PRELUCRARI PE MASINI UNELTE CU COMANDA NUMERICA

PRELUCRARI PE MASINI UNELTE CU COMANDA NUMERICA

Acest capitol va trata aspecte de baza privind exploatarea, functionarea si programarea masinilor unelte cu comanda numericǎ.

Problematica capitolului este foarte binevenita in cadrul acestei cǎrti deoarece consider cǎ este utilǎ cunoasterea in detaliu a problemelor legate de prelucrarea pe aceste masini atat pentru exploatarea propriu-zisa a acestora cat si pentru o mai usoarǎ intelegere a prelucrǎrilor asistate de calculator a MUCN, utilizand soft-uri performante. (CATIA, UNIGRAPHCS, etc.).

In cadrul capitolului se abordeaza notiuni privind: Componentele controlabile ale MUCN, functiile programabile ale MUCN, componentele sistemului de control si comanda, programarea geometrica si tehnologica precum si postprocesarea NC. Problematica este prezentata cu aplicabilitate pentru procedeele de prelucrare prin strunjire si frezare.

Privirea de ansamblu a problemelor, a indicatiilor de utilizare, fara a se neglija unele aspecte teoretice de baza, sunt asigurate prin tabele, schite si fotografii selective.

Aspectele prezentate au menirea de a familiariza cititorul cu elemente fundamentale privind programarea si exploatarea MUCN, astfel ca dupǎ parcurgerea capitolului acesta sǎ inteleagǎ functionarea si sǎ poatǎ realiza programarea si exploatarea MUCN.

Referirile ce se vor face pe intreg parcursul capitolului vor fi orientate pe doua dintre masinile cel mai des utilizate la prelucrarile cu comanda numerica si anume: strungul CNC si masina de frezat CNC. Intelegerea notiunilor prezentate vor face posibilǎ, prin analogie, intelegerea programǎrii si exploatǎrii si a altor masini dotate cu echipamente de comandǎ numericǎ din domeniul prelucrǎrilor prin aschiere, si nu numai.

1 Elemente de actionare si comanda controlabile CNC

ale MUCN

In cadrul acestui subcapitol se vor prezenta componentele masinilor unelte cu comanda numerica care sunt controlate de programe cu comanda numerica-NC si care este modul de functionare in general. Se vor aborda strungul CNC (figura 1) si masina de frezat CNC (figura 2).

Cunoasterea functiilor si elementelor programabile ale unei masini CNC sunt elemente ce trebuie cunoscute in detaliu de:

operatorul care lucreaza pe masina cu comanda numerica

programatorul ce realizeaza programul cod masina pentru prelucrarea piesei

tehnologul de sectie.

Acestia trebuie sa fie familiarizati cu tot ce se poate executa pe o astfel de masina precum si cu limitele intre care se poate opera.

In general componentele controlabile prin program NC ale MUCN sunt:

axele pe care se realizeaza avansurile;

lanturile cinematice de avans;

dispozitivele de masura si control

arborele principal al masinii unelte

dispozitivele de prindere a piesei;

magazii de scule si capete revolver;

axe de rotatie si axe aditionale de avans

In subcapitolele urmatoare se vor prezenta elementele de mai sus atat pentru strung cat si pentru masina de frezat.

1.1. SISTEME DE AXE DE AVANS PENTRU MUCN

Nu de putine ori in momentul in care dorim sa descriem performanta unei masini unelte cu comanda numerica folosim expresia "este o masina foarte buna interpoleaza in 5 axe". Aceste axe nu sunt altceva decat directiile descrise de componentele de avans ale masinii, a mesei principale de lucru, a arborelui principal sau a capului port scule.

In cazul masinilor unelte conventionale, miscarile de avans de-a lungul axelor, sunt executate manual prin rotirea manetelor corespunzatoare sau prin lanturile cinematice de avans ale masinii. In aceasta situatie este posibila realizarea unor deplasari de-a lungul axelor respective sau compuse in cazul actionarii simultane a doua sau mai multe axe.

In cazul masinilor unelte cu comanda numerica deplasarile respective de avans se realizeaza comandate prin program NC.

