UPORABA CAD/CAM ORODIJ PRI IZDELAVI ZAHTEVNIH … · UPORABA CAD/CAM ORODIJ PRI IZDELAVI ZAHTEVNIH ELEMENTOV IZ PLO ČEVINE Diplomsko delo ... CAE – Computer Aided Engineering CAD

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

UPORABA CAD/CAM ORODIJ PRI IZDELAVI ZAHTEVNIH ELEMENTOV IZ PLOČEVINE

Diplomsko delo

Študent: Zvonko KOLAR

Študijski program: Visokošolski strokovni; Strojništvo

Smer: Proizvodno strojništvo

Mentor: izr. prof. dr. Ivan PAHOLE

Somentor: red. prof. dr. Jože BALIČ

Maribor, 2013

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

II


III

I Z J A V A Podpisani Zvonko KOLAR izjavljam, da:

• je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom izr. prof. dr. Iva PAHOLETA in somentorstvom red. prof. dr. Jožeta BALIČA;

• predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;

• soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet Univerze v Mariboru.

Maribor, 2013 Podpis: ___________________________


IV

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Ivu PAHOLETU in somentorju red. prof. dr. Jožetu BALIČU za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Zahvaljujem se tudi podjetju Primat, d. d., za podporo pri izdelavi diplomskega dela Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij.


V

UPORABA CAD/CAM ORODIJ PRI IZDELAVI ZAHTEVNIH

ELEMENTOV IZ PLOČEVINE Ključne besede:

- CAD/CAM, - CNC, - pločevina, - upogibanje, - postopki upogibanja.

UDK: 621.7/.9-52:004.89(043.2) POVZETEK V diplomskem delu so predstavljeni postopki izdelave plašča vrat blagajne Starprim. Ti zajemajo konstruiranje tridimenzionalnega modela in izdelavo tehniškega načrta s CAD/CAM programskim orodjem Pro/ENGINEER, razrez pločevine na CNC laserskem rezalnem stroju in upogibanje na CNC upogibalnem stroju. V diplomskem delu je bil z upogibalnimi preizkusi vzorčnih profilov kar najbolj natančno določen koeficient upogibanja K za toplo valjano pločevino kvalitete S235JR-N, debeline 3 mm. S tem bo v nadaljnje moč zagotoviti lažje doseganje predpisanih dimenzijskih toleranc med postopkom upogibanja plašča vrat. Z upogibalnimi preizkusi vzorčnih profilov se je preverilo tudi elastično zravnavanje navedenega materiala med upogibanjem.


VI

USAGE OF CAD/CAM TOOLS IN THE MANUFACTURING OF

COMPLEX COMPONENTS FROM SHEET METAL

Key words:

- CAD/CAM, - CNC, - sheet metal, - bending, - bending processes.

UDK: 621.7/.9-52:004.89(043.2) ABSTRACT This diploma thesis introduces the manufacturing processes of the door housing for the Starprim security safe. These processes include the designing of a three-dimensional model and making a technical drawing with CAD/CAM programing tool Pro/ENGINEER, cutting sheet metal with CNC laser cutting machine and bending sheet metal with CNC bending machine. The bending tests, in this diploma thesis, on the profile samples have determined, as precise as possible, the bend parameter K for the hot-rolled sheet that is of the S235JR-N quality and 3 mm thick. This will ensure (in the future) an easier achievement of the required dimension tolerance when bending the door coating. With bending tests was also checked the springback of hot roled material between bending process.


VII

KAZALO VSEBINE

1 UVOD...................................................................................................................................................... 1

2 CAD/CAM ORODJA ................................................................................................................................. 3

2.1 UPORABA CAD/CAM V PROIZVODNI INDUSTRIJI ....................................................................................... 3

2.1.1 PREDNOSTI UPORABE CAD ORODIJ ................................................................................................. 9

2.1.2 PREDNOSTI UPORABE CAM ORODIJ .............................................................................................. 10

2.2 RAZVOJ CAD/CAM ORODIJ ...................................................................................................................... 11

2.3 CAD/CAM PROGRAMSKO ORODJE PRO/ENGINEER ................................................................................ 14

3 KONSTRUIRANJE PLOČEVINASTIH ELEMENTOV .....................................................................................16

3.1 KONSTRUKCIJSKE ZNAČILNOSTI PLAŠČA VRAT ........................................................................................ 16

3.2 KONSTRUIRANJA PLAŠČA VRAT V PRO/ENGINEER-JU ............................................................................. 17

3.2.1 IZDELAVA POLNEGA MODELA – SOLID ......................................................................................... 18

3.2.2 DODAJANJE TELESNIH GRADNIKOV OSNOVNEMU MODELU ........................................................ 19

3.2.3 PRETVORBA POLNEGA MODELA V MODEL IZ PLOČEVINE ............................................................. 21

3.2.4 ODPRAVA ANOMALIJ V OBMOČJIH PREKINITEV MATERIALA ....................................................... 24

3.2.5 DODAJANJE STEN PLOČEVINASTEMU MODELU ............................................................................ 26

3.2.6 KONSTRUIRANJE LUKENJ IN IZSEKOV NA PLOČEVINASTEM MODELU ........................................... 27

3.2.7 IZDELAVA RAZVITE OBLIKE ............................................................................................................. 28

3.2.8 IZDELAVA TEHNIŠKE DOKUMENTACIJE .......................................................................................... 29

4 RAZREZ PLOČEVINE Z LASERJEM ...........................................................................................................31

4.1 OGLJIKOV-DIOKSIDNI LASER .................................................................................................................... 31

4.2 PARAMETRI ............................................................................................................................................. 31

4.2.1 HITROST REZANJA IN MOČ ............................................................................................................ 31

4.2.2 POMOŽNI PLINI .............................................................................................................................. 32

4.3 KARAKTERISTIKE REZA ............................................................................................................................. 33

4.4 RAZREZ RAZLIČNIH VRST KOVIN Z LASERJEM .......................................................................................... 34

4.5 UPORABA CAD/CAM ORODIJ PRI LASERSKEM RAZREZU ......................................................................... 35

5 UPOGIBANJE PLOČEVINE .......................................................................................................................38

5.1 PROSTO UPOGIBANJE .............................................................................................................................. 39

5.2 UPOGIBANJE V UTOPU ............................................................................................................................ 40

5.3 RAZVITA DOLŽINA.................................................................................................................................... 41

5.3.1 NEVTRALNO DEFORMACIJSKO VLAKNO ........................................................................................ 41

5.3.2 IZRAČUN RAZVITE DOLŽINE ........................................................................................................... 43 5.3.2.1 IZRAČUN DOLŽINE NEVTRALNEGA DEFORMACIJSKEGA VLAKNA .........................................................43 5.3.2.2 IZRAČUN RAZVITE DOLŽINE TEORETIČNEGA PROFILA ..........................................................................44 5.3.2.3 DOLOČITEV RAZVITE DOLŽINE TEORETIČNEGA PROFILA V PRO/ENGINEERJU .....................................44 5.3.2.4 OPTIMIZIRANJE UPOGIBNEGA KOEFICIENTA K ....................................................................................45 5.3.2.5 PREIZKUS MERSKEGA ODSTOPANJA PROFILOV GLEDE NA POLOŽAJ SUROVCA NA PLOČEVINI ...........51

5.4 ELASTIČNO ZRAVNAVANJE ...................................................................................................................... 53

5.4.1 DOLOČANJE KOEFICIENTA ELASTIČNEGA ZRAVNAVANJA MATERIALA .......................................... 53

5.5 IZDELAVA PROGRAMA ZA CNC UPOGIBALNI STROJ ................................................................................ 55

6 SKLEP .....................................................................................................................................................58

7 VIRI ........................................................................................................................................................59


VIII

8 PRILOGE .................................................................................................................................................60

KAZALO SLIK

Slika 1.1: Tridimenzionalni prikaz vrat: tečajna stran (a), zapahna stran (b) ........................................................... 2

Slika 1.2: Tridimenzionalni prikaz plašča vrat .......................................................................................................... 2

Slika 2.1: Koraki procesa snovanja [3] ..................................................................................................................... 5

Slika 2.2: Prikaz proizvodnega cikla [3] .................................................................................................................... 9

Slika 2.3: Ivan Sutherland in Sketchpad l. 1960 [12].............................................................................................. 11

Slika 2.4: Koračna orodna vrstica orodja Extrude .................................................................................................. 14

Slika 2.5: Grafični vmesnik programa Pro/ENGINEER Wildfire 5 [5] ..................................................................... 15

Slika 3.1: Vodoravni presek plašča vrat [7] ............................................................................................................ 16

Slika 3.2: Navpični presek plašča vrat [7] .............................................................................................................. 16

Slika 3.3: Izbira skicirne ravnine v dialoškem oknu ............................................................................................... 18

Slika 3.4: Poenostavljena skica vodoravnega preseka plašča vrat ........................................................................ 18

Slika 3.5: Volumski model plašča ........................................................................................................................... 19

Slika 3.6: Skica preseka telesnega gradnika........................................................................................................... 20

Slika 3.7: Telesni gradnik z določeno globino ........................................................................................................ 20

Slika 3.8: Izbira površin pri konstruiranju tankostenskega modela ....................................................................... 21

Slika 3.9: Določitev debeline stene ........................................................................................................................ 21

Slika 3.10: Tankostenski model brez upogibov in prekinitev materiala ................................................................ 22

Slika 3.11: Orodje SMT Conversion ....................................................................................................................... 22

Slika 3.12: Ukazi Edge Rip (a), Edge Connect (b), Bends (c) ................................................................................... 23

Slika 3.13: Tankostenski model (a), Model z upogibi in prekinitvami materiala (b) .............................................. 23

Slika 3.14: Medsebojno prekrivanje materiala v območju prekinitve materiala ................................................... 24

Slika 3.15: Orodje Extend za krajšanje/podaljšanje obstoječe pločevine .............................................................. 24

Slika 3.16: Medsebojno prekrivanje materiala v območju prekinitve materiala ................................................... 25

Slika 3.17: Sploščitev pločevinastega modela z orodjem Unbend......................................................................... 25

Slika 3.18: Detajl skice izseka razvitega pločevinastega modela ........................................................................... 26

Slika 3.19: Enakomerna prekinitev materiala ........................................................................................................ 26

Slika 3.20: Konstruiranje nove stene na dnu plašča vrat ....................................................................................... 27

Slika 3.21: Koračna orodna vrstica – orodje FLAT ................................................................................................. 27

Slika 3.22: Skiciranje lukenj na sprednjo ploskev plašča vrat ................................................................................ 28

Slika 3.23: Konstruiranje lukenj na plašču vrat ...................................................................................................... 28

Slika 3.24: Model razvite oblike plašča vrat .......................................................................................................... 29

Slika 3.25: Naziv modela razvite oblike plašča vrat ............................................................................................... 29

Slika 3.26: Modul Drawing ..................................................................................................................................... 30

Slika 4.1: Začetni zaslon programa ToPs 100 ......................................................................................................... 36

Slika 4.2: Uvoz tehniške risbe in razvite mere v naravni velikosti ......................................................................... 36

Slika 4.3: Postavitev razvite oblike plašča vrat na osnovno ploščo ....................................................................... 36

Slika 4.4: Izbira materiala za razrez ....................................................................................................................... 37

Slika 4.5: Določitev poti laserskega žarka .............................................................................................................. 37

Slika 5.1: Shematični prikaz plastičnega upogiba [9] ............................................................................................. 38

Slika 5.2: Prosto upogibanje (1 – obdelovanec, 2 – pestič, 3 – matrica z vstopno odprtino) ................................ 39

Slika 5.3: Upogibanje v utopu (1 – obdelovanec, 2 – pestič, 3 – upogibalni utop, 4 – držalo obdelovanca) [2] ... 40


IX

Slika 5.4: Pravilno zaporedje upogibov pri upogibanju v utopu [2] ....................................................................... 40

Slika 5.5: Razvita dolžina surovca [4] ..................................................................................................................... 41

Slika 5.6: Dolžina upogibanca [4] ........................................................................................................................... 41

Slika 5.7: Nevtralno deformacijsko vlakno pri razvitem surovcu [4] ..................................................................... 42

Slika 5.8: Nevtralno deformacijsko vlakno pri upogibancu [4] .............................................................................. 42

Slika 5.9: Skica teoretičnega profila ....................................................................................................................... 43

Slika 5.10: Koeficienta K in Y .................................................................................................................................. 45

Slika 5.11: Prostorski model razvite oblike teoretičnega profila ........................................................................... 45

Slika 5.12: Prikaz izrezanih surovcev vzorčnih profilov.......................................................................................... 46

Slika 5.13: Surovec vzorčnega profila – razvita oblika ........................................................................................... 47

Slika 5.14: Vzorčni profil ........................................................................................................................................ 47

Slika 5.15: Matrica s surovci vzorčnih profilov – prvi preizkus .............................................................................. 48

Slika 5.16: Matrica s surovci vzorčnih profilov – drugi preizkus ............................................................................ 50

Slika 5.17: Mere razvite oblike glede na izbran koeficient upogibanja K .............................................................. 51

Slika 5.18: Različno orientirani surovci vzorčnih profilov glede na smer valjanja pločevine ................................. 51

Slika 5.19: Elastično zravnavanje materiala ........................................................................................................... 53

Slika 5.20: Geometrija orodja pri upogibanju vzorčnega profila ........................................................................... 54

Slika 5.21: Matrica z razvitimi oblikami vzorčnih profilov – druga plošča ............................................................. 55

Slika 5.22: Uvoz razvite oblike v program TOPs ..................................................................................................... 56

Slika 5.23: Določitev parametrov za posamezen upogib ....................................................................................... 56

Slika 5.25: Določitev vrstnega reda upogibanja .................................................................................................... 57

Slika 5.26: Simulacija upogibanja .......................................................................................................................... 57

KAZALO TABEL Preglednica 3.1: Zunanje mere plašča vrat in njihove tolerančne vrednosti [7] ................................................... 16

Preglednica 4.1: Standardni rezalni parametri za CO2 laser [6] ............................................................................. 32

Preglednica 5.1: Mere surovcev vzorčnih profilov – prvi preizkus ........................................................................ 47

Preglednica 5.2: Mere vzorčnih profilov – prvi preizkus ....................................................................................... 49

Preglednica 5.3: Mere surovcev vzorčnih profilov – drugi preizkus ...................................................................... 50

