10 - 2003

Эффективная черновая обработка на станках с ЧПУ

Шаг третий — оптимизация нерабочих перемещений

Александр Рагулин

Данная статья продолжает начатый в прошлых номерах журнала (№ 12’2002 и 02’2003) разговор о факторах, влияющих на эффективность черновой обработки. Ранее был рассмотрен вопрос об оптимальном расположении и о последовательности обработки слоев при черновой обработке, а также оценены различные стратегии обработки. В этой статье речь пойдет об обработке так называемых глухих зон и нерабочих перемещений. Обе эти темы, как правило, упоминаются лишь вскользь, дабы просто обозначить их существование, в то время как они оказывают немалое влияние и на общее время обработки, и на продолжительность жизни инструмента.

Итак, начнем с рассмотрения подходов к обработке глухих зон. Под таковыми будем понимать области обрабатываемой детали, в которые фрезе приходится врезаться полным диаметром. Простейший пример такой зоны можно наблюдать при обработке П-образной детали. На рис. 1 показана типичная возникающая при этом проблема. В частном случае ее можно решить изменением стратегии обработки. Например, изменив угол наклона проходов траектории обработки, можно, казалось бы, добиться желаемого результата (рис. 2). Почему же «казалось»? По двум причинам. Во-первых, далеко не всегда геометрия детали так проста, что удается подобрать необходимый угол наклона. Во-вторых, при детальном рассмотрении ситуации с наклонной траекторией ясно, что мы не исключили, а лишь сократили расстояние, на котором происходит обработка полным диаметром инструмента (рис. 3). Это, конечно, продлевает жизненный цикл фрезы, но полностью вопроса не решает.

Для решения проблемы обработки полным диаметром инструмента была предложена идея так называемой трохоидальной обработки (когда траектория движения описывается математической кривой трохоидой). В этом случае инструмент движется по растянутой в плоскости спирали, всякий раз врезаясь в материал на допустимое расстояние. Такая обработка действительно исключает резание полным диаметром фрезы (рис. 4) — это объясняет активность, с которой разработчики САМ-систем начали внедрять такой подход к обработке. К сожалению, не все делают это осмысленно. На рис. 5 приведен пример, взятый из рекламного проспекта одной из САМ-систем. На первый взгляд такая траектория действительно решает проблему перегрузки инструмента, но необходимо понимать, чем мы за это расплачиваемся.

Рассмотрим детально два витка трохоиды, представленные на рис.  6. Зеленым цветом показан предыдущий виток траектории движения инструмента, красным — рабочий виток, голубым цветом отмечен участок, на котором происходит удаление материала за один виток. Нетрудно заметить, что длина рабочей части отдельного витка (то есть той части, на которой действительно осуществляется резание) едва достигает 40% от его общей длины, а длина траектории, на которой резание осуществляется с номинальным шагом (S на рис. 6), и вовсе не превышает 3%!

Из вышесказанного можно сделать следующий вывод: применение трохоидальной обработки должно быть крайней мерой, используемой только в тех местах, где избежать перегрузки инструмента другими методами не удается. На рис. 7 показан пример более удачного применения трохоидальной траектории движения инструмента.

Теперь вернемся к задаче, вынесенной в название данной статьи — к оптимизации нерабочих перемещений. Под нерабочими будем понимать движения инструмента, не связанные с удалением материала на обрабатываемом слое заготовки. Такие перемещения можно разделить на две группы: непосредственно перемещение от одной области обработки к другой и движение, обеспечивающее врезание на обрабатываемый слой.

Поскольку в различных САМ-системах применяется разная терминология, то, прежде чем приступить к детальному обсуждению проблемы, необходимо уточнить значения используемых терминов.

Абсолютная безопасная высота — это расположенная над заготовкой координата Z, на которой выполняются перемещения на ускоренной подаче. Абсолютная высота врезания — координата Z, на которой включается подача врезания. Относительные высоты — расстояния от текущей поверхности обрабатываемой детали.

При перемещении от одной обрабатываемой области к другой необходимо решить три задачи: определить, в какой последовательности переходить от точки к точке; разобраться с высотами, на которых будут выполняться эти перемещения; выбрать, каким образом инструмент будет врезаться в обрабатываемый материал.

Начнем с последовательности перемещений. Траектория черновой обработки представляет собой набор «плоских блинов», перемещение между которыми осуществляется как в плоскости XY, так и по Z. Различают два типа черновой обработки — послойную и карманную. При послойной обработке фреза движется таким образом, что обрабатываются все области, расположенные на одном слое, а затем переходит на следующий слой. Последовательность послойной обработки показана на рис. 8а. При карманной обработке деталь обрабатывается карман за карманом (рис. 8б), что позволяет уменьшить количество холостых переходов, сокращая общее время обработки. Послойная обработка применяется для обработки тонкостенных деталей, когда приходится жертвовать временем в пользу качества обработки.

Теперь рассмотрим, каким образом может перемещаться инструмент между различными областями обработки. На рис. 9 показана траектория перемещения инструмента из области I в область II, состоящую из четырех участков: 1-2 — подъем инструмента на высоту перехода, 2-3 — переход в новую область обработки, 3-4 — опускание до высоты включения подачи врезания, 4-5 — движение на подаче врезания непосредственно до точки начала обработки следующей области. Движение на участке 1-4 осуществляется на ускоренных подачах с использованием функции позиционирования (G0), а на участке 4-5 применяется линейное перемещение на подаче врезания (G1).

