Эффективная черновая обработка на станках с ЧПУ
Шаг второй — выбор стратегии обработки
Продолжим разговор* о факторах, влияющих на эффективность черновой обработки. В предыдущей статье рассматривался вопрос об оптимальном расположении и последовательности слоев черновой обработки, а теперь мы выясним, как наилучшим образом удалять материал на этих слоях.
Перед тем как вплотную приступить к анализу и сравнению различных стратегий выборки материала, необходимо определить критерии, которыми мы будем руководствоваться при отделении «мух от котлет». Традиционно нас интересуют время и деньги. Со временем все достаточно просто — примем его за время работы станка. С деньгами, как всегда, сложнее — это не только функция времени, но и функция стойкости инструмента. Тут на нас обрушивается лавина брендов: Mitsubishi, Sandvik, HITACHI, FRAISA, «Элемаш»... Этот список может занять еще пару страниц, а заканчивать его будет основной сегодня для России бренд — «Дядя Вася с заточного участка», но суть проблемы это не меняет. Названия, цены, режимы резания могут быть разными, но смысл остается прежним — для любого инструмента время жизни зависит от того, насколько правильно заданы режимы резания и (что наиболее важно!) насколько точно они соблюдаются в процессе обработки.
Рассмотрим более внимательно факторы, влияющие на постоянство режимов резания. Принимая при постоянном диаметре фрезы (D) скорость вращения шпинделя (S) за константу, получаем, что фактическая скорость резания (Vc) будет зависеть только от направления резания. Для обработки на малых подачах разница между встречным и попутным резанием невелика, но с ростом подачи она увеличивается. Отсюда можно сделать первый вывод: чтобы не подвергнуться влиянию такого драматичного совпадения, следует, по возможности, производить обработку таким образом, чтобы резание осуществлялось в одном направлении.
Вторым фактором, влияющим на изменение режима резания, является непостоянство фактической скорости движения инструмента. Рассмотрим рис. 1, на котором представлен отрезок траектории движения фрезы (рис. 1а). Для предотвращения динамических зарезов система ЧПУ станка обязана замедлять движение инструмента в точках изменения направления движения. Представленные графики показывают циклы разгона/торможения привода (рис. 1б) и результирующую скорость движения инструмента (рис. 1в). При движении на линейном участке АВ привод станка успевает разогнаться и достигнуть номинального задаваемого технологом значения (фиолетовая линия). Однако при выполнении более сложного движения может случиться так, что привод вообще не успеет достигнуть заданной скорости (участок ВС). Современные системы ЧПУ, снабженные функцией опережающего просмотра (Look-ahead), анализируют, как сильно изменяется направление движения, минимизируя торможение. Картина слегка изменится (рис. 1г и 1д), но по-прежнему останется участок, на котором скорость движения фрезы не будет соответствовать номинальному значению. Отсюда второй вывод: траектория движения инструмента должна быть максимально гладкой, то есть исключать резкое изменение направления движения.
Еще одним фактором, влияющим на стойкость инструмента, является перегрузка. Для каждой фрезы есть заветное значение радиального (в каталогах Ae) и осевого (Aр) шагов обработки. Значительное превышение этих значений ведет к изменению теплового режима и, как следствие, к усиленному износу инструмента. Отсюда вывод третий: траектория движения инструмента, по возможности, должна предотвращать его перегрузку. На практике такие перегрузки чаще всего происходят при резании полным диаметром инструмента.
Теперь, будучи во всеоружии, мы можем приняться за сравнение различных стратегий обработки. Существуют три основных подхода к выборке материала в заданной области: растр, или змейка (рис. 2а); спираль (рис. 2б); смещение, или офсет, эквидистанта, петля (рис. 2в).
Классическая растровая траектория представляет собой набор параллельных проходов, которые могут выполняться под заданным углом в плоскости XY. Следует сразу отметить, что направление резания при такой траектории изменяется при каждом переходе на новый проход. Смены направления резания можно избежать, осуществляя переход на следующий участок траектории на безопасной высоте (рис. 3), но это, во-первых, увеличивает время обработки, а во-вторых, заставляет нас заботиться о врезании в начале каждого прохода. В худшем случае мы будем врезаться в цельный металл, поэтому вынуждены будем делать это наклонно, на невысокой подаче. Вследствие этого однонаправленный растр малопривлекателен из-за временных потерь.
Второй неудобный момент при растровой обработке проявляется, когда шаг обработки превышает четверть диаметра инструмента. После выполнения обработки на профиле детали остаются большие гребешки (рис. 4). Их наличие может пагубно сказаться на получистовой обработке, поэтому мы вынуждены вводить дополнительный обход по профилю детали (рис. 5), что также не сокращает время обработки.
Второй критерий оценки — гладкость траектории. Растровая траектория здесь тоже обеспечивает далеко не лучший результат, потому что в конце каждого прохода происходит двукратная смена направления движения. Это приводит к торможению практически до нуля, что, как вы понимаете, не только увеличивает время обработки, но и сокращает срок службы инструмента.
