpoždění nebo nerovnoměrné otáčení šroubu, což způsobí odchylku trajektorie pohybu nástroje od ideální polohy a povede k rozměrovým chybám. Například při vysoce přesném obrábění kontur může toto uvolnění způsobit odchylky ve tvaru obrobeného obrysu, jako je nedodržení požadavků na přímost a kruhovitost. Pravidelná kontrola a utahování spojovacích šroubů mezi servomotorem a šroubem je klíčovým opatřením k prevenci takových problémů. Pro zvýšení spolehlivosti spojení lze použít matice proti uvolnění nebo prostředky na zajištění závitů.
Opotřebení ložisek nebo matic kuličkových šroubů: Kuličkový šroub je důležitou součástí pro realizaci přesného pohybu v obráběcím centru a opotřebení jeho ložisek nebo matic ovlivňuje přesnost přenosu šroubu. S rostoucím opotřebením se vůle šroubu postupně zvětšuje, což způsobuje nepravidelný pohyb nástroje během procesu pohybu. Například při axiálním řezání opotřebení matice šroubu způsobí nepřesné polohování nástroje v axiálním směru, což má za následek rozměrové chyby v délce obráběného dílu. Pro snížení tohoto opotřebení je třeba zajistit dobré mazání šroubu a pravidelně vyměňovat mazací tuk. Současně je třeba provádět pravidelnou kontrolu přesnosti kuličkového šroubu a pokud opotřebení překročí povolený rozsah, je třeba včas vyměnit ložiska nebo matice.
Nedostatečné mazání mezi šroubem a maticí: Nedostatečné mazání zvyšuje tření mezi šroubem a maticí, což nejen urychluje opotřebení součástí, ale také způsobuje nerovnoměrný odpor pohybu a ovlivňuje přesnost obrábění. Během obrábění může docházet k „plazivému“ jevu, tj. nástroj se při pohybu nízkou rychlostí občas zastavuje a přeskočí, což zhoršuje kvalitu obrobeného povrchu a je obtížné zaručit rozměrovou přesnost. Podle návodu k obsluze obráběcího stroje by se mělo mazací mazivo nebo mazací olej pravidelně kontrolovat a doplňovat, aby se zajistilo, že šroub a matice jsou v dobrém stavu mazání. Zároveň lze zvolit vysoce výkonné mazací produkty pro zlepšení mazacího účinku a snížení tření.
Elektrické aspekty
Porucha servomotoru: Porucha servomotoru přímo ovlivní řízení pohybu nástroje. Například zkrat nebo přerušení vinutí motoru způsobí, že motor nebude schopen normálně fungovat nebo bude mít nestabilní výstupní točivý moment, což znemožní nástroj pohybovat se podle předem stanovené trajektorie a povede k rozměrovým chybám. Kromě toho porucha kodéru motoru ovlivní přesnost signálu zpětné vazby polohy, což způsobí, že řídicí systém obráběcího stroje nebude schopen přesně řídit polohu nástroje. Měla by být prováděna pravidelná údržba servomotoru, včetně kontroly elektrických parametrů motoru, čištění chladicího ventilátoru motoru a detekce provozního stavu kodéru atd., aby se včas odhalila a odstranila potenciální rizika poruchy.
Porucha servomotoru: Porucha servomotoru přímo ovlivní řízení pohybu nástroje. Například zkrat nebo přerušení vinutí motoru způsobí, že motor nebude schopen normálně fungovat nebo bude mít nestabilní výstupní točivý moment, což znemožní nástroj pohybovat se podle předem stanovené trajektorie a povede k rozměrovým chybám. Kromě toho porucha kodéru motoru ovlivní přesnost signálu zpětné vazby polohy, což způsobí, že řídicí systém obráběcího stroje nebude schopen přesně řídit polohu nástroje. Měla by být prováděna pravidelná údržba servomotoru, včetně kontroly elektrických parametrů motoru, čištění chladicího ventilátoru motoru a detekce provozního stavu kodéru atd., aby se včas odhalila a odstranila potenciální rizika poruchy.
