8 - 2004

Опыт эксплуатации высокоскоростного фрезерного станка малой мощности с системой программирования ГеММа-3D

Владимир Вермель, Валерий Зиняев, Валентин Сухнев, Андрей Шустов

Возрастающая скорость построения математических моделей деталей и технических изделий обусловливает потребность в их оперативном представлении для разработчиков, причем более наглядном, чем их изображения на экранах компьютерных мониторов. Другой насущной потребностью является столь же оперативное изготовление мастер-моделей и вр е менной технологической оснастки. Известный путь решения данной задачи — построение твердых копий математических моделей в устройствах быстрого прототипирования (лазерная стереолитография, LOM-технология, PDF-системы). Основными недостатками подобных систем на данный момент являются их чрезвычайно высокие цены при ограничении по размерам изготавливаемых изделий и узкий спектр возможностей дальнейшего использования изделий вследствие их низких механических характеристик и искажения размеров при хранении.

В связи с этим представляет интерес применение для решения данной задачи облегченных фрезерных станков малой мощности с ЧПУ, обеспечивающих скоростное фрезерование мягких материалов (пластмассы, древесины, алюминиевых сплавов, меди и латуни). Опыт обработки данных материалов на традиционных станках с ЧПУ с частотой вращения шпинделя менее 3000 об./мин и подачами до 250 мм/мин показал, с одной стороны, хорошую наглядность и широкую применимость изделий, с другой — невозможность обеспечить приемлемое время изготовления, а также высокую стоимость эксплуатации мощных станков.

Облегченные фрезерные станки созданы преимущественно для фрезерования листового материала (изготовление рекламных щитов, раскрой листов), гравирования (производство монет и художественных изделий) и т.п. Исполнение работ такого типа требует повышенной точности позиционирования (несколько микрон), большой скорости вращения шпинделя (около 15-20 тыс. об./мин) и соответственно высоких минутных подач — 3-15 м/мин.

В качестве обрабатываемых материалов для них могут использоваться древесина, фанера, МДФ (древесно-стружечная плита с мелкой гомогенной структурой, пропитанная фенолформальдегидной смолой), модельный пластик, алюминиевые сплавы, медь и латунь.

Можно сравнить технологические и стоимостные характеристики установок послойного синтеза на основе фотополимеризации и легких фрезерных станков малой мощности. Ориентировочные данные приведены в табл. 1. Для конкретных станков величины технологических характеристик и стоимости могут несколько изменяться, однако соотношение характеристик в целом сохранится. Из таблицы видно, что при более высоких характеристиках (по габаритам, производительности, точности и чистоте обработки) фрезерные станки имеют безусловное преимущество при существенно более низкой цене. Последний фактор обусловливает целесообразность комплектации станка специализированным рабочим местом на базе отечественной системы геометрического моделирования и программирования станков с ЧПУ ГеММа-3D. Ее использование оказывается рациональным для подобного комплекса, поскольку ее цена составляет всего 5-8% от цены фрезерного станка (цена полного комплекта системы ГеММа-3D версии 9.0 — порядка 4400 у.е.). В системе имеется интерфейс по форматам DXF, IGES и STEP со всеми известными системами CAD/CAM, а с конструкторской системой КОМПАС-3D есть прямой интерфейс. Развитой геометрический редактор позволяет просто дорабатывать математические модели, разработанные во внешних CAD-системах, а также оперативно выполнять их построение по чертежам или по эскизам непосредственно на рабочем месте оператора станка. Другими важнейшими факторами, определяющими выбор технического устройства, являются механические характеристики и цены используемых материалов (табл. 2). По этим пунктам облегченные фрезерные станки малой мощности также имеют убедительные преимущества.

Таблица 1

Таблица 2

В связи с этим для обеспечения решения задач модельного производства ЦАГИ нами было принято решение о приобретении станка FlexiCAM Pro 1515 (Германия). Рабочая зона по осям Х и Y у него составляет 1,5x1,5 м, мощность привода шпинделя — 5 кВт, максимальный диаметр хвостовика инструмента — 16 мм. Дополнительно заказана опция увеличенного Z-габарита — до 400 мм от поверхности стола до траверсы. Максимальная скорость вращения шпинделя составляет 18 тыс. об./мин; максимальные подачи по осям — 12-60 м/мин.

Для обработки деталей с малой толщиной нами изготовлен и установлен на основной стол станка стол-подставка (рис. 1), имеющий 150 резьбовых отверстий под шпильки для крепления заготовок.

