CAD/CAM perusteet ja muottien työstäminen Heikki Tikka, Tuula Höök Tampereen teknillinen yliopisto Muottien ja muiden työkalujen työstäminen pyritään useimmiten tekemään niin tarkasti ja niin hyvällä pinnanlaadulla kuin mahdollista. Muottipesissä on myös usein hankalia sisäpuolisia muotoja, kuten pienisäteisiä pyöristyksiä syvissä kohdissa, ripamuotoja ja syviä kartioreikiä. Tällöin kasvavat sekä työstökoneen että työstörataohjelmistojen vaatimukset. Tämä teksti esittää joitain peruslähtökohtia siihen, kuinka vaatimuksia on mahdollista toteuttaa. Muottipesän saa työstettyä parhaiten viisiakselisella työstökoneella, koska viisiakselisesti on mahdollista tavoittaa syviä (ulko tai sisäpuolisia) muotoja pienihalkaisijaisella terällä ilman, että terän pituutta kasvatetaan kohtuuttomasti. (Katso seuraava kuva.) Jos muottiin tulee karkaistuja osia, ne saa parhaiten jyrsittyä suurnopeustekniikalla. Suurnopeustyöstökoneita on sekä kolmi että viisiakselisia. Kuva 1. Vasemmalla: Kolmiakselinen työstö. Terällä ei tavoita nurkkapyöristystä, vaikka työstökoneeseen on valittu erikoispitkä työkalunpidin ja pitkä terä. Oikealla: Viisiakselinen työstö. Tällä tavoin työstö onnistuu. Kuvassa 2 on esitetty tyypillisiä CAM ohjelmistoihin kuuluvia kokonaisuuksia: 2 4 akselinen sorvaus, 2½ 5 akselinen jyrsintä, lankasahaus, lävistys ja taivutus, kappaleiden asettelu levyleikkauskoneita varten sekä koordinaattimittaus. Muottien valmistuksessa tarvitaan perusohjelmisto, jossa on hyvät valmiudet tuottaa luotettavia viisiakselisia jyrsinkoneen työstöratoja. Sen lisäksi tarvitaan ohjelmisto lankasahan ja mahdollisesti koordinaattimittauskoneen ohjelmointiin, jos perusohjelmisto ei näitä osioita jo sisällä. Heikki Tikka, Tuula Höök CAD/CAM perusteet ja muottien työstäminen 1
5-axis Milling 3-axis Milling Turning 2- to 4- axis Wire cutting 2½-axis Punching Milling Bending BASIC SYSTEM Nesting CMM Kuva 2. CAM ohjelmistojen työalueita. Sorvausja jyrsintä kuuluvat useimmiten samaan ohjelmistopakettiin. Meistotyökoneille, sekä koordinaattimittauskoneiden ja levyleikkauskoneiden ohjelmointiin käytetään usein erikoisohjelmistoja. Tunnetuimmat muottien valmistukseen sopivat yleiskäyttöiset CAD/CAM järjestelmät tai CAM ohjelmistot ovat: CATIA, http://www.3ds.com Cimatron, http://www.cimatron.com MasterCAM, http://www.mastercam.com NX, http://www.plm.automation.siemens.com Pro/E, http://www.ptc.com Tebis http://www.tebis.com TopSolid, http://www.topsolid.com VISI, http://www.vero software.com WorkNC, http://www.sescoi.com VX, http://www.vx.com Kuva 3 esittää CAD/CAM ohjelmoinnin vaiheittain. Vaiheet on selostettu tarkemmin seuraavissa kappaleissa. CAD malli ja CAD tuotantomalli On tavallista, että CAD malli sisältää enemmän tietoa kuin olisi koneistuskeskusten ohjelmoimiseksi tarpeellista. Mallista tarvitaan ainoastaan piirteet, jotka muodostavat kappalegeometrian. Näiden piirteiden muodostamaa geometriaa kutsutaan tuotantomalliksi. CAD geometrian täytyy olla jatkuva. Se ei saisi sisältää epäjatkuvuuskohtia, kuten reikiä pintojen välillä tai päällekkäisiä pintoja. CAM ohjelmisto ei välttämättä osaa laskea työstörataa oikein pinnoissa olevien vikakohtien ympäristössä. Työkalu voi jopa tehdä liikkeen kappaleen sisään. Kuva 3. CAM ohjelmoinnin vaiheet. Heikki Tikka, Tuula Höök CAD/CAM perusteet ja muottien työstäminen 2
