8 - 2003

Пятикоординатное фрезерование как средство повышения конкурентоспособности продукции

Константин Евченко, Александр Рагулин, Владимир Жигулин

В начале июня этого года компания Delcam plc провела в Италии ежегодную конференцию, на которой были подведены итоги работы за год и представлены новейшие разработки в области механообработки и контроля качества изделий. Особый интерес у участников конференции вызвал доклад директора по развитию бизнеса компании Delcam plc в Европе Криса Эдвардса, посвященный возможностям CAM-системы PowerMILL. В своем выступлении Крис Эдвардс (Chris Edwards) не только продемонстрировал возможности системы, но и привел убедительные доводы о целесообразности перехода с 3- на 5-координатное фрезерование. Доклад сопровождался демонстрацией возможностей системы на реальных задачах. Ниже мы приводим основные тезисы доклада г-на Эдвардса, которые, как нам кажется, будут интересны не только технологам-программистам.

Как известно, из пушек по воробьям не стреляют. Видимо, руководствуясь этой старой пословицей, многие инструментальщики выбирают 3-осевое оборудование и не задумываются над тем, какие преимущества может дать 5-осевая обработка при решении тех же задач. Действительно, значительная доля изделий инструментального производства может быть изготовлена при помощи 3-координатных фрезерных станков, однако все больше производителей отдают предпочтение 5-осевой механообработке, несмотря на существенную разницу в цене оборудования и программного обеспечения. Даже при производстве изделий, для изготовления которых достаточно применения 3-координатного оборудования, использование 5-осевых станков способно принести ощутимую выгоду. По мнению директора по производству компании BS Tooling (Великобритания) Шона Копаса (Shaun Copas), новые технологии по соотношению «цена/качество» являются более привлекательными для заказчиков его фирмы.

5-координатное фрезерование позволяет не только расширить номенклатуру выпускаемой продукции за счет новых возможностей оборудования, но и повысить качество изделий. Например, моноколеса для газотурбинных аппаратов зачастую оказывается выгоднее изготавливать из цельного куска металла. Во-первых, прочностные параметры у штампованных заготовок выше, чем у отлитых. Во-вторых, создание технологической оснастки для литья изделий сложной формы не всегда бывает экономически выгодным. И в-третьих, исключается появление скрытых дефектов типа каверн. Кроме того, при высокоскоростном фрезеровании, когда основная часть тепла при резании уходит в стружку, возможна обработка сталей в закаленном состоянии без их отпуска, что позволяет избежать закалки после фрезерования, а вследствие этого можно избежать коробления, связанного с термообработкой. Перечисленные факторы все чаще побуждают производителей во всем мире к замене технологии прецизионного литья на 5-координатное фрезерование.

Относительно новым направлением развития 5-осевой обработки является применение для фрезерования роботов-манипуляторов, которые уже сегодня позволяют получить точность порядка 0,1 мм. Данное направление, несомненно, найдет широкое применение для обрезки крупногабаритных деталей из композитных материалов (стекло- и углепластика).

5-координатное фрезерование позволяет выполнить обработку сложных корпусных деталей за один установ, благодаря чему повышается точность изготовления и исчезает необходимость в применении вспомогательных приспособлений. Опыт компании Oxon Prototypes (Великобритания) показывает, что большинство деталей для автомобилестроения могут быть изготовлены на 5-координатном станке всего за два технологических установа. Кроме того, 5-координатный фрезерный станок дает возможность за один установ выполнить сверление и расточку всех отверстий, позволяя тем самым исключить погрешность базирования в приспособлении, что особенно важно при расположении оси отверстия под произвольным углом (рис. 1). Кроме того, отсутствие переустановов ликвидирует потери времени на эту операцию, что важно при серийном производстве, а также исчезает возможность брака по вине оператора. По словам ведущего специалиста по механообработке компании Rojac (Великобритания) Джерри Харта (Gerry Hart), для типовых элементов пресс-форм им удалось снизить время на сверление с 16 до 2 часов. Необходимо также отметить, что отверстия больших диаметров теперь намного выгоднее расфрезеровывать, чем классически рассверливать — повышается стойкость инструмента и сокращается время обработки.

