10 - 2002

Использование программных продуктов фирмы Delcam plc в электрохимической размерной обработке

Владимир Пшеничников, Валерий Строшков, Виктор Кожевников

Электрохимическая размерная обработка (в дальнейшем ЭХРО) — процесс снятия припуска металла с обрабатываемой заготовки в движущемся электролите при наложении разности потенциалов между электродом и заготовкой. Метод ЭХРО был предложен советскими инженерами В.Н.Гусевым и Л.А.Рожковым в первой половине прошлого века. Изначально ЭХРО предназначалась для обработки твердых и труднообрабатываемых электропроводящих материалов, для выполнения полостей в штампах, пресс-формах и т.д. Среди аппаратных решений метода ЭХРО самым точным (точность обработки по торцу — 0,02 мм) является импульсно-циклический способ, реализованный на электрохимическом копировально-прошивочном автомате ЭС-4000. При импульсно-циклическом способе подача импульсов рабочего напряжения между электродом-инструментом и заготовкой синхронизирована с колебаниями электрода-инструмента. Таким образом, весь процесс обработки разделен на две стадии: подачу рабочего напряжения при сближении электрода-инструмента (ЭИ) и заготовки и промывку межэлектродного зазора при отводе ЭИ. Для успешного ведения процесса ЭХРО необходима специальная технологическая оснастка: приспособления для токоподвода, базировки ЭИ относительно заготовки, а также диэлектрические детали для обеспечения прокачки электролита между ЭИ и заготовкой. В процессе обработки используется медный, латунный или стальной электрод-инструмент, причем его изготовление требует привлечения высококвалифицированных станочников, инструментальщиков и граверов.

С появлением CAD/CAM-систем задача изготовления электродов упростилась. Например, при изготовлении чеканочных штампов для медалей, значков, брелоков и т.д. в настоящее время используется следующая технологическая цепочка:

  1. Создание компьютерной (CAD) модели в программе ArtCAM.
  2. Изготовление на основе созданной модели ЭИ на станке с ЧПУ типа Roland.
  3. Изготовление методом ЭХРО на станке ЭС-4000 формообразующего рельефа в матрице или в пуансоне.
  4. Полировка гравюры штампа (если требуется).

Мы считаем, что следует отметить уникальность программы ArtCAM, так как ее появление и продвижение в России в середине 90-х годов привело к прорыву в технологии изготовления ювелирных и декоративных изделий. Объясняется это, на наш взгляд, легкостью и органичностью моделирования в ней рельефов, характерных для малых художественных форм. Приведем простой пример. Известно, что моделирование поверхностей типа «плетенка» требует достаточно много времени, а в ArtCAM версии 5.5 это можно сделать быстро и с наименьшей затратой сил. Также надо отметить, что ArtCAM является самодостаточной CAD/CAM-системой и сам генерирует управляющие программы для станков с ЧПУ. На основе многолетней практики изготовления оснастки для производства ювелирных и декоративных изделий мы отмечаем сложившуюся в последние годы тенденцию: модели, выполненные вручную, становятся редкостью, и даже в высокохудожественных авторских работах все шрифты, сложные (регулярные) геометрические рельефы и т.д. выполняются с помощью ArtCAM.

Простой пример использования описанной технологии — это изготовление методом ЭХРО фигурных полостей («капель») на четырех гранях скобкозагибателя (детали скобосшивающей машины). Время, затраченное на моделирование и изготовление электрода в ArtCAM составило менее 4 часов. Время выполнения «капель» на одной стороне скобкозагибателя, закаленного до HRCэ 56-60, на станке ЭС-4000 составило 6 минут, причем дальнейшей доработки изготовленных поверхностей не потребовалось.

По подобной схеме изготавливаются и более сложные (объемные) детали, при этом для создания электродов используется программа моделирования поверхностей PowerSHAPE, станок типа Roland заменяют более мощным. Возможно удлинение описанной цепочки за счет проектирования (моделирования) оснастки ЭХРО. Для этой цели также используется PowerSHAPE, так как он является гибридным моделировщиком. В последних версиях PowerSHAPE был существенно расширен спектр операций твердотельного моделирования. Следует отметить, что в случае сложной геометрии обрабатываемой полости CAD-модель ЭИ отличается от компьютерной модели оформляемой поверхности за счет введения некоторых изменений в форму электрода из-за особенностей процесса ЭХРО. Пример подобной коррекции будет приведен в данной статье.

В описанной схеме есть также ряд преимуществ, касающихся реализации самого процесса ЭХРО. Опираясь на компьютерную модель электрода-инструмента, можно существенно упростить расчет ряда параметров, необходимых для оптимизации электрохимического процесса.

В свете вышеизложенного рассмотрим процесс проектирования и изготовления формы для литья шнека дозатора сыпучих материалов. Сразу отметим, что шнек изготавливается литьем из полиуретана — это существенно облегчает задачу по двум причинам:

  • форма является по сути опокой и не содержит плит, толкателей и всего комплекса деталей, характерного для пресс-форм под термопласты;
  • полиуретан 75-85 является упругим материалом и позволяет снять изделие с пресс-формы при наличии небольших отрицательных уклонов съема.