Третьему критерию — отсутствию перегрузок инструмента — растровая траектория тоже не всегда соответствует. При обработке вдоль линейного сегмента траектории все обстоит прекрасно: и шаг постоянный, и подача не изменяется, но при смене направления движения в конце каждого прохода нагрузка на фрезу резко увеличивается. Тот, кто хотя бы раз присутствовал при такой обработке, наверняка слышал характерное изменение звука, сопровождающее переход на новую строчку обработки.
Обобщая все вышесказанное, сделаем вывод относительно области применения растровой обработки: она может быть достаточно эффективна на невысоких подачах, если при этом геометрия обрабатываемой области позволяет удерживать высокое процентное отношение между длиной линейных перемещений и длиной переходов (примером может служить прямоугольный карман).
Спиральная траектория (см. рис. 2б) выгодно отличается от растровой заведомым постоянством направления резания. Траектория обработки идет вдоль профиля детали, что сразу исключает необходимость дополнительного прохода, в отличие от растровой стратегии.
С гладкостью траектории у спиральной обработки все не так просто. С одной стороны, в непрерывной спирали отсутствуют переходы между витками, с другой — форма траектории полностью зависит от геометрии обрабатываемой детали: все изломы обрабатываемого профиля копируются каждым витком спирали.
С перегрузкой инструмента дела обстоят лучше, чем при растровой обработке, но имеет место обратный процесс — недостаточный съем материала. Дело в том, что для обеспечения полной обработки заданной геометрии виток спирали, прилегающий к профилю детали, должен быть замкнутым (внешний профиль — см. рис. 2б), поэтому при постепенном приближении к этому профилю шаг обработки соответственно уменьшается (назовем такой участок траекторией приближения). При обработке на малых подачах это достаточно безопасно, но для высокоскоростной обработки может быть недопустимой роскошью. Тепло, выделяемое при резании металла, должно уходить в стружку, а так как объем производимой стружки падает, то тепло уходит в инструмент, нагревая его. Многократное повторение таких ситуаций ведет к быстрому износу инструмента. Плавный подход к замкнутым контурам детали увеличивает длину траектории. В случаях когда обрабатываемая область содержит несколько островов (рис. 6а) непрерывная спираль разбивается на несколько самостоятельных спиралей, каждая из которых имеет свой виток приближения к профилю детали. Длина этих витков может существенно сказаться на общей длине траектории. В приведенном на рис. 6а примере в прямоугольный карман (см. рис. 2б) добавлено четыре бобышки. При уменьшении площади обработки длина спиральной траектории увеличилась на 70%.
Все это позволяет сделать вывод, что спиральную обработку выгодно применять как при традиционной, так и при высокоскоростной обработке, если обрабатываемая область представляет собой округлый карман без островов. Первое условие обеспечивает отсутствие изломов в витках спирали, второе — сокращение длины траектории приближения.
Теперь рассмотрим обработку смещением (см. рис. 2в). Она наследует от спиральной обработки постоянство направления резания, а от растровой — постоянство шага обработки. Отсутствие необходимости в специальном обходе по профилю детали выгодно отличает ее от растровой обработки, а отсутствие траектории приближения — от спиральной (рис. 6б).
При более тщательном рассмотрении стоит отметить, что такая траектория тоже имеет ряд недостатков. От растровой траектории она унаследовала резкое изменение направления движения при переходе с витка на виток, а от спиральной — клонирование изломов обрабатываемого профиля.
Избавиться от этих недостатков в наших силах. Изломы на переходах можно убрать, заменив прямоугольные переходы на переходы, образованные касательными дугами. От изломов, обусловленных геометрией обрабатываемого профиля, можно избавиться, вписав в такие углы касательные дуги. Модифицированная таким образом траектория показана на рис. 7. Анализируя ее, можно отметить, что траектория сохраняет постоянное направление резания, имеет всего четыре излома (все четыре обусловлены геометрией), шаг обработки постоянный, а врезание происходит постепенно до номинального значения шага обработки.
Но приведенный пример — просто прямоугольник. Если рассмотреть деталь с более сложным профилем (рис. 8а), то можно увидеть, что скругленная траектория движения фрезы напоминает путь горнолыжника. Аналогия не случайна — такая траектория используется лыжниками для снижения скорости спуска, а следовательно, стоит ожидать и замедления станка. Поэтому, помимо вписывания касательных дуг в места изломов траектории, разумно предложить общее сглаживание траектории (рис. 8б). Результат такого сглаживания не может не порадовать. Уже на седьмом проходе обработки траектория из «пилы» превращается в прямую линию.
Полученный подход к генерации траектории движения инструмента позволяет получить универсальную стратегию обработки, сочетающую достоинства растровой, спиральной и эквидистантной обработок и не имеющую присущих им недостатков.
Следующую статью мы посвятим проблеме обработки «глухих» зон и перемещению инструмента между различными областями и слоями черновой обработки.
