9 - 2000

Техническая гравировка — новые возможности

Сергей Зарубин

Гравировка как вид профессиональной деятельности человека берет свое начало из глубины веков, являясь чем-то пограничным между ремеслом и искусством. Техническая гравировка — это обычная технологическая дисциплина на заводе или в цехе, основной задачей которой является маркировка деталей, изготовление шильдиков и приборных панелей, и только иногда ее применяют для нанесения знаков и надписей на формы для литья пластмасс или металлов. Термин «художественная гравировка» применим к работам мастеров старой школы, украшавших надписями, эмблемами и гербами ювелирные изделия, ныне являющиеся экспонатами музеев всего мира.

Есть области, в которых оба вида гравировки неразрывно связаны. Это в первую очередь производство тех бытовых изделий, где гравировка является неотъемлемой частью дизайна, например в часах или стеклянной посуде. Кроме того, происходит слияние гравировки и разных видов обработки, в первую очередь фрезерования. Например, при производстве обувных пресс-форм эти виды обработки почти сравнимы по трудоемкости.

В последние годы компьютеризация захватывает все области производства. Гравировка не является исключением. Поговорим об основных видах гравировки и посмотрим, как они реализованы в системе ГеММа-3D.

Наиболее простой операцией гравировки является плоская прорисовка (plotting). При этом по заданному контуру или их множеству перемещается центр инструмента, в качестве которого может выступать как цилиндрическая или сферическая фреза, так и конический граверный резец. Конечно, данный вид гравировки не обеспечивает высокого качества, но с точки зрения времени обработки это наиболее предпочтительный вариант. Прорисовка используется при решении большинства граверных задач массового производства.

Для обеспечения максимально малого объема программ при прорисовке в системе ГеММа-3D реализованы специальные одноконтурные «скелетные» шрифты, в том числе несколько ГОСТов. В этих шрифтах в качестве кривых использованы дуги окружностей. А круговая интерполяция, в отличие от сплайновой, используется в большинстве систем управления станками с ЧПУ. Кроме того, в системе присутствует более 100 контурных, трафаретных и символьных шрифтов. В системе также предусмотрены средства разработки собственных шрифтов.

В отличие от прорисовки, при резке (cutting) инструмент полностью прорезает лист материала, при этом в зависимости от потребности он может двигаться по контуру детали своим центром или краем (центр будет перемещаться по эквидистанте). Дополнительным требованием при резке является последовательность обработки: от внутренних контуров к внешним. Если это условие не будет соблюдено, заготовка потеряет целостность и внутренние контуры вообще не смогут быть вырезаны. Задачи резки характерны для достаточно широкого спектра оборудования, кроме фрезерного и гравировального, для лазерных и плазменных установок, пробивных прессов с ЧПУ.

Собственно «гравировкой» (engraving) называется выборка области, ограниченной несколькими контурами. Гравировка может быть как плоской — при этом в рабочей зоне инструмент перемещается по двум координатам, так и пространственной — трехкоординатной, предназначенной для чистовой выборки близко расположенных контуров и подборки острых внутренних углов коническим инструментом. Плоская гравировка присутствует как вид обработки почти во всех системах программирования для станков с ЧПУ и хорошо освоена в производстве. Для крупных деталей в таком случае используют цилиндрический инструмент, а для мелких — «иголки» (конические фрезы и резцы с минимальной площадкой на дне). При этом от крупного инструмента в углах остаются скругления, которые последовательно добираются все более мелким инструментом. Трехкоординатная гравировка обеспечивает пространственное вписание в систему контуров инструмента, профилированного по высоте (конического, сферического или комбинированного), за счет чего достигается выборка острых углов и узких мест путем перехода по ним на меньшей высоте, а в углах — выходом на «O»-плоскость. Такая гравировка обеспечивает полиграфическую точность при обработке шрифтов, логотипов, эмблем и широко используется при изготовлении различных клише. Размер управляющих программ при этом значительно больше, чем при простой контурной гравировке (100 Kбайт — 1 Mбайт), однако не настолько велик, чтобы исключить использование трехмерной гравировки на станках с ограниченной памятью. Кроме того, за счет применения более жесткого конического инструмента при обработке узких мест трехкоординатная гравировка дает значительную экономию времени.

