11 - 2002

Составление оптимальной ЧПУ-программы для высокоскоростного фрезерования

Резо Алиев

Возникающие проблемы

Проектирование оптимальной технологии

Чистовое фрезерование

Обработка остаточных припусков

Требование повышения производительности при изготовлении деталей с пространственно-сложными поверхностями обусловливает применение современных компьютерных технологий на всех этапах процесса — от дизайна до механической обработки. Повышение производительности при абсолютной точности контура с обеспечением высокого качества обработанной поверхности в кратчайшие сроки имеет определенные ограничения, связанные с использованием передовых производственных и информационных технологий.

Для оптимальной обработки пространственно-сложных поверхностей современного технологического оборудования не достаточно — необходима оптимальная технология. При составлении подобной технологии важным условием является рассмотрение всей цепи процесса создания продукта. В компьютеризированном процессе разработка технологии начинается с конструирования CAD-модели поверхностей детали (рис. 1).

Заказы на изготовление продукта производители получают в виде САD-модели. Вследствие использования заказчиком и производителем разных СAD-систем обмен данными между ними необходим в более распространенных форматах: VDA, IGES, STEP и т.д. Импортированные данные обрабатываются, а затем составляются ЧПУ-программы для высокоскоростного фрезерования. После фрезерования производится контроль качества с применением CAQ-системы. Каждый из указанных этапов выполняется на отдельных рабочих местах, которые взаимодействуют между собой с помощью интранета или Интернета.

Возникающие проблемы

Трудности, связанные с проектированием оптимальной технологии, начинаются при обработке данных. Обмен данными между CAD- и САМ-системами, имеющими собственные CAD-модули, происходит не без препятствий. Опыт показывает, что при введении данных часть из них теряется, в результате чего появляются незамкнутые контуры деталей. Это требует дополнительных работ для восстановления поверхностей, что, естественно, повышает затраты на подготовку ЧПУ-программы, а кроме того, требует от программиста навыков в области конструирования. Допущенные ошибки в геометрии копируются «один к одному» на обрабатываемую поверхность.

Программист при составлении ЧПУ-программ имеет нехватку информации об оптимальном планировании процесса высокоскоростного фрезерования. Это связано, с одной стороны, с тем, что существующие в настоящее время CAD/САМ-системы имеют многочисленные функции для обработки сложных поверхностей, базирующиеся на геометрии и не несущие технологической информации (рис. 2). Например, существуют три варианта составления программы для обработки остаточных припусков, один из которых программист должен принять, исходя из собственного опыта. Это означает, что он также должен владеть производственными технологическими знаниями, которые на практике приобретает не программист, а станочник. До сих пор отсутствуют рекомендации для программиста по составлению ЧПУ-программ при высокоскоростном фрезеровании на уровне технологических модулей.

С другой стороны, при изготовлении прототипов при единичном производстве приходится каждый раз работать с различной геометрией. Здесь нужно сказать, что собранные практические технологические значения отдельных параметров обработки в цеху действуют только для конкретной геометрии детали. Их применение для другой детали требует проведения научных исследований, результаты которых должны представляться в виде функционального модуля применяемой CAD/САМ-системы.

В начало В начало

Проектирование оптимальной технологии

Решение вопроса требует изучения механизма образования поверхности по всей цепи процесса высокоскоростного фрезерования. При этом важен учет взаимосвязи между этапами, то есть влияние межоперационного контура на точность и качество последующей поверхности.

Классическое проектирование процесса фрезерования проводится в три этапа. Сначала на основе конструктивных данных составляется последовательность обработки: черновое а получистовое а чистовое фрезерование. Затем проектируются операции фрезерования на отдельных рабочих местах, где выбираются технологическое оборудование и оптимальные параметры. Проектирование операции является основой составления ЧПУ-программы. На третьем этапе составляются ЧПУ-программы, которые выдаются в нужном формате для постпроцессора применяемого станка.

