Опыт изготовления деталей со сложной геометрической формой на примере лопасти модели движителя

Александр Карпов
Конструктор, ОАО «ЦКБ МТ «Рубин»
Игорь Шептунов
Начальник отдела систем автоматизированного проектирования в машиностроении, компания InterCAD

Несмотря на относительно высокую стоимость, станки с числовым программным управлением (ЧПУ) получают все большее распространение по сравнению с традиционными универсальными станками. К преимуществам использования станков с ЧПУ можно отнести:

• высокий уровень автоматизации производства (вмешательство оператора станка в процесс изготовления сводится к минимуму, появляется возможность обслуживания нескольких станков одновременно);
• производственную гибкость (для обработки разных деталей нужно лишь заменить программу);
• высокую точность и повторяемость обработки;
• обработку деталей со сложной геометричес­кой формой;
• прогнозирование времени обработки.

Таким образом, вопросы внедрения и использования станков с ЧПУ на обрабатывающих производствах являются актуальными. В данной статье рассматривается опыт изготовления деталей со сложной геометрической формой опытно­экспериментальным производством (ОЭП) ОАО «ЦКБ МТ «Рубин» на примере лопасти модели движителя (рис. 1).

Рис. 1. Лопасть

Обработка любой детали на станке с ЧПУ предполагает последовательное прохождение следующих типовых этапов: выбор станка, выбор CAM­системы, создание программы обработки, генерация машинного кода, доводка и оптимизация кода.

Для обработки лопасти был выбран вертикально­фрезерный обрабатывающий центр Fryer MC­80 (рис. 2 и таблица), а для создания программы — программный комплекс Autodesk Inventor с интегрированной CAM­системой IventorCAM.

Комплекс Autodesk Inventor — IventorCAM традиционно используется в работах ОЭП, поскольку позволяет гибко работать с моделью: вносить изменения в модель без риска потери данных при импорте, легко синхронизировать изменения в модели с управляющим файлом. Консультантами на этом этапе выступили сотрудники компании InterCAD. Оценив задачи проекта, его технологическую сложность и потенциальные затраты по каждому из вариантов, они предложили остановиться именно на связке Autodesk Inventor — IventorCAM. Эта система обладала необходимыми возможностями и не имела излишнего функционала, за который в любом случае пришлось бы переплачивать.

Рис. 2. Вертикальный обрабатывающий центр Fryer MC-80

Выбор оборудования и программного обеспечения позволил сформулировать специфические задачи, которые потребовалось решить в ходе выполнения данной работы, а именно:

• закрепление лопасти на станке, обеспечивающее надежную фиксацию в ходе обработки;
• создание программы для станка с ЧПУ при отсутствии типовых алгоритмов;
• реализация обработки поверхностей со сложной геометрической формой в рамках четырехкоординатной обработки;
• обеспечение совместимости машинного кода и программного обеспечения станка.

Закрепление лопасти на станке

Закрепление лопасти на станке представляло определенную трудность в силу ее небольших размеров и сложной формы.

Заготовкой являлся прямоугольный параллелепипед с размерами сторон 205×110×60 мм.

Технические характеристики обрабатывающего центра Fryer MC-80

Технологическая проработка показала целесообразность предварительного изготовления торца основания лопасти и закрепление его на оправке (рис. 3). Оправка зажималась в шпинделе, размещенном на столе станка, и использовалась для точного позиционирования заготовки, а также задания нулевой отметки, соответствующей началу координат в InventorCAM.

Рис. 3. Заготовка, оправка, нулевое положение

Создание программы для четырехкоординатного станка с ЧПУ

Совместно с поставщиком программного обеспечения компанией InterCAD был проведен поиск существующих алгоритмов решения задачи обработки применительно к лопасти, который показал, что аналогичные работы в InventorCAM отсутствуют. Дополнительной трудностью было то, что взаимное перемещение инструмента и заготовки ограничивалось четырьмя координатами (рис. 4).

