Seminarski rad

1. Uvod u HSM (High Speed Machining)Visokobrzinsko glodanje ili HSM (High Speed Machining) predstavlja nezaobilaznu alatku u 21.veku. Prve teorije i definicije je postavio Carl Salomon jo 1931 god. a prva interesovanja za proizvodni sektor je zapoeto 1979 god. u SAD-u, gde se dolo do zakljuka da ako poveavamo brzinu rezanja od 5-10 puta (u zavisnosti od materijala rezanja) temperatura opada i ako i dalje poveavamo brzinu rezanja. Istraivanja su bila usmerena na struganje i glodanje aluminijuma i legura na bazi nikla, legura na bazi titanijuma i legura gvoa (slika 1.1.).

Slika 1.1. Temperatura rezanja kao rezultat brzine rezanja I ako su teorijske osnove osnovane jo pre 30 god. primena visokobrzinskih obrada jo nije bila mogua da se primeni u praksi, pre svega zbog: zahtevanih maina alatki (drugaiji koncept maine alatke): 1. maksimalni broj obrtaja glavnog vretena maine ( 2. veliko ubrzanje kako glavnog tako i pomonog kretanja 3. odlaganje strugotine, itd... materijali reznih alata koji e izdrati visoke reime obrade nedostatka visoko razvijenih raunara specijalni CAM softveri koji e omoguiti nova kretanja alata )

1

Seminarski rad Danas i ako je tehnologija znatno napredovala sloboda u primeni HSM-a jo nije mogua u potpunosti, te se u praksi HSM najvie koristi kod [3][4][5][6]: industrije izrade automobilskih, raunarskih, medicinskih i drugih komponenti od aluminijuma izradi komponenata za avio-industiriju, gde se najvie radi sa aluminijumom pogotovo kod komponenata koji imaju tanke zidove izrade alata za: a) livenje b) plastino deformisanje c) injekciono brizganje plastike (brizganje pod pritiskom) d) elektroerozivnu obradu (EDM) e) sve vrste prototype-inga

Najiru primenu ima HSM pri glodanju a u daljem tekstu bie vie rei o izradi kalupa za injekciono brizganje plastike.

2. Maine i njihova problematika za izradu alata za injekciono brizganje plastikeKako bi bilo mogue primeniti HSM moralo se prei na sasvim novi koncept maine alatke. Projektanti ovih maina su bili svesni da konvencionalnim projektovanjem pojedinih elemenata maine a i maine u celini nee biti dovoljno za postizanje eljenih performansi koje zahteva HSM, te se u tom smislu moralo prei na savremene alate projektovanja maina kao to je to projektovanje pomou metoda konanih elemenata. Svaka HSM maina alatka je morala da

Slika 2. Dv700 maina alatka za HSM glodanje (15000rpm, 11kW, 20 m/min,...)2

Seminarski rad ispuni zahteve kao to su: velika krutost veliki broj obrtaja g.v. maine ( ubrzanje pokretnih elemenata maine je moralo biti veliko brzina radnog hoda u opsegu 40-60 m/min a brzog hoda 90 m/min snaga maine zaustavljanje g.v. maine 1-20 ms efikasno odlaganje strugotine itd

Glavno vreteno je najkritiniji deo maine i na nju se obraa posebna panja. Na nju se dalje nastavlja dra alata i alat. Za postizanje odgovarajueg broja obrtaja i visoke preciznosti mora se posebna panja posvetiti ovom elementom, koji je najvie osetljiv jer stvara vibracije, i na slici 3. je prikazana zavisnost izmedju broja obrtaja, vibracije i strogoi kod balansiranja draa alata. Sa dijagrama se vidi da za glodalo (ENDMILL) pri obrtaju od 20 000 nije potrebno vee balansiranje od 20 a za vee brojve obrataja zadovoljavajue je 5 .

Slika 3. Balans, vibracije i brojevi obrtaja (podaci merodavni za leajeve) Treba istai da se ove maine projektuju radi produktivnosti (profita), ali sa druge strane one moraju biti projektovane kako bi zadovoljile tanost i kvalitet izrade radnog predmeta, to je i najvei izazov za projektante ovih vrsta maine.

