Nowoczesne metody

kształtowania ubytkowego

części maszyn i narzędzi

Jan Szadkowski

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

Części maszyn, aparatury pomiarowej i medycznej oraz innych

precyzyjnych produktów są kształtowane metodami:

- bezubytkowymi (odlewanie, spiekanie, obróbka plastyczna);
- ubytkowymi (obróbka skrawaniem – wiórowa i ścierna, obróbka

erozyjna, metody hybrydowe);

- przyrostowymi (szybkie wytwarzanie prototypów i narzędzi).

W referacie omawiane są wybrane zagadnienia współczesnej
obróbki ubytkowej, ze względu na jej szczególnie szerokie
rozpowszechnienie, zwłaszcza w zakresie końcowej obróbki
części. Obok obróbki skrawaniem (kiedy powstają mniej
(obróbka ścierna – ścieranie) lub bardziej widoczne wióry
(obróbka

wiórowa)),

charakteryzującej

się

znaczną

uniwersalnością i dokładnością rozwinęły się metody erozyjne (w
których materiał obrabiany jest usuwany w postaci atomów,
drobnych i bardzo drobnych odprysków oraz wykruszeń):

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

- obróbka elektroerozyjna (EDM – elektro discharge machining);
- obróbka elektrochemiczna (ECM – electro chemical machining);
- obróbka strumieniowo-erozyjna, występująca w licznych
odmianach, jako:
- o. laserowa (LBM – laser beam machining),
- o. elektronowa (EBM- elektron b.m.),
- o. jonowa (IBM – ion b.m.),
- o. plazmowa (PBM – plasma b.m.),
- o. fotonowa z wykorzystaniem promieniowania słonecznego
(SBM – solar b.m.),
- o. strumieniem wody o dużym ciśnieniu:

- strugą czystej wody (WJM – water jet machining lub FJM

– fluid jet machining, jeżeli zostaje użyte inne medium
robocze (np. płynny azot)),

- strugą wodno-ścierną (AWJM – abrasive water jet
machining).

Obrabiarki EDM i ECM są budowane jako:

-drążarki, pracujące elektrodami kształtowymi, przy czym
sterowniki CNC oraz budowa tych obrabiarek umożliwiają
dodatkowe ruchy elektrod rozszerzające możliwości obróbkowe,

- wycinarki drutowe (zwłaszcza rozpowszechnione w technice EDM;
WEDM – wire elektro dischange machining),

- obrabiarki pracujące elektrodą uniwersalną (EDM-CNC, ECM-CNC),
w stosunku do tych metod używa się często terminu
„frezowanie”,
do tej grupy można też zaliczyć obrabiarki pracujące wirującą
tarczą
grafitową działające na zasadzie EDM i używane m.in. do
wytwarzania narzędzi diamentowych ( ten przypadek bywa
niesłusznie nazywany „szlifowaniem elektroerozyjnym” (EDG –
elektro-
discharge grinding)).
Metody erozyjne i hybrydowe są stosowane przede wszystkim do
materiałów,

których

obróbka

skrawaniem

jest

trudna,

nieekonomiczna, a czasem wręcz niemożliwa.

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

Metody hybrydowe obróbki ubytkowej obejmują rozległą i stale

powiększającą się grupę przypadków, w których łączy się różne metody. Na
tej zasadzie obróbka skrawaniem może być wspomagana :

-drganiami o częstotliwościach ultradźwiękowych,

-nagrzewaniem obszaru skrawanego wiązką laserową,
Metody obróbki ściernej (np. szlifowanie, gładzenie) są łączone z EDM

lub ECM), podobnie występują połączenia różnych metod erozyjnych. Jak
dotąd najczęściej spotyka się (lub też można liczyć na rozpowszechnienie)
takich metod jak:

-obróbka elektrochemiczno-ścierna (AECM – abrasive ECM),
także z wykorzystaniem elektrody uniwersalnej (AECM – CNC),

-obróbka elektrochemiczno-elektroerozyjna (ECDM),

-obróbka elektroerozyjno-ścierna (AEDM- abrasive EDM,

-obróbka elektrochemiczno-ultradźwiękowo-ścierna (AECM – US),

-obróbka elektroerozyjno-ultradźwiekowa (EDM –US),
W stosunku do metod obróbki erozyjnej oraz metod hybrydowych używa

się często terminu „niekonwencjonalne metody obróbki”. Dla zilustrowania
współczesnych metod obróbki ubytkowej będzie podany teraz szereg
przykładów:

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

1. Obróbka czopów korbowych na centrum tokarsko-frezarskim (R,

Stryczek, St. Płonka, J. Szadkowski: Tangent Face Milling of
Crankshafts Journals – Computer Aided Form Deviations Analysis,
Proc. of DMC 2005, Košice, s. PL 75-76)- rys. 1.1- 1.6.

