Металлообработка на станках с ЧПУ: как начать выпускать продукцию мирового уровня

Александр Лебедев,
продакт-менеджер Solid Edge, компания «Нанософт»

Металлообработка в XXI веке — вызовы и возможности

Согласно данным аналитического отчета J`son & Partners [1], продукция российского машиностроения характеризуется низким уровнем конкурентоспособности на мировом рынке. Объясняется это проблемами, которые сегодня испытывает отрасль. Перечислим основные:

• спад потребления на внутреннем рынке, начавшийся в 2014 году;
• увеличение доли изношенных станков;
• отставание от развитых стран по доле станков с ЧПУ;
• низкий уровень оптимизации и автоматизации производственных и бизнес­процессов предприятий.

При этом технологические инициативы промышленно развитых стран, как указано в том же отчете J`son & Partners, направлены в первую очередь на то, чтобы ускорить переход к производству продукции нового поколения, которое основано на технологии Интернета вещей (IoT), внедрения систем автоматизации и анализа больших данных.

Ведущие предприятия отрасли направляют инвестиции в технологии — передовое оборудование и технологии обработки — и в системы управления производственными процессами (MES­системы).

За последние три года наиболее эффективными вложениями в промышленном секторе стали следующие инвестиции:

• в многофункциональные обрабатывающие центры;
• пятиосевую/универсальную обработку, используемую на рынке высокоточной обработки;
• быстросменные инструмент/крепление;
• высокоскоростную механическую обработку (HSM);
• программное обеспечение (ПО) для создания, симуляции и проверки управляющих программ для станков с ЧПУ (далее — УП).

Цифровизация машиностроения и переход на контракты жизненного цикла позволят предприятиям продвинуться в решении задачи увеличения доли конкурентоспособной продукции. По оценкам консалтингового агентства J’son & Partners [2], с новым подходом выпуск такой продукции возрастет с нынешних 16 до 30% к 2025­му и до, как минимум, 50% — к 2030 году.

Высокоавтоматизированная САD/CAM­система для решения задач машиностроения

Мировой промышленный концерн Siemens AG реализует свою стратегию цифровизации с помощью программного обеспечения от Siemens PLM Software. По мнению специалистов последней, машиностроительное предприятие для повышения конкурентоспособности должно решить следующие задачи:

• обеспечить максимальную загрузку оборудования и сократить время на наладку;
• внедрить сбор информации о продуктах и процессах для контроля и управления инструментальной оснасткой и приспособлениями совместно с деталями изделия на основе шаблонов;
• внедрить симуляцию траектории обработки 3D­модели для симуляции кинематики станка и моделирования траектории движения инструмента;
• сократить время программирования, внедрить автоматизацию этапов создания УП для обработки стандартных элементов (таких, например, как отверстия);
• сократить время обработки, внедрить новые стратегии обработки.

Как показала практика ведущих компаний отрасли, последовательно решать эти задачи — долгий и неэффективный процесс. Требуется комплексный подход и внедрение CAD/CAM­системы, которая управляет всеми этапами изготовления изделия — от проектирования до готовой детали.

Ключевая особенность цифровизации производственного процесса — возможность проектировать с учетом требований рынка не только технические и функциональные характеристики продукта, но и процессы производства и эксплуатации. Для этого одновременно разрабатываются физический продукт, его математическая (программная) модель (так называемый цифровой двойник, digital twin) для управления производством продукта и автоматического мониторинга.

В результате внедрения системы процесс разработки становится более гибким: инженеры­конструкторы совершенствуют изделия, специалисты оптимизируют управляющие процессы, технологи­программисты проверяют стратегии и выбирают оптимальный способ изготовления изделий.

Преимущества использования САD/CAM­системы

Рассмотрим основные драйверы, которые снижают трудоемкость программирования, сокращают время обработки и износ станков с ЧПУ и, как следствие, приводят к росту выпуска продукции.

Драйверы повышения ценности по всей технологической цепочке приведены на рис. 1.

