Андрей Дубровин,
инженер-технолог, ООО «НТЦ ГеММа»
Михаил Куракин,
программист-математик, ООО «НТЦ ГеММа»
В статье рассматривается новая операция пятиосевой послойной обработки в CAD/CAM-системе ГеММа-3D, которая позволяет улучшить эффективность производства сложных деталей. Особое внимание уделяется управлению параметрами обработки, таким как поперечный и продольный угол, а также параметр dz для оптимизации работы инструмента. Введение в эксплуатацию этой операции открывает новые возможности для технологий ЧПУ и повышает качество обработки, что особенно актуально для производства зубчатых колес.
В настоящее время все САМ-системы способны проектировать черновую послойную обработку в трех осях. Однако тот, кто сталкивался с необходимостью обработки турбоколес, представляет всю сложность обработки узкого глубокого канала с наклонёнными стенками. Аналогичные трудности могут возникнуть и при обработке других деталей, таких как крыльчатки, роторы, шнеки. Обработка косозубых конических колес на станках с четвертой поворотной осью также представляет собой непростую задачу. Для черновой выборки материала используется инструмент небольшого диаметра, что затрудняет обработку всей глубины за один проход. Приходится применять послойную обработку. Вследствие наклона стенок слои располагаются не перпендикулярно оси инструмента. В разных частях канала глубина может различаться в несколько раз. Для большинства САМ-систем положительный результат достигается только при применении сферических фрез.
При этом производство требует сокращения времени обработки. А для этого необходимо использовать фрезы цилиндрической или конической формы с радиусным сопряжением на кромке. Желание расширить возможности проектирования и увеличить эффективность обработки послужило стимулом для создания нового типа черновой операции — многоосевой обработки с дополнительными возможностями.
Результатом данной разработки стала новая функция — послойная пяти- и четырехосевая обработка с новыми, ранее недоступными возможностями, ориентированная в первую очередь на программиста ЧПУ.
Исходными данными для выполнения операции являются четыре поверхности, которые полностью определяют геометрию канала для обработки (рис. 1).
Рис.1. Поверхности, обеспечивающие расчет траектории
Верхняя поверхность соответствует поверхности заготовки, а нижняя — поверхности дна канала. Эти две поверхности являются определяющими для расчета слоев обработки. В возможностях системы предусмотрено равномерное распределение по слоям, когда толщина слоя будет переменной согласно глубине канала в начале и конце строки. Для сокращения времени обработки можно задать постоянную толщину слоя эквидистантно верхней или нижней поверхности.
Предполагается, что расстояние между стенками канала превышает два диаметра фрезы, и в этом случае требуется черновая обработка с выборкой большого объема материала. В таких условиях первая и вторая поверхности, определяющие стенки канала, служат основой для создания границ слоя. В каждом слое две строки идут в касание к боковой поверхности канала. В каждой расчетной точке строки определяется исходное положение — фреза устанавливается в касание боком к поверхности на уровне слоя. Конечная точка инструмента и вектор оси в этом положении являются исходными для задания различных отклонений, предусмотренных стратегиями операции (рис. 2).
Рис. 2. Вкладка Стратегия с параметрами
В реальной обработке требуется отклонение от исходного положения. Отклонение от поверхности задается параметром Поперечный угол. Управление углом вдоль движения осуществляется параметром Продольный угол. Также необходимо учитывать припуск к стенкам канала, которые могут быть как положительными, так и отрицательными. Причем все эти параметры могут быть разными для начала и конца строки обработки с изменением из одного состояния в другое по линейному закону. Таким образом проектируются строки, примыкающие к боковым поверхностям.
Для черновой обработки необходимо сформировать данные для положения фрезы, находящейся далеко от боковых поверхностей. Высота положения фрезы однозначно определяется положением текущего слоя. А углы оси фрезы вычисляются по линейному закону от значения векторов, находящихся между крайними проходами. В результате формируется совокупность векторов, наследующих свойства ближайших векторов, примыкающих к стенке канала. Из этих векторов собирается стратегия черновой обработки: построчная, технологическая стратегия с первым проходом в середине канала, а также возможен вариант выборки всей ширины канала трохоидальным движением (рис. 3 и 4).