Sopivan työstökoneen, työkalujen ja työstöparametrien valinta Seuraavassa vaiheessa valitaan kappaleen eri muodoille tarkoituksenmukaisimmat työstökoneet. CAM ohjelmoinnin käytännöt vaihtelevat työstökoneesta toiseen. Työstörataa ei välttämättä voi siirtää suoraan koneelta toiselle. Työstökoneen valinta on useimmiten sitonut myös työkaluvaihtoehdot, koska eri koneilla on erilaiset valikoimat työkaluja, kiinnittimiä ja työkalunpitimiä. Ympäristösäännökset pakottavat koneistamot kierrättämään jätemateriaalia. On mahdollista, että osalla työstökoneista käsitellään vain tiettyjä materiaaleja, jotta kierrättäminen sujuisi helpommin. Jätemateriaaleja kierrätetään ryhmissä. Koneistamossa voidaan erotella esimerkiksi rakenneteräkset, työkaluteräkset, ruostumattomat teräkset ja alumiiniseokset eri säiliöihin. Tällöin yksi työstökone on rauhoitettu alumiiniseoksille, toinen rakenneteräksille jne. Leikkuunesteet valitaan myös usein työstettävän materiaalin ominaisuuksien perusteella. Työstöradan generointi CAM ohjelmoijalla on käytössään jokin CAM ohjelmisto, jolla hän mallintaa työkierrot ja yksittäiset radat. CAM ohjelmiston generoima työstörata on pohjana postprosessorin generoimille komentosarjoille. CAM ohjelmiston työstöratasimulointi ei useimmiten huomioi postprosessori eli PP komentoja, vaikka ne voivat olla toisenlaisia kuin radan ohjelmoija on ennakoinut. PP komennot ovat parametreja, joilla kontrolloidaan esimerkiksi karan pyörimisnopeutta, leikkuunopeutta, työkalujen ja palettien vaihtamista, syöttönopeutta, jäähdytysnesteen kiertoa jne. Parametrit ovat osin yhteisiä kaikille työstökoneille, jopa riippumatta niiden ohjauksen tyypistä, mutta on myös joitakin konekohtaisia parametreja. Tästä syystä NC ohjelma ei ole yleiskäyttöinen. Simulointi ja työstöradan muokkaaminen Eräs tärkeimpiä syitä simuloinnin tekemiseen on, että sillä voidaan havaita ennalta kohdat, joissa työstökoneen terä on vaarassa törmätä työkappaleeseen tai kiinnittimeen. Huolella tehty simulointi nopeuttaa tuotannon ylösajoa. Työstökoneen käyttäjä voi luottaa simuloinnin tulokseen ja käyttää NC ohjelmaa minimitestauksen jälkeen. CL ja APT CL (Cutter Location Data) ja APT (Automatically Programmed Tools) ovat standardeja CAM ohjelmistojen tulostuksia. Ne koostuvat yleiskäyttöisistä lausekkeista, joilla määritellään työstökoneen työkierto postprosessoria tai suoraan työstökonetta varten. CL on IBM standardi 1950 luvulta. APT on MIT (Massachusetts Institute of Technology) kehittämä työstökoneiden ohjelmointikieli. Se on laadittu vuonna 1955 yhteistyössä AIA (Aerospace Industries Association) kanssa. APT kieli oli ensimmäinen ohjelmointikieli, jolla voitiin määritellä työkalun geometria ja geometrian mukaiset liikkeet sekä kääntää ne CL muotoon. APT sisältää myös postprosessorikomennot. Postprosessointi Viimeinen ohjelmointivaihe on CAM ohjelmiston tulostuksen muuttaminen jonkin tietyn työstökoneen ymmärtämään muotoon. Tätä vaihetta kutsutaan postproses soinniksi. Postprosessoinnin tuloste on standardia ISO tekstiä. Se siirretään työstökoneelle joko suoraan tai lähiverkon kautta. Jokaisella työstökonetyypillä täytyy olla oma postprosessori. Postprosessoreita ohjelmoivat tyypillisesti pienet ohjelmistotalot tai yksittäiset CAD/CAM käyttäjät. Postprosessorin kustannukset voivat joissain tapauksissa ylittää CAM ohjelmiston hankintakustannukset. Postprosessorien saatavuus ja hinta tulisi varmistaa, jos päätös uuden CAM ohjelmiston hankinnasta on ajankohtainen. Heikki Tikka, Tuula Höök CAD/CAM perusteet ja muottien työstäminen 3
