8 - 2003

Использование стратегий 5-координатной фрезерной обработки в системе T-FLEX 3D ЧПУ на примере изготовления вентиляторного колеса в ОАО НПО «Наука»

Анатолий Калинин

4-координатная обработка

5-координатная обработка

ОАО НПО «Наука»

Одним из актуальных и сложных вопросов на машиностроительных предприятиях является выбор программного обеспечения для решения задач конструкторской и технологической подготовки производства. Специфика вопросов, возникающих на каждом этапе, предъявляет свои требования к соответствующему программному комплексу. Таким образом, разговор о позиционировании той или иной CAD/CAM-системы для определенной области машиностроения (авиастроение, автомобилестроение) представляется несколько абстрактным. Гораздо более актуально рассматривать возможности системы на примере конкретного типа изделий. Речь идет не только об использовании функционального набора программного обеспечения, но и о реальном примере применимости системы, тесно связанной с особенностями производства. Прикладной характер данного подхода также проявляется во множестве решений четко поставленной задачи.

Практическое значение нижеизложенного смогут оценить те, кому в силу профессиональных обязанностей приходится иметь дело с моделированием и технологической подготовкой изготовления деталей, содержащих поверхности двойной кривизны. Проектирование формы детали проводится с использованием, как частный случай, газодинамических расчетов, что и определяет пространственную сложность поверхностей. Обычно лопатки турбинных и вентиляторных колес с поверхностями данного типа изготавливают на 5-координатных фрезерных станках с ЧПУ.

Рассмотрим этапы конструкторско-технологической подготовки изготовления вентиляторного колеса с лопаткой торцевого типа (рис. 1) в системе автоматизированного проектирования T-FLEX CAD 3D российской компании «Топ Системы» (www.topsystems.ru). Колесо этого типа используется в системах кондиционирования воздуха, турбохолодильниках, в изделиях, функционирование которых связано с изменением физических характеристик рабочей среды. Этим и объясняется геометрически сложная форма лопатки, рассчитанная с учетом назначения колеса. Двойная кривизна поверхностей и близость расположенных соседних лопаток налагают ограничения на способ обработки лопаток и колеса в целом.

Поверхности лопаток представляют собой каркасную составную поверхность, построенную по семейству пространственных замкнутых контуров (рис. 2), расположенных на определенных высотах. Изначально каждый контур задается как набор дискретных точек, однако в системе T-FLEX CAD 3D реализован метод, позволяющий избежать рутинного ввода в систему большого числа координат точек. Заметим, что каждый контур в семействе есть измененный исходный контур, который является базовым в конструкторских расчетах. Поэтому исходный профиль связан с набором параметров, определяющих его геометрическую форму. Затем, задавая законы изменения параметров от высоты, строят запараметризованную трехмерную модель лопатки. Созданная таким образом лопатка позволяет вносить корректировки в геометрию, изменяя основные параметры исходного контура, что значительно сокращает подготовительное время построения пространственной модели и разработки управляющей программы (УП) по ней.

Заслуживают внимания и геометрические элементы лопатки, которые вносят определенные сложности на этапе подготовки УП. Переменные радиусы скругления внешних кромок лопатки изменяются в диапазоне 0,3-0,5 мм. Ребро сочленения поверхности лопатки и ступицы сглаживается радиусом скругления используемого инструмента (рис. 3). При этом ориентация оси инструмента вдоль нормалей к поверхности ступицы или к поверхности лопатки, в силу большого загиба лопатки и образования так называемой теневой зоны, недопустима из-за возникновения подреза.

Таким образом, построение траектории движения инструмента с непрерывным обходом вокруг лопатки с исключением подреза является своего рода показателем работоспособности модуля 5-координатной обработки любой CAM-системы.

Выбор стратегии обработки данного колеса определяется количеством управляемых координат станочного оборудования, используемого для изготовления детали.