Orice masina CNC este dotata cu un numar mai mic sau mai mare de axe de avans care fac posibila prelucrarea automata a semifabricatului.

Masinile-unelte cu comanda numerica au in general sisteme de referinta diferite de cele ale masinilor-unelte clasice. Standardele existente in domeniu precizeaza ca axa Z este axa arborelui principal. Pe aceasta, sensul pozitiv este dat de cresterea distantei dintre semifabricat si scula, sistemul de coordonate fiind un sistem cartezian, rectangular, de sens direct, care respecta regula mainii drepte.

In general masinile cu comanda numerica folosite la repere de complexitate medie au in mod obisnuit trei axe identificate cu literele: X, Y, Z in cazul masinilor de frezat in timp ce masinile de strunjit au doua axe X, Z.

La strunjire (figura 3) axa Z este axa arborelui principal, miscarea in directie longitudinala fiind realizata de intreg ansamblul cap revolver si suport portscule. Axa X asigura deplasarea transversala a capului revolver ghidat pe suportul portscule. In aceasta configuratie este posibila generarea de miscari pe cele doua axe, pe o directie unghiulara compusa, sau de interpolare circulara rezultand astfel conturul de revolutie al reperelor dorite.

In cazul masinilor de frezat (figura 5) acestea dispun de trei axe controlabile NC: X, Y si Z. Doua dintre acestea sunt in general activate prin deplasarea mesei masinii (X si Z) iar cea de a treia e reprezentata de deplasarea consolei arborelui principal al masini. In situatia in care masina de frezat are o masa fixa, consola arborelui principal va executa miscarile pe toate cele trei axe.

Masinile cu comanda numerica utilizate la prelucrarea unor repere de complexitate mare au in mod frecvent mai multe axe. De asemenea chiar daca in mod generic se afirma ca strungurile MUCN au doar douǎ axe programabile X si Z variantele moderne la care sania capului revolver se poate deplasa pe un ghidaj inclinat prin compuneri de axe pot rezulta deplasǎri si pe axa Y. Asupra acestui aspect se va reveni in ultimul subcapitol din acest capitol.

1.2. LANTURILE CINEMATICE DE AVANS ALE MUCN

Asa cum s-a putut observa in subcapitolul anterior deplasarea sculei relativ la piesa in vederea realizarii conturului impus de realizarea reperului este generata prin miscari consecutive sau simultane ale axelor de miscare.

Deplasare scula

Axa de miscare

Axa de miscare

Axa de miscare

Astfel in exemplu din figura 6 se impune realizarea unei frezari oblice fata de axele de miscare X si Y. Pentru aceasta este necesara realizarea unei compuneri a miscarilor pe cele doua directii in functie de unghiul inclinarii si de o miscare pe directia Z cu care se realizeaza adancimea de aschiere impusa.

Toate aceste miscarii sunt posibile datorita lanturilor cinematice ale masinilor unelte cu comanda numerica. Acestea genereaza miscari de translatie care deplaseaza fie reperul de prelucrat relativ la scula, fie sculele relativ la reper realizand astfel prelucrarea.

Inima dispozitivului de avans la CNC-uri este surubul cu bile recirculante. Acesta consta intr-un surub supus unor constrangeri, prin care nu poate executa decat miscare de rotatie si o piulita care poate executa o miscare de translatie. In momentul in care motorul roteste surubul, piulita se deplaseaza longitudinal glisand sania impreuna cu masa de lucru de-a lungul ghidajelor.(fig.2.7)

Piulita cu bile recirculante contine un sistem de bile care asigura o transmitere cu frictiune mica de la surub la sanie. Cele doua jumatati ale piulitei sunt incarcate una in raport cu cealalta, astfel incat mersul in gol este redus la minim si sania realizeaza o alunecare lina .

Pentru a asigura deteriorari minime ale mecanismului de avans in cazul unor ciocniri/coliziuni neintentionate, dispozitivul de avans poate fi cuplat la un ambreiaj cu alunecare. Cand acest tip de dispozitiv este incorporat, dispozitivul de avans se opreste instantaneu in momentul in care sania intalneste obstacole neprevazute.