3

Seminarski rad

Slika 4. Primena modalne analize kod HSM glodalice UGV H1350 u programskom paketu ANSYS [2] Savremene maine alatke su danas sastavljeni od modula, kao to su obrtni sto, bar magacin, magacin alata, magacin delova, laserski sistem merenja nule, dinamometar za dijagnostiku sile rezanja, senzori za frekfrenciju, akustine senzore, itd, a povezivanje u radnu celinu se vri pomou glavnog raunara na maini koji mora biti savren, u smislu da je opremljen sa softverima baziranim na NN (Neutral Network), GA (Genetic Algorithm), GP, Genetic Programming), LAF (Look Ahead Function) koji e pratiti proces skidanja materijala i korigovati parametre obrade u realnom vremenu.

3. Nove strategije skidanja materijala i softveri za njihovo ostvarivanjeU cilju postizanja maksimalne proizvodnosti inenjeri su otkrili nove strategije rezanja materijala ime su pored proizvodnosti, poveali postojanost alata, smanjili temperaturu rezanja, sile rezanja itd. Danas postoji veliki broj maina koji omoguavaju izvoenje novih kretanja putanje alata koji se direktno na maini zadaju, dok postoji mali broj CAD/CAM programskih paketa koji omoguavaju realizaciju ovih kretanja na CNC mainama. Neke od strategija su: trochoidal epicicloidal circular (kruna strategija) peel spiralna vortex strategija4

Seminarski rad

Trochoidal strategija

Vortex strategija

Peel strategija

Circural kruna strategija

Slika 5. Strategije rezanja materijala kod visokobrzinskih obrada Primer za izuavanje je eng. circural (circle) ili kruna strategija, gde e biti pokazane glavne prednosti jedne savremene strategije rezanja alata za injekciono brizganje plastike u cilju poveanja postojanosti alata i produktivnosti. Zanimljiva pojava nekih strategija je da se aksijalna dubina rezanja moe poveati od 10 do 20 puta. Dubina rezanja kod HSM-a je a kod primene novih strategija dubina rezanja je ( je prenik alata). Toplota koja se stvara prilikom rezanja, odlazi u strugotinu (99%) dok alat ostaje hladan[7].

Slika 6. Dijagram sile rezanja i vreme kontakta izmeu alata i radnog predmeta kod krune strategije Jedno pitanje se postavlja...Kojim radijusom u x-y ravni treba ii, odnosno koji radijus krunice putanje alata e imati najveu postojanost, najmanje sile rezanja, vreme obrade? U tom cilju5

Seminarski rad uraen je jedan eksperiment sa dva parametra, radijus krunice R i ugao , koje su se varirali, ispitivala su se dva sluaja. Jedan je kada je i a drugi sluaj kada je i [7]. Rezultati eksperimenta su prikazani na slici 7.

Slika 7. Eksperimentalni rezultati kod krune strategije menjajui parametre i i Na slici 7. su prikazani rezultati pri reimima obrade: broj obrtaja , dubinom rezanja , prenikom glodala obradka: UNE F1250 (42 HRC). Rezultati su sumirani u tabeli 1. Radijus krune strategije Vremenski kontakt Radijalna sila (N): Tangentna sila (N): Moment (Nm): Utroena snaga vretena (kW) Zapremina skidanja materijala Zakljuci:

i

, pomakom i materijalom

0.2 sec 570 200 1 1

Sluaj : Usijana hladan, zanemarljivo habanje alata Sluaj : Brzo oteenje alata, veliko oteenje rezne ivice alata

0.5 sec 450 80 0.4 0.4 u oba sluaja strugotina, alat je

Tabela 1. Sumirani eksperimentalni rezultati U prethodnom eksperimentu prioritet nam je bila maksimalna postojanost alata, pri emu se dolazi do zakljuka da je sluaj sa i bolji, s obzirom da se ista koliina strugotine skine ali pri znatno manjem vremenu kontakta alata sa radnim predmetom. Zakljuak pri izboru ovih parametara jeste da je vrednost radijusa krune strategije treba da je neto manji6

Seminarski rad od . Za smanjenje vremena kontakta ovaj radijus treba jo smanjiti i vrednost radijusa ne sme biti vea od U sledeem primeru bie izvrena uporedna analiza konvencionalne putanje skidanja materijala i skidanje materijala generisane putanje alata krunom strategijom. Slika 8a. Kruna strategija skidanja materijala Slika 8b. Konvencionalna putanja alata

USLOVI , , , , irina ljeba = 16mm, duina ljeba = 100mm i materijalom obradka: UNE F1250 (42 HRC) Vremenski kontakt 0.3 sec Vremenski kontakt 0.4 sec Vreme po jednom krugu 0.8 sec Vreme povratnog hoda (free Feed) 1.2 sec Ukupno vreme obrade 26 sec Ukupno vreme obrade 64 sec