Jyrsinnän koneistusparametrit Jyrsinnässä käytetään pyörivää työkalua. Työkalun akseli ja pyörimisakseli ovat molemmat Z suuntaisia. Jyrsintä jaetaan yleisesti kahteen vaiheeseen: rouhinta ja hienotyöstö. Työkalun liikerata eli työstörata koostuu kaariliikkeistä ja lineaarisista liikkeistä. Useimmat työstökoneet ohjataan kolmella liikeakselilla, jolloin puhutaan kolmiakselisesta työstöstä. Kolmiakselisen työstökoneen työkalun liike generoidaan kerroksittain kahdella samanaikaisesti ohjattavalla akselilla (X ja Y). Z eli työkalun akselin suunta määrää koneistettavan kerroksen paksuuden. Perusgeometriat, kuten taso, reikä ja ura on helppo rouhia ja viimeistellä. Kolmiakseliseen jyrsintään kuuluu näiden lisäksi muutamia erikoistyökiertoja, kuten taskunjyrsintä ja kierteitys. Suurnopeusjyrsinnän ohjaamiseen tarvitaan perustoimintojen lisäksi joitain lisätoimintoja, joilla ohjataan työkalun liike työstöradan nurkkakohdissa. Suurnopeusjyrsinnässä on tärkeää pitää työstövoimat tasaisina. Sitä käytetään tavallisesti karkaistuille materiaaleille. Työstöparametrit, kuten leikkuunopeus, työkalun syöttönopeus ja lastun paksuus vaikuttavat työstettävän kappaleen pinnanlaatuun. Työkalun materiaalilla ja lastuamisnesteen laadulla on myös oma vaikutuksensa. Fyysisten parametrien lisäksi ohjelmoijan käytössä on valikoima CAM ohjelmiston sisäisiä parametreja. Työstöradan laskentaan valitut parametrit vaikuttavat työstettävän kappaleen pinnankarheuteen ja lastunmuodostukseen. Lisäksi niillä on vaikutusta ohjelmien pituuteen ja työstössä kuluvaan aikaan. Ohjelmiston sisäisiä parametreja ovat: Scallop Height (Cusp Height) eli työkalun liikeratojen väliin jäävän työstämättömän materiaalin korkeus suhteessa kappaleen valmiiksi työstyneeseen pintaan (Kuva 4) Constant Step Over eli työkalun liikeratojen välinen etäisyys The cutting geometry of tool tip eli työkalun terägeometria Tolerance, toleranssit (TOL, OUTTOL, INTOL) Maximum Sweep eli työkalun yhden yksittäisen liikkeen maksimipituus Näiden lisäksi valitaan työstämismenetelmä, eli valitaan esimerkiksi kolmi tai viisiakselisen työstön välillä Parametrit on tarkoituksella jätetty kääntämättä, koska useimmat CAM ohjelmistot ovat englanninkielisiä eikä vakiintuneita suomennoksia niiden käyttämille parametreille ole olemassa. Scallop Height (Cusp Height) parametrilla vaikutetaan työkappaleen pinnankarheuteen yhdessä työkalun terägeometrian ja CAD geometrian kanssa. Scallop height parametrilla kontrolloidaan työkalujen liikeratojen välistä etäisyyttä mitattuna suoraan terän liikesuuntaa vastaan. CAM ohjelmisto laskee liikeratojen etäisyyttä siten, että niiden väliin jäävän työstämättömän alueen korkeus pysyy parametrilla asetetuissa rajoissa. Valmiiksi työstetylle pinnalle muodostuneen tekstuurin korkeus riippuu työkalun terägeometrian ja liikeratojen välisen etäisyyden lisäksi siitä, millä tavoin liikeradat on laskettu (esimerkiksi mihin suuntaan ja kuinka monta kertaa jokin työstettävä pinta ylitetään). Scallop height parametrilla laskettu työkalun liikeratojen välinen etäisyys ei ole vakio. Jos etäisyys halutaan pitää vakiona, käytetään Constant Step Over parametria. Scallop height ja Constant step over parametreja ei voi käyttää yhtä aikaa. Heikki Tikka, Tuula Höök CAD/CAM perusteet ja muottien työstäminen 4