Из первой причины следует, что проектирование формы для литья можно провести в PowerSHAPE даже без привлечения дополнительного модуля PS-Moldmaker: конструкция формы не требует большой механической прочности, поскольку отсутствуют разжимающие усилия на поверхности разъема. На втором пункте мы остановимся подробнее. Одним из основных этапов проектирования пресс-формы для сложнопрофильных изделий является построение поверхности разъема, что реализуется в PowerSHAPE стандартными функциями. Так как поверхность разъема формы для литья шнека, построенная в PowerSHAPE, очень сложная (с характерными выбросами), мы предприняли попытки упростить ее, изменяя профиль витка, но подробное описание наших действий выходит за рамки данной статьи. Выводом из этих построений является тот факт, что корректное изготовление смоделированной поверхности разъема усложняет и, следовательно, увеличивает стоимость изготовления формы, а значит, неприемлемо для малотиражных форм, каковыми являются формы для производства полиуретановых изделий. В конечном итоге мы упростили поверхность разъема до самого обычного и технологичного решения — плоскости. Проверка поднутрений (Undercut Shading) в PowerSHAPE выбранной геометрии поверхности разъема приводит к закрашиванию на поверхности витка области с отрицательным углом съема (или «замка»), что является платой за упрощение конструкции пресс-формы, но допустимо для эластичного полиуретана.

Исходя из вышеизложенного форма состоит из двух матриц с плоской границей разъема, каждая из которых собрана из двенадцати вставок. Для придания жесткости конечному изделию предусмотрены посадочные места для закладной арматуры. Обработка всех фасонных поверхностей ведется одним электродом-инструментом; центральная глухая выборка-полуцилиндр служит для базировки электрода относительно обрабатываемой вставки.

Электрод-инструмент содержит две рабочие криволинейные поверхности: торцевую и боковую. Торцевая оформляет саму поверхность витка, а также скругление между ней и цилиндрической поверхностью сердечника шнека. Боковая поверхность имеет выборку («обнижение»), которая формирует рабочий буртик электрода, обрабатывающий внешний диаметр шнека во вставке. Отметим, что радиус буртика занижен на величину бокового зазора, возникающего при электрохимической обработке. Сама выборка служит для уменьшения паразитного растравливания боковой поверхности витка в процессе электрохимической обработки.

Моделирование электрода-инструмента производилось в PowerSHAPE следующим образом. В плоскости XZ была вычерчена кривая профиля витка с продолжением до профиля бокового обнижения, причем радиус скругления между цилиндрической и винтовой поверхностью был построен сразу. Затем кривую копировали с углом поворота 7,5° относительно оси Z и соответственно сдвинули вдоль нее, исходя из расчета по уравнению винтовой линии. Из полученной сети раздельных кривых (общее число 25) сформировали поверхность операцией «Поверхность из раздельных кривых», затем боковая и торцевая поверхности были разделены, так как обрабатываются они по отдельности. Площадь участвующей в обработке торцевой поверхности, измеренная геометрическим калькулятором в PowerSHAPE, равна 4600 мм2. Электрод изготовлен из латуни Л-63 на станке Deckel Maho MH-600W; управляющая программа для него создана и оптимизирована в CAD/CAM-пакете PowerMILL.

На рис. 7 приведена спроектированная оснастка для ЭХРО; стрелками показан путь течения электролита. Общая глубина обработки составила 17,4 мм, так как в электрохимических станках за начало обработки выбирается точка первого контакта между ЭИ и обрабатываемой заготовкой. Глубина обработки измерялась уже на этапе моделирования геометрическим калькулятором в PowerSHAPE. Общее время выполнения формообразующей полости с одной стороны вставки составило приблизительно 80 минут, причем дополнительная финишная доводка не требуется. На рис. 8 приведена фотография изготовленного в описанной пресс-форме шнека.

Из приведенных примеров следует, что для успешного изготовления деталей методом ЭХРО нет необходимости создавать сборки по спецификации из тысячи деталей, а также обеспечивать работу большого коллектива разработчиков над одним проектом в рамках одной программы, а требуется точное моделирование сложных поверхностей с последующим гарантированным выполнением созданной модели в металле. Использование CAD/CAM-систем фирмы Delcam plc позволяет все это сделать, значительно ускоряя процесс проектирования и изготовления ЭИ со сложными криволинейными поверхностями. При этом уже на этапе проектирования электрода и оснастки учитываются особенности процесса ЭХРО. Что же касается электрохимической размерной обработки, то, несмотря на бурное развитие в последние годы многокоординатных и высокоскоростных методов фрезерования, электрохимическая обработка остается во многих случаях наиболее эффективной и экономически оправданной.

Все описанные в статье модели созданы и изготовлены с помощью программ PowerSHAPE, ArtCAM и PowerMILL, предоставленных в опытную эксплуатацию фирмой Делкам-Урал (http://www.delcam-ural.ru/).

«САПР и графика» 10'2002