Preglednica 5.4: Mere vzorčnih profilov – drugi preizkus ..................................................................................... 50

Preglednica 5.5: Odstopanje izmerjenih dimenzij testnih vzorcev A3 – H ............................................................ 52

Preglednica 5.6: Odstopanje izmerjenih dimenzij testnih vzorcev A3 – V ............................................................ 52

Preglednica 5.7: Odstopanje izmerjenih dimenzij testnih vzorcev A3 – D ............................................................ 52

Preglednica 5.8: Kotno odstopanje testnih vzorcev A3-H ..................................................................................... 54

Preglednica 5.9: Kotno odstopanje testnih vzorcev A3 – V ................................................................................... 54

Preglednica 5.10: Kotno odstopanje testnih vzorcev A3 – D ................................................................................. 55

Preglednica 5.11: Kotno odstopanje testnih vzorcev A5 – T ................................................................................. 55


X

UPORABLJENI SIMBOLI

σ – normalna napetost, λ – valovna dolžina, ∆ – razlika dveh količin, Σ – seštevanje vrst. F – sila


XI

UPORABLJENE KRATICE

CAE – Computer Aided Engineering CAD – Computer Aided Design CAM – Computer Aided Manufacturing CAPP – Computer Aided Process Planning CATD – Computer Aided Tool Design CAP – Computer Aided Planning CAQ – Computer Aided Quality Assurance CAT – Computer Aided Testing CNC – Computer Numerical Control


1

1 UVOD Vrata varnostne blagajne zagotavljajo protivlomno odpornost v skladu z zahtevami standarda EN 1143-1 za varnostno stopnjo, v kateri je blagajna certificirana. Zato je njihova zasnova precej zahtevnejša kot npr. pri protivlomnih vratih, ki se uporabljajo kot vhodna vrata v hišo, stanovanje ali poslovne prostore. Ustrezno zahtevna je torej tudi zasnova njihovega ohišja oz plašča. Da podjetje Primat, d. d., na globalnem trgu ohranja konkurenčnost, mora nenehno vlagati v razvoj novih izdelkov in v planiranih časovnih razmikih posodabljati zasnovo obstoječih. Pri zadnji posodobitvi varnostnih blagajn iz serije Starprim je bila ena izmed zahtev tudi zmanjšanje števila med seboj varjenih elementov iz pločevine, saj varjenje skupaj z naknadno obdelavo varov zvišujejo čas in ceno izdelave v proizvodnji. Kvaliteta in merska natančnost proizvodov, izdelanih iz med seboj varjenih delov, pa je prav tako v veliki meri odvisna od usposobljenosti varilca. Varjenje je tako nadomestila izdelava zahtevnejših elementov iz pločevine s povečanim številom upogibov, kjer je to bilo možno oz. smiselno, oziraje se na izmet materiala pri razrezu pločevine. Eden takšnih elementov je plašč vrat blagajne Starprim, za izdelavo katerega je potrebno kos pločevine upogniti 19 krat.

Namen diplomskega dela je pregledati določene postopke izdelave plašča vrat in poiskati možnosti za izboljšave. Ti postopki zajemajo konstruiranje, izdelavo tehniških risb in tehnologije, razrez pločevine s CNC laserskim rezalnim strojem in upogibanje pločevine s CNC upogibalnim strojem. Kot je pričakovano, se z največ težavami soočamo pri upogibanju pločevine. Pomembno vlogo pri tem igra pravilna izbira materiala, iz katerega je element izdelan. Če želimo zagotoviti dimenzijsko ustreznost elementa po upogibanju, moramo v fazi konstruiranja med drugim pravilno dimenzionirati preoblikovalne cone. Natančneje, kar se da točno moramo določiti dolžino nevtralnega deformacijskega vlakna v preoblikovalni coni po deformaciji. To izvedemo s pomočjo koeficienta, ki nam podaja razmerje med lego nevtralnega deformacijskega vlakna in debelino materiala. Ta koeficient se v CAD/CAM programskem orodju Pro/ENGINEER imenuje parameter K, katerega vrednost moramo določiti za vsako kvaliteto in debelino materiala posebej. Kljub temu, da ima program že vgrajeno tabelo za določene vrste materialov, je bolje, če parameter K določimo s preizkušanjem. Končni cilj diplomskega dela je s preizkušanjem kar najbolj natančno določiti vrednost parametra K za toplo valjano pločevino (S235JR-N), debeline 3 mm. Poznavanje tega podatka konstrukterju omogoča natančno dimenzioniranje razvite oblike pločevinastega modela. To pa je dobra osnova za nadaljnje korake (razrez, upogibanje) v procesu izdelave tega proizvoda. Nadalje se v diplomskem delu s preizkušanjem preveri vpliv elastičnega zravnavanja materiala po razbremenitvi v fazi upogibanja elementa. Pregled zasnove vrat razkrije, da tvori en kos, tj. plašč vrat, skoraj celotno ohišje vrat. Notranjost vrat omejuje s sprednje, leve, desne, spodnje in delno tudi zgornje strani. Preostali del ohišja z zgornje strani dopolnjujeta še dva profila iz pločevine (Slika 1.1). S hrbtne strani utečajena vrata zaklepnega prostora pokrivajo zaklepni mehanizem.


2

Profil Tečaj

Zapah Pokrov vodila ključa Vrata zaklepnega

prostora Ročaj

Plašč vrat

a b Slika 1.1: Tridimenzionalni prikaz vrat: tečajna stran (a), zapahna stran (b)

Slika 1.2: Tridimenzionalni prikaz plašča vrat


3

2 CAD/CAM ORODJA

2.1 UPORABA CAD/CAM V PROIZVODNI INDUSTRIJI V zadnjih dveh desetletjih je napredek na področju mikroprocesorjev omogočil znatno povečanje računskih zmogljivosti računalnikov in njihovo hkratno pocenitev. Ti so dandanes dostopni praktično vsakomur, tudi tisti zmogljivejši po navadi imenovani grafične postaje. Zaradi tega je danes njihova uporaba v industriji množična. To imenujemo CAE ali računalniško podprto inženirstvo, uporablja pa se predvsem v strojni industriji. Vlogo računalnikov v proizvodnji lahko na splošno razdelimo v dve skupini:

• računalniško nadzorovanje in upravljanje proizvodnega procesa;

• izdelava podpornih izdelkov, ki so v bistvu namenjeni uporabi pred dejansko proizvodnjo in po njej.

V prvo skupino spadajo aplikacije, v katerih je računalnik neposredno povezan s proizvodnim strojem in ga krmili ter nadzoruje med proizvodnim postopkom. V industriji, kjer so proizvodni procesi neprekinjeni, lahko računalnik neprenehoma nadzira celo vrsto parametrov, ki jim glede na vnaprej sprogramirane zahteve prilagaja vrednosti. V drugo skupino spadajo vse podporne funkcije, ki jih omogoča računalnik za uspešno dokončanje proizvodnih operacij. Tipi podpore so sledeči:

• CAD ali računalniško podprto konstruiranje – lahko dandanes definiramo kot uporabo računalniških programov za izdelavo geometrijskega modela nekega proizvoda v tridimenzionalni obliki, tako da je možna analiza geometrijskih in proizvodnih zahtev;

• CAM ali računalniško podprta proizvodnja – lahko definiramo kot uporabo računalniških programov za izdelavo CNC programov, ki nato krmilijo obdelovalne stroje;

• CAE ali računalniško podprto inženirstvo – lahko definiramo kot uporabo

računalniških metod za odkrivanje napak, analizo, optimizacijo zasnove proizvoda itd.;

• CAPP ali računalniško podprto planiranje proizvodnje – lahko definiramo

kot uporabo računalniških programov za izdelavo procesnih planov za celoten obseg proizvodnje izdelka in njegovih sestavnih delov;


4

• CATD ali računalniško podprto snovanje orodij – lahko definiramo kot uporabo računalniških programov za izdelavo orodij za proizvodnjo, kot so vpenjalne priprave, kalupi, odlitki itd.;

• CAP ali računalniško podprto planiranje – lahko definiramo kot uporabo

računalniških programov na več področjih planiranja, kot so npr. planiranje potrebne količine materiala, časovno načrtovanje itd.;

• CAQ ali računalniško podprto zagotavljanje kakovosti – lahko definiramo

kot uporabo računalniških programov in računalniško krmiljene opreme za preverjanje in zagotavljanje kakovosti;

• CAT ali računalniško podprto testiranje – lahko definiramo kot računalniške

programe, ki lahko popeljejo sistem skozi različne faze in primerjajo njegov odziv s pričakovanimi rezultati.

Proizvod je lahko samostojna komponenta, ki je že sama uporabna (npr. natični ključ) ali pa je sestavljen iz mnogo različnih kosov in sestavov, ki skupaj tvorijo funkcionalen izdelek, kot je npr. varnostna blagajna. Zahtevnost proizvodnega procesa narašča s številom in raznolikostjo sestavnih delov proizvoda. V slednjem primeru je število dejavnikov preveliko, da bi lahko za vsako komponento posebej določili postopek snovanja. Zato te razdelimo na dve področji. Proces snovanja:

• funkcionalnost proizvoda, • lastnosti proizvoda, • konceptualna zasnova proizvoda, • ergonomija in estetika proizvoda,

• standardi,

• detajlna zasnova proizvoda,

• izdelava prototipa,

• testiranje,

• simulacije,

• analiza,

• skiciranje načrtov. Proizvodni proces:

• planiranje procesa, • orodjarstvo, • izdelava proizvodnih podatkov:

• izdelava CNC programov,


5

• programiranje robotov,

• organizacija proizvodnje: • izdelava kosovnice,

• planiranje zahtevane količine materiala,

• planiranje proizvodnje,

• trženje in distribucija: • pakiranje, • distribucija, • trženje.

Razen v primerih, ko gre za zelo preproste proizvode, izvaja proces snovanja skupina strokovnjakov, ki imajo specifična znanja in izkušnje na posameznih področjih, ki so navedena zgoraj. Proces snovanja je razdeljen po korakih, kot prikazuje diagram (Slika 2.1).

Prepoznavanje problemain potreb

Definiranje problemain konceptualizacija

Geometrijsko modeliranje inprostorska analiza

Inžinirska analiza inoptimiziranje

Izdelava prototipa

Razvijanje proizvodnegaprocesa

Implementacija vproizvodnjo

Računalniško podprtokonstruiranje

Metoda končnih elementov

Hitra izdelava prototipov

Računalniško podprtaproizvodnja

CNC/CIM/Roboti

Računalniško podprteoperacije

Slika 2.1: Koraki procesa snovanja [3]

Prepoznavanje problema Na začetni točki snovanja izdelka je potrebno prepoznati možnosti za izboljšavo nekega proizvoda, ki je že na trgu ali dobiti idejo za takšnega, kot ga še ni. Pri tem si lahko pomagamo z različnimi metodami:

• preučitev obstoječih podatkov – te lahko pridobimo skozi literaturo, ki je na voljo, skozi raziskave trga. S tem pridobimo podatke o stanju trenutnih


6

tehnoloških trendov in obstoječih rešitev (konkurence);

• preučitev zahtev in razmer na trgu – to nam omogoča razumeti kratkoročen in dolgoročen potencial izdelka;

• podajanje splošnih rešitev – te bodo v pomoč pri nadaljnjem snovanju izdelka. V tej fazi zasnova ne vsebuje veliko detajlov. Pri podajanju splošnih rešitev se lahko opiramo na obstoječe zasnove, standarde, patente, poročila, kataloge, priročnike itd.

Definiranje problema V tej fazi je potrebno jasno definirati problem in zanj poiskati vse možne rešitve. Pri tem si pomagamo z naslednjimi metodami:

• izdelava idejne zasnove – v tej fazi prepoznamo verjetne težave, s katerimi se bomo soočali med snovanjem;

• izdelava prvih skic – v tej fazi izdelamo skice, ki detajlno prikazujejo v predhodnih korakih prepoznane splošne rešitve. S tem se razišče njihovo primernost za končno zasnovo;

• ˝brainstorming˝ – je tehnika skupinskega reševanja problemov, kjer člani razvojne ekipe spontano podajajo ideje za rešitev problematike. Pomembno je, da se vse ideje zabeležijo in preučijo z namenom poiskati najustreznejšo rešitev;

• vrednotenje zasnov – v tej fazi vrednotimo do sedaj pridobljene ideje. Pri tem upoštevamo naslednje kriterije: izvedljivost, stroške, ergonomijo, človeški dejavnik, okolje, vzdrževanje itd. V tej fazi bi že moralo biti mogoče prepoznati končno zasnovo izdelka glede na dejavnike, kot so zahteve trga, tehnična izvedljivost, ekonomičnost, proizvodna znanja in viri, ki so na voljo.

Geometrijsko modeliranje V tej fazi so že prepoznane ideje nadalje raziskane, pri čemer se upiramo na izdatno uporabo računalniške programske opreme.

Geometrijsko modeliranje nam omogoča predstavitev geometrije izdelka v grafični obliki, pri tem pa je pomembno, da je izdelan geometrijski model nedvoumen in pregleden, saj je samo iz takšnega mogoče optimalno pridobiti podatke za nadaljnje procese. Programska oprema, s katero modeliramo, mora biti sposobna opisati posamezne dele, sestave, uporabljen material in zahteve za izdelavo v proizvodnji. Iz geometrijskih modelov (posameznih delov, sestavov, orodij) je mogoče pridobiti načrte za izdelavo, sestavo in kontrolo kot tudi podatke za izdelavo programov za numerično krmiljenje strojev.


7

Vizualizacija nam omogoča realističen prikaz izdelanega tridimenzionalnega modela. V ta namen se na površino prostorskega modela nanesejo ustrezne teksture in uporabijo različni postopki senčenja. Vse to nam omogoča, da vidimo izdelek v dejanskih pogojih, še preden je izdelan. Zgodnja analiza nam skozi enostavne tehnike analize omogoča določitev mase, prostornine itd. V tej fazi lahko analiziramo tudi človeški faktor in ergonomijo zasnove. Primerjalno vrednotenje – glede na pridobljene podatke je mogoče ovrednotiti različne izvedbe zasnov v smislu tehnične izvedljivost, primernosti za trg in celovite gospodarnosti. To nam omogoča nadaljnjo finalizacijo zasnove, kar lahko storimo z inženirskimi analizami.