Kuva 4. Työkalun liikeratojen väliin jäävän työstämättömän materiaalin korkeutta kutsutaan nimellä Scallop Height (myös Cusp Height). Muoto muodostuu työkalun terägeometrian, liikeratojen välisen etäisyyden ja työstettävien pinnanmuotojen yhteisvaikutuksena. Tool tip cutting geometry eli työkalun terägeometria Length The axis of tool Diameter Corner Flat radius nose Kuva 5. Työkalun leikkaava muoto konstruoidaan parametreilla. Vasemmalla: APTparametrit. Työkalun geometria määritetään CAM ohjelmiston laskenta algoritmeja varten joukkona parametreja. Parametreja käytetään sekä varsinaisessa työstöratalaskennassa että työstöradan simuloinnissa. Parametrisoidun geometrian on vastattava todellista geometriaa niin lähelle kuin mahdollista. Muussa tapauksessa työstörata ei tuota työkappaleeseen tarkkaa lopputulosta eikä simulointi tai erikseen laskettu törmäystarkastelu vastaa todellisuutta. Työkalun liikerata koostuu lyhyistä kaarista ja janoista. Janat määritellään alku ja loppupisteinä. Kaaren määrittely sisältää alku ja loppupisteen lisäksi säteen pituuden. Jotta kaaret ja janat voitaisiin konstruoida, CAM ohjelmisto pilkkoo CAD mallin pinnat lyhyisiin, työkalun liikkeen suuntaisiin segmentteihin. Työstöradan toleranssi määrittää, kuinka tarkasti segmentit seuraavat CAD mallin pintoja. Toleranssi vaikuttaa segmenttien pituuteen ja niiden kautta työstöradan pisteiden väliseen etäisyyteen. Toleranssi vaikuttaa myös työstöradan kokoon: mitä pienempi toleranssi, sen lyhyemmät pistevälit ja sitä enemmän rivejä. CAM työstöradan toleranssi ei ole sama kuin kappaleen mittatoleranssi tai geometrinen toleranssi, joilla määritetään työstettävän kappaleen mittojen ja muotojen tarkkuutta. CAM työstöradan toleranssi voi olla CAD mallin pintojen suhteen symmetrinen (TOL) tai asettua niiden ulkopuolelle (OUTTOL) tai sisäpuolelle (INTOL). Jos toleranssi määritetään tiukaksi, CAM ohjelmisto voi jakaa pinnat hyvin lyhyisiin segmentteihin, mutta segmenttien pituus riippuu myös CAD mallin pinnan muodoista. Laakeat ja tasomaiset pinnat tuottavat pitkiä segmenttejä siitä huolimatta, että toleranssi on tiukka. Heikki Tikka, Tuula Höök CAD/CAM perusteet ja muottien työstäminen 5
Kuva 6. Toleranssi määrää, kuinka kauaksi työstöradan yksittäiset liikkeet voivat asettua CAD mallin pintoihin verrattuna. Toleranssi vaikuttaa työstöradan segmenttien pituuteen ja kappaleen pinnanlaatuun työkalun liikeradan suunnassa. Kuva 7. Esimerkki kolmiakselisen rouhintatyöstön APT CL tiedostosta. Jokainen piste on määritelty X, Y ja Z koordinaatteina sekä työkalun avaruuskulmana X, Y ja Z akselien suhteen. Koordinaatit ja kulmat ovat luetellussa järjestyksessä. Ohjelman tunnistaa rouhinnaksi siitä, että Z koordinaatti pysyy samana. Kyseessä voisi olla myös tason viimeistelytyökierto. Kolmiakseliseksi ohjelman tunnistaa siitä, että työkalu pysyy koko ajan Z akselin suuntaisena eli Z akselin suuntainen kulma on 1 ja X ja Y akselien suuntaiset kulmat 0. Kuva 8. Kolmiakselista APT CL koodia, jossa yksittäinen ympyränkaarimäärittely keskellä. Viimeinen parametri on kaaren säde. Työstöradan voi useilla CAM ohjelmilla laskea siten, että se koostuu niin haluttaessa pelkistä janoista tai siten, että ympyränkaaria on käytetty maksimaalisesti hyödyksi. Ympyränkaaria käyttäen saadaan lyhennettyä ohjelman rivien määrää merkittävästi ilman, että heikennetään toleranssia. Heikki Tikka, Tuula Höök CAD/CAM perusteet ja muottien työstäminen 6