Rys. 1.1. Sterowane numerycznie (komputerowo) osie
centrum tokarsko-frezarskiego Mill-Turn (WFL Millturn
Technologies GmbH, Austria).

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

Rys.1.2 . Ruchy posuwów w czasie frezowania czopa
korbowego.

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

Rys.1.3. Symulacja komputerowa powstawania odchyłki kształtu
czopa.

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

Rys. 1.4. Schemat powstawania odchyłki kształtu

czopa.

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

Rys. 1.5. Odchyłka kształtu czopa w zależności od średnicy
czopa
i posuwu stycznego freza, dla płytki skrawającej TPKR.

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

2. Obcinanie dziobu zatopionego okrętu podwodnego Kursk

(Bow of the Kursk cut with „diamond chain”, Industrial
Diamond Review 3/2002 s. 151-152) – rys. 2

Rys. 2. Schemat operacji obcinania dziobu okrętu “Kursk”.

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

3. Symbioza “wody i ognia” L. Mayor: Wenn sich Wasser
und Feuer verbünden – SMM Nr 45- 2003, s. 40 -42) – rys.
3.

Rys.3. Zasada działania „Laser-
Microjet“.

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

4. Obróbka laserowa bardzo krótkimi impulsami jest rozwijana
bardzo intensywnie; pod koniec XX w. uzyskiwano impulsy o długości
10 nanosekund, początek XXI przyniósł femtolasery.
Ogólne porównanie zastosowań wybranych rozwiązań urządzeń
laserowych przedstawia się następująco:

Typ lasera

Nd: YAG

Praca

normalnie

impulsowa

Nd: YAG

komutacja

dobroci

rezonatora

CPA

Ti: szafir

Długość impulsu

1 ms

100 ns

100 fs

Intensywność

(W/cm

)

Moc średnia (W)

100- 1000

100-1000

1 - 10

Jakość

powierzchni

obrobionej

niedobra

dobra

znakomita

Wydajność

wysoka

niska

Koszt

niski

średni

wysoki

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

Chirped pulse amplification technique. Na podstawie : J. Mejer,

K. Du., A. Gillner, D. Hoffmann, V.S. Kovalenko, T. Masuzawa, A.
Ostendorf, R. Poprawe, W. Schulz: Laser Machining by Short and
Ultrashort Pulses, State of the Art. and New Opportunities in the
Age of the Photons. Annals of the CIRP Vol. 51/2/2002

Obrabiarka Ultrasonic 20 HSC 20 linear (grupa DMG)

Obróbka zgrubna materiałów trudnoobrabialnych z
wykorzystaniem drgań ultradźwiękowych, frezowanie
HSC(obroty

wrzeciona

40000

min

-1

sterowanie

adaptacyjne, napędy liniowe, 5 osi.

6. Obrabiarka Ultrasonic 70 -5 (grupa DMG). Obróbka szkła
kwarcowego, węglika krzemu, płytki i maski dla przemysłu
półprzewodników,

struktury

filigranowe,

stosowanie

narzędzi o średnicach < 1 mm.

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

7. Obrabiarka Lasertec 40 (grupa DMG). Obróbka laserowa
3D, m.in. filigranowych części do żeliwnych form
wtryskowych, elektrod z SiC.
8.

Prędkości

obrotowe

moce

elektrowrzecion

współczesnych obrabiarek.GMN Paul Mueller Industrie
GmbH Co KG, Norymberga: do 180 000 min

-1

, do 150

kW, w najbliższej przyszłości do 250 000 min

-1

9.Struktury równoległe (kinematyki równoległe) w budowie
obrabiarek, robotów i roboto- obrabiarek (j. Szadkowski:
Roboto-obrabiarki o kinematyce szeregowej i równoległo-
szeregowej. Mat. 7 Konf. N.-T.”Wytwarzanie elementów
maszyn ze stopów metali o specjalnych właściwościach.
Zesz. Nauk. Polit. Rzeszowskiej, Mechanika z. 66, Rzeszów
2006, s. 225-228).