Рис. 1. Драйверы повышения эффективности производства

Основные результаты применения эффективной САD/CAM­системы:

• рост производительности и эффективности работы за счет:
• шаблонов процессов и автоматизации,
• повторного применения инструментов и технологий обработки,
• прослеживаемости производственной цепочки «деталь -> процесс -> изготовление»;
• увеличение использования активов за счет:
• сокращения времени наладки,
• использования многофункциональных обрабатывающих центров, симуляции в G­кодах, взаимодействия со стойкой ЧПУ;
• оптимизация операционных расходов за счет:
• сокращения складских запасов через управление инструментами,
• сокращения затрат на инструмент,
• применения инструмента в САМ­системе, отслеживания времени жизни инструмента;
• автоматизация и гибкость производства за счет:
• поддержки безлюдных производств,
• использования систем анализа производственных данных.

Solid Edge + Solid Edge CAM Pro: CAD/CAM­система от Siemens PLM Software

Solid Edge CAM Pro, основанный на NX CAM, входит вместе с Solid Edge в одну линейку решений Siemens PLM Software. Программное решение предоставляет широкий спектр функциональных возможностей — от двухосевого фрезерования и высокоскоростной обработки до программирования многофункциональных станков и пятиосевого фрезерования.

Программисты станков с ЧПУ могут использовать Solid Edge CAM Pro, чтобы решать задачи с различными требованиями к обработке — фрезерование, сверление, токарная и электроэрозионная обработка.

С помощью синхронной технологии можно напрямую редактировать модели деталей и подготавливать их к созданию программ для станков с ЧПУ, включая обработку глухих отверстий и зазоров, смещенных поверхностей, а также изменять размеры элементов детали.

Solid Edge CAM Pro использует концепцию мастер­модели с целью обеспечения сквозного проектирования и разработки программ для ЧПУ за счет привязки всех CAM­функций к единой модели, определяющей геометрию детали. В результате программист может начать разработку программы для станка с ЧПУ, не дожидаясь окончания работы конструктора. Полная ассоциативность обеспечивает последующее обновление операций управляющей программы для станка с ЧПУ при изменении геометрии модели.

Основные возможности Solid Edge CAM Pro

Работа с PMI — конструкторско­технологической информацией 3D­модели

Product Manufacturing Information, PMI — производственные данные, ассоциированные с трехмерной моделью изделия в САПР. PMI­данные включают геометрические размеры и допуски (GD&T), трехмерные аннотации (текстовые пометки), требования к качеству обработки поверхностей и спецификации материалов. Данные PMI поддерживаются во многих форматах файлов, используемых для обмена и визуализации данных об изделии (например, PDF и JT). Эти данные, если они заложены в модель инженером­конструктором, транслируются вместе с данными геометрии из Solid Edge в Solid Edge CAM Pro. Таким образом, программист станка ЧПУ получает всю необходимую информацию от инженера­конструктора. Это позволяет избежать ошибок и задержек, связанных с использованием 2D­чертежей, оптимизировать производственные процессы с помощью сквозного описания изделия, а также автоматизировать создание управляющей программы на основе этих данных (рис. 2).

Рис. 2. Отображение PMI в Solid Edge CAM Pro

Обработка на основе элементов (Feature­based machining)

Модуль обработки на базе элементов обеспечивает распознавание отверстий, карманов, плоских граней (в том числе на импортированных из других CAD­систем моделях) и создание стратегии их обработки. Распознавание выполняется как по параметрам элементов построения, так и по их топологии. Этот модуль существенно ускоряет программирование призматических деталей, обеспечивает оптимизацию обработки, требует меньшей квалификации оператора. Модуль автоматически распознает конструкторско­технологическую информацию об изделии (PMI) — допуски, 3D­аннотации, параметры чистоты поверхности при назначении технологии обработки. Например, для точных отверстий помимо сверления будут автоматически добавлены операции растачивания или развертывания (причем можно настроить предпочтительный тип операции).

Обработка на основе элементов — яркий пример автоматизации программирования, которая может привести к значительному сокращению времени на создание управляющей программы (рис. 3).

Рис. 3. Процесс распознавания элементов в Solid Edge CAM Pro

Постобработка и симуляция

Solid Edge CAM Pro включает собственную систему постобработки, которая тесно взаимодействует с ядром CAM­системы. Это позволяет легко сгенерировать требуемый код управляющей программы для большинства типов конфигурации станков и контроллеров.
Программа включает утилиту PostBuilder, которая позволяет создавать и редактировать постпроцессоры. Применяя графический пользовательский интерфейс утилиты, пользователь может задавать параметры требуемого кода программы для станка с ЧПУ.

