8 - 2011

Обработка шнеков на токарных станках с ЧПУ

Андрей Мальцев, Андрей Аввакумов

Звучит немного необычно: замена фрезерного оборудования на токарное, причем не на токарно­фрезерное, а именно на токарное! Тем не менее практика обработки деталей типа «шнек» на токарном оборудовании с ЧПУ существует.

Разработчики CAD/CAM/CAPP­системы ADEM — одни из немногих, кто сегодня может предложить технологу инструмент для программирования обработки шнеков на токарном оборудовании с ЧПУ. Более того, необходимый для этого функционал в системе существует уже довольно давно. Иными словами, имея в своем распоряжении систему ADEM, можно получать управляющие программы для обработки деталей типа «шнек» на токарных станках. При этом нет необходимости наращивать функционал и приобретать какие­либо дополнительные специализированные модули —  достаточно освоить несложную методику. Данная методика вовсе не нова, однако всё еще мало известна широкому кругу пользователей.

Заметим, что процесс программирования точения резьбы произвольного профиля на токарных станках с ЧПУ является довольно сложным и трудоемким. Однако при использовании современной CAD/CAM/CAPP­системы, такой как ADEM­VX 9.0, программирование обработки становится наглядным и доступным для освоения технологу­программисту.

В апреле этого года на проходившем в Ижевске ежегодном Форуме автоматизации машиностроения в качестве одного из примеров выполненных работ был показан способ получения шнеков стандартными средствами токарной обработки в ADEM.

Поскольку лопатки шнека образуют винтовую поверхность, направленную вдоль оси детали, во многих случаях ее можно сравнить с крупной резьбой. С одним лишь отличием: если для резьбы геометрия ее профиля является стандартизованной, то для шнеков геометрия профиля лопатки может быть совершенно произвольной. Основываясь на сходстве геометрии (рис. 1), можно утверждать, что получить шнек можно тем же способом, каким формируется резьба при обработке на токарном станке.

Таким образом, для обработки шнека будем применять стандартный переход токарной группы Нарезать/Резьба (рис. 2). Следует отметить, что для обработки любых резьб, в том числе нестандартных, в систему ADEM встроен специальный механизм, названный разработчиками виртуальной машиной. Используя ее возможности, пользователь может самостоятельно описать стратегию получения профиля резьбы. Например, обработка может начинаться из центра, формируя профиль последовательным смещением инструмента в направлении оси вращения. Величина смещения на каждом проходе, число калибровочных проходов и многие другие параметры определяются при первоначальной настройке. Основные стратегии установлены по умолчанию.

Рис. 1. Шнековая и резьбовая поверхности

Рис. 1. Шнековая и резьбовая поверхности

Рис. 2. Параметры обработки технологического перехода Нарезать/Резьба

Рис. 2. Параметры обработки технологического перехода Нарезать/Резьба

Рис. 3. Параметры геометрии шнека

Рис. 3. Параметры геометрии шнека

Итак, для того чтобы обработать шнек, необходимо определить геометрию профиля и параметры его обработки.

Параметры, описывающие геометрию шнека, задаются в том же диалоге, который позволяет устанавливать параметры резьбы, — на закладке Место обработки (рис. 3). Из всех параметров, доступных для определения, при программировании обработки резьбы нам необходимы: тип шнека, профиль, вид, длина, шаг и количество заходов.

Тип геометрии можно установить цилиндрическим либо коническим. Если шнек определен как конический, то дополнительно задается его угол (рис. 4).

Рис. 4. Угол конического шнека

Рис. 4. Угол конического шнека

Поскольку мы говорим об обработке шнеков, а их профиль, как сказано ранее, произвольный, то определим его тип как «Профиль пользователя». При этом геометрия межлопаточного пространства или лопатки создается средствами конструкторского модуля. Таким образом, возможности по программированию обработки шнеков на токарных станках не ограничиваются каким­то одним типом профиля лопатки шнека.

Определение остальных параметров: вида шнека (наружный/внутренний), длины, шага и количества заходов — соответствует заданию обработки токарной резьбы. Формируемая поверхность может быть наружной либо внутренней, иметь конкретную длину, постоянный шаг и целое число заходов (лопаток шнека).

Из параметров, необходимых для определения геометрии, вытекает и то, какие ограничения налагаются на обработку шнеков на токарных станках с ЧПУ. Из основных ограничений отметим постоянство шага лопаток вдоль оси шнека и постоянство геометрии лопаток по всей длине шнека. Однако профиль самой лопатки шнека может быть произвольным. Также произвольными могут быть профиль втулки шнека и профили, определяющие наружные габариты шнека.

Что касается технологических параметров обработки шнеков на токарных станках, то здесь задаются число оборотов и направление вращения шпинделя, величины недобега и перебега, способ синхронизации начального углового положения, глубина прохода для многопроходной обработки и тип обработки. Направление вращения шпинделя определяет, будет шнек левым или правым.

