Моделирование и разработка управляющих программ для изготовления крыльчатки

Александр Веретнов

Создание трехмерной модели крыльчатки

Расчет управляющих программ в PowerMILL

В плане механообработки крыльчатки являются одними из наиболее сложных деталей, которые можно изготовить только на многоосевом оборудовании. В статье рассматриваются принципы моделирования и разработки управляющих программ для изготовления крыльчаток.

Крыльчатки используются в качестве основных рабочих элементов насосов и турбокомпрессоров. Если рассматривать турбокомпрессоры, то в них крыльчатки работают в весьма тяжелых условиях, которые обусловлены высокой температурой отработавших газов (до 1050 °С) и большой частотой вращения (до 280 тыс. об./мин). При этом к ним предъявляются высокие требования по точности изготовления. В производстве авиационных двигателей задача еще более усложняется вследствие использования труднообрабатываемых материалов, сложности формы и высоких требований к точности и чистоте фрезеруемых поверхностей.

Как правило, крыльчатка задается на чертеже, поэтому для решения поставленной задачи необходимо сначала создать ее математическую модель в CAD-системе и уже после этого рассчитать управляющие программы в САМ-системе. В нашем случае чертеж также является источником исходных конструкторских данных для дальнейшего производства (рис. 1).

При выборе CAD-системы для моделирования крыльчатки необходимо руководствоваться возможностью создания геометрии сложной формы. Следует также учитывать, что многие образующие кривые заданы на чертеже в табличном виде, а для контроля профиля лопасти даны координаты кривой шаблона. Поэтому для создания компьютерной модели должна использоваться CAD-система, имеющая следующие функциональные возможности:

• развитые средства построения поверхностей и скруглений;

• хорошие средства параметризации;

• надежные средства обмена данными с CAM/CAE-системами.

Перечисленным требованиям полностью отвечает CAD-система PowerSHAPE фирмы Delcam plc.

Создание трехмерной модели крыльчатки

Всю работу по созданию модели можно условно разбить на несколько этапов:

• создание основания крыльчатки;

• построение сечений лопасти;

• ориентирование сечений относительно основания;

• построение лопастей типа «М» и «Н»;

• создание скруглений для сопряжения лопасти с основанием;

• копирование лопастей по основанию.

Очевидно, что построение вручную всей геометрии весьма трудоемко. Следует также учесть, что для построения лопастей крыльчатки необходимо построить 45 сечений (рис. 2), которые задаются таблицей значений. Для задания одного сечения используются восемь параметров.

Для построения вспомогательной геометрии в условиях промышленного производства, когда значения параметров могут изменяться, целесообразно написать программу, которая будет выполнять эти построения автоматически. С этой целью необходимо сначала представить данные чертежа (таблицы параметров) в электронном виде. Воспользуемся электронной таблицей MS Excel и введем данные, как показано на рис. 3.

Теперь необходимо написать программу, которая должна считывать значения из ячеек электронной таблицы и строить на их основе вспомогательную геометрию (линии) в PowerSHAPE. Однако PowerSHAPE понимает только свой внутренний язык, который позволяет производить различные построения, но не имеет средств связи с другими программами. Решить данную проблему можно, используя объектно-ориентированный язык Visual Basic, который имеет расширенный инструментарий для работы со многими программами.

Работа разрабатываемого приложения заключается в следующем: по нажатии одной из клавиш Выполнить будет производиться считывание значений из соответствующих ячеек файла data.xls (при этом сам MS Excel не загружается). Файл с данными должен находиться в той же папке, что и само приложение. Далее значения передаются командам PowerSHAPE, которые и производят построение. Ниже приведен фрагмент программного кода:

Для визуализации процесса построения предусмотрим индикатор, который исчезает после завершения процесса построения.

А теперь построим линии, образующие кривую основания. Запускаем программу (из VB или скомпилированный EXE-файл) и нажимаем кнопку Выполнить напротив строки Построение образующей основания — линии строятся автоматически. Индикатор процесса показывает, какая часть работы выполнена. После построения линий переложим их на слой Wireframes для удобства дальнейшей работы. Далее строим сечения лопасти (рис. 4). На этот раз программа автоматически помещает каждое сечение на отдельный слой.