В числе задач, решаемых комплексом «высокоскоростной станок FlexiCAM Pro 1515 — система геометрического моделирования и программирования обработки ГеММа-3D» — оперативное отображение математических моделей и конструкторских проработок большого размера (0,5-1,0 м и более); изготовление элементов аэродинамических моделей в аэродинамические трубы малой скорости (с характерным размером 1,5-3,5 м) из древесины, фанеры и МДФ; изготовление временной формообразующей технологической оснастки, материалом для которой, наряду с перечисленными, может служить алюминиевый сплав, допускающий нагрев до 180 °С; обработка медных электродов; изготовление из латуни дополнительных элементов (втулок, креплений, специальных кронштейнов и т.д.).

Следует отметить, что важнейшим преимуществом использования установок послойного синтеза остается возможность изготовления изделий любой сложности, в том числе с внутренними полостями и тонкостенных с небольшими ограниченными размерами (< 1 м) и малыми внутренними объемами. Средняя производительность составляет около 200 см 3 в сутки с учетом времени на изготовление заготовок и на сборку элементов, что позволяет говорить о повышенной оперативности послойной стереолитографии изделий в пределах данных объемов.

Эффективность рассматриваемого комплекса «станок — CAD-система» определяет оперативность решения двух задач: обеспечения максимальной производительности при удалении основного материала заготовки (черновая обработка) и достижения рациональной чистоты поверхности, минимизирующей суммарные временн ы е затраты на станочную и ручную обработку (чистовая обработка).

Выполним соответствующий анализ. Представленные результаты получены применительно к твердосплавным фрезам фирмы Sandvik Coromant (Швеция) и DIMAR (Израиль) для обработки древесины.

На рис. 2 показана обработка на станке FlexiCAM Pro 1515 вакуумной формы для изготовления панелей из углепластика с температурой полимеризации около 120 °С. На станке обработана формообразующая поверхность, а также каналы и полости для обеспечения вакуумного прижима.

Максимальная производительность чернового фрезерования определяется совокупностью характеристик станка и инструмента, в числе которых скорость резания материала, скорость вращения шпинделя и мощность его привода. На рис. 3 показаны энергетические возможности фрезерования мягких материалов (Vуд см2/мин по мощности привода шпинделя). Таким образом, практически во всем диапазоне мощностей легких станков возможна обработка всех рассматриваемых материалов.

Для обеспечения установленных условий резания (инструкция к твердосплавному инструменту) необходимо согласование оборотов с эффективным диаметром режущей части фрезы, выполняющей обработку поверхности с заданным припуском. Соответствующая зависимость показана на рис. 4. В этом случае условие по скорости резания может быть выполнено только для металлических материалов (медь, латунь, алюминий), а для неметаллических обработка может производиться только на скоростях, которые существенно меньше рекомендуемых. Другим фактором, приводящим к уменьшению скорости резания, является эксплуатационное снижение оборотов шпинделя в зависимости от нагрузки по внешним проявлениям (повышенный шум, вибрации). Эксплуатационные величины подач и оборотов представлены на рис. 5, где показано и изменение параметров обработки оператором станка вручную по внешним проявлениям (вибрация, перегрев). Достигаемая максимальная производительность обработки концевыми фрезами при послойном фрезеровании иллюстрируется рис. 6. Такая обработка эффективно программируется в системе ГеММа-3D (рис. 7), где применяются круговая интерполяция и коррекция на радиус инструмента. Большое количество стратегий чистовой обработки позволяет выбрать наиболее выгодную из них для детали заданной конфигурации, а также получить требуемую чистоту обработки. Чистовая обработка для той же матрицы, построенная в системе ГеММа-3D, показана на рис. 8.

Геометрические размеры матрицы: длина — 2,8 м, ширина — 450 мм, глубина выборки — 60 мм. Общее время изготовления матрицы (рис. 9) на станке составило одну рабочую смену при одной перестановке. Финишная ручная обработка поверхности, включающая нанесение защитного лакового покрытия, потребовала еще одного рабочего дня.

Заключение

Комплекс, состоящий из облегченного высокоскоростного станка малой мощности типа FlexiCAM Pro 1515 и CAD/CAM-системы ГеММа-3D, при малой стоимости обеспечивает решение широкого круга задач, связанных как с быстрым прототипированием опытно-конструкторских разработок, так и с изготовлением из мягких материалов (древесина, фанера и МДФ, алюминиевые сплавы, медь, латунь) экспериментальных моделей и демонстрационных макетов, мастер-моделей, а также широкой номенклатуры вр е менной технологической оснастки.

«САПР и графика» 8'2004