Inženirske analize V tej fazi se izvedejo temeljite analize zasnove z namenom zbrati kar največjo količino podatkov pred začetkom proizvodnje. V ta namen se uporablja veliko število računalniških pripomočkov. Med analiziranjem zasnove se spremembe na geometrijski model vnašajo sprotno.

Trdnostna analiza je potrebna za pridobitev podatkov o obremenitvah in deformacijah izdelka med uporabo. Analitične metode so izvedljive, kadar gre za enostavnejše oblike in gradnjo. Za zahtevnejše oblike pa je potrebno uporabiti MKE oz. metodo končnih elementov. Ta model razbije v majhne preproste oblike in vsaki izmed njih doda robne pogoje in obremenitve. Tako pridobljene vrednosti obremenitev in deformacij so bolj reprezentativne. Kinematična analiza nam omogoča optimiziranje lastnosti izdelka, ki je sestavljen iz med seboj gibajočih se delov, s podajanjem osnovnega razumevanja, kako se bo zasnova obnašala v realnem okolju. Na primer, vpogled v obnašanje premikajočega se sestava v ekstremnih pogojih nam omogoča izdelavo najboljše možne zasnove le-tega. Snovanje za izdelavo in montažo – te metode je mogoče uporabiti v zgodnji fazi snovanja. Omogoča nam znižanje stroškov montaže in zmanjšanje števila kosov. Na takšen način se znižajo celotni stroški, poveča pa se zanesljivost proizvoda.

Izdelava prototipov Preden je zasnova pripravljena za proizvodnjo, je potrebno izvesti fizične teste. Ti se izvedejo kot dopolnilo računalniškim analizam. V ta namen se izdela prototip izdelka za:

• testiranje in vrednotenje – v veliko primerih je potrebno ali pa vsaj zaželeno, da se v potrditev računalniškim simulacijam izvedejo testi tudi na dejanskem


8

izdelku. Lahko se namreč prigodi, da izdelek na podlagi prvotne zasnove ne bi prenesel obremenitev v realnem okolju, kljub izvedenim računalniškim simulacijam;

• izpopolnjevanje zasnove – v tej fazi se ne izvede več nobena večja, ampak le manjše spremembe in izboljšave zasnove. Količina in kakovost teh pa je odvisna od natančnosti preučevanja posameznih značilnosti prototipa in odmerjenega časa za analize.

Hitra izdelava prototipov (Rapid prototyping) Pri tem postopku izdelamo fizičen predmet z neposrednim zajemanjem računalniškega geometrijskega modela, ki smo ga predhodno izdelali. To dosežemo s postopki, kot so stereolitografija, selektivno lasersko sintranje (SLS) itd. Razvoj proizvodnega procesa Po finalizaciji zasnove izdelka se lahko prične njegova proizvodnja. V tej fazi so že na voljo podatki o zasnovi, tako računalniški (tridimenzionalni geometrijski model, podatki analiz, delavniški načrti v elektronski obliki) kot tudi tiskani delavniški načrti.

Planiranje procesa – v tej fazi se določi, kako izdelati proizvod na kar najbolj ekonomičen način. Planiranje je zelo pomembno, še posebej v množični proizvodnji, saj lahko majhna korekcija ali odprava napake med planiranjem prihrani veliko denarja, ki bi ga sicer uporabili za izvajanje popravkov tekom proizvodnje. Izdelava proizvodnih podatkov – tekom proizvodnega procesa uporabljamo stroje, ki jih najučinkoviteje izrabimo tako, da jim posredujemo CAD podatke iz geometrijskega modela, ki smo ga skonstruirali med postopkom snovanja. Za ta namen se uporablja CAM programska oprema, s katero lahko iz tridimenzionalnega modela ali pa dvodimenzionalne risbe, kadar gre npr. za laserski razrez pločevine, zajamemo geometrijske podatke. CAD program nam v svojem grafičnem okolju omogoča izvajanje različnih simulacij, npr. gibanja orodja po obdelovancu. To nam omogoča odpravo morebitnih napak v postopku, ki bi jih sicer odkrili šele med samo strojno obdelavo, s čimer prihranimo čas in denar. Na koncu post-procesor izdela G-kodo, ki se jo nato posreduje obdelovalnemu stroju.

Eden izmed najpomembnejših dejavnikov za izkoriščanje prednosti, povezanih z uporabo računalnikov v industriji, je uporaba skupne baze podatkov. Kar v bistvu pomeni, da naj ima vsak modul znotraj sistema CAD dostop do katerekoli baze podatkov, ki je bila ustvarjena ali spremenjena s katerimkoli drugim modulom znotraj tega sistema. S tem se zmanjša količina vloženih naporov v vzdrževanje podatkovne baze izdelkov, hkrati pa je ta vedno posodobljena za vsak vidik, povezan s proizvodnjo. [3]


9

Računalniško podprto planiranje

procesov

Računalniškopodprto

konstruiranje

Geometrijskomodeliranje

Vrednotenjezasnove

(simulacije)

Računalniškopodprta izdelava

osnutkov

Metoda končnihelementov

Naročanje noveopreme

Povratneinformacije

kupcev

Konceptproizvoda

Potreba po novemproizvodu

Računalniško podprto

konstruiranje orodij

Izdelava inpreizkušanje orodij

Izdelava CNCprogramov

Planiranje porabemateriala

TrženjeRačunalniško

podprtoterminiranje

Računalniškopodprta

standardizacija dela

CNC strojiRoboti in ostala oprema zamanipulacijo z materialom

Dejanskaproizvodnja

Računalniški nadzorin kontrola kakovosti

CAD

CAD

CIM

Slika 2.2: Prikaz proizvodnega cikla [3]

2.1.1 PREDNOSTI UPORABE CAD ORODIJ

Pri računalniško podprtem konstruiranju se računalnik uporablja kot orodje pri vseh operacijah, ki zadevajo proces snovanja. Med njimi so tiste, ki slonijo na najintenzivnejši uporabi računalniške opreme, sledeče:

• izdelava celotnega sestava nekega proizvoda, • modeliranje posamičnih komponent, • modeliranje podsklopov sestava, • preverjanje napak in določanje toleranc, • izdelava tehnične dokumentacije.

Današnja CAD programska oprema nam lahko pri konstruiranju izdelkov pomaga na več načinov:

• pomembna prednost pred tradicionalnimi metodami je uporaba računalniških programov za parametrično modeliranje tridimenzionalnih prostorskih modelov, s katerimi lahko zelo natančno prikažemo neko zasnovo;

• omogoča enostavno odkrivanje napak v zasnovi in izvajanje ustreznih popravkov ter


10

sprememb. Lahko se izdelajo prostorski modeli več različic neke zasnove, med katerimi se nato izbere najprimernejša;

• z uporabo standardnih komponent iz knjižnic lahko hitreje izdelamo želene modele, prav tako pa lahko modele, ki smo jih izdelali, shranimo v knjižnico in jih uporabimo pri drugih modelih;

• v trenutku lahko pridobimo podatke o lastnostih prostorskega modela, kot so ploščina, prostornina in masa;

• pri izdelavi tehniških načrtov ni potrebno risati geometrije, saj se ta uvozi iz prostorskega modela in se z vsako spremembo na slednjem samodejno posodobi. Pro/ENGINEER omogoča samodejen izris dimenzij na tehničnem načrtu, ki pa je v sedanji različici pogojno uporaben;

• omogoča izvajanje inženirskih analiz na prostorskem modelu, na podlagi katerih je mogoče izboljševati zasnovo;

• prikaz tridimenzionalnega prostorskega modela lahko nadgradimo v foto realističnega in si tako izdelek ogledamo, še preden je narejen. [3]

2.1.2 PREDNOSTI UPORABE CAM ORODIJ CAM je uporaben v proizvodnji vseh oblik. Njegova uporaba je pomembnejša v maloserijski proizvodnji ali pri izdelavi prototipov, kot na primer v mnogo serijski proizvodnji. To pa zaradi tega, ker je količina novih podatkov, ki jih je potrebno obdelati, npr. pri izdelavi prototipa, precej večja kot v serijski proizvodnji, kjer se praviloma uporabljajo namenska orodja za množično proizvodnjo. Prednosti uporabe CAM orodij so najbolje izkoriščene takrat, ko je vzpostavljena ustrezna integracija med CAD in CAM.

Prednosti uporabe CAM orodij so:

• večja svoboda zasnove izdelka, saj je mogoče naknadne spremembe zasnove enostavno vključiti v proizvodnjo vedoč, da te praviloma ne bodo povzročile zamud v proizvodnem procesu;

• organizacija vseh proizvodnih aktivnosti s pomočjo računalnika omogoča visoko stopnjo produktivnosti;

• krajši dobavni roki; • povečanje zanesljivosti zaradi izboljšanih proizvodnih metod. Proizvod, izdelan na

takšen način, kot tudi sam proizvodni proces se močno izboljšata; • zmanjšan obseg vzdrževanja zaradi integriranih sistemov za diagnosticiranje in

nadziranje v komponente CAM; • zmanjšan obseg odpadnega materiala in ponovne izdelave proizvoda, saj so programi

za CNC obdelovalne stroje narejeni na podlagi CAD podatkov proizvoda; • izboljšani postopki vodenja proizvodnje. [3]


11

2.2 RAZVOJ CAD/CAM ORODIJ CAD/CAM programska oprema je bila skozi celotno obdobje razvoja neposredno odvisna od razvoja računalnikov in računalniške grafike. Ta namreč omogoča komunikacijo med konstrukterjem in grafičnim programskim sistemom. Prvo pravo CAD programsko opremo Sketchpad je razvil Ivan Sutherland kot del svoje doktorske naloge v zgodnjih 60. letih prejšnjega stoletja. Sketchpad je bil zelo inovativen program, saj je komunikacija med konstrukterjem in računalnikom potekala grafično s pomočjo svetlobnega peresa, ki se je do takrat uporabljalo že v znatni meri. Prva CAM programska oprema je bila razvita že prej. Leta 1957 je dr. Patrick J. Hanratty razvil PRONTO, orodje za programiranje numeričnih krmilij. Iz tega razloga se dr. Hanratty najpogosteje navaja kot ˝oče CAD/CAM˝.

Slika 2.3: Ivan Sutherland in Sketchpad l. 1960 [12]

Zaradi visokih stroškov zgodnjih računalnikov in specifičnih zahtev pri snovanju avtomobilov in letal so bila med prvimi uporabniki CAD programske opreme velika podjetja iz avtomobilske in letalske industrije. Prva generacija CAD orodij je bila predvsem programska oprema za 2D risanje, ki se je uporabljala predvsem za ponavljajoča se opravila. Razvijali so jo proizvajalci sami v svojih IT oddelkih (pogosto v sodelovanju z univerzami). Veliko pionirskih raziskav na področju 2D CAD programske opreme je bilo izvedenih v takratnem Laboratoriju za matematiko na univerzi MIT (Massachusetts Institute of Technology). Leta 1965 so aktivnejši postali tudi v Evropi. V Laboratoriju za matematiko univerze Cambridge so se takrat resneje ukvarjali z raziskavami 3D CAD programske opreme. Tudi francoski raziskovalci pri Renaultu in Citroenu so ta čas izvajali pionirske projekte pri preračunavanju kompleksnih 3D površin. Njihovo delo ostaja eden izmed temeljev današnje 3D CAD programske opreme. Tudi znanstveniki univerze v Cambridgeu in MIT so si prizadevali pri nadaljnjih raziskavah implementacije modeliranja kompleksnih 3D površin v CAD programsko opremo.


12

V 70. letih prejšnjega stoletja se je CAD programska oprema pričela seliti iz raziskovalnega okolja v industrijo. Skozi celotno desetletje so imeli veliki proizvajalci avtomobilov, kot so: Ford (PDSG), General Motors (CADANCE), Mercedes – Benz (SYCRO), Nissan (CAD-I), Toyota (TINCA); in proizvajalci letal, kot so: Lockheed (CADAM), McDonnell-Douglas (CADD) in Northrop (NCAD) oddelke za razvoj lastne programske opreme. Večina takratnih CAD programov je bila 2D nadomestek za risanje, od katere pa so imeli proizvajalci dvoje koristi: 1) zmanjšanje števila napak na risbah, 2) povečanje ponovne uporabnosti risbe. Izvorno kodo enega najbolj znanih takratnih 2D CAD programov CADAM (Computer Augmented Drafting and Manufactoring), ki so ga razvili pri Lockheed-u, je leta 1975 kupilo podjetje Avions Marcel Dassault. Na osnovi tega so leta 1977 pričeli z razvojem 3D CAD programskega orodja CATIA (Computer Aided Three Dimensional Interactive Application), ki je še danes komercialno najuspešnejši CAD program. Povečana računska moč računalnikov, predvsem pa predstavitev zmogljivejših računalniških terminalov, sposobnih prikazovanja kompleksnejše grafike, je botrovala večji dostopnosti CAD programske opreme. Nastale razmere so klicale po standardizaciji. Tako so se leta 1979 Boeing, General Electric in NBS (National Bureau of Standards), danes NIST (National Institute of Standards) dogovorili o uporabi datotečnega formata IGES (Initial Graphic Exchange Standard). Ta je omogočal prenos kompleksnih 3D krivulj in površin med različno 3D CAD programsko opremo in navkljub uveljavitvi drugih formatov še danes ostaja najbolj razširjen tovrsten format za prenos podatkov. Skozi sedemdeseta leta prejšnjega stoletja je bil storjen velik napredek na področju CAD programske opreme, še posebej pri razvoju osnovnih geometrijskih algoritmov, na katerih je bil osnovan CAD. Enako pomembna za razvoj CAD orodij je bila tudi naraščajoča računska moč računalnikov in predstavitev novih programskih jezikov. Poteze velikih računalniških podjetij, kot sta IBM in HP, v smeri nižanja cen in obratovalnih stroškov računalnikov so omogočila tudi manjšim podjetjem uporabo orodij CAD. Osemdeseta leta prejšnjega stoletja je zaradi nenehnega razvoja strojne opreme, ki je postajala zmogljivejša in dostopnejša, zaznamoval razcvet manjših razvijalcev programske opreme CAD. Leta 1982 je Autodesk za takrat leto star PC (Personal Computer) predstavil prvo različico programskega 2D CAD programskega orodja AutoCAD, vendar se je zaradi slabe računske moči in grafike takratnih osebnih računalnikov počasi uveljavljal. Skozi 80. leta prejšnjega stoletja so nove generacije zmogljivih delovnih postaj, osnovanih okoli operacijskega sistema UNIX, nezadržno premikale trg CAD programske opreme v smer 3D in modeliranja solidov. V tem času so večja avtomobilska in letalska podjetja zaradi nižanja stroškov začela opuščati razvoj lastnih CAD orodij in jih kupovati pri namenskih proizvajalcih. Tako je npr. Boeing leta 1988 naznanil, da bo za snovanje in konstruiranje novega potniškega letala Boeing 777 uporabljal CATIO. Leta 1987 je podjetje Parametric Technology Corp. (zdaj PTC) predstavilo Pro/ENGINEER, 3D CAD program zasnovan za grafične postaje z UNIX operacijskim