Рис. 3. Выборка с середины канала
Рис. 4. Выборка по трохоидальной траектории
Особо следует отметить возможность создания чистовой обработки стенок канала, которая также выполняется в послойном режиме, что, в свою очередь, приводит к повышению эффективности и качества изготовления детали. Чистовые строки выполняются по очереди для каждой поверхности согласно заданным слоям, что обеспечивает попутное фрезерование без лишних переходов (рис. 5).
Рис. 5. Попутное фрезерование при обработке двух стенок
В реальном производстве не всегда удается выполнить строго попутное фрезерование. Например, на станках с одной поворотной осью конические зубчатые колеса приходится обрабатывать длинным инструментом с низкой жесткостью. В таких случаях требуется имитировать плунжерное фрезерование — все движения сверху вниз. Активное управление припуском позволяет учитывать особенности отклонения фрезы отдельно для попутного и встречного фрезерования (рис. 6).
Рис. 6. Плунжерное фрезерование конической шестерни с круговым зубом
Дополнительный параметр dz позволяет повысить качество обрабатываемой поверхности — он выполняет смещение инструмента вдоль оси относительно расчетного положения фрезы. Положительные значения удобно использовать для корректного заглубления первой строки обработки и для корректировки отклонений обработки на нижней поверхности, что достигается без изменения исходной геометрии.
Отрицательные значения смещения вдоль оси имеют смысл для выпуклых боковых стенок. В частности, при обработке эвольвентных зубчатых колес достигается значительный экономический эффект.
Смещение вдоль оси возможно только в ситуации, когда угол отклонения от боковой поверхности равен нулю. В таком случае обработка выполняется не кромкой фрезы, а боковой поверхностью с точкой касания, расположенной гораздо выше кромки фрезы.
Сравним обработку кромкой и обработку боком фрезы. Для достижения нужного качества поверхности небольшой радиус кромки фрезы требует большого количества строк обработки. В то же время при обработке боком фрезы определяющим параметром для количества строк является большой по значению радиус кривизны обрабатываемой поверхности, что позволяет сократить количество проходов в три-пять раз для достижения подобного качества поверхности. Естественно, такой подход уменьшает время чистовой обработки и общий цикл обработки детали (рис. 7).
Рис. 7. Обработка боком фрезы
Дополнительным бонусом от использования параметра dz является изменение точки контакта инструмента во время обработки от слоя к слою. На верхних слоях обработки можно задавать dz, близкий по значению к высоте боковой стенки, что увеличивает жесткость инструмента. На нижних слоях целесообразно установить параметр, близкий к нулю, во избежание соприкосновения с нижней контрольной поверхностью. На промежуточных слоях точка контакта смещается вниз пропорционально обрабатываемому слою.
Таким образом, в процессе обработки участвует не одна кромка инструмента, а вся боковая поверхность. Это приводит к увеличению срока службы инструмента, что является критически важным результатом для производства. В частности, при изготовлении зубчатых колес это имеет жизненно важное значение. Для достижения высокого качества зубьев шестерен с минимальным биением поверхности зубьев важно, чтобы одного инструмента хватило на обработку всех зубьев.
Заключение
Кажется, что представление о пятиосевой обработке уже устоялось и все основные работы по развитию инструментария программиста ЧПУ сосредоточены на надежности обработки, сервисном обслуживании и проверке качества. Однако при более глубоком рассмотрении достигнутых возможностей можно выявить новые направления для развития программного обеспечения проектирования ЧПУ обработки, значительно увеличивающие эффективность и качество производства изделий сложной формы. Созданная операция предоставляет технологам ЧПУ новые возможности, которые становятся более доступными в работе и понятными в освоении.
Преимущества новой операции заключаются в следующем:
- использование широкого спектра инструментов для обработки: цилиндрические и конусные фрезы с плоским торцом, сферические и с радиусной кромкой;
- обработка по слоям эквидистантно дну, эквидистантно верху, равномерно от верха до низа;
- переменное смещение вдоль оси инструмента для создания более технологичной обработки;
- управление углом оси инструмента вдоль стенок фрезеруемого объема;
- возможность использования режима четырех- и пятикоординатной обработки;
- возможность создания эффективной чистовой обработки.
Эти и другие возможности операции ориентированы на удешевление производства сложных деталей. Остается лишь освоить их и внедрить в практическое использование.