Одной из интересных областей применения трехкоординатной гравировки может стать производство печатных плат. При высокой плотности монтажа электронных компонентов расстояние между ними может достигать 0,1 мм. 3D-гравировка позволяет одним инструментом производить выделение всех проводников. Кроме того, возможен вариант, когда резец разделяет проводящие области по средней линии; время обработки при этом будет уменьшено как минимум в два раза. Для связи с системами проектирования печатных плат, например с PCAD в ГеММе-3D, реализован конвертор PCB-файлов. Гравировка печатных плат предпочтительнее традиционных методов травления по экологическим соображениям. Кроме того, может быть существенно сокращено время подготовки экспериментальных образцов.

Отдельные задачи связаны с гравировкой на пространственных формах, в первую очередь на телах вращения (цилиндрические клише, формы для литья бутылок). В системе ГеММа-3D данная задача решается как развертка, или цилиндрическая проекция программ гравировки, рассчитанных на плоскости. Такой подход позволяет значительно упростить методику разработки программ. Аналогично при гравировке произвольных форм (например, обувных) используется трехкоординатная проекция программ на поверхность.

Более сложные виды «барельефной», или профильной гравировки в системе ГeММa-3D пока не реализованы. Стоит отметить, что объем подобных программ чрезвычайно велик (обычно более 5 Mбайт) и требует использования станков с возможностью «подкачки» программ и хорошей надежностью, так как время обработки при этом тоже велико. Такую гравировку трудно назвать технической. На практике она используется при продвижении художественных изделий в массовое производство. Наиболее ярким представителем систем с подобными возможностями проектирования является ArtCAM фирмы Delcam plc.

Несмотря на то что процесс гравировки достаточно хорошо формализован, и примером тому служит присутствие на рынке ряда систем программирования, предназначенных исключительно для решения этой задачи (помимо системы ГеММа-3D это Cimagrafi, Enroute, ArtCАМ, Type3), отечественные предприятия все еще медленно переходят на новые технологии.

В первую очередь это связано с имеющимся станочным парком. Отечественные станки снабжены устаревшими системами управления с ограниченной памятью. Для решения же любой задачи сложнее прорисовки и резки использование подобных систем исключено.

Достаточно хорошим и недорогим подходом при этом может служить использование настольных станков. В настоящее время на московском рынке широко представлены станки фирм Cielle и Roland. Стоит обратить внимание читателей на интересное семейство станков фирмы Mimaki (Япония). Станки МЕ-500/МЕ-650 представляют собой настольные гравировальные плоттеры портального типа с достаточно большим столом (485×350 и 650×400 соответственно), что позволяет использовать их для гравировки больших панелей. Высокооборотные шпиндели (стандартный — 14 000 об./мин и альтернативный, фирмы Kavо, — 60 000 об./мин) позволяют использовать высокоскоростные режимы обработки по правилу «малый съем — большие подачи» для пластиков, медных и алюминиевых сплавов, а также большинства видов сталей, вплоть до нержавеющих. Дополнительным требованием при этом служит использование качественного твердосплавного инструмента, в том числе и отечественного. Станки обладают хорошей точностью — номинальной (0,01 мм) и реальной, связанной с жесткостью станка (0,05-0,1мм). Единственным их недостатком является небольшой расход по Z — номинальный 60 мм, при реальной глубине обработки не более 20-25 мм. Однако для тех, кому этот фактор представляется решающим, интерес может вызвать по-настоящему фрезерный, с охлаждением и тисочным зажимом, станок NC-5H, у которого расход по Z увеличен до 110 мм.

К положительным качествам станков фирмы Mimaki стоит отнести удобство в управлении (они снабжены чрезвычайно удобным выносным пультом), наличие большого программного буфера (более 1,5 Мбайт), надежность в использовании и простоту в освоении.

Подобное оборудование, используемое совместно с системой ГеММа-3D, может быть полезно не только для приборостроительных предприятий, но и для других фирм, желающих полностью автоматизировать в своем технологическом процессе операцию гравировки  

«САПР и графика» 9'2000