Slika 8b. Dijagram sile rezanja kod krune strategije

Slika 9b. Dijagram sile rezanja kod konvencionalne putanje alata

Iz prethodnog primera se vidi da pri istoj zapremini skidanja materijala[7]: Ukupno vreme obrade kod krune strategije je do 2.5 puta krae u odnosu na konvencionalno vreme obrade Vremenski kontakt je pri kruno strategiji 0.3 sec dok je kod konvencionalne 0.4 sec to ukazuje na veu postojanost alata u korist krune strategije Manje sile rezanja materijala

7

Seminarski rad Jo jedna vrsta putanje alata koja e se ovde razmatrati je trochoidal strategija i njene glavne karakteristike i prednosti. Slika 10. pokazuje dijagram gde se pokazuje u kom vremenu alata skine odreenu koliinu strugotine u zahvatu konvencionalnog eonog glodanja[8].

Slika 10. Dijagram koliine skidanja materijala u odreenom vremenu rezanja kod konvencionalnog eonog glodanja Za razliku od prvog dijagrama u sledeem e biti prikazan dijagram koji ima ustaljen reim skidanja materijala ali pri trochoidal strategiji.

Slika 10. Dijagram koliine skidanja materijala u odreenom vremenu rezanja pri trochoidal strategiji8

Seminarski rad Iz prethodnih dijagrama se pokazuje da je trochoidal strategija bolja od konvencionalnog eonog glodanja, jer eliminie mogunost pucanja alata time to pravi ulaznu petlju za svaki prolaz, smanjuje silu rezanja i poveava zapreminu skidanja materijala. I ako se ove putanje alata ine komplikovanim njihovu realizaciju je mogue lako ostvariti pomou savremenih CAM softvera. Neki od softvera koji ovo omoguuju su: EUKLID WORK NC UNIGRAPHICS POWER MILL HIPER MILL

Slika 11. Zadata trajektorija i generisana putanja alata uz pomo savremenih CAM softvera Kao to se u prethodnom tekstu vidi da je za brzu i efikasnu izradu alata za brizganje plastike a i drugih alata uopte neophodno korienje savremenih strategija rezanja kao i za postizanje maksimalne postojanosti alata koji ga izrauje ime se postiu maksimalni ekonomski efekti proizvodnje.

4. Materijali reznih alata i preporueni parametri reima obradeMaterijal reznog alata kao i reimi obrade imaju najvaniji uticaj na hrapavost obraene povrine radnog dela. Najvie primenjivani materijali reznog alata je CBN, PCBN,PCD ali i tvrdi metali sa prevlakom od: TiN, TiCN, TiAlN[8]. Neki alati i njihova postojanost je prikazana na slici 12.

Slika 12. Postojanost alata u zavisnosti od brzine rezanja i materijala alata9

Seminarski rad Neki od parametara visokobrzinskih obrada prikazano je u sledeim tabelama[1]. Vretenasta glodala, burgije (TM, TM sa prevlakom, PCD, keramika) Konven. brzina HSM brzina rezanja [m/min] rez. [m/min] >305 (WC, >3050 (WC, PCD) PCD) 152 107 76 107 24 38 46 366 244 244 152 122 61 76 eona glodala (TM, keramika, sialon, CBN, PCD) Konven. brzina rezanja [m/min] >610 366 244 213 152 30(WC) 91 (CBN, keramika) 46 84 (WC) 213 (sialon) HSM brzina rez. [m/min] >3658 (WC, PCD) 1219 (sialon, keramika) 914 (keramika) 366 274 46 (WC) 183 (CBN, keramika) 91 366 (sialon, keramika)

Materijal obradka Aluminijum Liveno gvoe mek rastegljiv legure elik nerajui tvrdoe 65 HRC Titanijum Super legure

Tabela 2. Parametri brzine rezanja pri razliitim materijalima obradka

Materijal* Tvrdoa Konvencionalni HSM R Steel 01.2 150 HB 400 Steel 02.1/2 330 HB 250 Steel 03.11 300 HB 200 Steel 03.11 39-48 HRC 150 Steel 04 48-58 HRC 100 GCI 08.1 180 HB 500 Aluminijum 60-75 HB 2000 Non-ferr. 100 HB 1000 * Oznaka materijala prema Coromant Klasifikaciju Materijala (CMC)

HSM F