Итак, вспомогательная геометрия построена буквально за минуту. Далее строим основание крыльчатки (рис. 5). Для этого используем опции построения каркасной геометрии и поверхности вращения.

Созданная поверхность имеет большое количество поперечных образующих (латералов) — это можно увидеть, если установить каркасный вид. Уменьшим их число в пределах точности, для чего применим опцию Аппроксимировать поверхность на панели Редактирование поверхностей. Поверхность основания построена (рис. 6).

Переходим к следующему этапу — ориентирование сечений относительно основания. Благодаря многофункциональности PowerSHAPE существует множество способов выполнения этой задачи. С нашей точки зрения, наиболее рациональной является такая последовательность действий. Суть заключается в том, чтобы создавать из линий, образующих контур К, поверхности вращения вокруг оси Z исходной системы координат и проецировать на эти поверхности соответствующие сечения, предварительно включая содержащий нужное сечение слой (рис. 7). Данную последовательность действий необходимо повторить для остальных сечений. Нужно подчеркнуть, что это один из возможных вариантов позиционирования сечений.

После того как все сечения сориентированы (рис. 8), строим боковые поверхности лопастей (рис. 9). Для этого выбираем прямые одной из сторон и применяем функцию Поверхность из раздельных кривых, вторая поверхность строится аналогично. Для построения лопасти типа «Н» необходимо повернуть копию поверхностей лопасти «М» на угол, заданный чертежом (30°), и ограничить. Поверхность ограничения строится согласно данным чертежа (рис. 10).

Создадим закругления лопастей. Очевидно, что такое закругление будет иметь переменный радиус, значения которого не заданы чертежом, а определяются конструктивно: поверхность закругления должна быть касательна обеим поверхностям лопасти и плоскости, перпендикулярной оси колеса и отстающей от переднего торца на 1 мм (задано чертежом). Чтобы решить такую задачу, необходимо построить вспомогательную геометрию — найти кривые, лежащие на поверхностях обеих лопастей в плоскостях, перпендикулярных оси Y. Процесс построения показан на рис. 11.

Далее строим верхнюю поверхность лопасти (рис. 12) и скругление между лопастью и основанием. Для этого используем опцию Скругление поверхностей: в первом случае достаточно задать небольшой радиус скругления — 0,1 мм (рис. 13), во втором — согласно чертежу радиус должен быть 1,6 мм.

И наконец, копируем поворотом построенные лопасти по основанию. Трехмерная модель крыльчатки построена (рис. 14).

Расчет управляющих программ в PowerMILL

Исходными данными для расчета управляющих программ являются: модель крыльчатки, построенная в PowerSHAPE, выбранный инструмент и параметры режимов резания (припуски на обработку, значения подачи и скорости вращения шпинделя).

Многоосевой считается обработка, при которой происходит одновременное движение более чем по трем осям. Различают 5-осевую позиционную и 5-осевую непрерывную обработку. В первом случае поворотные движения являются установочными (выполняются вне процесса резания, но без участия оператора). При 5-осевом непрерывном фрезеровании происходит одновременное движение по всем пяти осям. Детали, подобные крыльчаткам, получают либо литьем, либо механообработкой. Однако использование первого способа в некоторых случаях недопустимо (например, в авиационной промышленности); следовательно, остается 5-координатное непрерывное фрезерование.

Пакет PowerMILL 4.5 имеет ряд новых многоосевых стратегий. Необходимо подобрать стратегии, с помощью которых можно эффективно (с наименьшим временем) обработать крыльчатку. Из всех многоосевых стратегий для нашей задачи можно использовать только две — Обработка боком фрезы и Проекция от поверхности.

Начнем работу по расчету управляющих программ (УП) не в PowerMILL, а в PowerSHAPE — с создания модели заготовки для многоосевой обработки (форма и размеры после токарной обработки), чтобы при визуализации в ViewMILL видеть реальный результат. Построим в PowerSHAPE модель заготовки (рис. 15).