13

sistemom in z njim pretreslo takratni trg CAD programske opreme. Pro/ENGINEER je bil prvi tržno usmerjen 3D CAD program, ki je v celoti temeljil na uporabi volumskih modelov, uporabi gradnikov, ki so se beležili v zgodovino modela in uporabi omejitev pri sestavih. Grafični uporabniški vmesnik je v veliki meri izrabljal lastnosti UNIX-ove zasnove z okni in ponudil padajoče menije, ikone, prikazovalna in vnosna okenca ter druge uporabniku prijazne lastnosti, s čimer se je konstruiranje znatno pospešilo. O uspehu Pro/ENGINEER-ja priča tudi podatek, da so v letu in pol od predstavitve med proizvajalci CAD programske opreme prodali rekordno število novih licenc. Uspeh bi najverjetneje bil še večji, če programa ne bi pestile začetne težave v obliki pomanjkanja naprednih funkcij za modeliranje 3D krivulj in površin ter nezdružljivost s takratnimi uveljavljenimi datotečnimi formati. V naslednjih letih se je trg CAD programske opreme neprekinjeno širil, saj so velika podjetja nenehno krčila stroške in krajšala čas razvoja ter izdelave svojih proizvodov in posledično več denarja vlagala v CAD programsko opremo. Do leta 1990 je postalo jasno, da se Boeingu strategija ˝samo CATIA, nič papirja˝ obrestuje, saj zaradi uporabe 3D modelov ni bilo več potrebe po izdelavi večjega števila dragih maket letal in njihovih komponent ter na takšen način preverjati ustreznosti njihove zasnove. V prvi polovici devetdesetih let prejšnjega stoletja so trg 3D CAD programske opreme obvladovala podjetja IBM-Dassault Systems (CATIA), EDS-Unigraphics (Unigraphics) in PTC (Pro/ENGINEER). Njihova programska oprema je bila zasnovana za grafične postaje UNIX, ki so do takrat že izpodrinile precej dražja namenska računalniška omrežja, ki so prevladovala pretekli dve desetletji. Z razvojem osebnih računalnikov, prelomni točki sta bili leta 1995 predstavitvi operacijskega sistema Windows NT in družine procesorjev Pentium Pro, se je vedno več razvijalcev CAD programske opreme pričelo odločati za prehod na PC, saj je bil razvoj programskih paketov na novi platformi precej cenejši. Že kar nekaj časa ni bilo večjih inovacij na področju tridimenzionalnega modeliranja. Razvoj novih različic je zato šel v smeri vključitve programskih orodij PDM (Product Data Management) v paket in internetne integracije. S takšnim programskim orodjem so lahko vse bolj globalizirana podjetja izdelek najprej zasnovala in izdelala, nato pa ga spremljala skozi celotno življenjsko dobo. [11]


14

2.3 CAD/CAM PROGRAMSKO ORODJE PRO/ENGINEER

Pro/ENGINEER je programsko orodje za konstruiranje in modeliranje. Združuje aplikacije (module) za razvoj izdelka, ki jih lahko uporabljamo v različnih področjih tehnike. Izdelek lahko s takšnim orodjem spremljamo skozi njegov celoten življenjski cikel. Z njim lahko izdelamo polne ali pločevinaste elemente, sestave, mehanizme in delavniške risbe ter izvajamo inženirske simulacije; to je le nekaj področij uporabe. Moduli so med seboj integrirani, kar pomeni, da se npr. delavniška risba elementa, ki ga modeliramo, samodejno spreminja v skladu s spremembami, izvedenimi na modelu. [5]

V diplomskem delu se bom osredotočil na module, ki so potrebni za konstruiranje

plašča vrat. Podrobneje jih bom opisal med postopkom samim v 3. poglavju. Ti moduli so:

• Sketch – risanje 2D skic na ravnino ali 3D skic v prostoru,

• Solid – modeliranje polnih elementov,

• Sheetmetal – modeliranje elementov iz pločevine,

• Drawing – izdelava 2D delavniške risbe in načrta. Program upravljamo preko grafičnega vmesnika, ki je sestavljen iz področij (Slika 2.6).

Pri konstruiranju se nam v grafičnem oknu izrisuje 3D model elementa. Tega lahko poljubno premikamo, vrtimo, približujemo ali oddaljujemo. Z različnimi orodji, do katerih dostopamo preko orodnih vrstic ali padajočega kazala, konstruiramo 3D model. Upravljavec namere nam med postopkom konstruiranja v obliki drevesne strukture prikazuje zgodovino modela. S pomikanjem po njej lahko prikličemo poljubno stanje modela pred dodajanjem novih gradnikov. Z dodatnega menija lahko izbiramo ukaze, kot je npr. Edit, s katerim na modelu neposredno spreminjamo značilnosti predhodno označenih gradnikov 3D modela. Ko izberemo določeno orodje, se nad grafičnim oknom prikaže pripadajoča koračna orodna vrstica. Konstrukterju omogoča pregled nad nastavitvami orodja. Na Sliki 2.4 je prikazana koračno orodna vrstica za orodje Extrude. Na vrhu se nahaja vrstica s pomočjo. S klikom na Placement in nato Edit narišemo na prostorsko ravnino ali obstoječi model skico gradnika, ki ga želimo skonstruirati in nato zapremo skicirko. Nazaj v koračni orodni vrstici določimo še globino gradnika in potrdimo vnos. Na takšen način lahko skonstruiramo gradnik z globino 704 mm.

Slika 2.4: Koračna orodna vrstica orodja Extrude


15

Slika 2.5: Grafični vmesnik programa Pro/ENGINEER Wildfire 5 [5]

Področja grafičnega vmesnika: 1 – padajoča kazala, 2 – upravljavec namere, 3 – orodne vrstice, 4 – sporočilno področje, 5 – dodatni meniji, 6 – grafično okno.

14

6

5

3

2

3


16

3 KONSTRUIRANJE PLOČEVINASTIH ELEMENTOV

3.1 KONSTRUKCIJSKE ZNAČILNOSTI PLAŠČA VRAT Umestitev plašča vrat v zgradbo vrat varnostne blagajne je že bila prikazana v uvodnem delu tega diplomskega dela. Plašč vrat je izdelan iz toplo valjane pločevine (S235JR-N), debeline 3 mm, vsi notranji polmeri so r = 3 mm. Zunanje mere plašča vrat (VxŠxG) in njihove tolerance iz aktualne družine varnostnih blagajn Starprim 3N in Starprim 4N so podane v Tabeli 3.1. Natančneje je plašč vrat dimenzioniran na delavniškem načrtu (Priloga 1)

Oznaka Mera (od min. do max. ) [mm] Tolerančna vrednost [mm] Višina (V) 519–1769 Širina (Š) 454–759

Debelina (D) 119

Preglednica 3.1: Zunanje mere plašča vrat in njihove tolerančne vrednosti [7]

Slika 3.1: Vodoravni presek plašča vrat [7]

Slika 3.2: Navpični presek plašča vrat [7]


17

3.2 KONSTRUIRANJA PLAŠČA VRAT V PRO/ENGINEER-JU Za konstruiranje zahtevnih elementov iz pločevine je smiselno uporabljati programsko orodje, ki omogoča parametrično modeliranje elementa v 3D prostoru. Tako izboljšamo pregled nad postopkom konstruiranja, program pa nase prevzame preračunavanje parametrov, ki bi jih sicer moral konstrukter. Tako se skrajša čas konstruiranja in zmanjša število možnih napak. Pločevinaste elemente v Pro/ENGINEER-ju konstruiramo v modulu Sheetmetal. Princip modeliranja je takšen, da se najprej izdela osnova, na katero se nato korak za korakom dodajajo novi kosi. Vsakemu dodanemu kosu je potrebno določiti mere, polmer upogiba in kot upognjenosti glede na osnovni ali predhodni kos. Če želimo skonstruirati večje število med seboj upognjenih sten, ki skupaj tvorijo element oblikovno podoben npr. kocki ali kvadru, temu opisu plašč oblikovno deloma ustreza, je smiselno razmišljati v smeri, da najprej skonstruiramo poln predmet oblikovno in mersko skladen z zunanjimi dimenzijami tistega, ki bi ga sicer želeli skonstruirati iz pločevine, nato pa ga takšnega pretvorimo v pločevinastega. Pri tem se poln predmet najprej pretvori v tankostenskega, nato pa mu določimo robove, kjer bo material upognjen, in robove, kjer bo material prekinjen. Tako skonstruiramo večkrat upognjen element, izdelan iz enega kosa. Takšnemu elementu lahko še naprej dodajamo (nove stene) ali odstranjujemo (izseki in luknje) material in mu določimo razvito obliko. Na osnovi tega lahko nato izdelamo tehnično dokumentacijo. V nadaljevanju je zgoraj opisan postopek razdelan po korakih. Da bi opis postopka ne bil preobsežen so nekatere operacije, ki niso bistvene za razumevanje, izpuščene. Prav tako zaradi večje preglednosti pri posameznih korakih ni prikazan celoten grafični vmesnik, ampak zgolj grafično okno z modelom ali skico v nekaterih primerih pa tudi dialoško okno ali koračna orodna vrstica.


18

3.2.1 IZDELAVA POLNEGA MODELA – SOLID Najprej narišemo skico vodoravnega preseka plašča vrat. V modulu Solid izberemo orodje Sketch. Izberemo poljubno ravnino v prostoru, na katero bomo skicirali, in referenčno ravnino, ki je na skicirno ravnino pravokotna (Slika 3.3). Izbiro potrdimo in začnemo skicirati.

Slika 3.3: Izbira skicirne ravnine v dialoškem oknu

Izberemo ukaz Line. Z vlečenjem črt po ravnini narišemo poenostavljeno skico, ki predstavlja vodoravni presek plašča vrat. Z ukazom Normal (dimension) skico opremimo z dimenzijami. Številčne vrednosti teh lahko urejamo ter tako prilagodimo obliko in velikost skice (Slika 3.4). Zapremo skicirko.

Slika 3.4: Poenostavljena skica vodoravnega preseka plašča vrat

V modulu Solid uporabimo orodje Extrude. V grafičnem oknu izberemo skico, ki smo jo predhodno narisali. Iz geometrijskega lika program samodejno izdela volumski model (Slika 3.5), ki mu je potrebno določiti še globino. To lahko izvedemo na dva načina.


19

Slika 3.5: Volumski model plašča

Pri prvem z miškinim kazalcem vlečemo oz. potiskamo model pravokotno glede na ravnino, na kateri je narisana skica, gibanju ustrezno se model viša oz. niža, pri tem pa se izrisuje dejanska globina telesa. Pri drugem načinu vnesemo želeno številčno vrednost za globino v koračno orodno vrstico nad grafičnim oknom. Zapremo orodje Extrude.

3.2.2 DODAJANJE TELESNIH GRADNIKOV OSNOVNEMU MODELU Na osnovnem modelu je potrebno izdelati dva izseka po širini modela. Z orodjem Extrude je mogoče obstoječemu volumskemu modelu tako dodajati kot odvzemati material z dodajanjem telesnih gradnikov. Postopek odvzemanja in dodajanja materiala je zelo podoben. Razlika je le v tem, da pri odvzemanju materiala uporabimo ukaz Cut. Najprej na volumskem modelu z orodjem Sketch narišemo obliko izseka in ji določimo dimenzije. Pri tem si lahko pomagamo z uporabo referenc, ki so prikazane kot prekinjene črte (Slika 3.6). Te določimo tako, da na volumskem modelu označimo površine, s katerimi naj bodo stranice izseka poravnane.


20

Slika 3.6: Skica preseka telesnega gradnika

Izberemo orodje Extrude. S klikom na skico generiramo nov telesni gradnik. Z ukazom Cut izvedemo odstranitev materiala iz volumskega modela. Določimo še globino (Slika 3.7) in zaključimo operacijo.

Slika 3.7: Telesni gradnik z določeno globino

Z Orodjem Extrude lahko volumskemu modelu še naprej dodajamo nove telesne gradnike in tako prilagajamo obliko.


21

3.2.3 PRETVORBA POLNEGA MODELA V MODEL IZ PLOČEVINE Pretvorbo izvedemo v dveh korakih. Najprej volumski model pretvorimo v tankostenskega, nato pa mu določimo robove, kjer bo material upognjen, in robove, kjer bo material prekinjen. Iz padajočega kazala izberemo Applications in nato Sheetmetal. V izbirnem meniju SMT convert izberemo Shell in na modelu označimo površine, ki jih želimo izvzeti iz tankostenskega modela (Slika 3.8).

Slika 3.8: Izbira površin pri konstruiranju tankostenskega modela

Potrdimo izbiro in določimo debelino stene, ki v primeru plašča vrat znaša 3 mm.

Slika 3.9: Določitev debeline stene

Izdelali smo tankostenski model (Slika 3.10). Da je model izdelan iz pločevine, lahko razberemo iz drevesa z zgodovino modela v upravljavcu namere, kjer se pojavi zapis First Wall. Vsak model, izdelan s funkcijo Sheetmetal, vsebuje osnovni kos – First Wall.


22

Slika 3.10: Tankostenski model brez upogibov in prekinitev materiala

Kljub temu, da je model sedaj izdelan iz pločevine, debeline 3 mm, je še vedno potrebno določiti pregibe med stenami, ki morajo biti ravne črte. S pregibom določimo mesto, kjer naj bo pločevina upognjena, radij in kot upogiba. Določiti je potrebno tudi robove (šive), kjer bo material prekinjen.

Našteto skonstruiramo z orodjem SMT Conversion (Slika 3.11).