Интересные результаты при переходе с 3- на 5-координатное фрезерование были получены специалистами компании H. Eccles (Великобритания), производящей техоснастку для автомобилестроения. Управляющий директор Боб Мортон (Bob Morton) так прокомментировал ситуацию: «При 5-осевой обработке мы можем использовать более короткие фрезы, которые позволяют достичь большей точности и более высоких скоростей резания. В результате наше предприятие стало опережать конкурентов».

Применение при составлении управляющих программ для 5-осевых станков с ЧПУ специальных стратегий обработки, рассчитанных на 5-координатное оборудование, позволяет повысить качество обработанной поверхности. Это достигается за счет более рациональной, чем при 3-осевом фрезеровании, ориентации оси вращения фрезы по отношению к обрабатываемой поверхности и к направлению перемещения. При умелом использовании новые возможные стратегии обработки позволяют снизить нагрузку на станок и продлить срок службы инструмента.

Еще одна причина выбрать 5-осевую обработку проявляется в случае фрезерования канавок торцевой фрезой. При использовании 3-координатных станков в общем случае, когда дно канавки не лежит в одном Z-уровне, в углах будут оставаться скругления, а сечение канавки получится U-образным, что требует дополнительной электроэрозионной и (или) кропотливой ручной доработки. А 5-координатное фрезерование торцевой фрезой позволяет получить четкий прямой угол в канавке с минимальной ручной доводкой (рис. 2). Снижение объемов работ по ручной доводке значительно сокращает временные затраты и повышает качество работ.

При 5-координатном фрезеровании появляется и возможность профилирования кромок с использованием специального типа фрез (рис. 3). Такой подход позволяет объединить несколько операций в одну и достичь высокой степени гладкости обработанной поверхности. Особенно перспективен данный метод для обрезки полимеризованных деталей из композитных материалов и деталей, получаемых методом вакуум-формовки.

В теоретическом плане расчет траектории движения для 5-координатного фрезерного станка — сложная математическая задача. Если программу для 3-осевого фрезерования зачастую можно составить при помощи калькулятора, карандаша и бумаги, то в 5-координатной обработке придется полностью довериться CAM-системе (рис. 4), что настораживает некоторых опытных технологов, привыкших составлять управляющие программы в ручном режиме. Однако современные CAM-системы высокого уровня вовсе не требуют знания теории описания поверхностей и их анализа — на первый план здесь выходит такое понятие, как стратегия обработки. Несмотря на кажущуюся сложность освоения, высокоуровневые CAM-системы можно встретить установленными даже на стойки станков с ЧПУ. Конечно, это далеко не всегда целесообразно с финансовой точки зрения, но служит подтверждением того факта, что освоение 5-координатного фрезерования вполне под силу рядовым инженерам и операторам станков с ЧПУ.

Как показывает практика, непрерывная 5-осевая обработка, когда одновременно меняются все три координаты и два угла, необходима в исключительно редких случаях. По оценкам независимой аналитической компании CIMdata, приблизительно 3/4 всего 5-координатного оборудования во всем мире используется преимущественно в режиме так называемого позиционного 5-осевого фрезерования. При позиционной обработке в процессе фрезерования меняются исключительно линейные координаты инструмента, а две угловые координаты жестко зафиксированы. Таким образом, оборудование фактически используется как 3-координатное, а при помощи двух угловых координат задается новая плоскость обработки. Такой вид обработки чаще всего используется для высокоскоростного фрезерования. За счет исключения переустановов детали повышается точность обработки и снижается общее время обработки.

Другой тип 5-координатной обработки — непрерывное 5-осевое фрезерование, при котором одновременно меняются все пять управляющих параметров (два угла и три координаты). Этот вид обработки предъявляет особые требования к оборудованию: две оси должны поддерживать непрерывные перемещения и обеспечивать достаточно высокую угловую скорость поворота оси инструмента относительно заготовки (рис. 5).