Kuva 9. Viisiakselisen viimeistelytyöstön APT CL koodia. Työkalun avaruuskulma muuttuu tietyllä, ohjelmoidulla tavalla liikkeen edetessä lineaarisesti kontrollipisteestä toiseen. Työkalun liikeradan segmenttien pituuteen voidaan vaikuttaa Maximum Sweep parametrilla. Parametri asettaa segmenttien pituudelle ylärajan. CAM ohjelmisto voi tällöin jakaa tasomaiset tai laakeasti kaareutuvat pinnat pitkiin segmentteihin ja siitä huolimatta tuottaa lyhyitä työstöratasegmenttejä. Seuraavassa kuvassa on esitetty kolmi ja viisiakselisen työstön periaatteellinen ero. Kolmiakselisessa työstökoneessa työkalun pyörimisakselin suunta ja työkalun orientaatio on sidottu. Työstökoneen rakenteesta riippuen kara asettuu työpöytään nähden vaaka tai pystysuuntaan. Jos työstökoneessa on useampia kuin kolme ohjattavaa akselia, kara tai työpöytä ovat kallistettavia. viisiakselinen työstökone antaa mahdollisuuden ajaa työkalun akselia työstettävän pinnan normaalin suuntaisena, jolloin työkappaleen pinnan laatu paranee kolmiakseliseen työstöön verrattuna. (Katso jäljempänä oleva kuva). viisiakselisten työstökoneiden kaikkia akseleita ei kuitenkaan eduista huolimatta aina ohjata täysin vapaasti. On tavallista, että jokin kallistusakseleista sidotaan tiettyyn kulmaan työstötarkkuuden parantamiseksi. Kuva 10. Vasemmalla: Kaarevan pinnan työstäminen kolmiakselisesti. Työkalun liikeratojen välille muodostuu enemmän jäännösmateriaalia kuin viisiakselisessa työstössä (kuvassa oikealla). Viisiakselisessa työstökoneessa voidaan ajaa työkalua työstettävän pinnan normaalin suuntaisena. Heikki Tikka, Tuula Höök CAD/CAM perusteet ja muottien työstäminen 7
Viimeistelytyöstön jälkeen työkappaleen pintojen tulisi olla tavoitellussa pinnankarheudessa. Lisäksi niissä tulisi olla asetetuissa toleransseissa olevat mitat ja muodot. Perustana on oikea CAD data, mutta myös työstöprosessilla, työstökoneella, työstöterillä, kiinnittimillä ja valituilla työstöparametreilla on vaikutusta. Työstön lopputulos riippuu CAM ohjelmoijan ja työstökoneen käyttäjän ammattitaidosta. CAM ohjelmoija pystyy vaikuttamaan työstöprosessiin, työstöliikkeiden suuntiin ja työstövaiheisiin. Kappaleen pinnanlaatu syntyy näiden valintojen sekä CAM ohjelmistoon mallinnettujen työkaluparametrien ja CAD tiedoston laadun yhteisvaikutuksena. Joissain vanhoissa työstökoneissa on hyvin pieni muistikapasiteetti, jolloin ei välttämättä ole lainkaan mahdollista pyrkiä suuriin työstötarkkuuksiin ohjelman sisäisin parametrein. Pitkät ohjelmat vaativat myös pitkän ajoajan. Tarkka NC ohjelma tuottaa hyvän pinnanlaadun, mutta lisää samalla kustannuksia suuren konetuntimäärän kautta. Jyrsinnän työkierrot CAM ohjelmisto on hyvä työkalu työstöratojen tekemiseen. Se ei ole automaatti, joka luo työstöradat itsenäisesti. On tärkeää, että ohjelmoijalla on käytännön kokemusta ja tietotaitoa työstämisestä. Tällöin hän osaa laatia tehokkaita ohjelmia. Seuraavan kuvan yksinkertaiset esimerkit havainnollistavat tyypillisiä jyrsinnän työkiertoja. Näitä työkiertoja käytetään, jos on esimerkiksi tarpeen kiinnittää huomiota työstövoimiin. CAM ohjelmistojen parametrit vaikuttavat jossain