Slika 3.11: Orodje SMT Conversion


23

Postopek je prikazan na detajlu plašča vrat:

• v dialoškem oknu SMT Conversion z ukazom Edge Rip na modelu označimo zunanje robove, kjer želimo material prekiniti z rezom. Obliko in debelino reza lahko poljubno določimo (Slika 3.12a);

• z ukazom Rip Connect med seboj povežemo predhodno označene robove (Slika 3.12b). Ta korak je potrebno izvesti v primerih, kadar se izbrani robovi stikajo z neko površino, ki jih prekinja. Med seboj povežemo najbližji si oglišči;

• z ukazom Bends označimo robove, kjer želimo material upogniti (Slika 3.12c).

a b c

Slika 3.12: Ukazi Edge Rip (a), Edge Connect (b), Bends (c)

S potrditvijo zgoraj navedenih ukazov smo zaključili pretvorbo polnega modela v model iz pločevine. Na Sliki 3.13a je prikazan detajl žičnega modela plašča v tankostenski

a b

Slika 3.13: Tankostenski model (a), Model z upogibi in prekinitvami materiala (b)


24

izvedbi. Iz slike je razvidno, da model nima nobenih prekinitev in pregibov materiala. Na Sliki 3.13b je prikazan detajl žičnega modela plašča vrat s skonstruiranimi pregibi in prekinitvami materiala – rezi. Tako polmere upogibov in velikost prekinitev materiala je mogoče naknadno prilagajati. To izvedemo tako, da v upravljavcu namere označimo SMT Conversion in iz dodatnega menija izberemo ukaz Edit.

3.2.4 ODPRAVA ANOMALIJ V OBMOČJIH PREKINITEV

MATERIALA Na modelu, ki je bil iz polnega pretvorjen v pločevinastega, prihaja v območjih, kjer je bila izvedena združitev robov z ukazom Rip Connect do medsebojnega prekrivanja materiala (Slika 3.14).

Slika 3.14: Medsebojno prekrivanje materiala v območju prekinitve materiala

To anomalijo odpravimo z orodjem Extend, s katerim lahko že izdelano pločevino podaljšamo do izbrane ravnine oz. jo skrajšamo. V primeru konstruiranja plašča vrat bomo prekrivajočo se pločevino skrajšali (odstranili).

Slika 3.15: Orodje Extend za krajšanje/podaljšanje obstoječe pločevine


25

V dialoškem oknu izberemo WALL Options (Slika 3.15), najprej izberemo ukaz Edge in označimo rob ene izmed prekrivajočih se površin. S klikom na ukaz Distance določimo razdaljo, za katero želimo material skrajšati. Vnesena vrednost mora imeti v tem primeru negativen predznak. Orodje Extend v celoti ne odpravi prekrivanja materiala (Slika 3.16).

Slika 3.16: Medsebojno prekrivanje materiala v območju prekinitve materiala

Z orodjem Extrude odstranimo preostanek prekrivajoče se pločevine. Ker želimo odstraniti material samo na eni strani prekinitve, z orodjem Extrude pa bi v primeru, prikazanem na Sliki 3.16, odstranili ves volumen materiala v obliki telesnega gradnika, ki bi ga z njim izdelali, je potrebno najprej z orodjem Unbend pločevino sploščiti in material odstraniti šele takrat.

Slika 3.17: Sploščitev pločevinastega modela z orodjem Unbend

V dialoškem oknu orodja Unbend izberemo ukaz Fixed Geom in označimo poljubno površino na modelu. Sploščen model bo s to ravnino poravnan. Nato izberemo ukaz Unbend Geom in v novem oknu, ki se odpre, potrdimo izbiro Unbend All ter tako sploščimo pločevino. Z Orodjem Sketch na sploščeno pločevino v območju prekrivajočega se materiala


26

narišemo skico izseka (Slika 3.18). Z orodjem Extrude nato izdelamo telesni gradnik, s katerim odstranimo material po celotni debelini pločevine.

Slika 3.18: Detajl skice izseka razvitega pločevinastega modela

Z orodjem Bend Back nato sploščeno pločevino pretvorimo nazaj v upognjeno. Iz Slike 3.19 je razvidno, da je razmik med pločevino v območju prekinitve po celotni dolžini enakomeren, material pa več ne naseda.

Slika 3.19: Enakomerna prekinitev materiala

3.2.5 DODAJANJE STEN PLOČEVINASTEMU MODELU Osnovnemu modelu lahko dodajamo nove ravne stene (orodje FLAT) ali pa nove ukrivljene stene (orodje FLANGE). V obeh primerih lahko novi steni določimo obliko, velikost, kot postavitve glede na osnovni model in velikost upogibnega polmera. Pri konstruiranju nove stene na modelu plašča vrat uporabimo orodje FLAT. Najprej iz koračne orodne vrstice izberemo Placement in na modelu označimo rob pločevine, kamor želimo dodati novo steno. Generira se model stene, ki mu nato lahko parametre prilagajamo neposredno na modelu (Slika 3.20) ali pa jih izberemo iz koračne orodne vrstice (Slika 3.21).


27

Slika 3.20: Konstruiranje nove stene na dnu plašča vrat

Slika 3.21: Koračna orodna vrstica – orodje FLAT

Ko smo s parametri zadovoljni, vnos potrdimo in zapremo orodje. Vse stene, ki jih želimo dodati, skonstruiramo po enakem postopku.

3.2.6 KONSTRUIRANJE LUKENJ IN IZSEKOV NA PLOČEVINASTEM

MODELU Na plašču vrat je potrebno skonstruirati luknje, skozi katere se na plašč vrat pritrdijo drugi sestavni elementi vrat. Princip konstruiranja lukenj in izsekov je v modulih Sheet metal in Solid enak. Za to uporabljamo orodje Extrude, s katerim lahko na obstoječem modelu skonstruiramo več lukenj ali izsekov hkrati. Z orodjem Sketch narišemo skico. Najprej določimo skicirno ravnino, referenčno ravnino in reference, ki so na Sliki 3.22 prikazane s prekinjeno črto. Za te izberemo ploskve, ki ležijo pravokotno glede na ploskev, na katero želimo skicirati. Reference so pomembne zato, ker nam dajejo izhodišče za dimenzioniranje skice relativno glede na geometrijo modela.


28

Slika 3.22: Skiciranje lukenj na sprednjo ploskev plašča vrat

Z orodjem Extrude skonstruiramo luknje tako, da najprej izberemo skico, ki smo jo predhodno narisali. Program nato generira prostorski gradnik, ki mu določimo globino.

Slika 3.23: Konstruiranje lukenj na plašču vrat

3.2.7 IZDELAVA RAZVITE OBLIKE Splošna praksa je, da se poleg tridimenzionalnega prostorskega modela izdela tudi model razvite oblike (Slika 3.24). Takšen se lahko uporabi kot osnova za izdelavo programa za razrez pločevine s CNC laserskim rezalnim strojem. Iz upognjenega modela lahko kadarkoli med postopkom konstruiranja izdelamo model razvite oblike. Največkrat z namenom model najprej sploščimo, nanj skonstruiramo izsek, nato pa model upognemo nazaj. To dosežemo z orodjema Unbend in Bend Back.


29

Slika 3.24: Model razvite oblike plašča vrat

V tehniški risbi po navadi želimo prikazati upognjen in razvit element hkrati. V ta namen moramo izdelati nov model razvite oblike, ki bo z upognjenim povezan. Tako se vsaka konstrukcijska sprememba na upognjenem modelu prikaže tudi na sploščenem. Takšen model izdelamo z ukazom Flat State, do katerega dostopamo v padajočem kazalu grafičnega vmesnika preko padajočega menija Edit in ukaza Setup. Najprej izberemo ploskev, s katero želimo poravnati preostale, nato pa z ukazom Fully Formed razvijemo model, ki mu določimo še naziv (Slika 3.25).

Slika 3.25: Naziv modela razvite oblike plašča vrat

Pri izdelavi modela razvite oblike moramo upoštevati koeficient K, ki je razmerje med oddaljenostjo nevtralnega deformacijskega vlakna od notranjega polmera in debelino materiala. Ta nam določa dolžino deformacijske cone in posledico mere celotne razvite oblike.

3.2.8 IZDELAVA TEHNIŠKE DOKUMENTACIJE Osnova tehniške dokumentacije je tehniška risba, ki mora vsebovati vse informacije o geometriji izdelka, o materialu, o površinskih obdelavah, tolerance, izdelovalne napotke in druge potrebne podatke. Program za parametrično modeliranje nam omogoča neposredno povezavo med moduli za modeliranje in modulom za izdelavo tehniških risb. To pomeni, da se z vsako spremembo na 3D modelu tehniška risba samodejno posodobi.


30

Postopek izdelave tehniške risbe elementa Plašč vrat je opisan v strnjeni obliki. Tehniško risbo izdelamo z modulom Drawing. V dialoškem oknu najprej izberemo model, za katerega želimo izdelati tehniško risbo in podlogo načrta ter potrdimo izbiro. Sedaj lahko pričnemo z izdelavo delavniškega načrta. Z ukazom Insert General View dodamo osnovni pogled, nato z ukazom Insert Auxiliary View še pomožne. Pogledi prikazujejo geometrijske podatke modela v dveh ali treh dimenzijah. Dvoklik na posamezen pogled prikliče dialoško okno Drawing View, kjer lahko pogledu nastavimo merilo, prikažemo ali skrijemo nevidne robove, pogled pretvorimo v presek, delni ali prekinjen pogled itd. Do vseh orodij dostopamo preko orodnega traku nad grafičnim oknom, kjer so porazdeljena po skupinah. Z njimi dodajamo na načrt dimenzije, tolerance, kakovost obdelave, opombe, izvozimo načrt v format DXF in druge ali ga stiskamo na papir.

Slika 3.26: Modul Drawing

Da bi na načrt dodali pogled s sploščeno obliko elementa, moramo model sploščene oblike najprej povezati z načrtom. To storimo z ukazom Drawing Models v skupini Layout na orodnem traku. V izbirnem oknu izberemo model s pripono FLAT v nazivu. Nato razvito obliko elementa dodamo na načrt in urejamo tako kot ostale. Na podlagi načrta (Priloga 1) se za plašč vrat izdela tehnologija, na podlagi te, načrta in prostorskega modela pa v proizvodnji še element sam.


31

4 RAZREZ PLOČEVINE Z LASERJEM Izdelki podjetja Primat, d. d., so v precejšnji meri sestavljeni iz raznolikih pločevinastih elementov. Za razrez teh se uporablja CNC laserski rezalni stroj. Kvaliteta rezanega materiala obsega ogljikova in nerjaveča jekla (Acroni in Mangan), medtem ko debelina materiala povečini sega od 0,5 mm do 10 mm. Dobre lastnosti rezanja z laserjem so tanek rez, gladka in čista površina robov ter dobra dimenzijska natančnost.

4.1 OGLJIKOV-DIOKSIDNI LASER Ogljikov-dioksidni laser je plinski laser, ki lasersko svetlobo ustvarja z vzbujanjem plinske mešanice, ki je sestavljena iz dušika (N2), helija (He) in ogljikovega dioksida (CO2). Pri različnih izvedbah plinskih laserjev se tej mešanici dodajajo tudi drugi plini. Poenostavljen princip delovanja je sledeč. Električni tok, ki je lahko visokonapetostni enosmerni ali izmenični, pri radijskih frekvencah vzbuja molekule dušika, ki so pomešane z molekulami ogljikovega dioksida. To deluje tako, da elektroni trkajo ob molekule dušika, ki svojo energijo s trki prenašajo na molekule ogljikovega dioksida. Te nato z oddajanjem fotonov prehajajo v nižje energijsko stanje in tako ustvarjajo lasersko svetlobo. Molekule ogljikovega dioksida se v prvotno energijsko stanje vračajo po trku z molekulami helija. Laser oddaja infrardečo svetlobo valovne dolžine λ = 10,6 µm. Skupni tlak curka mešanice plinov znaša pri industrijskih laserjih približno 5 kPa. Izkoristek znaša med 10 in 15 %. [6]

4.2 PARAMETRI

4.2.1 HITROST REZANJA IN MOČ Velika hitrost rezanja je eden izmed razlogov za uporabo laserja. Območje hitrosti rezanja se določi glede na debelino in tip materiala ter moč laserja. Obstajajo zgornje in spodnje omejitve. Če je material predebel, ga laserski žarek ne bo prerezal ali pa bo kakovost razreznega robu nezadovoljiva. Če je material pretanek, bo vročina žarka uničila razrezni rob. Za večino materialov je hitrost rezanja pri konstantni moči laserja obratno sorazmerna z debelino materiala. Ker z laserji navadno režemo zahtevnejše oblike, ne sme biti moč laserja ves čas konstantna, ampak se mora prilagajati hitrosti rezanja. Na primer, kadar je pot laserja linearna, lahko ta material reže z veliko hitrostjo, kadar pa je potrebno izdelati majhno zaokrožitev, se hitrost laserja upočasni in temu se mora prilagoditi tudi moč, saj v nasprotnem primeru prihaja do prežiga materiala. Ta težava je odpravljena pri računalniško krmiljenih strojih, saj program glede na zahtevnost oblike izdelka določi hitrost in sorazmerno tudi moč laserskega žarka. Plinski laserji lahko delujejo v kontinuiranem ali sunkovitem načinu delovanja. Med kontinuiranim načinom delovanja dosegajo povprečne moči med nekaj milivati do megavata, medtem ko pri sunkovitem načinu delovanja dosegajo nekaj deset gigavatov. [6]


32

Material Debelina Hitrost rezanja

(m/min) Moč laserja

(W) Pomožni plin

Ogljikovo jeklo

0.75 2.5 200 O2

1.5 4 400 O2 3 3 800 O2 6 2 1200 O2

10 1.25 1500 O2

Nerjaveče jeklo

0.75 4.5 1200 N2

1.5 4 1500 N2

3 1 1500 N2

6 1 650 O2

10 0.75 800 O2

Preglednica 4.1: Standardni rezalni parametri za CO2 laser [6]

4.2.2 POMOŽNI PLINI Osnovni mešanici plinov se skoraj vedno dodajajo še drugi, pomožni plini, ki jih delimo na aktivne in inertne. Kateri tip uporabljamo, je odvisno od materiala, ki ga režemo. Pri rezanju ogljikovih jekel se navadno uporablja kisik, ki ima naslednje funkcije:

• pripomore k eksotermičnim reakcijam s kovinami in omogoča doseganje višje hitrosti dela;

• izključuje topljiv material iz brazd, ki jih je oblikoval laserski snop; • ščiti lečo pred brizgi materiala in proizvedenimi hlapi.

