В аэрокосмической промышленности 5-осевая обработка используется уже давно. В последнее время к ней проявляют интерес и изготовители технологической оснастки (рис. 1). Тому есть несколько причин:

стоимость 5-осевых станков существенно уменьшилась, и наблюдается тенденция к дальнейшему удешевлению. Раньше на рынке были представлены только большие 5-осевые станки, как правило, для авиационной промышленности, но в настоящее время создаются и небольшие обрабатывающие центры, доступные изготовителям оснастки;
появляется возможность обработки сложных изделий с одной установки, что значительно экономит время, повышает точность, исключает возможность ошибок при смене программ и при перепозиционировании;
появились CAM-системы типа PowerMILL для 5-осевой обработки, которые значительно облегчают и ускоряют процесс подготовки УП.

Различают 5-осевую непрерывную и 5-осевую позиционную (так называемую «3+2»-осевую) обработку; частным случаем позиционной обработки можно считать 5-осевое сверление. Рассмотрим это подробнее.

5-осевая позиционная обработка: «3+2»-фрезерование

В аэрокосмической промышленности в основном используется 5-осевая непрерывная обработка, при которой движение по всем осям одновременно осуществляется в процессе резания. Инструментальщики же больше интересуются 5-осевой позиционной обработкой (то есть «3+2»-обработкой), когда поворотные движения выполняются вне процесса резания. Это как бы набор 3-осевых траекторий, выполняемых для разного положения оси инструмента. В данном случае жесткость технологической системы существенно выше, что и является основной причиной такого предпочтения со стороны инструментальщиков. Отличие от 3-осевого варианта здесь состоит в том, что можно использовать более короткий инструмент для работы вблизи высоких стенок и для обработки поднутрений (рис. 2 и 3).

Для более короткого инструмента можно использовать более высокие скорости обработки без потери точности. Кроме того, можно использовать инструмент меньшего диаметра, что сокращает объем последующих доработок и ручных операций и в ряде случаев позволяет исключить электроэрозионную обработку. Еще одним положительным моментом, который обусловлен наклоном инструмента, является то, что резание в этом случае осуществляется периферийной частью инструмента (вершина инструмента, где условия резания наихудшие, выведена из обработки), а это улучшает качество поверхности и увеличивает стойкость инструмента. На рис. 4 представлена доработка вогнутых углов на высокой стенке матрицы инструментом, наклоненным на 45° относительно глобальной системы координат. Красным цветом показана локальная система координат, используемая для расчетов.

Есть и еще один аргумент в пользу позиционной, а не непрерывной 5-осевой обработки — это высокоскоростная обработка. Если поворотные оси работают как установочные, то шпиндельная головка (или стол) фиксируется до начала резания, поэтому в процессе резания можно использовать режимы, характерные для этого вида обработки (см. № 11’2002, статья «Высокоскоростная механообработка»). К тому же фиксированное положение системы координат позволяет легче и, главное, быстрее контролировать возможность столкновений или зарезаний, а для непрерывной 5-осевой обработки такие расчеты более трудоемки.

5-осевое сверление

Значительная экономия времени достигается и при сверлении множества отверстий, оси которых имеют различную ориентацию в пространстве. На первый взгляд сверление кажется более простой операцией по сравнению с фрезерованием, но практика показывает, что при ручном перепозиционировании изделия для 3-осевого сверления часто возникают ошибки, приводящие к браку изделия. В свою очередь, 5-осевое сверление выполняется автоматически, что увеличивает производительность и устраняет ошибки (рис. 5). Тест, проведенный автором этой статьи, показал, что управляющая программа для сверления 1800 отверстий на сфере, расположенных по нормали к поверхности, была рассчитана на PowerMILL за 20 минут.

Кроме того, современные CAD-системы (например, PS-MoldMaker фирмы Delcam plc) могут передавать информацию об отверстиях в CAM-систему в виде списка. Такая информация включает не только координаты и расположение оси отверстия, но и его тип, и на ее основе PowerMILL может назначить стратегию и режимы сверления автоматически для всего списка.

Практика использования

Все вышесказанное подтверждается исследованиями американской аналитической группы CIMdata, итоги которых говорят о том, что 3/4 всех пользователей 5-осевых станков используют именно позиционную обработку. Для иллюстрации экономических показателей приведем два примера из практики компании Delcam plc.

Компания Beaubury Precision Moulds Ltd из Айлесбари (Великобритания), производящая раздувные формы для изготовления упаковки, сумела сократить время изготовления такой формы с 12 до 6 и даже 4 недель благодаря использованию 5-осевой обработки. Такие формы требуют быстрого отвода тепла для сокращения цикла изготовления изделия и потому имеют много каналов охлаждения. В этом случае значительную экономию дает именно 5-осевое сверление.