Библиотека постпроцессора представляет собой интернет­ресурс, в котором содержится множество процессов, поддерживающих большое количество различных станков и инструментов. Кроме того, Solid Edge CAM Pro включает оптимизированный постпроцессор Sinumerik, который автоматически выбирает основные настройки контроллера в соответствии с данными операции технологического процесса (рис. 4).

Рис. 4. Постпроцессирование в Solid Edge CAM Pro

Моделирование обработки на станке

Одним из основных преимуществ системы Solid Edge CAM Pro являются интегрированные функции имитационного моделирования и верификации обработки, которые позволяют специалистам выполнять проверку траектории движения инструмента в процессе программирования станков с ЧПУ. При этом доступен многоуровневый процесс проверки. Например, имитационное моделирование на основе G­кода показывает движение, управляемое выходными данными кода программы станка с ЧПУ на встроенном постпроцессоре NX. 3D­модель станка вместе с деталью, приспособлениями и инструментом перемещается в соответствии с движениями инструмента на основе G­кода (рис. 5).

Рис. 5. Имитационное моделирование в Solid Edge CAM Pro

Пятиосевая обработка

Основные преимущества: усовершенствованные стратегии обработки с гибкими вариантами управления осями инструмента, переменное профилирование оси автоматически обрабатывает сложные стенки на основе геометрии дна, обработка по Z­профилю с наклонным инструментом может уменьшить прогиб инструмента для лучшей чистоты поверхности. Для сложных деталей, используемых в аэрокосмических и энергетических отраслях, Solid Edge CAM Pro предлагает гибкий подход и ряд вариантов управления осями инструмента для пятиосевой обработки. Например, при программировании детали с несколькими карманами со спроектированными стенками необходимо один раз выбрать дно кармана, и система создаст траектории чистовой обработки для стенок (рис. 6).

Рис. 6. Пятиосевая обработка в Solid Edge CAM Pro

Высокоскоростная обработка (High speed machining, HSM)

Высокоскоростная черновая обработка в Solid Edge CAM Pro поддерживает высокую скорость удаления материала при управлении нагрузками на инструмент. Эффективные стратегии HSM для фрезерования с высокой скоростью позволяют сократить время обработки и повысить качество обрабатываемых поверхностей пресс­форм и штампов, призматических и сложных деталей. Пользователю доступен широкий выбор стратегий высокоскоростной обработки для эффективного фрезерования закаленных деталей с обеспечением плавного перемещения инструмента и постоянства силы резания (рис. 7).

Рис. 7. Траектории высокоскоростной обработки в Solid Edge CAM Pro

Прикладное программирование; фрезерование турбокомпонентов

Модуль Turbomachinery Milling предназначен для программирования станков с ЧПУ, которые обрабатывают многолопастные и многоосевые детали вращения. Предусмотрена возможность обработки лопаток с поднутрениями. Кроме того, поддерживается обработка нескольких рассекателей, что позволяет эффективнее работать с CAD­данными независимо от того, в какой системе они были созданы. Лопатки могут состоять из одной или нескольких поверхностей. Зазоры между поверхностями и наложения поверхностей исправляются автоматически. Система позволяет создавать плавные траектории движения инструмента на смежных поверхностях с несовместимыми параметрическими линиями, а также определяет операции механообработки для одного элемента моноколеса или крыльчатки, а затем автоматически применяет их к остальным частям детали (рис. 8).

Рис. 8. Траектории обработки лопастей в Solid Edge CAM Pro

Цифровой цех с Solid Edge CAM Pro

Solid Edge CAM Pro — инструмент для производителей, которые «строят» цифровой цех или планируют обновлять оборудование. С помощью этой системы пользователь может разрабатывать оптимальные программы обработки на станках с ЧПУ для моделей, созданных в Solid Edge или в сторонних CAD­форматах, снизить производственные издержки, повысить качество выпускаемых изделий.

Внедрение набора Solid Edge +Solid Edge CAM Pro — значительный шаг к цифровизации бизнес­процессов и росту конкурентоспособности продукции.

Демонстрации создания управляющих программ для токарной и фрезерной обработки в Solid Edge CAM Pro можно скачать с http://cad­expert.ru/meropriyatiya/vebinary/.

Список источников:

• J’son & Partners. Исследование Перспективы Индустрии 4.0 и цифровизации промышленности в России и мире. Март 2018 г.
• J’son & Partners. Экономические эффекты от цифровизации и внедрения IoT в машиностроении в России. Август 2018 г.