Сохраним модель в формате DMT. Далее продолжим работу в PowerMILL: сначала зададим заготовку, используя опцию Заготовка на главной панели управления, затем зададим инструмент — концевую фрезу.

Устанавливаем значения подач и начальную точку в соответствующих формах, показанных на рис. 16.

Прежде чем загрузить модель крыльчатки, перейдем в PowerSHAPE и отредактируем модель таким образом, чтобы остались только две соседние лопасти «М» и одна лопасть «Н» между ними (рис. 17). Очевидно, что надо рассчитать УП только для одного межлопастного пространства. Для обработки остальных следует либо поворачивать стол станка на 30°, либо создать копии УП, повернутые на 30° (первый вариант является более рациональным). Импортируем модель в PowerMILL (Файл => Импорт модели) — модель появится на экране относительно глобальной системы координат. Будем рассчитывать УП относительно этой системы координат, так как если в дальнейшем по каким-либо причинам нам придется поменять точку привязки, то это можно легко сделать при постпроцессировании траекторий.

Итак, начнем с разработки черновых управляющих программ. Черновые УП необходимы, чтобы снять наибольший слой материала между лопастями и оставить припуск под чистовую обработку. Следует отметить, что в PowerMILL нет выделенной 5-осевой черновой стратегии наподобие Выборки, использующейся для написания трехосевых черновых УП. Поэтому будем использовать многоосевые чистовые стратегии. Рассмотрим несколько вариантов. Сначала попробуем выбрать межлопастное пространство с помощью стратегии Проекция от поверхности. Для этого необходимо построить такую справочную поверхность, которая будет обеспечивать движение инструмента без зарезов в лопасти по всей длине основания. Вновь переходим в PowerSHAPE и строим поверхность, как показано на рис. 18. Далее экспортируем выделенную на рисунке поверхность в PowerMILL и рассчитываем траекторию для обработки данной поверхности. В окне Чистовая выбираем стратегию Проекция от поверхности и устанавливаем параметры допуска, припуска, шага и направления обработки.

После принятия формы получится траектория, как на рис. 19. Теперь необходимо открыть модель и проверить траекторию на зарезы. Для этого используем специальную команду проверки на зарезы, которая в общем виде выглядит так:

edit toolpath <toolpath name> verify <nosplit>, где:

<toolpath name> — имя проверяемой траектории;

<nosplit> — не разрезать траекторию.

Вводим команду в командной строке и получаем две траектории — зарезающую и незарезающую. Зарезающую траекторию можно удалить. В итоге получим результат, как на рис. 20.

Следует отметить, что проверочная модель должна учитывать припуск на дальнейшую обработку. Справочную поверхность необходимо удлинить как минимум на радиус фрезы, поскольку тогда врезание будет происходить вне заготовки, что благоприятно отразится на инструменте.

Исходя из рассчитанного осевого припуска на черновую обработку (2 мм) следующая поверхность должна отстоять от предыдущей на 2 мм. Повторяем аналогичную последовательность действий для расчета УП. Однако по мере приближения к основанию крыльчатки увеличивается наклон лопастей и уменьшается межлопастное пространство, поэтому дальнейшее использование данной стратегии неэффективно, да и невозможно, так как очень трудно построить справочную поверхность. Для крыльчатки были построены три справочные поверхности, при этом удалось выбрать слой 6 мм в осевом направлении.

Оставшийся материал удалим, используя стратегию Обработка боком фрезы.

При разработке черновой траектории, используя данную стратегию, необходимо также создать справочную поверхность, которая не сопряжена в PowerSHAPE с другими поверхностями. Если этого не сделать, то получим следующий результат: врезание происходит не в одну, а в несколько точек, при этом все траектории сходятся в одну точку (рис. 21) — вряд ли такая траектория будет наилучшей. Поэтому используем боковые поверхности, построенные ранее для стратегии Проекция от поверхности (рис. 22). Итак, загружаем поверхность лопасти «М» в PowerMILL, выбираем ее и открываем форму Чистовая. В ней выбираем стратегию Боком фрезы и вводим нужные нам параметры.