Фирма Reed-Hycalog, которая производит буровые коронки для нефтегазовой промышленности (рис. 6), при использовании PowerMILL смогла сократить время подготовки УП более чем на 50% по сравнению с предыдущей CAM-системой, а использование PowerMILL и нового 5-осевого станка Hermle позволило уменьшить машинное время на 75%. Размер программы при этом составляет от 250 тыс. до 500 тыс. кадров для каждой коронки. Однако, по свидетельству фирмы, проверять эти кадры на зарезы в случае использования PowerMILL и модуля визуализации ViewMILL вообще не обязательно.

5-осевая непрерывная обработка

Хотя 5-осевая непрерывная обработка менее распространена в инструментальном производстве, в некоторых областях производства наблюдается повышение интереса к ней. В этом случае в процессе резания возможно движение инструмента (и/или детали) по всем 5 осям.

Использование нормали к поверхности

Наиболее часто используемая стратегия непрерывной 5-осевой обработки основана на отслеживании нормали к обрабатываемой поверхности (рис. 7). При описании оси инструмента в PowerMILL возможно задание двух углов относительно нормали: угла опережения, измеряемого в направлении движения, и угла отклонения, измеряемого в перпендикулярной этому направлению плоскости (рис. 8). Угол опережения создает лучшие условия резания, а угол отклонения обычно служит для лучшего доступа к обрабатываемым поверхностям вблизи выступов. Использование угла опережения позволяет обрабатывать, в частности, лопатки турбин скругленным инструментом, когда обработка по нормали просто невозможна.

На рис. 9 показаны сечение реальной лопатки и траектория для угла опережения 20°. Значение угла подобрано опытным путем (меньший угол ведет к нежелательному контакту между задней или донной стороной инструмента, а больший угол невозможен из-за зареза выходной кромки при входе на вогнутый участок со стороны входной кромки). Использование скругленного инструмента в данном случае позволяет интенсифицировать режимы резания по сравнению с шаровой фрезой.

Обработка боковой поверхностью

Обработка боковой поверхностью (Swarf Milling) применяется для формирования профильных проходов при обработке линейчатых поверхностей (рис. 10). При использовании 5-осевой обработки такие проходы могут содержать обработку поднутрений, что является целесообразным при обработке карманов со стенкой с переменным уклоном, например малковых поверхностей в авиастроении.

Если поверхность близка к линейчатой, но таковой не является, то можно использовать предыдущую стратегию с углом отклонения 88-89° и многопроходный вариант (для сравнения: при обработке боковой поверхностью угол отклонения равен 90°).

5-осевая профильная стратегия

Наиболее распространенной 5-осевой непрерывной стратегией у инструментальщиков является чистовая обработка сложного профиля. На рис. 11 показана траектория обработки паза со стенками, расположенными по нормали к поверхности. Как правило, на этой стадии уже выполнена 3-осевая обработка шаровой фрезой, а остаточный радиус в вогнутых углах обычно остается для ручной или электроэрозионной доработки. Используя 5-осевую профильную обработку концевой фрезой, можно значительно уменьшить объем ручной доработки и повысить точность воспроизведения формы.

Важным достоинством PowerMILL является то, что для 5-осевых траекторий можно использовать широкий ряд режущих инструментов, включающий концевые, шаровые и скругленные, конические, конические сферические и конические скругленные фрезы. Как правило, другие системы ограничиваются использованием только шаровых и концевых фрез, что не всегда эффективно, особенно на стадии черновой обработки.

Недостатки работы с нормалью и образующими поверхности

Работа с нормалью к поверхности имеет ряд недостатков. Так, если в авиастроении поверхности, требующие 5-осевой обработки, являются достаточно протяженными, вследствие чего работа идет практически с одним лоскутом (движение осуществляется вдоль образующих одного лоскута), то в инструментальном производстве сложных изделий модель состоит из множества поверхностей-лоскутов, размер которых значительно меньше, а кроме того, нет единого расположения образующих. В ряде случаев при обработке сложной оснастки совершенно невозможно выдержать нормаль к одной поверхности, не зарезав соседнюю. К тому же отслеживание нормали часто требует больших перемещений узлов станка, что ведет к увеличению машинного времени.

При движении инструмента по нормали к поверхности в резании участвует только часть режущей кромки в области вершины, где условия резания наихудшие. Это сокращает стойкость инструмента, ухудшает качество поверхности. Скорость резания в районе вершины инструмента низкая, что обусловливает низкую скорость съема материала, а следовательно, и невысокую производительность обработки.