Рис. 5. Обработка шнека фасонным инструментом

Рис. 5. Обработка шнека фасонным инструментом

Отдельно следует сказать о синхронизации углового положения. Современные станки позволяют выполнять фазовую синхронизацию, при этом достаточно задать начальный угол, который станок далее выдерживает сам. Более «древние» станки такой возможностью не обладают, поэтому в ADEM можно использовать линейную синхронизацию. В таком случае резец отводится от торца детали на определенное расстояние. Его величина зависит от величины подачи/оборотов шпинделя и гарантирует, что в момент подхода резца к торцу деталь окажется в нужном угловом положении.

Возможности системы позволяют проводить обработку шнеков фасонным инструментом, когда форма профиля совпадает с профилем инструмента (рис. 5). В этом случае для получения детали требуется меньшее число проходов при высоком качестве получаемой поверхности. Однако такой способ не столь распространен. Чаще бывает так, что профиль инструмента не совпадает с формой межлопаточного пространства (рис. 6).

Рис. 6. Многопроходная обработка межлопаточного пространства шнека

Рис. 6. Многопроходная обработка межлопаточного пространства шнека

В случаях, когда профиль шнека не совпадает с профилем инструмента, а также когда высота лопаток шнека достаточно велика, появляется необходимость выполнения многопроходной обработки, то есть формирования межлопаточного пространства шнека за несколько проходов токарного резца.

Система ADEM позволяет выполнять многопроходную обработку с указанием глубины резания за один проход как в радиальном, так и в осевом направлении. Таким образом, обработка может быть многопроходной как по ширине, так и по глубине.

Многопроходная обработка фактически полностью решает проблему обработки шнеков инструментом, отличным от профиля шнека. Но вместе с тем создает другую проблему: на боковых поверхностях лопаток и на поверхности втулки шнека остаются следы (гребешки) от смежных проходов. Разумеется, для достижения требуемой чистоты поверхности можно «играть» параметрами, определяющими глубину резания. Так, чем меньше задаваемая глубина резания, тем чище конечная поверхность. Однако уменьшение ширины и глубины прохода при многопроходной обработке приведет к увеличению количества проходов, что неизбежно увеличит время обработки.

Для сокращения машинного времени, а значит, и более рационального использования оборудования в системе ADEM предусмотрена возможность ограничения максимальной высоты гребешка, оставляемого при многопроходной обработке. То есть высота гребешка, остающегося между смежными проходами резца, не должна превышать указанной пользователем величины. Исходя из этого условия, система ADEM самостоятельно рассчитает глубину каждого прохода при многопроходной обработке.

 Кроме того, в зависимости от требований, предъявляемых к чистоте поверхности и геометрии применяемого инструмента, высота оставляемого гребешка может назначаться несколькими способами. Первый вариант — это определение величины оставляемого гребешка на поверхностях боковых стенок лопаток шнека. Второй вариант — определение максимальной высоты оставляемого гребешка как на поверхностях боковых стенок лопаток, так и на дне межлопаточного пространства — на втулке шнека (рис. 7).

Рис. 7. Остаточный гребешок, образующийся при многопроходной обработке

Рис. 7. Остаточный гребешок, образующийся при многопроходной обработке

Таким образом, задав величину остаточного гребешка, можно получить требуемую чистоту обработки шнековой поверхности для случаев, когда профиль инструмента отличен от профиля межлопаточного пространства. В случаях же, когда профиль межлопаточного пространства соответствует профилю инструмента, глубина и ширина прохода при многопроходной обработке назначаются исходя из условий резания и не влияют на чистоту обрабатываемой поверхности.

Заметим, что все рабочие перемещения могут быть реализованы за счет стандартных однопроходных резьбонарезных циклов либо набором обычных линейных перемещений.

Подводя итог, можно сделать следующий вывод: в отсутствие свободного фрезерного 4­5­координатного оборудования современная CAD/CAM­система типа ADEM поможет реализовать обработку шнеков на токарном оборудовании с ЧПУ. Таким образом может быть решена проблема равномерности загрузки парка станков.

На рис. 8 показаны детали со шнековыми поверхностями, изготовленные нашими пользователями еще в 2004 году. В то время возможности ADEM для обработки шнеков были недокументированы, а их использование осложнялось отсутствием внятного интерфейса. Дополнительным поводом для разработки интерфейса и методики обработки шнеков на токарных станках с применением системы ADEM послужила интернет­дискуссия, завязавшаяся между пользователями CAD/CAM/CAPP ADEM и других САМ­систем.

Рис. 8. Шнековые поверхности, полученные на токарном оборудовании

Рис. 8. Шнековые поверхности, полученные на токарном оборудовании с применением CAD/CAM/CAPP ADEM

В итоге было разработано небольшое методическое пособие, которое позволяет технологу­программисту без труда разобраться во всех тонкостях токарной обработки шнеков.

Успешный опыт обработки шнеков с постоянным профилем навел разработчиков на мысль о дальнейшей доработке системы. Результатом этой работы будет новая возможность системы ADEM — обработка шнеков с переменным шагом профиля и втулки.

САПР и графика 8`2011