Pentru actionarea lanturilor cinematice de avans sunt folosite motoare de tip DC care pot fi controlate electronic. Avantajul unor astfel de motoare este acela ca pot transmite momente de torsiune in ambele directii.

3 DISPOZITIVELE DE MASURA SI CONTROL

Un element important al masinilor cu comanda numerica si care este strict necesar a fi comandat prin program NC este cel ce priveste pozitia saniei la un moment dat, de fapt masurarea cursei acestuia. Acest lucru se poate realiza in doua moduri: direct sau indirect.

Masurarea prin pozitionare directa implica existenta unei scale de masurare fixata de sanie sau de masa masinii. Impreciziile de la surubul conducator sau masa masinii nu influenteaza masurarea efectiva a rezultatelor deplasarii. Evaluatorul marimii de masurat culege optic informatii de pe scala de masurare si face conversia acestor informatii in semnale electrice trimise apoi la sistemul de control.

In cazul masurarii prin pozitionare indirecta marimea deplasarii saniei este evaluata relativ la rotatia surubului cu bile recirculante. Evaluatorul optic inregistreaza miscarea de rotatie prin intermediul unei scale pulsatorii conectata la surubul cu bile recirculante. Cunoscandu-se dependenta dintre miscarea de translatie a sanii si numarul de rotatii pulsatorii, sistemul de control calculeaza si comanda deplasarea saniei.

Asadar pentru o pozitionare precisa de-a lungul axelor de avans, lantul cinematic de avans este cuplat la un dispozitiv corespunzator de masurare. Fundamental asa cum s-a precizat mai sus astfel de dispozitive de masurare constau dintr-o scala si un evaluator capabil sa citeasca scala.

Este important de precizat ca in ce priveste tipul scalei trebuie facuta distinctia intre pozitionarea absoluta si cea incrementala. Acest element are efecte importante in ce priveste tipul de cotare a reperului ce urmeaza a fi prelucrat si chiar asupra modului de programare a informatiilor geometrice.

4 ARBORELE PRINCIPAL SI SISTEME DE PRINDERE A SEMIFABRICATULUI

1. Arborele principal al masini unelte

La fel ca si in cazul masinilor unelte clasice arborele principal este subansamblul care genereaza efectiv miscarea de rotatie a semifabricatului sau sculei, ce are ca efect realizarea aschierii. Dupa cum se cunoaste arborele principal genereaza:

rotatia semifabricatului in cazul strunjirii;

rotatia sculei la prelucrarile de gaurire si respectiv frezare;

Sursa de miscare a arborelui principal este motorul de actionare a masinii, care poate fi un motor de tip AC sau respectiv DC.

In cazul motorului de tip AC selectarea turatiei arborelui se realizeaza prin intermediul unei cutii de viteze, numarul treptelor de turatie fiind dependent de tipul acesteia. Acest tip de motor este mai rar intalnit in cazul masinilor cu comanda numerica.

In cele mai multe cazuri arborele principal la masinile unelte CNC este condus de motoare de tip DC. Particularitatea foarte importanta a acestor motoare este ca prin intermediul unui tahogenerator pot realiza o variatie continua a turatiei la arborele principal, ceea ce permite programarea exacta a turatiei de prelucrare precum si schimbarea acesteia in concordanta cu regimul de aschiere impus de prelucrari . Pentru a obtine cele mai favorabile momente de torsiune precum si pentru realizarea unei game extinse de turatii posibile, motoarele DC au in mod frecvent incorporata o reductie a transmisiei de la doua la patru nivele.

Atat masinile de strunjit cu CN cat si cele de frezat (figurile 12, 13) miscarea de rotatie se transmite de la motorul DC prin intermediul unei transmisii prin curele la tahogenerator, care asigurand turatia ceruta de program o transmite mai departe la arborele principal. In cazul masinilor de frezat transmisia are in plus un angrenaj conic cu rol de schimbare a directiei de miscare.