Для колеса с подобным типом лопатки в системе T-FLEX 3D ЧПУ модуль 5-осевого фрезерования позволяет создавать 5- и 4-координатные траектории движения инструмента.

4-координатная обработка

В этом случае выбирается обрабатываемая поверхность и задается угол опережения — угол наклона инструмента постоянный относительно траектории движения инструмента (рис. 4). Данная стратегия применяется для раздельной обработки двух сторон лопатки, что является оптимальным вариантом при использовании 4-координатного фрезерного оборудования с ограничением размера УП в случае наличии соответствующего технологического процесса, регламентирующего окончательное формирование только боковых поверхностей лопатки.

В начало В начало

5-координатная обработка

Основные требования к движению инструмента, которые выполняются при 5-координатном фрезеровании, — это замкнутость траекторий. Режущий инструмент имеет постоянную точку касания при обходе вокруг лопатки.

Рассмотрим два типа проходов:

1. Строчная обработка с замкнутыми проходами на одной высоте. Проходы строятся между двумя выбранными 3D-путями, лежащими на обрабатываемом теле. Во избежание столкновения инструмента с металлом точки подвода/отвода в каждом проходе задаются по касательной; переход на следующий, нижележащий проход осуществляется по воздуху на безопасном расстоянии (рис. 5а).

2. Обработка по спиралеобразной траектории обеспечивает непрерывный контакт инструмента с материалом на всей длине лопатки с плавным заглублением по высоте (рис. 5б).

Следует назвать и способы задания наклона инструмента, применяемые для рассмотренных выше типов прохода.

• постоянное значение углов опережения: по направлению и перпендикулярно направлению движения инструмента;

• значение углов опережения изменяется параметрически в зависимости от длины выбранного 3D-пути;

• наклон инструмента определяется выбранным дополнительно ориентирующим 3D-путем, через который проходит ось инструмента.

Для обработки ступицы колеса применимы следующие варианты траекторий движения инструмента:

• ориентация проходов по изопараметрическим линиям поверхности ступицы (рис. 6а и 6б);

• ориентация проходов согласно выбранным ограничивающим и направляющим 3D-путям (рис. 6в).

Модуль 5-осевого фрезерования системы T-FLEX 3D ЧПУ позволяет также создавать УП с использованием 5-координатной трансформации. В этом случае координаты точек рассчитываются в системе координат детали без учета вылета инструмента и габаритных размеров оснастки. Этот гибкий и универсальный метод позволяет отрабатывать УП на различных станках, с разными параметрами наладки. Вылет инструмента/оснастки записывается в стойку ЧПУ и учитывается при отработке УП. Нет необходимости пересчитывать УП в случае поломки инструмента или замены оснастки, — достаточно изменить установочные параметры в стойке ЧПУ.

В завершение отметим необходимость взаимосвязи программного обеспечения для подготовки УП и математического обеспечения, используемого в стойках ЧПУ обрабатывающих станков. Как известно, технологический цикл подготовки и отработки УП состоит из следующих этапов:

1. CAD/CAM-система — моделирование изготавливаемой детали, построение траектории с использованием линейной аппроксимации.

2. Трансформация — пересчет координат траектории с учетом вылета инструмента/габаритов оснастки.

3. Постпроцессор — пересчет координат траектории с учетом кинематики станка.

4. Стойка ЧПУ — интерполяция координат УП.

Существует несколько способов избежать накопления погрешности в последовательности математических преобразований. Первый — возможность исключения или объединения отдельных этапов технологического цикла. Другой подход — использование единого математического обеспечения на каждом этапе. Такое решение лежит в основе программного обеспечения для технологической подготовки производства и управления станками с ЧПУ, предлагаемого фирмой «Топ Системы». Система T-FLEX 3D ЧПУ, библиотека постпроцессоров для широкого спектра станков с ЧПУ, математическое обеспечение стойки ЧПУ «Э 2000 CNC» — все это разработано на основе единого набора программно реализованных математических функций.

В начало В начало

«САПР и графика» 8'2003