Однако при проектировании процесса высокоскоростного фрезерования существуют некоторые особенности, требующие изменения проектирования всего процесса. Несмотря на то что последовательность процесса остается такой же, приходится добавлять еще обработку остаточных припусков — достаточно трудоемкую при изготовлении деталей с точными поверхностями операцию (рис. 2).

Надо сказать, что в современном производстве все этапы высокоскоростного фрезерования проводятся на одном рабочем месте. Это означает, что переустановка заготовки не проводится, меняются только инструменты. Исследование технологии показало взаимосвязь между этапами высокоскоростного фрезерования. В производстве инструментов и форм для прототипов в качестве заготовки применяется призматический блок, из которого посредством стратегии с постоянным Z-уровнем получается приближенный контур детали в виде ступенчатой поверхности. Указанная стратегия является оптимальной по сравнению с другими, поскольку в этом случае параметры зоны резания остаются постоянными. Полученный ступенчатый контур затем с помощью радиусной фрезы приближается к окончательному контуру. Высота ступенек определяет в этом случае ширину фрезерования чистового этапа. При большой ступенчатости на чисто обработанной поверхности появляется волнистость. Влияние этого явления технологической наследственности на чистовой этап требуется учитывать при выборе параметров чернового фрезерования. Для проведения чистового этапа в оптимальных условиях существует оптимальная высота ступеньки, которая определяется на основе экспериментальных технологических знаний. Оптимальную высоту ступенек можно получить различными способами. Если деталь небольшая, это достигается применением одного инструмента. А при больших размерах сначала с помощью инструмента с максимальным диаметром получают грубый контур, который затем уточняется другим инструментом до оптимального значения (рис. 3).

При этом используется функция актуализации геометрии обработанной детали. Для дальнейшего программирования получистового фрезерования в качестве поверхности заготовки применяется актуализированный межоперационный контур. Далее с применением стратегии постоянного Z-уровня уменьшается высота ступенек.

В начало В начало

Чистовое фрезерование

Интересным является выбор инструмента и параметров для последующей обработки. Проектирование операции чистового фрезерования начинается с выбора правильной стратегии. Здесь существует несколько вариантов, из которых для обработки конкретной детали выбирается оптимальная комбинация. Решающим фактором при выборе стратегии фрезерования является сложность геометрии обрабатываемой поверхности. Рассмотрим условия применения отдельных стратегий. Фрезерование с постоянным Z-уровнем позволяет обрабатывать ступенчатые наклонные поверхности. На практике это эффективно при чистовом фрезеровании деталей, у которых наклонность, измеряемая между нормалью поверхности и плоскостью XY, превышает 45°. При малой величине этого угла из-за принципа расчета траектории инструмента, а именно срезания общего контура с параллельными плоскостями в Z-направлении, получается большее расстояние между строками, вследствие чего на этих участках появляются большие шероховатости (рис. 4а).

Стратегии «строчное фрезерование» и «фрезерование поверхностей» применяются при обработке плоских контуров. Расчет траектории инструмента проводится здесь на основе заданного расстояния между траекториями (рис. 4б). Траектории при строчном фрезеровании рассчитываются прямолинейно на одной из поверхностей координатной системы станка. Практика показывает, что обработка деталей с применением этой стратегии не всегда является оптимальной из-за динамических свойств станка. Филигранность обрабатываемой поверхности требует постоянного изменения направления обработки, а следовательно — частого торможения и ускорения станка. Надо отметить, что даже современные системы управления станком не в состоянии обеспечить постоянную скорость подачи вдоль траектории инструмента. Поэтому очень часто применяется фрезерование поверхностей параллельно контуру. Это позволяет частично устранить проблемы, связанные с изменением направления фрезерования. Расчет траектории проводится для отдельных участков поверхности, которые потом соединяются между собой и выдаются как одна управляющая программа. Но и здесь не обходится без проблем. В зоне больших подъемов на поверхности появляются большие шероховатости, обусловленные геометрией детали (рис. 4б).