Slabost kisika kot pomožnega materiala je, da povzroča oksidacijo razreznih robov, kar predstavlja težavo pri nadaljnjih operacijah, kot so barvanje in varjenje, pri čemer oksid na razreznem robu omejuje sprijemanje materialov. Pri rezanju nerjavečih in visokolegiranih jekel se navadno uporablja inertne pline (pretežno dušik). Njihova glavna naloga je izločanje stopljenega materiala iz laserskega snopa z visoko hitrostjo, medtem pa ne povzročajo fuzije materiala. Dušik ima naslednje vloge:

• preprečuje oksidacijo robov in tako odpravlja težave pri operacijah, ki sledijo po razrezu;

• ščiti lečo pred brizgi materiala in nastalimi hlapi; • ohlaja strani proizvedenega utora in zmanjšuje obseg toplotno spremenjenega

območja. Slabi strani obdelave sta nizka hitrost razreza in večja poraba plina glede na rezanje z izgorevanjem. Da bi zmanjšali stroške, v nekaterih primerih namesto inertnega plina uporabimo zrak in tako sprožimo oksidacijo obrob ter omogočimo vstop nečistoč.


33

Pri razrezu aluminija in zlitin je pomožni plin navadno dušik, redkeje pa tudi mešanice dušika in kisika. Razrez teh materialov zahteva večji delež moči laserja za začetek procesa razreza v primerjavi s potrebnim za jeklo. Hitrost razreza je za približno 30 % nižja v primerjavi s hitrostjo, dobljeno z nerjavečim jeklom. [6] 4.3 KARAKTERISTIKE REZA Debelina reza znaša pri ogljikov-dioksidnem laserju med 0,1 in 1mm. Cilj je doseči čim manjšo debelino reza, saj tako zmanjšamo vnos toplote in povečamo natančnost rezanja. Pri tem moramo upoštevati debelino materiala. Če bi pri debelejšem materialu želeli izdelati rez majhne debeline, bi s tem otežili odpihovanje materiala. Za tanke reze se uporabljajo leče s kratko goriščno razdaljo, saj se svetloba, ki prehaja skozi njo, skoncentrira na mali točki. Površinska hrapavost reza narašča z debelino materiala, ki ga režemo. Pri ogljikovem jeklu, debeline 0,8 mm, znaša površinska hrapavost reza 1 µm, pri čemer dodatna obdelava robov ni potrebna, medtem ko znaša pri debelini 10 mm najmanjša dosegljiva hrapavost 10 µm. Pri razrezu večine kovin uporabljamo inertni plin zaradi tega, da je material po razrezu pripravljen za varjenje. Pri tem postopku se plin dovaja pod visokim pritiskom, turbulenca, ki pri tem nastaja, pa pri materialu, debeline 1,5 mm, poveča hrapavost robne ploskve materiala na 3 µm. Žlindra nastaja na obdelovancu na izstopni strani laserja kot rezultat odpihovanja staljenega materiala med rezanjem. Ta pojav je pogosto nesprejemljiv. Pri rezanju ogljikovih jekel prihaja do tega zaradi nepravilnega fokusiranja žarka, prenizkega tlaka plina ali prevelike hitrosti rezanja. Pri rezanju nerjavnega jekla ali aluminija je pojav žlindre pogost, za odpravo pa je potrebno dovajati pomožni plin pod zelo visokim tlakom. Merska natančnost obdelovanca je odvisna od zmožnosti CNC stroja, da sledi sprogramiranim ukazom, stabilnosti laserskega žarka in sprememb na obdelovancu, ki jih povzroči sam proces rezanja. Kadar režemo v ozkem tolerančnem območju, je potrebno omejiti hitrost rezanja in s tem zmanjšati možnosti za napake. Paziti je potrebno tudi na enakomerno oddaljenost glave laserja od obdelovanca, da ne pride do spremembe debeline reza. Nazadnje se je potrebno izogibati pretiranemu vnosu toplote v obdelovanec, kar bi lahko povzročilo njegovo raztezanje. V tem primeru izrezan kos mersko ne bi bil enak programirani poti laserskega žarka. [6]


34

4.4 RAZREZ RAZLIČNIH VRST KOVIN Z LASERJEM Ogljikova jekla – nizkoogljično jeklo je najbolj razširjen kovinski material, ki ga najpogosteje imenujemo pločevina. Je eden izmed najenostavnejših materialov za razrez z laserjem, vendar je dobro kvaliteto reza moč doseči le s pomočjo vnosa kisika. Večina toplote nastaja zaradi eksotermne reakcije med plinom in železom, laser pa v tem primeru služi kot pilot. Kovina, segreta z laserjem, izgoreva v curku kisika, medtem ko ostaja material v okolici neprizadet. Dosežemo lahko zelo gladek rob reza z natančnostjo, večjo od 1µm pri materialu, debeline 1 mm. Najpomembnejša za kakovost reza je kvaliteta materiala, ki ga režemo. Če je v materialu veliko nečistoč, te povzročajo lokalni vžig materiala in grobo površino robov obdelovanca. Hladno valjana pločevina je primernejša za razrez kot toplo valjana. Jekla z vsebnostjo ogljika 0,3 % ali več bodo pridobila po razrezu martenzitno strukturo robov. To se zgodi zaradi narave rezanja kovine z laserjem. Material na robu, ki je med rezanjem meja med trdino in talino, se segreje na temperaturo 1500 °C in posledično utrdi. To je lahko prednost ali slabost. Prednost je, kadar z laserjem režemo orodja za rezanje, saj odpade potreba po dodatnem utrjevanju rezalnega robu. Nerjaveča jekla delimo v dve večji skupini: avstenitna in feritno/martenzitna. Nerjavna jekla imajo zelo nizko toplotno prevodnost, zato bi jih moralo biti mogoče zelo enostavno rezati s toplotnimi procesi. Vendar pa jih legirni elementi, ki jeklo naredijo nerjaveče, naredijo tudi zelo odporne na oksidacijo. Zato ta jekla na laser reagirajo precej drugače kot pa ogljikova jekla. Pri feritno/martenzitnih jeklih, ki imajo glavni legirni element krom, dosežemo čist rez, vendar na rezalnem robu nastane plast kromovega oksida. Pri avstenitnih jeklih, ki imajo dodatke iz niklja in kroma, se na robu obdelovanca tvori kromov oksid. Nagnjena so še k prekomernemu nastajanja srha na spodnjem delu roba oz. izstopni strani laserja. To dvoje predstavlja resen problem v proizvodnji, saj je potrebna dodatna obdelava robov. Če se pri razrezu nerjavne pločevine uporablja inertne pline, potem se na robovih obdelovanca ne tvori plast iz kromovega oksida in ne nastajajo srhi. Takšen material lahko varimo, prav tako ni potrebe po dodatni obdelavi. Aluminij z laserjem težko režemo, saj ima visoko odsevnost, posledično je potrebna precejšnja količina energije, da ga stopimo. Zanesljivo lahko aluminij režemo z napravami z močjo laserja 1 kW in dobro kvaliteto žarka. Kljub temu ostaja kvaliteta reza slaba. Zato ima aluminij, rezan z laserjem, večinoma hrapave robove, ki vsebujejo veliko mikroskopskih razpok. Te je potrebno odstraniti, še posebej, kadar se tovrstno rezani kosi iz aluminija uporabljajo v letalski industriji. Baker in bakrove zlitine – še težje kot aluminij je z laserjem rezati čisti baker. Za razrez je potrebna velika moč laserja in uporaba kisika. Pri tem se material precej segreva in deformira, kar izničuje prednosti laserskega razreza. Bakrove zlitine, kot je na primer medenina, se med laserskim razrezom obnašajo podobno kot aluminij.


35

Titan in titanove zlitine med laserskim razrezom reagirajo s kisikom in vodikom, zaradi česar postane rezalni rob krhek. To pa je na splošno nesprejemljivo glede na dejstvo, da se deli, izdelani iz titana, povečini uporabljajo v letalski industriji ter medicini. Zaradi tega je potrebno med laserskim razrezom uporabiti inertni plin, kot je na primer argon. Z dodatkom helija se toplotna prevodnost plina še poveča, kar zmanjša temperaturo obdelovanca in posledično zmanjša toplotno vplivano območje okoli reza. [6]

4.5 UPORABA CAD/CAM ORODIJ PRI LASERSKEM RAZREZU Laserski rezalni stroj izdela vsakršno obliko, ki jo vanj sprogramiramo. V ta namen je potrebno za nek element, ki ga želimo izrezati iz pločevinaste plošče, izdelati program. Večina strojev za laserski razrez uporablja standardni nabor ukazov za numerično krmiljenje. Te lahko programer programira ročno, vendar je to delo pri zahtevnejših elementih precej zamudno. Poleg tega morebitne napake pri vnosu programa ne bodo odkrite prej kot med samim postopkom rezanja, odpravljanje le-teh pa terja čas in odpadni material. Zaradi tega ima uporaba CAD/CAM orodij pred ročnim vnosom očitne prednosti. Za generiranje računalniškega programa je potrebno precej manj časa, saj geometrijo uvozimo iz CAD modela, število napak se precej zmanjša, saj je mogoče izvesti računalniško simulacijo razreza in predvideti hod laserja ter odkriti mesta, kjer bi zaradi bodisi neustrezne geometrije rezanega elementa prihajalo do napak. Poveča se izkoristek, saj je mogoče preko grafičnega vmesnika izvajati različne kombinacije postavitev elementov, predvidenih za razrez na osnovni plošči. Ker je po navadi laser orodje za kratkotrajna opravila, skrajšanje pripravljalnega časa znatno poveča produktivnost naprave. Na spodnjih slikah je prikazano CAD/CAM programsko orodje podjetja Trumpf, ToPs 100. Ta programerju omogoča zajem tehniške risbe v formatu DXF, ki jo predhodno izdela konstrukter. Te lahko programer po potrebi še dodatno ureja.


36

Slika 4.1: Začetni zaslon programa ToPs 100

Praviloma je poleg tehniškega načrta pripeta še razvita oblika elementa v merilu 1 : 1, katere konturo programer vzame za osnovo programa. V naslednjem koraku se izvede postavitev razvite oblike na osnovno ploščo. Sledi izbira materiala in nastavitev parametrov rezanja, po potrebi se izvede simulacija razreza. Na koncu post procesor izdela programsko kodo, ki se jo posreduje stroju.

Slika 4.2: Uvoz tehniške risbe in razvite mere v naravni velikosti

Slika 4.3: Postavitev razvite oblike plašča vrat na osnovno ploščo


37

Slika 4.4: Izbira materiala za razrez

Slika 4.5: Določitev poti laserskega žarka


38

5 UPOGIBANJE PLOČEVINE Upogibanje spada med postopke natezno-tlačnega preoblikovanja; v področju preoblikovanja so napetosti (in deformacije) natezne in tlačne. Za upogibanje so značilne tudi velike elastične deformacije (zravnavanje) po preoblikovanju, zato se lahko izdelujejo upogibanci v množinski proizvodnji v ožjem tolerančnem območju le s sprotnim prilagajanjem orodja in stroja. Po preoblikovanju ostanejo v materialu tudi zaostale notranje napetosti, ki jih lahko odpravimo le z ustrezno toplotno obdelavo. Območje, kjer med preoblikovanjem nastopajo deformacije, imenujemo preoblikovalna cona. Pri čistem plastičnem upogibu se material na notranji strani upogibne cone krči, na zunanji pa razteza. Nekje vmes leži nevtralno deformacijsko vlakno, ki se med upogibanjem niti ne podaljša niti ne skrči. Napetosti okoli tega vlakna so zgolj elastične, zato se material skuša po upogibanju zravnati. Kot elastičnega zravnavanja ∆α moramo upoštevati pri konstruiranju in nastavljanju orodja za upogibanje. Dolžina tega nevtralnega vlakna je enaka iztegnjeni dolžini deformacijske cone. Bolj so vlakna oddaljena od nevtralne osi, večja je njihova deformacija. Deformacija se povečuje tudi takrat, ko se razmerje med notranjim upogibnim polmerom �� in debelino materiala S0 povečuje. Če je notranji upogibni polmer premajhen glede na debelino materiala, se lahko vlakna na zunanji strani preoblikovalne cone pretrgajo. Pri pravokotnih profilih, ki so glede na debelino precej ozki, se material na notranji strani upogiba odebeli, na zunanji pa zoži (Slika 5.1). [4]

Slika 5.1: Shematični prikaz plastičnega upogiba [9]

Poznamo orodja za upogibanje s premočrtnim medsebojnim gibanjem in vrteča se orodja. Večinoma se upogiba v hladnem. Obdelovance predhodno toplotno obdelamo le takrat, ko so ti večjih dimenzij in imajo večji prerez. Potek upogibanja z orodji s premočrtnim medsebojnim gibanjem poteka vzdolž ravne ali krive upogibne črte po celotni dolžini ali samo na določenih delih.


39

Postopki upogibanja s premočrtnim medsebojnim gibanjem orodja:

• prosto upogibanje,

• upogibanje v utopu,

• vlečno upogibanje,

• uklonljivo upogibanje,

• zavijalno upogibanje [2]

5.1 PROSTO UPOGIBANJE Upogibanje pločevine se začne kot prosto upogibanje. Pri tem je upogibni polmer upogibanca odvisen le od materialnih (višja utrditev, večji naravni polmer krivljenja) in geometrijskih lastnosti (s0, w) in ni odvisen od geometrije pestiča. Tudi stranice upogibanca ne ostanejo ravne. [4] Pri prostem upogibanju obdelovanec nalega na robova vstopne odprtine matrice, medtem, ko ga pestič z navpičnim hodom upogiba. Pri tem obdelovanec nikoli ne nalega na steni vstopne odprtine matrice, ampak ostane v zraku.