Существенным достоинством метода непрерывного 5-осевого фрезерования является возможность обработки труднообрабатываемых зон и поднутрений за счет наклона оси инструмента. Из-за высоких моментов инерции, а следовательно, и больших инерционных сил далеко не всегда удается обеспечить достаточно высокие угловые ускорения и скорости поворотных элементов станка, поэтому при непрерывном 5-осевом фрезеровании высокоскоростная обработка применяется весьма редко. При высоких скоростях резания используются большие подачи, так что станок может просто не успевать поворачивать деталь или шпиндельную головку. Кроме того, сложные пространственные перемещения инструмента относительно обрабатываемой детали требуют обязательной тщательной проверки управляющей программы на возможные столкновения инструмента, заготовки и элементов станка. Из этого следует вывод, что к выбору CAM-системы для непрерывной 5-координатной обработки нужно подходить особенно скрупулезно. При проверке на столкновения инструмента с заготовкой в PowerMILL используется наращиваемая геометрическая модель инструмента, которая содержит любое необходимое число составных компонентов (рис. 6).

Представленные преимущества 5-осевой обработки были здесь рассмотрены без привязки к конкретной CAM-системе. Между тем роль CAM-системы, по сравнению с 3-координатным фрезерованием, заметно растет. А теперь покажем на примере CAM-системы PowerMILL те преимущества, которые дает 5-координатное фрезерование. Прежде всего, следует назвать широкий спектр стратегий обработки, которые позволяют достичь наилучшего качества обработанной поверхности при чистовом фрезеровании: траектории с ориентацией оси инструмента через линию или точку или по нормали к детали, профилирование, обрезка и т.д. К тому же при непрерывном 5-осевом фрезеровании вводятся такие понятия, как угол опережения и наклона, оптимизация значений которых позволяет улучшить качество получаемой при обработке поверхности.

Самый простой метод обработки, предлагаемый всеми CAM-системами для 5-координатного фрезерования, — это ориентация оси фрезы по нормали к обрабатываемой поверхности (рис. 7). С математической точки зрения этот метод является самым простым, но в плане механообработки он малоэффективен. Проблема заключается в том, что вблизи оси вращения фрезы скорость резания крайне мала, а это приводит к несоблюдению режимов резания, вследствие чего снижается качество обработанной поверхности. Также в некоторых ситуациях посредством этого метода невозможно обработать деталь без зарезов.

Более прогрессивный способ резания — с применением углов опережения (рис. 8) и наклона (рис. 9). При этом CAM-системе приходится вычислять не только нормаль к поверхности, но направление перемещения фрезы. Суть заключается в смещении точки резания из критической зоны резания вблизи оси вращения фрезы. В случае угла опережения (см. рис. 8) осевые участки фрезы полностью выводятся из зоны обработки. Если при фрезеровании с углом опережения геометрия детали не позволяет полностью ее обработать, то можно использовать наклон фрезы влево или вправо (см. рис. 9), а также угол отставания (отрицательный угол опережения).

Стратегия фрезерования через точку позволяет пользователю определить мнимую точку (как правило, вне заготовки), через которую будет проходить ось фрезы при обработке (рис. 10). Данная стратегия позволяет с минимальным количеством перемещений производить обработку поверхностей двойной кривизны  — как выпуклых, так и вогнутых (рис. 11). Обратите внимание, что применение этой стратегии также позволяет вывести осевые участки фрезы из зоны резания. Похожая стратегия фрезерования через линию (рис. 12) ориентирована на обработку поверхностей с одинарной кривизной (линейчатых). Обе указанные стратегии позволяют получить хорошее качество чистовой поверхности.