Из вышеизложенного видно, что стратегии чистового фрезерования имеют технологические ограничения. Эти стратегии могут применяться только для оптимального фрезерования отдельных участков общей поверхности, что не дает возможности комплексного фрезерования детали.

Для решения этой проблемы создатели CAD/CAM-систем (например, системы TEBIS) расширили их функциональные возможности, разделив поверхности детали, исходя из необходимости их обработки одной из этих стратегий в зависимости от угла наклона. Например, оптимально обрабатывать сложно-пространственные поверхности можно путем разделения их на плоские и наклонные участки. Данная комбинированная стратегия для изготовления форм зарекомендовала себя на практике как безальтернативная, способная обеспечить равномерную шероховатость по всей поверхности детали (рис. 4в).

В начало В начало

Обработка остаточных припусков

После чистового фрезерования на отдельных участках остаются припуски, обработка которых инструментом данной операции невозможна, поскольку требуется применение дополнительных радиусных фрез. В зависимости от степени сложности обрабатываемой поверхности всегда остаются припуски. Затраты на обработку в этом случае зависят от объема снимаемого материала, рассчитываемого между радиусом округления контура и радиусом применяемой фрезы, и снижаются с приближением радиуса фрезы к закруглениям. В данном случае также приходится применять комбинированные стратегии, при которых сначала обрабатываются наклонные участки и лишь затем — плоские области. В противном случае появляются коллизии ближних вертикальных поверхностей (рис. 5). Поскольку радиус применяемых фрез является относительно небольшим, то и расстояния между строками должны быть маленькими — это способствует устранению эластических деформаций инструмента.

В данном случае также приходится применять комбинированную стратегию для очистки остаточных припусков вдоль сопряжения контуров (рис. 6). Опыты при фрезеровании деталей с пространственно-сложными поверхностями показывают, что время, затрачиваемое на обработку остаточных припусков, во многих случаях в несколько раз превышает время на чистовое фрезерование. Причина этого, как говорилось выше, с одной стороны, заключается в динамических свойствах станка, а с другой – в условиях обработки: стратегии и параметрах процесса. На динамические свойства станка в процессе обработки повлиять нельзя. Остается возможность минимизировать время на обработку путем стратегического изменения технологии.

Исследования показали, что время, затрачиваемое на этот этап, можно сократить, выбрав оптимальную последовательность радиусных фрез. При применении фрез больших радиусов на чистовом этапе остается больше материала, который требует применения нескольких фрез меньшего диаметра для окончательной очистки этих участков. Рассмотрим обработку остаточных припусков на примере высокоскоростного фрезерования литейных форм. Как правило, литейные формы при изготовлении прототипов имеют радиусы на контурах сопряжения не меньше 1,5 мм. Это требует применения радиусных фрез для окончательной обработки с диаметром 6,0 мм. Радиусные фрезы на чистовом этапе определяют производительность этой операции в зависимости от расстояния между строками. Большие диаметры позволяют выбрать большие расстояния между строками и, следовательно, быстрее обработать данную поверхность. Однако при этом остается много припусков. Таким образом, если обработать поверхность на чистовом этапе с фрезой диаметром 14,0 мм, то последовательность радиусов получается такой: 6,0 и 1,5. На основе этой последовательности планируется операция обработки остаточных припусков. Проведенные автором теоретические и практические исследования показали, что ступенчатость радиусов можно определить на основе приближенной формулы r = R/2, где R — радиус предыдущей, а r — радиус последующей фрезы. Таким образом, в рассматриваемом случае мы имеем двухступенчатый этап для обработки остаточных припусков. Сначала объем остаточного припуска должен уменьшаться фрезой с радиусом 3,0 мм и только потом обрабатываться окончательно фрезой с радиусом 1,5 мм.

«САПР и графика» 11'2002