От прототипа до матрицы за 11 часов

Сергей Авдасев, Сергей Ковальский

Помните ли? Сперва эта кроватка была слишком просторной, потом как раз, потом тесной, потом ненужной.
Но расставаться жалко…
В. Леви. Нестандартный ребенок

Несколько лет назад в информационных материалах английской компании Delcam plc стали появляться невероятные по тем временам сведения об обработке закаленных сталей твердосплавными фрезами на высоких скоростях и больших подачах. При этом качество получаемых поверхностей было настолько высоко, что они либо не нуждались в последующей обработке вообще, либо требовали минимальной ручной доводки. Но поскольку в Белоруссии станки, обеспечивающие требуемые режимы резания, можно было сосчитать по пальцам, у предприятий не было заинтересованности развивать это направление. К слову сказать, по нашим сведениям, всего лишь три белорусских предприятия сегодня реально готовы использовать высокоскоростное фрезерование (ВСФ).

Впоследствии мы узнали о существовании теории Соломона: «При определенных скоростях резания тепловыделение начинает уменьшаться». Зона использования скоростей резания отмечена на графике ВСФ (рис. 1), на котором видно, что между «обычной» и высокоскоростной механообработкой находится неиспользованная область.

При лезвийной обработке материалов, которые образуют сливную стружку, у режущей кромки происходят пластическая деформация и разрез материала, наблюдается процесс трения между стружкой и передней поверхностью инструмента, а также между поверхностью детали и задней поверхностью инструмента.

При высокоскоростной обработке с возрастанием скорости резания коэффициент трения уменьшается. Это происходит вследствие размягчения обрабатываемого материала в зоне разреза, в некоторых случаях — до появления жидкого слоя. Сопротивление пластической деформации снижается с повышением температуры материала и повышается с увеличением скорости деформации. Нагревание заготовки из-за трения о заднюю поверхность инструмента является незначительным — менее 5%. Поэтому, несмотря на то что при обработке изделия сторонний наблюдатель видит вьющуюся раскаленную стружку, сразу же после остановки станка он может спокойно дотронуться до обработанных поверхностей рукой — температура детали если не равна, то близка к температуре окружающей среды!

Повышенная скорость резания выдвигает ряд требований к станочному оборудованию, режущему инструменту и программному обеспечению, используемому для расчетов режимов резания и подготовки управляющих программ для ЧПУ: станки должны иметь скорость вращения шпинделя 40 тыс. об./мин и более, подачу порядка 40-60 м/мин, линейные приращения 5-20 микрон (или NURBS), высокую термоустойчивость и жесткость шпинделя, функцию «Просмотр вперед» на стойке ЧПУ и др.

Обрабатывающий инструмент работает при высокой температуре и подвергается повышенному износу. Поэтому здесь предъявляются особые требования к термостабильности. Уменьшение силы резания позволяет применять длинные фрезы (их длина составляет 15-18 диаметров фрезы), а увеличение скорости вращения приводит к уменьшению вибрации инструмента. Это позволяет обрабатывать хрупкие и тонкостенные детали с высоким качеством поверхности.

В качестве программного обеспечения создания управляющих программ для ВСФ мы рассмотрим программное обеспечение PowerMILL английской фирмы Delcam plc. Оно помогает технологу выполнить черновую и чистовую обработку, а также произвести черновую доработку (улучшенное упорядочение ступенек для последующей получистовой обработки), выбрать произвольную заготовку (поковку или отливку), предоставляет выбор стратегий подвода-отвода инструмента, оптимизации подачи. Предлагается широкий выбор возможностей чистовой обработки: карандашной и проекционной обработки, обработки по сплайну, когда движение фрезы по кривой задается в управляющей программе одним кадром, и т.д.

ВСФ применяют при непосредственной обработке закаленных штампов, литейных форм, ковочных штампов, графитовых и медных электродов.

Передовые предприятия начинают понимать, что для запуска нового изделия в максимально сжатые сроки возможностей обычных станков с ЧПУ уже недостаточно, и поэтому начинают искать и приобретать для инструментальных цехов дорогое оборудование и программное обеспечение к нему.

Одним из предприятий, предъявляющих повышенные требования к быстрому получению деталей штампов и пресс-форм, является СП «Брестгазоаппарат». Внедряя высокоскоростную обработку, оно приобрело станок Mikron UMS900. При выборе программного обеспечения заводчане обратились к ЗАО «Адекватные системы», которое является полномочным торговым партнером Delcam plc в Белоруссии. Была поставлена задача: по имеющемуся образцу изделия изготовить вставку к матрице из закаленной стали, причем выполнить это задание требовалось на территории предприятия в присутствии работников завода.

Задачу разделили на четыре стадии:

• с помощью измерительной руки и программного обеспечения PS-Arm снять геометрические данные прототипа изделия и передать в PowerSHAPE;
• в моделировщике PowerSHAPE воссоздать трехмерную геометрическую модель изделия, отредактировать в соответствии с имеющимся на предприятии режущим инструментом и спроектировать вставку для матрицы;
• в CAM-системе PowerMILL спроектировать управляющие программы для высокоскоростной обработки;
• выполнить механообработку на станке Mikron UMS900 и получить в результате требуемую вставку к матрице.

Образцом нового изделия оказалась ручка к выпускаемой заводом газовой плите, изготовленная из модельного материала — сферопластика. Ее гребешок был изогнут в виде буквы S и сходился у вершины до 3 мм. Модель закрепили на столе и, используя возможности измерительной руки, сняли скан-линии с шагом 3 мм при одной фиксированной координате из трех. Те же действия были проделаны с фиксированием двух остальных координат. За два часа опорные линии были получены и обработаны в моделировщике (рис. 2).

При помощи стандартных операций PowerSHAPE, таких как построение поверхностей по заданным сечениям, протягивание сечения по кривой, скругление пересекающихся поверхностей, получили графическую модель ручки. Необходимо отметить, что некоторые поверхности образца были фасетными, ломаными, что технологически недопустимо для высокоскоростного фрезерования. Плавность перехода от одной поверхности к другой проверялась функцией «Проверка сопряжений» (рис. 3).

Коэффициент усадки материала вводится исходя из требований: либо одинаковый по трем осям, либо с заданием разных коэффициентов для каждой из осей. В течение последующих четырех часов была разработана электронная модель вставки (рис. 4), которая затем была передана в CAM-систему PowerMILL для создания управляющих программ и разработки карт наладки для станочника.

Заготовка была из закаленной стали 4Х5МФС твердостью HRC 51…52. Из имеющегося в наличии инструмента швейцарской фирмы FRAISA был выбран наиболее подходящий, для которого и были подобраны режимы обработки.

Обработка включала в себя черновую и получистовую, а также получистовую доработку для получения постоянного припуска и чистовую обработку. Результаты каждого этапа визуально контролировались с использованием компьютера (рис. 5).

Полученные технологические параметры обработки поверхностей детали сведены в следующую таблицу.

На проектирование управляющих программ и оформление сопроводительной документации ушло около четырех часов.

Обработка велась на станке Mikron UMS900. Общее машинное время составило 2 ч 12 мин.

Таким образом, на подготовку производства и получение в металле вставки к матрице по заданному прототипу изделия с требуемым качеством поверхности потребовалось 11 часов рабочего времени (рис. 6).

«САПР и графика» 6'2001