Рис. 4. Возможные перемещения заготовки и инструмента

В результате операция фрезерования была разбита на шесть переходов:

• черновая обработка заготовки концевой фрезой диаметром 20 мм, объемный припуск 2 мм;
• получистовая обработка нагнетательной и засасывающей сторон, нижних кромок лопасти и галтелей сферической фрезой диаметром 10 мм, объемный припуск 0,4 мм;
• чистовая обработка концевой (наружной) кромки лопасти сферической фрезой диамет­ром 10 мм, объемный припуск 0,1 мм;
• чистовая обработка пера лопасти сферической фрезой диамет­ром 10 мм, объемный припуск 0,1 мм. Отличительной особенностью данного перехода является то, что при его выполнении происходит вращение заготовки вокруг оси X (см. рис. 3);
• чистовая обработка нижних кромок лопасти и галтелей сферической фрезой диамет­ром 10 мм, объемный припуск 0,1 мм;
• чистовая обработка галтелей сферической фрезой диаметром 3 мм, объемный припуск 0,1 мм.

Таким образом, для каждого перехода задавались тип обработки, обрабатываемые поверхности, инструмент, режимы резания, подвода и отвода инструмента, величина припусков. После расчета каждого перехода осуществлялся контроль взаимного перемещения инструмента и заготовки при помощи модуля визуализации (рис. 5).

Следует отметить, что при кажущейся формальной простоте разработки технологического подхода к обработке изделия успех процесса полностью зависит от практического опыта инженера. В ходе обработки возможно появление вибрации, деформации изделия, да и просто непредсказуемое поведение станка. Предотвращение и предупреждение таких отклонений будет тем эффективнее, чем опытнее окажется технолог, организующий процесс. Команда компании InterCAD показала прекрасное знание практической стороны вопроса, и мы добились высокого качества обработки, затратив минимальное количество заготовок.

Рис. 5. Виды визуализации обработки

Обеспечение совместимости

Генерация управляющей программы в InventorCAM может осуществляться как для одного перехода, так и для всей операции фрезерования в целом, что позволяет в значительной мере автоматизировать процесс обработки. В то же время важным критерием при создании файлов управляющей программы оказался их размер, так как стойка станка с ЧПУ оборудована носителем информации объемом 2400 Кбайт.

Доводка и оптимизация полученного машинного кода с целью обеспечения совместимости составляет процесс написания постпроцессора. Под этим термином мы понимаем специальный программный код для превращения внутренних настроек программы в текстовый файл, понятный данной стойке ЧПУ. Разработка уникального постпроцессора, адаптированного под конкретное оборудование и решающего спе­цифические задачи, может стать серьезной задачей, требующей времени, опыта и специальных знаний. Экспертные консультации специалистов компании InterCAD помогли нам избежать ошибок в этой области, обойти некоторые технологические «странности» оборудования и сэкономить заготовки.

Постпроцессоры направляли обработку в следующих направлениях:

• анализ ускоренных перемещений инструмента;
• исключение столкновений заготовки и инструмента;
• уменьшение потерь времени на подвод и отвод инструмента;
• оптимизация размера файлов с кодом управляющей программы.

Изменения и дополнения в управляющую программу вносились с помощью вариации параметров обработки в InventorCAM, правки машинного кода в текстовом редакторе или при помощи программ, созданных в VBA Microsoft Excel.

Проверка готовой лопасти

Проверка точности изготовления лопасти была осуществлена при помощи трехмерного сканирования поверхности готовой детали, закрепленной прямо на станке, что весьма удобно в случаях, когда анализ показывает необходимость дополнительной обработки. С помощью программного продукта Geomagic, также поставленного компанией InterCAD, было проведено сравнение результатов сканирования и теоретической модели, которое показало удовлетворительное совпадение реальных поверхностей лопасти и поверхностей 3D­модели (рис. 6).

Рис. 6. Отклонение реальной поверхности лопасти от теоретической, мм

Заключение

Описанный процесс изготовления лопасти модели движителя демонстрирует эффективность станков с ЧПУ при производстве деталей, поверхность которых не может быть получена на универсальных станках. Использование специализированного программного обеспечения, такого как Autodesk Inventor, InventorCAM, Geomagic, а также оборудования для 3D­сканирования, позволяет в короткие сроки получить управляющий код и качественно обработанную готовую деталь в условиях единичного и мелкосерийного производства. Наилучшие результаты могут быть достигнуты при оптимальном сочетании детали, станка и CAM­системы. 

Список использованной литературы

1. Ловыгин А.А., Васильев А.В., Кривцов С.Ю. Современный станок с ЧПУ и CAD/CAM­система. М.: Эльф ИПР, 2006. 286 с.
2. Шептунов И.В. Работа с оборудованием с ЧПУ. Опыт компании InterCAD // САПР и графика. 2014. № 2.

САПР и графика 7`2014