määrin työkalun liikeradan muodostumiseen, mutta työstöradan perusmuoto määräytyy erilaisten laskentamenetelmien kautta. Kuva 11. Esimerkkejä jyrsinnän työkierroista. Näitä työkiertoja voi soveltaa sekä rouhinnassa että hienotyöstössä. Pinnan jyrsintä tehdään vähintään kolmiakselisesti. Työstörata voidaan laskea etenemään edestakaisin (zig zag tai lace), vain yhteen suuntaan (zig tai nolace) tai spiraalimaisesti valittuun suuntaan. Yhteen suuntaan etenevä työkalu palautetaan takaisin pikaliikkeellä työstettävän pinnan yläpuolelta. Jos jyrsittävät pinnat rajoittuvat kappaleessa oleviin muihin pintoihin, täytyy ne useissa ohjelmissa huomioida jollakin tapaa, ettei työkalu pyri etenemään työstettävän kappaleen sisälle. Ongelma voidaan rajata kysymykseksi, millä tavoin työkalun liike kontrolloidaan pintojen reunoilla. Useissa tapauksissa jyrsittävänä on joukko pintoja, joita käsitellään yhtenä pintana. Rouhintaan käytetään mahdollisimman isokokoisia ja jäykkiä työkaluja, koska tavoitteena on poistaa materiaalia mahdollisimman halvalla ja nopeasti. Isot rouhintatyökalut jättävät työstettävälle alueelle jäännösmateriaalia, erityisesti sisänurkkiin. Osa CAM ohjelmista tunnistaa jäännösmateriaalin ja Heikki Tikka, Tuula Höök CAD/CAM perusteet ja muottien työstäminen 8
pystyy laskemaan sen poistamiseksi rouhintatyökierron pienemmällä työkalulla. Jäännösmateriaalityökierto lyhentää työstöaikaa merkittävästi verrattuna vanhaan tapaan ajaa koko työalue pienemmällä työkalulla uudelleen. Kuva 12. Esimerkki, jossa jyrsitään kaksoiskaareva pinta yhden suuntaisilla liikeradoilla (NOLACE) Työkalu palautetaan pikaliikkeellä työstettävän pinnan yläpuolelta. Kuva 13. On tavallista käyttää rouhintatyökierrossa suurihalkaisijaisia työkaluja, joilla on mahdollista poistaa materiaalia tehokkaasti. Tällöin työkappaleen nurkkiin jää paljon työstämättä jäänyttä materiaalia. Tämä nk. jäännösmateriaali poistetaan jäännösmateriaalityökierrolla pienempihalkaisijaista työkalua käyttäen. Viisiakselisen jyrsinnän erityispiirteitä Viisiakselista jyrsintää on erityisen käytännöllistä soveltaa viimeistelytyöstöön. Sopivasti valitulla työkalun terägeometrialla ja työkalun orientaatiolla saavutetaan tehokkaasti haluttu pinnanlaatu. Viisiakselisessa työstössä on muutama perusstrategia: Työkalun pyörimisakselin ajaminen pinnan suuntaisena (swarfcut) Työkalun pyörimisakselin ajaminen työstettävän pinnan normaalin suuntaisena Työkalun pyörimisakselin suuntaaminen CAM ohjelmistossa määritettyä avaruuspistettä kohti Työkalun pyörimisakselin suuntaaminen CAM ohjelmistossa määritettyä käyrää kohti sen lähimpään pisteeseen Työkalun pyörimisakselin ajaminen CAM ohjelmistossa määritetyn käyrän suuntaisena Heikki Tikka, Tuula Höök CAD/CAM perusteet ja muottien työstäminen 9
Kaikissa näissä vaihtoehdoissa on useimmiten mahdollista rajoittaa työkalun akselin kallistuskulma suhteessa XY, YZ tai XZ tasoihin. Parhaat CAM ohjelmistot laskevat työkalun asemaa suhteessa työstettävään kappaleeseen väistäen sen pintoja. Tällöin törmäysten välttäminen ei ole pelkästään CAM ohjelmoijan ammattitaidon ja simuloinnin varassa. Useimmiten on kuitenkin tarpeen noudattaa varovaisuuden strategiaa, harkita työkalun liikkeiden asettaminen huolella sekä sen lisäksi tehdä törmäystarkastelu simuloimalla. Joissain tapauksissa on paras käyttää viisiakselista työstökonetta