Počítače, mobilní telefony, televizory, monitory
a mnoho dalších. To vše se skládá ze stále menších
nebo respektive tenčích komponentů. Proto se neustále
setkáváme s pojmem „menší“ nebo „tenčí“.
Výrobci elektrických zařízení, dále zdravotnický,
letecký, automobilový, telekomunikační a také
informační průmysl stále častěji poptávají součástky
na úrovni mikrokomponentů.
Tyto trendy současného výrobního průmyslu úkolují
výrobce strojů, nástrojů a vývojové týmy CAM
softwarů k možnostem výroby komponentů s vysokou
tvarovou, rozměrovou a geometrickou přesností
na mikroúrovni. Průkopníkem řešení problematiky
mikrofrézování je firma Cimatron, Ltd., která je také
dodavatelem CAD/CAM softwaru, určenému nejen
k této technologii obrábění.
Mikrofrézování, jak už název napovídá, je obrábění
technologií frézování velmi malými nástroji, což
nám umožní vyrábět součásti třískovým obráběním,
u kterých bychom museli dříve volit obrábění elektroerozivní.
POŽADAVKY TECHNOLOGIE
MIKROFREZOVANI NA SOUSTAVU STROJ,
NASTROJ A OBROBEK
Stroj pracující s více prvky souběžně je přesný tak,
jako jeho nejslabší část. Mikrofrézovací stroj vyžaduje,
aby jeho komponenty byly přizpůsobeny pro jednotlivé
požadované úkoly, které jsou méně rozšířené
než tradiční frézovací strategie.
Pro uplatnění technologie mikrofrézování je tedy
zapotřebí velmi přesných obráběcích strojů (Yasda,
Mori Seiki, Röders, Hwacheon aj.), které zajistí tuhost
soustavy stroj, nástroj a obrobek a jsou schopny
dosáhnout optimálních řezných podmínek pro požadované,
předem známé parametry.
Pojem mikrofrézování je všeobecně definován jako
obrábění v rozsahu od 2 mm do 1 ?m frézou (obr. 1),
s geometricky určitým břitem a s rozsahem průměru
nástroje od 0,01 do 2 mm. Při zvažování dalších
parametrů nástroje, jako je řezný materiál, geometrie
a povlakování, se s nástrojem opět dostáváme do rozsahu
mikrotechniky, neboť při výrobě mikronástrojů
je potřebný extrémně jemný základní materiál skládající
se z velikosti zrn od 0,2 do 0,5 ?m.
CNC TECHNOLOGIE
Díky pokroku v hardwaru i softwaru je dnešní CNC
ovládání velmi rychlé a výkonné.
V oblasti zpracování technologie obrábění mikrofrézováním
je důležité zdůraznit dva aspekty:
1) Pro neustále rostoucí počet funkcí, podporující
jak hrubovací, tak i dokončovací strategie, je důležité,
aby CAD/CAM systém obsahoval logicky
přehledné a uspořádané rozhraní. Důležitá je dostatečná
flexibilita pro výpočet nejsložitějších mikrodrah
nástroje, a aby proběhl výstup z jakéhokoli
CAD / CAM systému. Mikrofrézovací dráhy nástroje
mohou být velmi složité a mohou obsahovat tisíce
bloků informací.
2) Rychlost zpracování dat a řízení pohybu nástroje
se zpětnou vazbou jsou velmi důležité pro přesnou
aplikaci a optimalizaci mikrofrézování. Řízení musí
být schopno rychle zpracovat proces s vysokou
hustotou komplexních dat se současným příkazem
k přesnému osovému polohování a souřadnicovému
pohybu nástroje.
POŽADAVKY TECHNOLOGIE
MIKROFREZOVANI NA CAD/CAM SYSTEMY
Vysoká přesnost integrovaného CAD systému
v CAM aplikaci je v tomto případě velmi důležitá.