Slika 5.2: Prosto upogibanje (1 – obdelovanec, 2 – pestič, 3 – matrica z vstopno odprtino)

Lastnosti tega postopka so:

• relativno majhna sila, ki je potrebna za upogibanje,

• kot upogibanja določa hod pestiča v matrico in ni odvisen od oblike orodja,

• notranji radij krivljenja določajo geometrijske značilnosti odprtine matrice. Nanj ne vpliva debelina pločevine ali radij zaokrožitve na pestiču,

• manjša vstopna odprtina matrice botruje večjemu merskemu odstopanju kotov. Če želimo odstopanje zmanjšati, moramo povečati natančnost hoda pestiča,

• za upogibanje med kotoma 900–1800 lahko uporabimo matrico z odprtino oblike V s kotom med ploskvama 860–880,

• za upogibanje med kotoma 300–1800 lahko uporabimo matrico z odprtino oblike V s kotom med ploskvama 280.


40

5.2 UPOGIBANJE V UTOPU Za doseganje večje natančnosti je potrebno upogibanec kalibrirati. S kalibriranjem – upogibanjem v utopu, pri mnogo višji sili kot je potrebna pri prostem upogibanju, se upogibanec preoblikuje v upogibni matrici. [4] Pri upogibanju v utopu pestič pritiska obdelovanec v utop, dokler ta ne sede vanj. Najznačilnejši obliki upogiba sta V in U (Slika 5.3a, 5.3b). Z uporabo ustreznega držala lahko v utopu upogibamo tudi nesimetrične obdelovance (Slika 5.3c). [2]

a b c

Slika 5.3: Upogibanje v utopu (1 – obdelovanec, 2 – pestič, 3 – upogibalni utop, 4 – držalo

obdelovanca) [2]

S tem postopkom lahko upogibamo tudi zahtevnejše izdelke. Pri tem je pomembno, da pravilno določimo zaporedje upogibov (Slika 5.4).

Slika 5.4: Pravilno zaporedje upogibov pri upogibanju v utopu [2]


41

5.3 RAZVITA DOLŽINA Pri dimenzioniranju razvite dolžine oz. razvite oblike (kadar je upogibov več in njihove preoblikovalne cone potekajo medsebojno na isti ravnini pod različnimi koti) je pomembno, da se natančno dimenzionirajo preoblikovalne cone. Razvito dolžino lahko izračunamo kot vsoto ravnih in krivih linij – dolžin nevtralnih vlaken, ki se med upogibanjem niso deformirala. [4]

Slika 5.5: Razvita dolžina surovca [4]

Slika 5.6: Dolžina upogibanca [4]

L0=� li

n

i=1

+� lαj

m

αj=1

(5.1)

L0 �mm� razvitadolžina surovca li �mm� dolžina kraka upogibanca l∝j �mm� dolžina nevtralnega deformacijskega vlakna [4]

5.3.1 NEVTRALNO DEFORMACIJSKO VLAKNO Nevtralno deformacijsko vlakno je tisto, ki se pri upogibanju ni ne raztegnilo, ne skrčilo. Pri upognjenem elementu ne leži v sredini premera, temveč je pomaknjeno proti notranjemu robu upogiba. Pri tem je potrebno upoštevati razmerje med velikostjo notranjega polmera in debelino materiala polmera r1/S0. Večje kot je to, bolj je nevtralno deformacijsko vlakno pomaknjeno proti notranjemu robu. [4]


42

Slika 5.7: Nevtralno deformacijsko vlakno pri razvitem surovcu [4]

Slika 5.8: Nevtralno deformacijsko vlakno pri upogibancu [4]

l∝j= π×r0def×αj

180 (5.2)

r0def=r1+ S0

2×k (5.3)

k=0.65+ 12log

r1

S0 pri

r1

S0 ≤5 (5.4)

pri razmerjih

r1

S0>5 pa je k=1

lαj �mm� dolžina nevtralnega deformacijskega vlakna

r0def �mm� polmer nevtralnega deformacijskega vlakna αj �°� kot upogiba

r1 �mm� notranji polmer upogiba S0 �mm� debelina materiala k korekcijski faktor [4]


43

5.3.2 IZRAČUN RAZVITE DOLŽINE Pred preizkusi z upogibanjem najprej izračunamo razvito dolžino profila, ki je dimenzioniran na Sliki 5.9. Ta profil poimenujemo teoretični profil, saj zanj ni podanih dimenzijskih toleranc in predstavlja ideal, ki se mu bomo z upogibanjem različnih vzorčnih profilov poizkušali mersko kar najbolj približati. Izračun izvedemo po enačbi (5.1). S tem pridobimo izhodiščne podatke za izdelavo vzorčnih profilov.

Slika 5.9: Skica teoretičnega profila

5.3.2.1 IZRAČUN DOLŽINE NEVTRALNEGA DEFORMACIJSKEGA VLAKNA Za spodaj navedene podatke po enačbi (5.2) izračunamo dolžino nevtralnega deformacijskega vlakna.

• debelina materiala: S0 = 3 mm,

• notranji polmer upogiba: ��= 3 mm,

• kot upogiba: � = 90o,

l∝j= π×r0def×αj180

= π×3.97×90

180=6.24 mm

r0def=r1+S0

2×k=3+ 3

2×0.65=3.97 mm

k=0.65+ 12log r1

S0=0.65+ 1

2 log 3

3=0.65 mm


44

5.3.2.2 IZRAČUN RAZVITE DOLŽINE TEORETIČNEGA PROFILA

L0=� lin

i=1

+� lαj

m

αj=1

=l1+l2+lαj=14+14+6.24=34.24 mm

5.3.2.3 DOLOČITEV RAZVITE DOLŽINE TEORETIČNEGA PROFILA V PRO/ENGINEERJU

Rezultate izračuna lahko preverimo s CAD/CAM programskim orodjem Pro/ENGINEER. To naredimo tako, da skonstruiramo tri-dimenzionalni model profila z vhodnimi podatki, kot so prikazani na Sliki 5.9. Program razvito mero izračuna, kot prikazuje enačba (5.5). To stori samodejno, vendar je za pravilen izračun potreben vnos ustreznega koeficienta K. Ta nam določa razmerje med oddaljenostjo nevtralnega deformacijskega vlakna od notranjega robu upogiba in debelino materiala, kot prikazuje enačba (5.7).

L= �π×r

2� + Y ×S0�� × α90

(5.5)

L �mm� razvite dolžine r �mm� notranji polmer upogiba

α �°� kot upogiba S0 �mm� debelina materiala

Y korekcijski faktor[9] Pro/ENGINEER omogoča s prilagajanjem koeficientov Y in K samodejno izračunavanje razvite oblike pločevinastega modela.

Y= π2×K 5.6)

K = r0def-r1

S0 (5.7)

K upogibni koeficient Y začetni upogibni koeficient Izračun koeficienta Y in K z vhodnimi podatki teoretičnega profila.

Y = π

2 × K =

π

2 × 0.32 = 0.502655

K= r0def-r1

S0= 3.97-3

3=0.32


45

Izračunana koeficienta vnesemo v program Pro/ENGINEER.

Slika 5.10: Koeficienta K in Y

Na podlagi vnesenih podatkov program izdela razvito obliko (Slika 5.11) teoretičnega profila (Slika 5.9). Kot je razvidno, se ta ujema z izračunom. Odstopanje je le 0,02 mm.

Slika 5.11: Prostorski model razvite oblike teoretičnega profila

5.3.2.4 OPTIMIZIRANJE UPOGIBNEGA KOEFICIENTA K

Pomemben podatek pri določanju razvite oblike elementa je material, iz katerega je ta izdelan. Za izdelavo plašča vrat se v podjetju Primat, d. d., uporablja toplo valjana pločevina (S235JR-N). S preizkusom, pri katerem upogibamo vzorčne profile, lahko natančno določimo upogibni koeficient K. Preizkus z vzorčnimi profili izvedemo s sledečimi podatki:

• material: toplo valjana pločevina (S235JR-N),

• debelina materiala: d = 3 mm,

• mere surovcev vzorčnih profilov podane v preglednici 5.1,

• notranji upogibni radij: r1 = 3 mm, kot upogibanja α = 90°,

• upogibalna sila F=130 kN,

• geometrija upogibalnega orodja prikazana na Sliki 5.19,


46

Z CNC laserskim rezalnim strojem iz večjega kosa toplo valjane pločevine (S235JR-N) z merami 3x360x1000mm najprej izrežemo surovce. Te izrežemo na različnih mestih, kot je prikazano na Sliki 5.12. Tako bo mogoče med sabo primerjati profile in meriti odstopanja, ki so posledica spremenljivih lastnosti materiala.

Slika 5.12: Prikaz izrezanih surovcev vzorčnih profilov


47

Slika 5.13: Surovec vzorčnega profila – razvita oblika

Slika 5.14: Vzorčni profil

Surovci so označene s kombinacijo številke in črke. Z oznakami od A1 do A5 označimo razvite oblike, ki so mersko prilagojene različnim koeficientom K. Izhodiščni koeficient je enak tistemu, ki smo ga izračunali iz vhodnih podatkov za teoretični profil, njegova vrednost znaša 0,32. Za določitev najustreznejše vrednosti koeficienta K za izbran material izvedemo dva preizkusa. Med prvim preizkusom upognemo pet različnih surovcev (Preglednica 5.1), po tri vzorce za vsakega izmed njih (Slika 5.15).

Naziv vzorčnega profila

Teoretična razvita oblika

S x Lo[mm]

Dejanske mere surovcev

S x Lo[mm] Koeficient K

A1 20 x 34,59 20,02 x 34,61 0,40 A2 20 x 34,4 20,03 x 34,42 0,36 A3 20 x 34,22 20,02 x 34,24 0,32 A4 20 x 34,03 20,02 x 34,05 0,28 A5 20 x 33,84 20,02 x 33,86 0,24

Preglednica 5.1: Mere surovcev vzorčnih profilov – prvi preizkus


48

Slika 5.15: Matrica s surovci vzorčnih profilov – prvi preizkus

S postopkom prostega upogibanja surovce upogibamo na kot 900 (Slika 5.14). Ker je med preizkusom naslon upogibalnega stroja fiksen, je lega upogibnega območja na surovcu odvisna od njegove dolžine (L0). Po upogibanju s pomičnim merilom izmerimo dolžino krakov k1 in k2 pri vsakem vzorčnem profilu. Meritve zapišemo v Preglednico 5.2. Za vsak vzorčni profil seštejemo dolžini izmerjenih krakov (Enačba 5.8, 5.9, 5.10). Rezultati so prikazani v Preglednici 5.2. L1=k11+k21 (5.8) L1 �mm� seštevek krakov vzorčnega profila 1 k11, k21 �mm� izmerjena dolžina kraka vzorčnega profila1

L2=k12+k22 (5.9)

L2 �mm� seštevek krakov vzorčnega profila 2 k12, k22 �mm� izmerjena dolžina kraka vzorčnega profila 2 L3=k13+k23 (5.10) L3 �mm� seštevek krakov vzorčnega profila 3 k13 k23 �mm� izmerjena dolžina kraka vzorčnega profila 3 Potrebno je izračunati še povprečno vrednost seštetih dolžin krakov Lp (Enačba 5.11). Rezultati so prikazani v Preglednici 5.2.


49

Lp= ∑ Lini=1

n (5.11)

Lp �mm� povprečna vrednost seštevkov krakov vzorčnih profilov Li �mm� seštevek krakov vzorčnega profila n število vzorčnih profilov Vrednosti Lp primerjamo s seštevkom dolžin krakov teoretičnega profila Lt. Lt=kt1+ kt2=20+20=40mm

Naz-iv

Koef. K

Vzorčni profil – 1 Vzorčni profil – 2 Vzorčni profil – 3 Lp

[mm] k11

[mm] k21

[mm] L1

[mm] k12

[mm] k22

[mm] L2

[mm] k13[mm]

k23 [mm]

L3 [mm]

A1 0,40 19,55 20,68 40,23 19,54 20,71 40,25 19,56 20,67 40,23 40,23

A2 0,36 19,38 20,71 40,09 19,41 20,69 40,1 19,42 20,67 40,09 40,09

A3 0,32 19,24 20,65 39,89 19,21 20,67 39,88 19,23 20,69 39,92 39,89

A4 0,28 19,02 20,68 39,7 18,99 20,69 39,68 19,04 20,72 39,76 39,71

A5 0,24 18,84 20,66 39,5 18,84 20,68 39,52 18,82 20,67 39,49 39,5

Preglednica 5.2: Mere vzorčnih profilov – prvi preizkus

Pri vzorčnem profilu, kjer je odstopanje med vrednostjo Lp in Lt najmanjše, je bil pripadajoči koeficient K najustrezneje izbran. Iz Preglednice 5.2 je razvidno, da je povprečje Lp najbližje seštevku krakov teoretičnega profila Lt, pri vzorčnih profilih A2 in A3. Najprimernejši koeficient K se torej nahaja nekje med vrednostma 0,32 in 0,36. Da bi ga natančneje določili, izvedemo drugi preizkus z novimi vzorci (A6, A7 in A8), ki imajo upogibne koeficiente med vrednostma 0,32 in 0,36. Med drugim preizkusom surovce vzorčnih profilov izrežemo iz drugega kosa pločevine. Postopek izvedemo na enak način kot med prvim preizkusom.


50

Naziv vzorčnega profila

Teoretična razvita oblika

S x Lo[mm]

Dejanska razvita oblika

S x Lo[mm] Koeficient K

A6 20 x 34,26 20,02 x 34,28 0,33 A7 20 x 34,31 20,03 x 34,33 0,34 A8 20 x 34,36 20,02 x 34,38 0,35

Preglednica 5.3: Mere surovcev vzorčnih profilov – drugi preizkus

A

6-1

A7-

1A

8-1

A6-

2A

7-2

A8-

2

A6-

3A

7-3

A8-

3

A6-

1A

7-1

A8-

1

A6-

2A

7-2

A8-

2

A6-

3A

7-3

A8-

3

0.35

0.34

0.33

Vzorec 1 Vzorec 2 Vzorec 3

Slika 5.16: Matrica s surovci vzorčnih profilov – drugi preizkus

Naz. Koef. K

Vzorčni profil – 1 Vzorčni profil – 2 Vzorčni profil – 3 Lp

[mm] k11

[mm] k21

[mm] L1

[mm] k12

[mm] k22

[mm] L2

[mm] k13[mm]

k23 [mm]

L3 [mm]

A6 0,33 19,33 20,52 19,85 19,38 20,71 39,89 19,38 20,49 39,87 39,87

A7 0,34 19,39 20,51 39,9 19,49 20,46 39,95 19,41 20,51 39,92 39,95

A8 0,35 19,48 20,51 39,99 19,48 20,54 40,02 19,47 20,53 40 40

Preglednica 5.4: Mere vzorčnih profilov – drugi preizkus

Kot je razvidno iz Preglednice 5.4, je za material - toplo valjana pločevina (S235JR-N) najprimernejša vrednost upogibnega koeficienta K = 0,35. Na Sliki 5.17 je podana primerjava


51

mer razvite oblike plašča vrat glede na izbrani upogibni koeficient K.