kuten kolmiakselista konetta. Tällöin työkalu asemoidaan johonkin hyvään työstöasentoon viisiakselisuutta hyödyntäen ja lukitaan se siihen. Työstörata etenee tämän jälkeen kolmiakselisen työstöradan tavoin. Lukitut akselit ovat jäykkiä ja sallivat enemmän työstövoimien aiheuttamaa kuormitusta kuin vapaat akselit. Työkierron aikana voidaan poistaa enemmän materiaalia ja lopputulos on siitä huolimatta tarkka. Erot kolmiakselisen ja neljä tai viisiakselisen työstökoneen välillä: Viisiakseliset työstökoneet ovat suurempia ja vaativat laajemmat liikeradat kuin kolmiakseliset työstökoneet Moniakselisessa työstökoneessa on mahdollista ohjata kaikkia neljää tai viittä akselia yhtä aikaa. On myös mahdollista lukita osa akseleista ja ohjata vain kahta tai kolmea akselia yhtä aikaa. Lukitut akselit tarjoavat vähemmän liikevapautta, mutta jäykemmän rakenteen. Pitkät terät vähentävät törmäyksen mahdollisuutta työkalun pitimen tai karan kanssa. Viisiakselisella koneella voidaan jyrsiä työkappaletta yhdellä kiinnityksellä kaikilta sivuilta. Tämä vaatii runsaasti tilaa koneen työalueelle. Kolmiakselisessa koneessa työkappaletta voidaan joutua kääntämään ja paikoittamaan useita kertoja. Viisiakselisen koneen rakenteen on oltava kolmiakselista konetta jäykempi. Karan on oltava riittävän jäykkä pystyäkseen kantamaan eri suunnista tulevia työstövoimia. Kuva 14. Viisiakselisen työstökoneen karan ja työkalun suuntaa kontrolloidaan työkappaleen pinnan normaalin suuntaan. Hyvä ja tehokas tapa jyrsiä avoimia kaksoiskaarevia pintoja. Heikki Tikka, Tuula Höök CAD/CAM perusteet ja muottien työstäminen 10
Kuva 15. Viisiakselisella työstökoneella on mahdollista ohjata työkalua myös pinnan suuntaisena siten, että työstämiseen käytetään pääasiassa työkalun sivua. 1. 2. 3. Kuva 16. Viisiakselinen jyrsintä muotin valmistuksessa. Työkalun akseli on ohjattu työstettävän pinnan normaalin suuntaan siten, ettei kallistuskulmia ole lainkaan rajattu. Kuvan 1 tapauksessa jyrsintä sujuu ongelmitta. Kuvan 2 tapaus on jo ongelmallinen. Heti, kun työkalu on ohittanut nurkkapyöristyksen, se nousee kohtisuoraan asentoon ja työkalun varsi tai pidin iskeytyy työkappaleen pintaa vasten. Työkappaleen pinnan normaalin suuntaan ohjattu työstäminen on harvoin sopiva vaihtoehto muottisovelluksiin. Kuva 17. Jos työstetään ulkopuolisia muotoja, on edellisen kuvan vaihtoehtoa turvallisempaa ohjata työkalun akselia työkappaleen ympäri hahmoteltua käyrää kohti Heikki Tikka, Tuula Höök CAD/CAM perusteet ja muottien työstäminen 11
Kuva 18. Sisäpuoliset muodot voidaan työstää ohjaamalla työkalun akselia käyrän suuntaisesti tai käyrän lähimpään pisteeseen (vasen kuva) tai pisteen kautta (oikea kuva). Jotkin viisiakselisen työstöradan ohjelmointiin tarkoitetut CAM ohjelmistot osaavat tehdä automaattisen törmäystarkastelun ja ohjata työkalun liikkeen väistämään työkappaletta. Jos käyttäjää avustavia työkaluja ei ole, on pyrittävä olemaan riittävän huolellinen ja ottaa kaikki muodot huomioon. Kuva 19. etäisyydestä. Lastuamisnopeus riippuu liikkuvien osien, esimerkiksi kallistuvan pöydän ja karan välisestä Kuva 20. Lastuamisnopeuden tulisi olla vakio kaikkialla kappaleessa. Jos työkalut ovat pitkiä, akselin liikuttamiseen saattaa kulua pitempi aika kuin on ohjemoitu. Tällöin työkalun todellinen orientaatio ei ole ohjelmoidun mukainen. Heikki Tikka, Tuula Höök CAD/CAM perusteet ja muottien työstäminen 12