V oblasti technologie obrábění mikrofrézováním hraje
hlavní roli přesnost a kvalita geometrie. Dokonce
i malé mezery, přesahy nebo geometrické nepřesnosti
a nespojitosti mohou významně ovlivnit kvalitu obrobeného
povrchu. CAD/CAM systém by měl být
schopen načíst jakékoliv formáty souborů z jiných
CAD systémů k udržení integrity geometrie. Převod
dat mezi jednotlivými CAD a CAM systémy mohou
mít nepříznivý vliv na přesnost obrábění. Tyto
nepřesnosti nejsou v technologii mikrofrézování
zanedbatelné.
Integrovaný CAD/CAM eliminuje nutnost pro
převod dat a minimalizuje riziko vzniku nepřesnosti.
Software dále musí obsahovat vestavěný, vysoce
přesný algoritmus pro výpočet dráhy nástroje s tolerancí
až 0,01 ?m tak, aby splnil náročné požadavky
na kvalitu s ohledem na omezení použitého stroje.
Například by měl mít CAD/CAM systém techniku,
umožňující zaoblení hran pro vytvoření plynulé dráhy
nástroje, i za předpokladu, že použijeme nástroj
o průměru 0,1 mm s bočním krokem 0,005 mm nebo
menší.
OPTIMALNI STRATEGIE OBRABĚNI
CAM systém by měl podporovat obráběcí strategie,
optimalizované pro mikrofrézování, jako je udržování
konstantní tloušťky třísky čtvercového průřezu pro
hrubovací i dokončovací operace. Při hloubkách řezu,
které mohou být menší než 1 mm, jsou hrubovací
nástroje používané v mikrofrézování velmi citlivé
na zatížení a vibrace a mohou se snadno zlomit. Software
musí být schopen efektivně vypočítat hrubovací
trochoidální strategii s konstantním zatížením nástroje
při použití různých posuvů.
Velmi často se při mikfrofrézování používá dvou
a více frézovacích nástrojů různých průměrů a délek.
Pro vytvoření hladkých drah nástroje by měl software
podporovat při dokončovacích operacích použití více
nástrojů s různými otáčkami vřetena, posuvy a řeznými
parametry v jedné dokončovací operaci.
Při mikrofrézování dochází k ojedinělým strategiím
obrábění, jako je obrábění vysokých, tenkých žeber
nebo miniaturních částí. Tenká žebra jsou při hrubovací
operaci náchylná k vibracím, což může vést
také k poškození nebo ke zlomení povrchu obrobku.
V takových případech by měl CAM systém vytvářet
dráhy nástroje ve vrstvách v jedné sdružené operaci,
která je kombinací hrubovací a dokončovací operace.
KONTROLA POHYBU NASTROJE
Vhodně zvolená obráběcí strategie těsně souvisí
s kontrolou nástroje a jeho trvanlivostí. CAM software
by měl zaručit výběr inteligentních drah nástroje.
Dále by měl zaručit optimalizaci řezných a posuvových
rychlostí, které se týkají především problematiky
obrábění rohů.
Pohyb nástroje musí podporovat technologie obrábění,
jako jsou HSM (High Speed Machining), CBP
(Clean Between Passes) a CBL (Clean Between Layers).
Dále je důležitá znalost vhodného nastavení
rychlosti posuvu ke skutečnému zatížení nástroje,
odstranění pohybu nástroje mimo materiál (pohyb
vzduchem) a eliminace zbytečných pohybů - přejezdů
nástroje. Sledování držáku nástroje a vřetena
musí umožnit kontrolu ve všech obráběných oblastech.
Schopnost používat krátké vyložení frézovacích
nástrojů vede k eliminaci obrábění celého obrobku
s dlouhým vyložením nástroje, což nám zabrání vzniku
vibrací nástroje.