После нажатия кнопок Выполнить и Принять будет рассчитана черновая траектория выборки (рис. 22). Далее необходимо открыть исходную модель и выполнить проверку траектории по отношению к этой модели; кроме того, необходимо ограничить траекторию по фактической высоте лопасти. Импортируем первоначальную модель и набираем в командном окне строку edit toolpath ; verify (знак «;» заменяет активную траекторию). После выполнения команды PowerMILL найдет зарезающие части траектории и разобьет исходную траекторию на две части. Зарезающую часть можно удалить. К незарезающей траектории необходимо применить переходы: Короткие и Длинные — по оси фрезы относительно, Безопасные — по оси фрезы абсолютно. Слой на высоте 6 мм уже удален, а чтобы фреза не делала лишние ходы по воздуху, траекторию можно ограничить. Для этого опять необходимо построить поверхность в PowerSHAPE (назовем ее limiting surface.dgk), которая будет выглядеть, как показано на рис. 23. После ограничения получаем результат, как на рис. 24.

Таким образом, сочетая стратегии Проекция от поверхности и Боком фрезы, а также построение вспомогательных (ограничивающих, справочных) поверхностей и применение опций редактирования, можно создать черновые траектории для выборки всего межлопастного пространства.

Рассмотрим еще один вариант черновой обработки лопастей: исключаем применение стратегии Проекция от поверхности и используем только стратегию Боком фрезы. Тогда необходимы всего четыре поверхности — левые и правые стороны лопастей «М» и «Н», которые уже были построены ранее при создании самой модели. Далее относительно этих поверхностей рассчитаем траектории. Для создания каждого нового прохода или удаления клинового остаточного материала можно поворачивать поверхность или задавать радиальный припуск, что более рационально. Таким же образом создаются и чистовые траектории (рис. 25) для обработки основания — необходимо лишь задать осевой и радиальный припуск. После расчета траекторий производим их проверку по отношению ко всей модели. Для этого открываем исходную модель и в командном окне выполняем команду edit toolpath ; verify, далее открываем модель limiting surface.dgk и еще раз выполняем команду edit toolpath ; verify (рис. 26).

При редактировании траектории весьма полезны такие опции правки, как: развернуть направление, развернуть порядок и трансформировать.

Теперь создадим траектории для обработки закруглений лопасти — действуем по уже отработанной схеме. Строим в PowerShape справочную поверхность закругления и импортируем ее в PowerMILL. Для создания траектории используем стратегию Проекция от поверхности, при этом устанавливаем угол наклона фрезы –85°. Устанавливаем в форме режимы для чистовой обработки, принимаем форму и после проверки на зарезы получаем результат, как на рис. 27.

После того как все необходимые для обработки траектории созданы, необходимо объединить их между собой по переходам. Это можно сделать, если навести курсор мыши на одну траекторию и передвинуть мышь, удерживая нажатыми левую кнопку мыши и клавишу Ctrl, чтобы курсор оказался над той траекторией, к которой мы присоединяем первую. Появится сообщение о подтверждении объединения траекторий.

После объединения всех траекторий создадим управляющие программы для станка с ЧПУ.

Перед тем как создать УП, необходимо визуально проверить рассчитанные траектории в модуле ViewMILL (рис. 28), что позволит выявить ошибки на этапе разработки УП.

Вот и все: расчет управляющих программ произведен двумя способами. Первый способ (использовались стратегии Проекция от поверхности и Боком фрезы) в данном случае является более трудоемким, так как требует рутинных построений справочных поверхностей. Этот способ будет эффективным при больших межлопастных расстояниях и малом перекрытии лопастей, когда после проверки на зарезы к исходной модели будет удалена малая часть траектории. При втором способе (применялась только стратегия Боком фрезы) процесс создания УП облегчается, однако много времени уходит на редактирование отдельных проходов. Если сравнить время обработки при использовании разных проходов, то оно практически одинаково, чего, собственно, и следовало ожидать. Таким образом, необходимо разумное сочетание стратегий применительно к конкретной детали.

«САПР и графика» 3'2004