Kuva 21. Kallistuva työkalu. Työkalun orientaatio ohjataan työstettävän pinnan normaalin suuntaan. Työkalua voidaan kallistaa hieman eteenpäin työkalun liikkeen suunnassa, jolloin asento on lastunmuodostuksen kannalta parempi. Lopputulos on hieman kovera. Pallopääterissä ei ole keskikohtaa, jossa lastuamisnopeus olisi nolla. Kuva 22. Kallistettu työkalu on muuten hyvin ohjattu, mutta takareuna aiheuttaa törmäyksen alasäin kaarevalla pinnalla. Joitain viisiakselisen työstön asettamia ehtoja NC ohjauksen toiminnalle: Prosessorin ja sen laskennan nopeuden on oltava suurempi kuin perinteisessä kolmiakselisessa työstössä Huono NC ohjaus aiheuttaa huonon pinnanlaadun Säteen ja pituuden kompensointi ei välttämättä onnistu samaan aikaan Osa ohjauksista pystyy ajamaan työkalun viisiakselisesti, mutta vain kolmea akselia voi käyttää samanaikaisesti Joissain ohjauksissa on välttämätöntä käyttää vakiolastuamisnopeutta lineaarisiin tai rotaatioliikkeisiin Heikki Tikka, Tuula Höök CAD/CAM perusteet ja muottien työstäminen 13
Tulevaisuudessa voi olla mahdollista laskea työstörata ja säätää lastuamisnopeutta tarkkailemalla aikaisemmin työstettyjä pintoja. Reaaliaikainen työstö on tulossa. Kappalegeometria syötetään suoraan NC ohjaukselle ja lastuaminen alkaa samalla, kun työstöradan laskeminen alkaa. Viisiakselisia työstökoneita on saatavilla kahtena perusrakenteena. Rakenteet aiheuttavat työstöradan ohjelmoinnissa huomioitavia yksityiskohtia. Rakenne 1: Pyörimisakselit sijaitsevat työpöydässä (työkappale pyörii ja kallistuu): Kara voi olla pienikokoinen, jolloin pienet yksityiskohdat ovat melko hyvin saavutettavissa pienellä ja/tai lyhyellä työkalulla Kohtuuhintainen Sopii pienille työkappaleille Törmäykset kiinnittimien kanssa tavanomaisia Inertiavoimat rajoittavat työstönopeuksia, koska pöytä työkappaleineen on massiivinen liikuteltava Kuva 23. Kiinteä kara yhdistettynä pyörivään ja kallistuvaan pöytään Rakenne 2: Kara pyörii ja kallistuu: Tavallisesti ohjataan karan kallistuskulmia Sopii hyvin suurille työkappaleille, erityisesti portaalirakenteisena Vaatii suuren työalueen. Koneet ovat suuria ja kalliita. Törmäykset on melko helppo välttää Karan voimaa voidaan säätää, jos kallistuskulmat ovat suuria. Monimutkainen rakenne, jossa karamoottori sijaitsee karan vaihdettavan osan ulkopuolella. Yksinkertaisimmassa rakenteessa kara ja moottori on pakattu yhteen, jolloin koko rakenne liikkuu. Rouhinnassa tarvittavat suuret työstövoimat voivat rajoittaa sovelluskohteiden valintaa. Osa akseleista voidaan kuitenkin lukita kuormituksen vähentämiseksi. Heikki Tikka, Tuula Höök CAD/CAM perusteet ja muottien työstäminen 14
Kuva 24. Pyörivä ja kallistuvakarainen viisiakselinen työstökone. Uusimmat, kevyeen koneistukseen suunnitellut moniakseliset konekonstruktiot ovat nk. heksapodeja. Koneen liikkeet sekä pöydän tai karan pyöriminen ja kallistuminen on toteutettu kuuden vapausasteen teleskooppivarsin. Seuraavassa kuvassa on kaksi esimerkkiä. Kuva 25. Hexapodi (6 vapausastetta), jossa kara on lukittu teleskooppeihin kiinnitettyyn pöytään. Kara liikkuu, kuten robotti. Karaa voidaan myös pyörittää tai liikuttaa lineaarisesti, kuten työstökoneessa. Laite on rakennettu kuudesta lineaarisesta servoteleskoopista. Heikki Tikka, Tuula Höök CAD/CAM perusteet ja muottien työstäminen 15