Un element important al arborelui principal este asa numita suprafata frontala a acestuia. Aceasta este importanta atat din punct de vedere al operatorului care trebuie sa orienteze si sa fixeze semifabricatul sau scula relativ la aceasta suprafata cat si din punct de vedere al programatorului care trebuie sa tina seama de aceasta pozitionare.

2 Sisteme de prindere a semifabricatului

In cadrul acestui paragraf se vor trata principalele tipuri de orientare si fixare a semifabricatelor utilizate pe masinile unelte CNC.

In cazul masinilor CNC ca si in cazul celor clasice rolul dispozitivului de prindere a semifabricatului este sa asigure orientarea si fixarea acestuia de masa masinii in cazul prelucrarilor prin frezare sau in axa arborelui principal in cazul strunjirilor.

Cum poate fi controlat dispozitivului de prindere a semifabricatului prin program?

Numarul functiilor controlabile prin program relativ la dispozitivul de prindere, depinde in primul rand de modul in care piesa este introdusa in dispozitiv (manual sau automat) precum si de complexitatea sistemului de prindere.

La prelucrarile prin strunjire (figura 14), bacurile universalului se pot deschide si inchide din programul CNC-ului si este posibila setarea diferitelor presiuni de strangere.

Ax pinola

Alegerea presiunii de prindere depinde evident de turatia arborelui. Astfel turatiile mari necesita presiuni de strangere mari. Pentru ca de regula CNC-urile lucreaza cu turatii diferite de la o faza la cealalta a prelucrarii si in general acestea sunt mari, presiunile de strangere nu pot fi marite corespunzator deoarece este posibila deteriorarea piesei. S-a gasit solutia utilizarii universalului cu compensare de forta centrifugala. Acesta este astfel proiectat incat fortele de prindere generate hidraulic asupra falcilor raman constante indiferent de turatia arborelui.

Ax pinola

Exista situatii, in care rigiditatea semifabricatului o impune, sa se utilizeze la strunjire, pinola si respectiv lineta (figura 15). Pentru pinola se pot programa urmatoarele functii: pozitionarea pinolei, deplasarea pinolei inainte si inapoi. La utilizare linetei se pot programa: deschiderea si inchiderea acesteia; translatia si respectiv rotatia intr-o pozitie data; retragerea.

La masinile de frezat (figura 15) problema fortelor de fixare nu este critica, gradele de libertate fiind mai bine preluate prin orientare. Ceea ce este important orientarea si fixarea pe aceste masini este pozitionarea rapida si corecta a piesei pe masa in raport cu punctul zero al masinii.

Uneori se folosesc si dispozitive specializate care constau in subansamble ce permit prelucrarea completa a tuturor suprafetelor fara a mai fi necesara reprinderea piesei.

O alta automatizare importanta este si echiparea masinii cu doua mese indexabile care vor indexa alternativ in pozitia de lucru fiind comandate din programul CMC. Se asigura astfel orientarea si fixarea semifabricatului chiar in timpul prelucrarii

3. Capete revolver. Magazii de scule

La prelucrarea reperelor pe NC-uri se executa aproape intotdeauna mai multe faze active de aschiere efective. Aceste faze sunt executate dintr-o singura prindere si astfel devine necesara angajarea a mai multe scule diferite in procesul de prelucrare. Deci, utilizarea mai multor scule implica existenta unor posibilitati de schimbarea a acestora. Cea mai frecvent utilizata metodǎ in cazul strungurilor CNC si a centrelor de prelucrare este utilizarea unui schimbator automat de scule, comandat de programul NC, care poate lucra cu diferite scule, in functie de necesitatile tehnologice pe care reperul le reclama.

Schimbatorul automat de scule poate fi de tip :

cap revolver (figura 2. 18);

magazie de scule (figura 2. 19);

Capul revolver se foloseste la strungurile CNC. Programul NC provoaca rotatia capului revolver pana cand scula necesara fazei respective se aseaza in pozitie de lucru. Un element important in constructia capetelor revolver il constituie prezenta sau absenta "directionarii logice".