На рис. 9 представлен переход с использованием абсолютных высот (то есть переход осуществляется на абсолютной безопасной высоте, а подача врезания включается на абсолютной высоте врезания), расположенных над обрабатываемой деталью. Подобные переходы характерны для САМ-систем начального уровня. С одной стороны, такие перемещения гарантированно предотвращают столкновения во время переходов, а с другой — необходимость всегда подниматься над деталью приводит к значительным временным затратам.

Сократить время, необходимое для перехода, можно за счет применения относительных высот. На рис. 10 показан переход с использованием относительной высоты врезания. В этом случае точка включения подачи врезания определяется не жесткой координатой Z, а расстоянием от точки начала обработки Zb; таким образом сокращается длина отрезка 4-5, выполняемого на невысокой подаче врезания, что благотворно сказывается на продолжительности обработки.

Следующим шагом по пути минимизации времени обработки является использование относительных высот для перемещения между областями обработки. На рис. 11 высота перехода 2-3 также задается не координатой, а расстоянием от обрабатываемой поверхности Zб. Выполняемый таким образом переход действительно требует минимальных временных затрат, но предъявляет определенные требования как к станку, так и к САМ-системе. Дело в том, что на некоторых станках при максимальном использовании возможностей привода перемещения позиционирования (выполняемые по функции G0) отрабатываются не одним (рис. 12а), а двумя перемещениями (рис. 12б). Так как система ЧПУ станка не имеет ни малейшего представления о геометрии детали, перемещение не может быть полностью безопасным. Безопасной обработки для таких станков можно достичь двумя путями: отказаться от перемещений на относительной безопасной высоте и выполнять ускоренные перемещения на абсолютной безопасной высоте или заставить САМ-систему выводить такие перемещения с использованием функции G1, но на максимальной для этой функции подаче.

Еще одним подводным камнем при обработке деталей сложной формы является собственно алгоритм вычислений, реализованный в САМ-системе. К сожалению, в погоне за скоростью расчета траекторий многие системы задают относительную безопасную высоту как положение над наивысшей (на пути перехода) точкой модели. Это решение дает замечательный результат при чистовой обработке, но не все хорошие идеи так легко переносятся и на черновую обработку. На рис. 13 показан частный случай столкновения при переходе. Дело в том, что столкновение происходит не с самой деталью, а с заготовкой. В лучшем случае деталь не будет испорчена, но поломки инструмента избежать не удастся. Необходимо, чтобы САМ-система при вычислении высот переходов использовала текущее состояние заготовки. В противном случае ко времени расчета траектории необходимо прибавить время обязательной симуляции обработки, которая поможет если не исключить, то хотя бы выявить проблему до поломки инструмента.

Последний вопрос, которому нельзя не уделить внимания, говоря о черновой обработке, — непосредственно врезание инструмента в обрабатываемый материал. В процессе развития САМ-систем и оборудования с ЧПУ подходы и мнения о том, как должно происходить врезание фрезы в материал, менялись. Первые поколения САМ-систем предлагали пользователю всего два варианта врезания: вертикальное или предварительное сверление с последующим вертикальным перемещением фрезы в рассверленное отверстие (рис. 14а). Недостатком вертикального врезания является то, что не всякий инструмент допускает такой тип резания. Как правило, вертикальное врезание используется при обработке модельных материалов. Предварительное сверление позволяет обрабатывать твердые материалы, но, являясь дополнительным технологическим циклом, увеличивает общее время обработки.

Оптимальным методом предотвращения перегрузки инструмента при врезании в материал является наклонное врезание, которое может выполняться по профилю обрабатываемой области (рис. 14б), линейно (при большой длине перемещения врезания — зигзагом); (рис. 14в) или по спирали (рис. 14г). Врезание по профилю обрабатываемой области не всегда применимо. Дело в том, что при применении инструмента большого диаметра (потенциально большая глубина врезания при малом угле врезания) длина участка врезания может быть весьма значительной. При этом движение врезания может осуществляться вдоль профиля детали, что при неудачных режимах резания может привести к браку. Линейное врезание или врезание зигзагом лишено этого недостатка, но ему присуще непостоянство режимов резания (за счет торможения при смене направления движения). Для обрабатываемой детали это не критично, но может оказать существенное влияние на продолжительность жизни инструмента. Указанных недостатков лишено врезание по спирали: при таком врезании не происходит ни смены направления резания, ни торможения. Единственным недостатком спирального врезания является то, что спираль, увеличивая диаметр образующегося отверстия на 80-95% диаметра фрезы, может не поместиться в обрабатываемую область. В таких местах надо применять другие типы врезания.

Несмотря на то что спиральное врезание весьма эффективно, не стоит забывать, что любое удлинение траектории движения приводит к потере времени. Поэтому, по возможности, необходимо предпочитать любому типу вертикального врезания врезание сбоку заготовки (рис. 14д). Такое врезание возможно только на открытых участках детали, поэтому пользователь должен задавать только тип врезания для глухих зон, а САМ-система должна иметь опцию автоматического предпочтения врезания снаружи для открытых зон.

Эта статья завершает цикл, посвященный черновой обработке. Надеемся, что описанные подходы к черновой обработке помогут читателям наиболее эффективно использовать возможности оборудования.

«САПР и графика» 10'2003