Проекционные методы ориентации оси инструмента

Пакет PowerMILL фирмы Delcam, наряду с возможностью работы с нормалью к поверхности, имеет специальные способы ориентации оси инструмента, более приспособленные для обработки оснастки и основанные на проецировании оси инструмента к(от) точке (рис. 12) или к(от) линии (рис. 13). Как видно на рис. 12, локальные выступы на поверхности не вызывают резкого изменения направления оси инструмента, что обычно и требуется. Здесь показан вариант «от точки», используемый для вогнутых участков; для выпуклых участков точка задается в теле изделия и ось инструмента будет смотреть к точке. Ориентация к(от) точке используется для поверхностей, близких к сферическим, а к(от) линии — для близких к цилиндрическим.

Обработка по направляющей поверхности (drive surface)

На рис. 14 представлен пример, когда обработка внешней поверхности с контролем оси по нормали вызовет зарез соседней поверхности на участке шейки, что неприемлемо. Кроме того, при обработке сферического участка вблизи оси изделия инструмент должен повернуться практически вдоль оси, а это превышает предельные углы поворотных осей или вызывает столкновение узлов станка. Для этого случая целесообразно создать вспомогательную поверхность (показана синим цветом), к которой ось инструмента устанавливается по нормали, а обработаны будут все поверхности, расположенные выше по оси инструмента. PowerMILL может использовать и набор вспомогательных поверхностей; желательно, чтобы они сопрягались между собой по касательной для исключения резкой смены направления оси.

Принцип направляющей поверхности является дальнейшим развитием способов ориентации оси «к точке (линии)/от точки (линии)». Можно сказать, что ориентация «от точки» — это тот случай, когда направляющей поверхностью является сфера, а «от линии» — цилиндр. В частности, с направляющей поверхностью в виде тора можно наносить надписи на формах для производства автомобильных шин.

5-осевые траектории из 3-осевых

Необходимо упомянуть и о возможности создания 5-осевых траекторий из 3-осевых, созданных стратегиями, не поддерживающими 5-осевую обработку. Так, PowerMILL имеет так называемую карандашную стратегию, осуществляющую автоматический поиск вогнутых углов и создающую профильный проход вдоль таких углов. Полученная траектория может быть использована как шаблон для 5-осевой обработки (рис. 15). Наиболее наглядно это видно на примере шаровой фрезы: сначала рассчитывается траектория для вершины инструмента (рис. 15 слева), затем она смещается на величину радиуса в направлении оси инструмента — таким образом, получается след центра сферы; далее для ориентации оси используются полученный контур и точка, лежащая выше контура (метод «от точки»); инструмент при этом смотрит от точки в каждую точку контура; на последнем шаге контур смещается обратно на величину радиуса (но уже в направлении новой оси) и получается траектория обработки (рис. 15 справа). Естественно, что все эти шаги заложены в алгоритм, запускаемый одной операцией. В результате для обработки используется значительно более короткий инструмент. На рис. 16 продемонстрирована аналогичная ситуация, но уже в объеме.

Пример обработки крыльчатки

Рассмотренные стратегии хотелось бы проиллюстрировать на примере обработки весьма сложного изделия — крыльчатки. Здесь можно выделить три этапа: подготовку модели, черновую выборку полостей и чистовую обработку лопастей (рис. 17).

Полностью изделие представлено на рис. 17а; по нижним кромкам соседних лопастей создается направляющая поверхность (на рис. 17б показана черным цветом), которая своей нормалью будет задавать ориентацию оси при выборке межлопастной полости. Использование такой поверхности позволяет применить переменный (параметрический) шаг, то есть проходы будут следовать вдоль образующих этой поверхности. Подвод и отвод инструмента для каждого прохода в этом случае осуществляются за пределами полости. На рис. 17в показана однопроходная (здесь виден переменный шаг проходов), а на рис. 17г — многопроходная обработка полости (осуществляется при необходимости) с заданием оси инструмента по нормали к направляющей поверхности. Все это — черновая обработка.

Далее осуществляется обработка боковой поверхностью фрезы лопастей крыльчатки. На рис. 17д представлен многопроходный (получистовой), а на рис. 17е — однопроходный (чистовой) вариант обработки.

Еще одна причина выбора 5-осевой обработки

5-осевые непрерывные стратегии становятся актуальными для инструментальщиков еще и в связи с бурным развитием технологий «сжатия времени», когда для изготовления небольшой партии изделий вместо традиционных пресс-форм используется, например, литье в силиконовые формы. В такой постановке вопроса крыльчатка, рассмотренная в этой статье, будет являться моделью для формования в силиконовые формы и должна быть изготовлена в одном экземпляре (подробное рассмотрение технологий сжатия времени выходит за рамки данной публикации).