914.

04

757.97

915.

03

759.29

KOEFICIENTUPOGIBANJAK=0,32

KOEFICIENTUPOGIBANJAK=0,35

Slika 5.17: Mere razvite oblike glede na izbran koeficient upogibanja K

5.3.2.5 PREIZKUS MERSKEGA ODSTOPANJA PROFILOV GLEDE NA POLOŽAJ SUROVCA NA PLOČEVINI

Pri tem preizkusu se na različnih mestih iz toplo valjane pločevine (S235JR-N) z laserskim rezalnim strojem izrežejo surovci (Slika: 5.18) z merami, s x L0 = 20 x 34,2 mm (dejanske izmerjene mere znašajo 20,02 x 34,22 mm) kot prikazuje Slika 5.12. Surovci se s postopkom prostega upogibanja upognejo na kot 900. S pomičnim merilom se izmerita kraka k1 in k2 pri vsakem profilu. Njuna vsota se izračuna po enačbi (5.8) in rezultati zabeležijo v Preglednicah 5.5, 5.6, in 5.7. Pri tem nas zanima ali prihaja do večjih odstopanj med vrednostmi L1.

A3-

H

A3-V

A3-D

Smer valjanja

Smer valjanja

Slika 5.18: Različno orientirani surovci vzorčnih profilov glede na smer valjanja pločevine

V Preglednici 5.5 so prikazane izmerjene dimenzije vzorčnih profilov, katerih preoblikovalno območje upogiba poteka pravokotno na smer valjanja. Največje odstopanje med merami L1 je 0,12 mm.


52

Naziv profila k1 [mm] k2 [mm] L1 [mm]

A3 – H1 19,34 20,62 39,96

A3 – H2 19,32 20,67 39,99

A3 – H3 19,41 20,67 40,08

Preglednica 5.5: Odstopanje izmerjenih dimenzij testnih vzorcev A3 – H

V Preglednici 5.6 so prikazane izmerjene dimenzije vzorčnih profilov, katerih preoblikovalno območje upogiba poteka vzporedno s smerjo valjanja. Največje odstopanje med merami L1 je 0,17 mm.


A3 – V1 19,20 20,61 39,81

A3 – V2 19,25 20,68 39,93

A3 – V3 19,30 20,68 39,98

Preglednica 5.6: Odstopanje izmerjenih dimenzij testnih vzorcev A3 – V

V Preglednici 5.7 so prikazane izmerjene dimenzije vzorčnih profilov, katerih preoblikovalna območje upogiba poteka pod kotom 45° glede na smer valjanja. Največje odstopanje med merami L1 = 0,19 mm.


A3 – D1 19,36 20,54 39,9

A3 – D2 19,32 20,65 39,97

A3 – D3 19,40 20,69 40,09

Preglednica 5.7: Odstopanje izmerjenih dimenzij testnih vzorcev A3 – D


53

5.4 ELASTIČNO ZRAVNAVANJE

Vsak upogibanec se po razbremenitvi nekoliko zravna. Ta pojav imenujemo elastično zravnavanje. Povzročijo ga zaostale napetosti v materialu po plastični deformaciji. Elastično zravnavanje je mnogo manjše pri upogibanju v utopu, kot pa pri prostem upogibanju. Še manjše plastično zravnavanje lahko dosežemo, če je zaokrožitev matrice nekoliko manjša kot običajno (rm = S0 + rp). V tem primeru je potrebno zagotoviti ustrezno veliko silo, da se material v upogibnem območju dodatno pregnete. [4]

Slika 5.19: Elastično zravnavanje materiala

K= r1+S02

r2+S02

= α2

α1 (5.12)

K faktor elastičnega zravnavanja S0 [mm] debelina materiala r1 [mm] notranji polmer pri obremenjenem upogibancu r2 [mm] notranji polmer pri razbremenjenem upogibancu S0 [mm] debelina materiala α1 [°] kot upogibanja (orodja) α2 [°] kot upogibanca po razbremenitvi Elastično zravnavanje lahko natančno izračunamo samo, če natančno poznamo vrednost faktorja elastičnega zravnavanja. To lahko dosežemo s preizkusi. [4]

5.4.1 DOLOČANJE KOEFICIENTA ELASTIČNEGA ZRAVNAVANJA

MATERIALA Koeficient elastičnega zravnavanja K za toplo valjano pločevino (S235JR-N) določimo s preizkušanjem. Kot je prikazano v enačbi (5.12), je faktor elastičnega zravnavanja materiala razmerje med kotom upogibanca po razbremenitvi in kotom upogibanja (geometrija orodja). [4]


54

84°

3

R1,

6

R1,6

16

R3

3

84°

R1,

6

R1,6

16

R3

3,13

4

86,7°

90°3

a b

OW

202/

K R

3/28

H11

2,3

EV

W16

/84

R1.

6 H

98,5

R1,6R1,6

Slika 5.20: Geometrija orodja pri upogibanju vzorčnega profila

Preizkus se izvede s postopkom prostega upogibanja z orodjem, kot je prikazano na Sliki 5.20. Za osnovo se uporabi enake surovce, kot pri poglavju 5.3.2.5. Ti se ponovno izrežejo. Surovce je potrebno upogniti na kot 90⁰ (Slika 5.20a). Že pri prvem upogibu je zaznati elastično zravnavanje materiala. Izmerjen kot vzorčnega profila znaša 93,3° (93⁰ 18"). Potrebno je izvesti korekcijo kota upogibanja, in sicer za 3,3°. To pomeni, da se zaradi elastičnega zravnavanja vsi nadaljnji upogibi izvedejo pod kotom 86,7° (86⁰ 42") (Slika 5.20b). Rezultati preizkusa so podani v Preglednicah 5.8, 5.9 in 5.10

Naziv profila α1 [°] α 2 [°] ∆α [°] K

A3 – H1 86⁰ 42" 89⁰ 35" 2⁰ 53" 1,03

A3 – H2 86⁰ 42" 90⁰ 45" 3⁰ 03" 1,04

A3 – H3 86⁰ 42" 89⁰ 50" 2⁰ 58" 1,03

Preglednica 5.8: Kotno odstopanje testnih vzorcev A3-H


A3 – V1 86⁰ 42" 89⁰ 50" 2⁰ 58" 1,03

A3 – V2 86⁰ 42" 90⁰ 05" 3⁰ 23" 1,03

A3 – V3 86⁰ 42" 89⁰ 45" 3⁰ 03" 1,03

Preglednica 5.9: Kotno odstopanje testnih vzorcev A3 – V


55


A3 – D1 86⁰ 42" 89⁰ 45" 3⁰ 03" 1,03

A3 – D2 86⁰ 42" 90⁰ 25" 3⁰ 43" 1,04

A3 – D3 86⁰ 42" 89⁰ 45" 3⁰ 03" 1,03

Preglednica 5.10: Kotno odstopanje testnih vzorcev A3 – D

Ko je korekcija kota izvedena, ostaja izmerjen kot (α2) pri vseh vzorčnih profilih znotraj tolerance ±1°. To velja za vzorce, ki so izrezani iz iste plošče. Ko se upognejo vzorci iz druge plošče z nespremenjenimi nastavitvami upogibnega stroja, je ponovno zaznati večje odstopanje od želenega kota (Preglednica 5.11).

A5-

1T

A5-

2T

A5-

3T

Slika 5.21: Matrica z razvitimi oblikami vzorčnih profilov – druga plošča


A5 – 1T 86⁰ 42" 95⁰ 35" 8⁰ 53" 1,1

A5 – 2T 86⁰ 42" 95⁰ 30" 8⁰ 48" 1,1

A3 – 3T 86⁰ 42" 94⁰ 55" 8⁰ 13" 1,09

Preglednica 5.11: Kotno odstopanje testnih vzorcev A5 – T

5.5 IZDELAVA PROGRAMA ZA CNC UPOGIBALNI STROJ V CAM programskem orodju TOPs se izdela program za upogibanje plašča vrat na CNC upogibalnem stroju. Osnova je prostorski model iz katerega se predhodno izdela tehnično risbo. Ta se pretvori v podatkovni format dxf, ki ga lahko programsko orodje TOPs bere. V programu TOPs, se za element najprej izbere material iz katerega bo izdelan in na


56

njem definira upogibalna območja. Vsakemu izmed njih se posebej določi velikost upogibnega kota, upogibni polmer, orodje s katerim se bo upogibalo, metodo, tehniko in tip upogibanja (Slika 5.22). V naslednjem koraku se določi zaporedje upogibov. Ustreznost izdelanega programa je mogoče, preden ga posredujemo obdelovalnemu stroju, preveriti s simulacijo (Slika 5.25).

Slika 5.22: Uvoz razvite oblike v program TOPs

Slika 5.23: Določitev parametrov za posamezen upogib


57

Slika 5.25: Določitev vrstnega reda upogibanja

Slika 5.26: Simulacija upogibanja


58

6 SKLEP Med pregledom postopkov izdelave plašča vrat s pomočjo CAD/CAM orodij, pridemo do najzanimivejših in tudi najkoristnejših ugotovitev pri pregledu postopka upogibanja. Danes lahko z neko gotovostjo trdimo, da je programska oprema za prostorsko parametrično modeliranje, kot je Pro/ENGINEER, privedena do visokega nivoja in kot taka konstrukterju omogoča kvalitetno in natančno opravljanje njegovega dela. Laserski razrez pločevine se je v zadnjih letih ali celo desetletjih spremenil zelo malo. Z uporabo ogljikovega-dioksidnega laserja lahko pločevino režemo zelo hitro in natančno. Mere z laserjem izrezanih surovcev vzorčnih profilov iz nizkoogljičnega jekla debeline 3mm od mer CAD modela odstopajo le za ±0,02mm. Do večjih merskih in oblikovnih odstopanj prihaja pri postopku upogibanja pločevine. Pomemben vpliv na uspešnost izvedbe upogiba ima material, iz katerega je upogibanec izdelan. Iz rezultatov meritev, ki so prikazani v poglavju 5.4 je razvidno, da lahko prihaja pri doseženih kotih med postopkom upogibanju, do velikih odstopanj zaradi elastičnega zravnavanja materiala. Ta so največja med vzorčnimi profili, katerih surovci so bili izrezani iz različnih jeklenih plošč. Največji izmerjen kot izravnavanja za toplo valjano pločevino (S235JR-N), iz katere je izdelan plašč vrat blagajne Starprim 3/N, znaša ∆α = 8⁰ 53". Zaradi navedenih odstopanj je potrebno med postopkom upogibanja, zaradi zagotavljanja predpisanih toleranc dimenzij upogibanca, na upogibalnem stroju izvajati korekture. V diplomskem delu je tudi podana vrednost upogibnega koeficienta K za material kvalitete S235JR-N in debeline 3mm. Ta je bila določena s preizkusi z upogibanjem vzorčnih profilov, kot je prikazano v poglavju 5.3.2.4. Iz Slike 5.17 je razvidno, da je odstopanje dimenzij razvitih oblik plaščev vrat, ki sta bila izdelana na osnovi dveh različnih upogibnih koeficientov K, večje ali znaša vsaj toliko, kot znašajo predpisane dimenzijske tolerance za višino, širino in debelino upognjenega plašča vrat, to je 1 mm. Z vnosom novo določene vrednosti upogibnega koeficienta K v programsko orodje Pro/ENGINEER se lahko v fazi konstruiranja zagotovi boljše izhodišče za nadaljnje postopke izdelave. Avtor diplomskega dela vidi v predstavljenih metodah in izsledkih le teh predvsem orodje, ki bi se lahko uporabilo za izdelavo izkustvenih tabel z vrednostmi upogibnega koeficienta K za materiale različnih debelin in kvalitet, ki so v uporabi v podjetju Primat d.d. Slednje in pa upoštevanje odstopanj doseženih kotov med upogibanjem od predpisanih, zaradi elastičnega izravnavanja materiala, bi po prepričanju avtorja tega diplomskega dela, pripomoglo k doseganju boljših rezultatov pri zagotavljanju merske in oblikovne ustreznosti zahtevnih pločevinastih elementov, kot je plašč vrat varnostne blagajne Starprim 3/N.


59

7 VIRI [1] Balič, Jože (2002): CAD/CAM postopki. Maribor: Fakulteta za strojništvo. [2] Balič, Jože/Pahole, Ivo (2008): Proizvodne tehnologije. Maribor: Fakulteta za

strojništvo. [3] Rao, P. N. (2010): CAD/CAM Principles and Applications. Tata McGraw, New Delhi. [4] Kampuš, Zlatko (2005): Upogibanje: gradivo za predavanje. Ljubljana: Fakulteta za

strojništvo. [5] Čretnik, Samo (2010): Pro/ENGINEER Wildfire 5.0. Pasadena. [6] Migliore, Leonard (1996): Laser materials processing. Laser Kinetics, California. [7] Gradivo podjetja Primat. [8] Gradivo podjetja Trumpf. [9] Parametric Technology Corporation (2001): Fundamentals of sheet metal design –

izobraževalna literatura [10] Buchmeister, Borut (2002): Izdelovalni postopki preoblikovanje. Maribor: Fakulteta

za strojništvo. Spletne strani: [11] http://www.cadazz.com/cad-software-history.htm [12] http://me.andering.com/2010/05/23/i-didnt-know-it-was-hard/ivan-sutherland/


60

8 PRILOGE Diplomskemu delu je priloženo:

• podatkovna tabela programa TOPs za laserski razrez testnih profilov

• delavniški načrt - Plašč vrat; št. načrta 38555_210042


2

Podatkovna tabela programa TOPs za laserski razrez testnih profilov


3


4

Documents

UPORABA CAD/CAM ORODIJ PRI IZDELAVI ZAHTEVNIH … · UPORABA CAD/CAM ORODIJ PRI IZDELAVI ZAHTEVNIH ELEMENTOV IZ PLO ČEVINE Diplomsko delo ... CAE – Computer Aided Engineering CAD