Nečistoty uvnitř mřížkové stupnice: Mřížková stupnice je důležitý senzor používaný v obráběcím centru k měření polohy a posunu nástroje. Pokud se uvnitř mřížkové stupnice nacházejí nečistoty, ovlivní to přesnost odečtů mřížkové stupnice, což způsobí, že řídicí systém obráběcího stroje bude přijímat nesprávné informace o poloze a dojde k rozměrovým odchylkám při obrábění. Například při obrábění vysoce přesných systémů otvorů může v důsledku chyby mřížkové stupnice přesnost polohy otvorů překročit toleranci. Mřížková stupnice by měla být pravidelně čistěna a udržována pomocí speciálních čisticích nástrojů a čisticích prostředků a měla by být dodržována správná provozní postupy, aby se zabránilo poškození mřížkové stupnice.
Porucha servozesilovače: Funkcí servozesilovače je zesílit povelový signál vydávaný řídicím systémem a poté uvést servomotor do chodu. Pokud servozesilovač selže, například když je poškozena výkonová elektronka nebo je zesilovací faktor abnormální, dojde k nestabilnímu chodu servomotoru, což ovlivní přesnost obrábění. Může to například způsobit kolísání otáček motoru, což způsobí nerovnoměrný posuv nástroje během řezání, zvýší drsnost povrchu obráběného dílu a sníží rozměrovou přesnost. Měl by být zaveden dokonalý mechanismus pro detekci a opravu elektrických závad obráběcího stroje a profesionální elektrotechnický personál by měl být vybaven k včasné diagnostice a opravě závad elektrických součástí, jako je servozesilovač.
IV. Závěr
Existuje mnoho faktorů ovlivňujících rozměrovou přesnost obrábění obráběcích center. Faktory, kterým lze předejít, jako jsou obráběcí procesy, numerické výpočty v programování, řezné prvky a nastavení nástrojů, lze efektivně kontrolovat optimalizací procesních schémat, zlepšením úrovní programování, rozumným výběrem řezných parametrů a přesným nastavením nástrojů. Neodolatelné faktory, jako je deformace obrobku při chlazení a stabilita samotného obráběcího stroje, sice nelze zcela eliminovat, ale jejich vliv na přesnost obrábění lze snížit použitím rozumných procesních opatření, jako je použití chladicí kapaliny, pravidelná údržba a detekce a opravy poruch obráběcího stroje. V reálném výrobním procesu by operátoři a techničtí manažeři obráběcích center měli těmto ovlivňujícím faktorům plně rozumět a přijímat cílená opatření k prevenci a kontrole, aby se neustále zlepšovala rozměrová přesnost obrábění obráběcích center, zajistilo se, že kvalita výrobků splňuje požadavky, a zvýšila se konkurenceschopnost podniků na trhu.
Existuje mnoho faktorů ovlivňujících rozměrovou přesnost obrábění obráběcích center. Faktory, kterým lze předejít, jako jsou obráběcí procesy, numerické výpočty v programování, řezné prvky a nastavení nástrojů, lze efektivně kontrolovat optimalizací procesních schémat, zlepšením úrovní programování, rozumným výběrem řezných parametrů a přesným nastavením nástrojů. Neodolatelné faktory, jako je deformace obrobku při chlazení a stabilita samotného obráběcího stroje, sice nelze zcela eliminovat, ale jejich vliv na přesnost obrábění lze snížit použitím rozumných procesních opatření, jako je použití chladicí kapaliny, pravidelná údržba a detekce a opravy poruch obráběcího stroje. V reálném výrobním procesu by operátoři a techničtí manažeři obráběcích center měli těmto ovlivňujícím faktorům plně rozumět a přijímat cílená opatření k prevenci a kontrole, aby se neustále zlepšovala rozměrová přesnost obrábění obráběcích center, zajistilo se, že kvalita výrobků splňuje požadavky, a zvýšila se konkurenceschopnost podniků na trhu.