Самой сложной и в то же время продуктивной стратегией 5-осевой обработки является фрезерование с предварительным заданием управляющей поверхности, относительно которой задается направление оси вращения фрезы (рис. 13). Другими словами, нормаль вычисляется не к обрабатываемой поверхности, а к управляющей, что очень удобно при обработке труднодоступных зон и позволяет избежать столкновений и выполнить обработку за один установ. Отметим, что для обработки детали, состоящей из множества поверхностей, может быть задана всего одна управляющая поверхность, что значительно упрощает черновое фрезерование. Единая управляющая поверхность также позволяет исключить внезапные изменения направления резания и обеспечить все перемещения в допустимых пределах, тем самым избегая недоступных зон.

Для обработки отдельных участков детали в PowerMILL предусмотрена возможность указания границ обработки (рис. 14). Все параметры процесса обработки доступны для изменения пользователем, а система автоматически вычисляет оптимальные значения на основе заложенных в нее методик (рис. 15).

В некоторых случаях при обработке сложной геометрии бывает необходимо исключить обработку неэффективными участками торцевой фрезы, расположенными вблизи ее оси вращения (рис. 16). В этой ситуации PoweMILL позволяет задать для фрезы точку ее контакта с поверхностью. При такой обработке ориентация оси инструмента может значительно изменяться, достигая при этом значений, недопустимых для конкретного станка. Традиционно САМ-системы отслеживают такую ситуацию на этапе постпроцессирования, что влечет за собой повторный пересчет траектории с новыми углами наклона инструмента. В отличие от традиционного подхода, PowerMILL позволяет заранее задать допустимые значения углов поворота осей станка, при этом система автоматически создает траекторию, выполнимую на конкретном оборудовании.

Еще одна уникальная особенность PoweMILL — задание различного припуска при чистовом фрезеровании в радиальном и осевом направлении (рис. 17). Данная опция, несомненно, найдет применение в производстве автомобильной и аэрокосмической техники. Стоит особо отметить возможность обработки с отрицательным припуском, что особенно удобно для производства электродов (рис. 18). Заметим, что построение офсета (смещения) поверхностей с переменной толщиной — сложная математическая задача, неразрешимая для большинства высокоуровневых САПР, а возможность использования отрицательного припуска для любого типа инструмента позволяет и вовсе исключить такой трудоемкий процесс, как моделирование эквидистантного электрода.

При многокоординатной обработке деталь и элементы станка осуществляют достаточно сложные взаимные перемещения, поэтому в PowerMILL реализована многоуровневая система безопасности. Во-первых, как было уже отмечено, моделируется геометрия инструмента (режущая часть и хвостовик) и патрона, которая может учитываться как непосредственно при генерации траектории движения инструмента, так и для анализа ранее созданной траектории. Во-вторых, существует возможность полностью описать геометрию всего станка и произвести полную симуляцию обработки (рис. 19). Стоит отметить, что обычно поставщики САМ-систем предлагают для этих целей дополнительное программное обеспечение (например, VeriCUT, Predator Virtual CNC и т.п.), в то время как в PowerMILL эта функциональность изначально заложена в ядро программы, что позволяет пользователям сэкономить финансовые средства при покупке системы.

* * *

В рамках данной статьи мы не стали затрагивать вопрос о заложенных в систему PowerMILL возможностях высокоскоростной механообработки. Об этом уже достаточно много говорилось на страницах нашего журнала (например, в статье «Высокоскоростная механообработка» Криса Виттингтона и Владимира Власова в № 11’2002).

Подводя итоги, кратко перечислим основные особенности CAM-системы PowerMILL v5:

• простота использования и продуманный интерфейс программы;

• широкий спектр стратегий обработки для всех видов фрезерования — от 2- до 5-осевой фрезерной обработки, включая высокоскоростное фрезерование;

• быстрый расчет траектории движения инструмента;

• оптимизированные траектории движения инструмента, позволяющие снизить нагрузку на станок и продлить срок службы фрезы;

• автоматическое предотвращение перегрузки инструмента;

• встроенный модуль визуализации обработки;

• моделирование процесса обработки на конкретном типе оборудования;

• возможность подключения шаблонов или программирование на языке Visual Basic, что позволяет гибко адаптировать систему к потребностям пользователя.

Подготовлено по материалам компании Delcam plc.

«САПР и графика» 8'2003