PODPORA PĚTIOSEHO FREZOVANI
Nejlepší kvalitu povrchu lze získat efektivním náklonem
nástroje, a to především kónickými nebo kulovými
stopkovými frézami. Rostoucí počet mikrofrézovacích
aplikací vyžaduje víceosé obrábění, jako
je například obrábění miniaturních oběžných kol. Pětiosé
mikrofrézovací stroje umožňují využití malých
nástrojů s možností naklápění, které vedou k vyšší
kvalitě povrchu a současně eliminují potřebu více nástrojů.
V porovnání s běžnými, pětiosými aplikacemi,
mikrofrézovací aplikace vyžadují větší flexibilitu při
řízení náklonu nástroje.
CAD/CAM SOFTWARE CIMATRONE
Izraelská firma Cimatron, Ltd. je průkopníkem
v oblasti technologie mikrofrézovaní a jako první
výrobce uvedl na trh komerční CAD/CAM aplikaci
pro NC frézování mikrosoučástí pod názvem
CimatronE. Jedná se o modulární, parametrický
a plně asociativní CAD/CAM systém, který nabízí
řešení pro konstrukční, technologická a výrobní
oddělení.
S více než 25letou zkušeností a více než 40 000
instalacemi po celém světě je Cimatron předním
poskytovatelem integrovaného CAD/CAM řešení
nejen pro mikrofrézování, ale i pro výrobu forem,
postupových střižných nástrojů a zápustek.
SHRNUTI
Požadavky, které vyžaduje mikrofrézování
např. v CAD/CAM systému CimatronE a naopak,
tzn., aby se mohly plně využít funkce CAD/CAM
systému CimatronE v technologii mikrofrézování
a z toho vyplývající výhody, lze shrnout do tří
odstavců:
Požadavky pro obrábění mikrofrézováním:
? vysoká přesnost - 5 ?m nebo méně;
? vysoká kvalita povrchu (Ra) - 0,2 ?m;
? úzká žebra - 0,5 mm nebo méně;
? tvrzené oceli - 45 HRC a více.
Technologie mikrofrézování v softwaru
CimatronE podporuje:
? malé průměry nástrojů – 0,1mm nebo méně;
? vysoké poměry v rozměrech nástroje (L / D) -
10 a až 100;
? vysoké otáčky vřetena - 150 000 min-1 nebo
více;
? obráběcí tolerance - 0,1 ?m nebo méně;
Technologie obrábění mikrofrézováním
přináší řadu výhod:
? rychlé a vysoce kvalitní obrábění miniaturních
dílů a forem;
? vynikající kvalita povrchu;
? omezení, nebo celková eliminace nekonvenčních
metod obrábění (EDM hloubení a řezání
drátem) pětiosým frézováním mikrodetailů;
? kratší doba obrábění a menší míra opotřebení
nástrojů oproti nekonvenčním metodám
(EDM) pomocí vysokorychlostního frézování
a speciálních obráběcích strategií.
ZAVĚR
Lze položit otázku, jestli může mikrofrézování
konkurovat EDM metodám obrábění. EDM
metody jsou vhodné pro výrobu složitých a hlubokých
tvarů a pro kapsy nebo plochy s ostrými
rohy. Pokud se však bude jednat o geometrii,
která odpovídá velikosti hrášku, mělkým kapsám
a rozměrům ne více než desetinásobku průměru
nejmenšího nástroje, pak je výhodnější volit technologii
mikrofrézování.
Určitě je jisté, že mikrofrézování nenahradí
nekonvenční metody obrábění v celém rozsahu,
zvláště při složitých a členitých dílech, jejichž
frézování je nákladné a technicky téměř nemožné.
Produktivně lze tuto metodu obrábění uplatnit
pouze za předpokladu správně zvoleného CAD/
CAM systému, stroje a nástroje. Důležité je porozumět
dané technologii obrábění a nemluvě
o praktických zkušenostech. Výsledkem jsou pak
obrobené součásti, sklízející obdiv nejen veřejnosti,
ale i samotných programátorů a technologů
(viz obr. 4).
Ing. Marek PAGÁČ,
FS VŠB-TU Ostrava,
Katedra obrábění a montáže