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

Tzw.

kinematyki

równoległe

znajdują

coraz

szersze

zastosowanie w budowie robotów i obrabiarek. Mechanizmy
Gough’a (1947r.) i Stewarta (1965r.) zostały w latach 90. XX w.
wykorzystane w budowie obrabiarek sterowanych w 6. osiach –
typu hexapodu lub hexaglide’u. Równocześnie rozwijały się
zastosowania tych mechanizmów w robotyce. Praktyka
przemysłowa wykazała przy tym zapotrzebowanie na
mechanizmy przestrzenne o mniej niż 6. stopniach swobody,
zwłaszcza na napędzane i sterowane równolegle platformy o 3.
stopniach swobody, stanowiące kompletne rozwiązanie lub też
uzupełniane

dodatkowymi

szeregowymi

mechanizmami

dodającymi dalsze stopnie swobody. Roboty przemysłowe mogą
bądź obsługiwać inne maszyny wytwórcze lub pomiarowe, bądź
też mogą wykonywać operacje obróbki, montażu lub inspekcji.
Stąd do grupy robotów wykonujących operacje obróbki bywa
stosowany termin roboto-obrabiarki (RO). Podkreśla on
zacieranie się różnic pomiędzy obrabiarkami i robotami,
szczególnie widoczne w zakresie kinematyk równoległych

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

RO mogą mieć budowę szeregową ( a więc typową dla starszych
generacji robotów), równoległą albo równoległo-szeregową. W
przypadku obróbki przedmiotów o złożonych kształtach i
wymagających obróbki wielostronnej RO powinna mieć 5-6 stopni
swobody, które mogą być uzyskane przez konstrukcję szeregową,
albo też – co jest często już dzisiaj spotykane – jest to platforma o
3. stopniach swobody uzupełniania dalszymi, szeregowymi
członami zapewniającymi dalsze stopnie swobody.
We współczesnym przemyśle maszynowym wykonuje się jeszcze
stale bardzo dużo operacji ręcznych, wspomaganych jedynie
narzędziami zmechanizowanymi. W przemyśle niemieckim istnieje
np. ok. 29.000 takich miejsc pracy, na których wykonuje się min.
operacje usuwania zadziorów i oczyszczania odlewów. Koszty
osobowe są wysokie, jakość pracy ulega znacznym wahaniom,
praca jest niebezpieczna i męcząca. Automatyzacja tych czynności
wymaga obróbki wieloosiowej i - często – sterowania
adaptacyjnego. Alternatywnym rozwiązaniem dla obrabiarek
wieloosiowych są tutaj roboty.

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

Podobne problemy decyzyjne powstają w przypadkach

zautomatyzowanej obróbki części o skomplikowanych
kształtach, wymagających wielu zabiegów obróbkowych i
wielostronnego pozycjonowania narzędzia w stosunku do
przedmiotu obrabianego. Także tutaj RO może stanowić
rozwiązanie tańsze.

Znaczne perspektywy zastosowania roboto-obrabiarek

stwarza przemysł samochodowy. Wykorzystanie robota o
kinematyce szeregowej jest tu uważane za rozwiązanie
konkurencyjne (tańsze) w porównaniu z użyciem obrabiarki
wieloosiowej. Zwracają uwagę zastosowanie np. w obróbce
bloków cylindrowych i felg (Audi), wsporników półosi i korpusów
skrzyni biegów (BMW)]. Dla części stalowych i żeliwnych
wchodzi w grę usuwanie zadziorów i oczyszczanie, dla części
ze stopów aluminium – także wiercenie i frezowanie

Nowoczesne metody kształtowania ubytkowego

części maszyn

i narzędzi

Schemat RO Tricept firmy Neos Robotics AB (Szwecja) o strukturze
równoległo-szeregowej jest pokazany na rys. 9.1. Zespół kinematyki
równoległej składa się z platformy stałej 1; platformy ruchomej 2;
trzech łańcuchów napędowych 3, 4 i 5; łańcucha biernego,
złożonego z centralnej kolumny 6 oraz par kinematycznych 7 i 8,
ujmującego platformie 2 trzy stopnie swobody; zespołu
pomiarowego DMS zawierającego enkoder 9 kolumny centralnej 6
oraz dwa enkodery 10 i 11 przegubu 8. Zespół kinematyki
szeregowej WMS obejmuje osie 4. i 5. i zawiera dwa enkodery. DMS
(Direct Measuring System) dostarcza dokładnych danych o
rzeczywistym położeniu platformy 2, a WMS (Wrist Measuring
System – o położeniu końcówki łańcucha szeregowego. Sterownik
Tricepta oblicza uchyby i koryguje położenia w osiach obrabiarki co
2. milisekundy. Wersja Tricept Module 805 ze sterownikiem Siemens
840 D (5 osi) osiąga powtarzalność pozycjonowania +- 10μm,
maksymalne przyspieszenie 2g i maksymalną prędkość 90 m/min.
Materiały firmowe Neos Robotics zawierają przykłady zastosowania
tej RO w przemyśle samochodowym.