Capul revolver fara directionare logica (figura 2. 20) permite indexarea sculelor doar intr-un singur sens (in general antiorar) iar sculele vin in pozitie de lucru, secvential una dupa cealalta, conform programului.

In cazul magaziei de scule controlata prin program NC, schimbatorul de scule este o parghie dubla cu gheara care preia scula montata pe arborele principal si o repune in magazie dupa care ia scula urmatoare din magazie si o aduce la arborele principal. Operatia este comandata prin program si dureaza cateva secunde.

4 Axe de rotatie si axe aditionale de avans

Masinile unelte CNC performante au pe langa cele trei axe implicite X,Y,Z si alte axe de avans de translatie suplimentare, precum si axe de avans de rotatie.

Miscarile de rotatie se noteaza cu A, B, C si se pot asocia axelor de translatie X, Y, Z. In conditiile in care orientarea axelor X, Y, Z se face respectand regula mainii drepte sensul axelor de rotatie A, B, C se face conform regulii din figura 22.

De asemenea pe langa axele de translatie principale X,Y,Z, pot exista directii de avans secundare U,V,W sau tertiare, P,Q,R, paralele sau in plane paralele cu primele. Similar, in afara miscarilor de rotatie A, B,C pot exista si alte miscari de rotatie secundare notate cu D sau E.

Miscarile de rotatie programabile cel mai frecvent intalnite sunt in jurul axelor Y si Z deci notate cu B si respectiv C. Acestea sunt concretizate fizic (figura 23) prin rotatia mesei de lucru (axa C) si rotatia consolei arborelui principal (axa B). Astfel reperul poate fi prelucrat din mai multe directii si cu diferite unghiuri de abordare. Axele care controleaza rotatiile mesei si ale capului arborelui sunt independente de axele de translatie.

Centrele de prelucrare au in general pe langa cele trei axe de baza cele doua axe de rotatie descrise mai sus. In plus, acestea mai pot avea o axa secundara miscarii Z deci notata cu W. Miscarea este de translatie si are loc intr-un plan paralel cu al axei Z pe o directia momentana data de pozitia arborelui principal ca urmare a rotatiei pe axa B. Axa secundara W pe directia de avans poate fi utilizata la operatii cu un regim de aschiere mai usor (figura 24).

Miscarile secundare sau de rotatie pot fi suprapuse peste miscarile axelor principale X, Y, Z sau pot fi controlate doar cand miscarile pe aceste axe sunt in repaus.

Daca mai sus s-a facut referire la masinile de frezat cu mai mult de trei axe si in cazul masinilor de strunjit exista situatii cand acestea au mai mult decat cele doua axe X si Z.

O astfel de situatie este atunci cand strungul este echipat cu doua sau mai multe capete revolver, cu posibilitatea indexarii acestora si posibilitatea prelucrarii cu fiecare dintre acestea. Cum capetele revolver sunt controlate in mod independent unul fata de celalalt, axele corespunzatoare sunt de asemenea independente. Apar deci pe langa axele de miscare X si Z miscarile secundare paralele cu primele U si respectiv W (figura 25).

O situatie asemanatoare se realizeaza in cazul strungurilor verticale cu patru axe controlabile (figura 26).

Problema axelor de rotatie in cazul strungurilor CNC devine interesanta doar daca unghiul de rotatie al axei Z a arborelui poate si intereseaza sa fie controlat prin program.

De asemenea chiar daca in mod generic se afirma ca strungurile MUCN au doar douǎ axe programabile X si Z variantele moderne la care sania capului revolver se poate deplasa pe un ghidaj inclinat, prin compuneri de axe pot rezulta deplasǎri si pe axa Y.

In cazul clasic este controlata prin program doar rotatia si turatia arborelui principal, rotatie care nu este in acest caz considerata axa controlabila. Axa poate fi considerata controlabila daca in mod optional si arbitrar poate fi obtinuta pozitia sa de repaus. Variantele moderne permit opriri si indexari ale capului revolver prin program NC.