Адаптация к конкретному оборудованию

Компоновка

Большинство 5-осевых станков имеет 3 линейные (X, Y и Z) и 2 поворотные оси. Несмотря на большое разнообразие станков, их можно свести к следующим компоновкам:

«стол-стол» — поворот по обеим осям осуществляет стол (рис. 18). В этой компоновке ось инструмента не меняется. Для программирования следует знать положение заготовки относительно поворотных осей.
«головка-головка» — поворот по обеим осям осуществляет шпиндельная головка (рис. 19). При этой компоновке заготовка остается фиксированной, поэтому для программирования надо знать положение кромки инструмента относительно поворотных осей и длину инструмента.
«стол-головка» — поворот по одной оси выполняет стол, а по второй — шпиндельная головка (рис. 20). В этом случае ориентация и инструмента и заготовки меняется, так что для программирования нужно знать положение вершины инструмента относительно поворотной оси головки (а значит, и длину инструмента) и положение заготовки относительно поворотной оси стола.

Трансформация осей

На 3-осевых станках все оси линейные и независимые, поэтому движение по одной координате не меняет остальных координат. На 5-осевых станках линейные оси по-прежнему независимы, а вот движение по поворотной оси изменяет не только наклон оси, но и позицию вершины инструмента. Кроме того, поворотные оси часто взаимозависимы. Например, для компоновки, показанной на рис. 18, поворот оси A (вокруг X) вызывает изменение положения оси C (вокруг Z). Вследствие этого любое движение поворотной оси требует компенсационных движений линейных осей и корректировки второй поворотной оси.

Старые системы ЧПУ были не способны производить расчет компенсации в реальном процессе времени, поэтому эти расчеты выполнялись постпроцессором. Современные системы ЧПУ производят расчет компенсаций самостоятельно и могут программироваться непосредственно заданием координат вершины и ориентации оси инструмента. PowerMILL поддерживает оба этих способа.

Зона обработки

Зона обработки для случая 3-осевой обработки рассчитывается достаточно просто, но при 5-осевой обработке не всегда можно заранее представить выполнимость требуемого движения инструмента. Поэтому проверку на предельные значения осей производит постпроцессор.

Линеаризация круговых движений

При 5-осевой обработке важное значение имеет линеаризация движений (при 3-координатной обработке для этого служит функция G01). На ускоренных движениях (с функцией G00) линеаризация движений может не выдерживаться. Специальное устройство — интерполятор — выполняет эту задачу.

При установочном движении вокруг поворотной оси кромка инструмента движется по дуге, и если угол поворота достаточно большой, то на этом участке возможен зарез (рис. 21). Большинство систем ЧПУ не производят линеаризацию таких движений аппаратно из-за трудоемкости расчетов. Данную задачу выполняет постпроцессор, и в систему ЧПУ выдается последовательность коротких движений, рассчитанных с заданным допуском, вместо одного кругового движения (рис. 22). Постпроцессор PowerMILL поддерживает оба упомянутых варианта.

Управление подачей

При проведении резания важно, чтобы инструмент двигался с определенной подачей. Для 3-осевой обработки, где все оси независимы, по требуемой (результирующей) подаче достаточно легко рассчитать подачи по каждой оси, и эту задачу обычно выполняет система управления станка. В случае 5-осевой обработки задача значительно сложнее, так как круговые оси не являются независимыми — для правильных расчетов необходимо знать и длину инструмента, и расположение заготовки относительно осей поворота, вследствие чего большинство систем управления не реализуют такие расчеты аппаратно. CAM-системе известны все необходимые данные, поэтому такие расчеты следует выполнять при подготовке управляющей программы. PowerMILL поддерживает управление подачей.

Имитация обработки

Если при 3-осевой обработке для контроля столкновений достаточно рассматривать только деталь, инструмент и державку, то при 5-осевой обработке очень важен контроль столкновений узлов станка. На рис. 23 показан процесс имитации обработки для станка Mazak, выполняемый в системе PowerMILL.

Интерфейс PowerMILL

Несмотря на многообразие своих возможностей, PowerMILL достаточно прост в освоении: интерфейс и документация переведены на русский язык; все параметры логично сгруппированы (на рис. 24 представлено окно задания параметров для обработки боковой стороной фрезы). Система PowerMILL и впредь будет развиваться в направлении более полного использования возможностей современного оборудования и инструмента.

Заключение

Большой интерес зарубежных инструментальщиков к 5-осевой и высокоскоростной обработке объясняется обострением конкуренции, сокращением сроков выхода на рынок новых изделий, миниатюризацией этих изделий, ведущей к использованию малоразмерного инструмента. У нас в стране эта тенденция проявляется не столь явно, но уже ощущается нехватка изготовителей хорошей оснастки. На большинстве заводов, даже работающих не в полную силу, загрузка инструментальных производств близка к 100%, вследствие чего дальнейший рост объемов производства сдерживается отсутствием (или хотя бы недостатком) современного оборудования и технологий.

Статья подготовлена на основе материалов компании Delcam plc.

«САПР и графика» 1'2003

5-осевая обработка для инструментальщиков