5 Scule si portscule controlabile CNC

In cadrul acestui modul se vor trata atat sculele de strunjire cat si de frezare utilizate urmarindu-se elemente legate de: tipul sculei, tipul portsculei, tipuri de placute cu carburi metalice folosite, locasuri pentru placuta si dimensiunile sculei. (figurile 27 si 28).

Un element important in exploatarea sculelor aschietoare pe MUCN il reprezinta portsculele. Deoarece in principiu masinile unelte cu comanda numerica utilizeaza, asa cum s-a precizat anterior, un numar mare de scule, existand mai multe faze active in cadrul aceleasi operatii, portsculele sunt cele care asigura orientarea si fixarea unor scule diferite in alezaje respectiv locasuri identice din arborele principal, capul revolver sau magazia de scule. De aceea portsculele trebuie sa fie tipizate si standardizate.

Portsculele trebuie sa coincida atat din punct de vedere al dimensiunilor cat si al formei cu alezajele si locasurilor de pe masina CNC pe care se monteaza.

In figura 29 este prezentata o port-scula (partea mai inchisa) pentru masinile de frezat cu o coada de scula standardizata. Port-sculele de acest tip sunt recomandate pentru schimbari rapide de scule intre operatii individuale. Pe aceasta portscula se pot monta freze de diferite diametre si lungimi, burghie, etc.

In figura 30 este prezentata o port-scula (partea mai inchisa) pentru strunjit, cu o coada de dimensiuni standardizate. Astfel de port-scule asigura intotdeauna o pozitie relativa a muchiei taietoare fata de capul revolver. In locasul portsculei se pot monta diferite cutite de strung: de degrosat, de finisat, pe dreapta, pe stanga, de colt, etc.

Deoarece la prelucrarile pe CNC-uri vitezele de prelucrare sunt in general mari, masinile sunt echipate cu sisteme de racire, lubrifiere si o mai buna indepartare a aschiilor.

Un alt aspect important in ce priveste utilizarea sculelor pe MUCN este aspectul dimensional al acestora. Dupa cum se poate observa in figura 31 la scule cu lungimi diferite de incastrare ale cozii in port-scula pentru obtinerea unui contur identic traiectoria sculei se afla la distante diferite fata de profilul prelucrat al piesei.

Pentru a ne asigura de precizia prelucrarii reperelor pe masinile CNC, sistemul de control trebuie sa cunoasca dimensiunile sculei precum si pozitionarea relativa a acestora.

Dimensiunile sculei se raporteaza la un punct fix numit punct de referinta al sculei. Acest punct este cunoscut de echipamentul CNC al masinii unelte. (Fig. 32 si 33).

Principalele dimensiuni care caracterizeaza sculele utilizate la prelucrarile pe MUCN sunt:

pentru frezare, sunt : L-lungimea frezei care este distanta de la punctul de referinta la suprafata aschietoare a acesteia si R-raza frezei (figura 32);

- pentru strunjire dimensiunile cutitului de strunjit sunt: L-lungimea dintre punctul de referinta si varful placutei masurata in directie longitudinala si Q- lungimea dintre punctul de referinta si varful placutei masurata in directie transversala (figura 33).

La prelucrarea pe MUCN dimensiunile sculei pe CNC se poate face in doua moduri diferite:

1.Prin "metoda aschiei de proba

Reglarea dimensionala se va face prin aducerea in contact cu semifabricatul a fiecarei scule si retinerea pozitiei de contact pe cele trei sau doua axe. Se poate realiza si o prelucrare de proba, dupa care se supune reperul operatiilor de control.

2.Cu echipament de prereglare (extern sau incorporat)

Un astfel de echipament masoara pozitia relativa a muchiei aschietoare a sculei relativ la punctul de referinta al portsculei.

In cazul prereglarii externe se cauta stabilirea coincidentei intre punctul de referinta setat si cel existent pe CNC. Dimensiunile sculei se vor stabili optic sau mecanic si vor fi urmatoarele date de intrare pentru reglaj.

La prereglarea optica scula se introduce in locasul in care se va monta si apoi este miscata pana cand varful sculei este situat la intersectia liniilor echipamentului de masura. Dimensiunile sculei sunt apoi trimise automat sistemului de reglaj.