12 - 2002

CAD/CAM-системы для высокоскоростной обработки

Стив Хоббс

CAD-система для высокоскоростной обработки

Точность

Ограничение поверхностей

Незаконченные модели

Необрабатываемые особенности

CAM-системы для ВСО

Траектория для ВСО

Объем программы

Планирование последовательности обработки

Заключение

Правильное выполнение высокоскоростной обработки (ВСО) зависит одновременно от многих факторов. Характер обработки таков, что если что-то начинает работать неправильно, то в дальнейшем ситуация очень быстро усугубляется.

Некоторые критические моменты можно легко определить: высокоскоростной станок, оснащенный мощным CNC и высокоточным шпинделем; точно подогнанные и сбалансированные резцедержатели; высокоточные резцы. Каждый из этих факторов может быть задан достаточно точно. Другие же факторы точно определить труднее, и это, как правило, объясняет, почему некоторые попытки ВСО оканчиваются неудачей, хотя физическое оборудование удовлетворяет тем же требованиям, что и при удачных попытках.

Качество и правильность CAD- и CAM-операций — два основных фактора подобного рода. Это очевидно: поскольку CAD/CAM-система генерирует программу для ЧПУ, следовательно, она непосредственно определяет условия обработки. Однако точно определить, что именно требуется для получения хорошего результата от ВСО, очень трудно. Как мировой лидер среди поставщиков CAD/CAM-систем для проектирования и изготовления деталей сложной формы, мы видели много примеров как удачной, так и неудачной ВСО.

Эта статья освещает некоторые моменты, которые, как я считаю, являются ключевыми для успешной ВСО.

CAD-система для высокоскоростной обработки

CAD-модель просто определяет форму детали, после чего модель передается технологу ЧПУ и рабочему, который производит обработку, не так ли? Теоретически все правильно, но во многих случаях CAD-модель вовсе не может определять обрабатываемую форму. Известно несколько причин, почему модель не может идеально подойти для высокоскоростной обработки. Большинство из этих причин будет влиять также и на стандартную обработку, однако там эффект будет гораздо менее значительным. Это может казаться не столь очевидным, однако CAD-модель имеет самое непосредственное отношение к высокоскоростной обработке.

В начало В начало

Точность

Главное преимущество высокоскоростной обработки — способность точно обрабатывать детали с минимальными температурными искажениями и хорошей чистотой поверхности. Как это ни странно, но зачастую допуски, используемые при создании модели детали, грубее, чем допуски при чистовой обработке.

Потенциальный источник проблем с точностью — это обмен данными. Детали, проектировавшиеся в одной CAD-системе, затем передаются в другую систему для дополнительной работы и для обработки на станке. Каждая такая передача требует, чтобы геометрия была конвертирована из одного формата в другой, а некоторые такие преобразования делаются с приближением к определенному конечному допуску. Эффекты от этих допусков кумулятивны, поэтому необходимо быть уверенным, что они установлены существенно меньшими (по крайней мере в 10 раз), чем допуск чистовой обработки.

Нейтральные форматы обмена данными, такие как IGES, часто вынуждают систему конвертировать разные геометрические представления. Если это возможно, лучше всего полагаться на отправляющую систему, поскольку она имеет доступ к изначальным данным. Это может быть достигнуто путем корректировки IGES в отправляющей системе. Корректировка устанавливает, какие из всех возможных типов данных должны быть использованы в IGES-файле. Некоторые системы имеют готовые наборы IGES-настроек для работы с популярными системами.

Еще один путь минимизировать потери при конвертации — использование прямых интерфейсов. Прямой интерфейс позволяет одной системе напрямую читать файлы другой. Например, комплекс PowerMILL (Delcam plc) имеет прямой интерфейс для CATIA, Pro/ENGINEER, Unigraphics и других широко распространенных систем.

Некоторые компании-разработчики из-за простоты предпочитают формат данных STL, представляющий собой приближенную триангуляцию математической поверхности модели. Большое число CAM-систем, включая PowerMILL, могут напрямую работать с STL-файлами. Однако при создании STL-файла треугольники генерируются с определенными допусками и это может привести к заметному «гранению» обрабатываемой поверхности. Во многих популярных конструкторских системах допуск STL на триангуляцию по умолчанию вполне существенен (0,1 мм) и скрыт в массе параметров, где его легко не заметить. Уменьшение допуска обработки на грубом STL-файле просто приводит к тому, что каждая треугольная ячейка обрабатывается более точно!

В начало В начало

Ограничение поверхностей

Большинство моделей представляются в CAD-системах в виде набора из обрезанных поверхностей — как куртка, сшитая из нескольких кусков материала сложной формы. Точность, с которой эти поверхности стыкуются между собой, может сильно повлиять на правильность траектории инструмента.

На рис. 1 в утрированной форме показано, что может произойти, если коническую поверхность ограничивает обрезанная плоскость. Сечение конуса плоскостью в данном случае — идеальный эллипс, но плоское верхнее основание  — полигон, который накладывается на эллипс в нескольких местах. Если эти наложения существенны, они могут привести к неожиданным пикам на траектории инструмента и появлению заметных следов на готовой детали. Подобного рода проблемы, как правило, являются результатом использования неподходящих допусков, хотя иногда они могут возникать из-за ошибок при обмене данными. На рис. 2 изображена более сложная модель с тримминговыми поверхностями, стыкующимися в нескольких местах. Такая проблема часто возникает при использовании неподходящих допусков при моделировании, но проблемы тримминга часто бывают следствием ошибок передачи данных.

В начало В начало

Незаконченные модели

Многие конструкторы используют сокращения для того, чтобы свести время разработки геометрической модели к минимуму. Одно из таких часто используемых сокращений  — пропуск закруглений во внутренних углах, которые могут быть сделаны с использованием фрезерного резца подходящего радиуса. Это допущение требует, чтобы инструмент был правильно подведен под острым углом (рис. 3а). По сравнению с прямолинейным фрезерованием такой метод временно увеличивает нагрузку на инструмент примерно в 4,5 раза!

Некоторые CAM-системы имеют функции, позволяющие избавиться от этой проблемы, но лучший способ избежать этого — гарантировать, что CAD-модель точно представляет форму, подлежащую обработке. Внутренние закругления лучше всего формировать, используя фрезу меньшего радиуса, так как при этом траектория будет идти более гладко (рис. 3б). Инструмент радиусом 70% от радиуса закругления или меньше вполне подойдет, а нагрузка на инструмент уменьшится примерно втрое по сравнению с острым углом.

В начало В начало

Необрабатываемые особенности

Хотя ВСО расширяет спектр характерных особенностей, которые могут быть непосредственно обработаны, сложные части обычно включают детали, которые должны обрабатываться EDM. Большинство деталей имеет отверстия, которые можно просто просверлить. Если CAD-модель включает такие особенности, большинство CAM-систем пытается обработать их. В результате появляются нежелательные области, где инструмент «ныряет» в отверстия или идет по острым углом. CAM-операторы могут потратить достаточно много времени впустую, стараясь исправить эти дефекты.

По возможности следует исключать из CAD-модели те элементы, которые не нужно обрабатывать (рис. 4). В зависимости от типа используемой CAD-системы это можно сделать либо удалив их, либо «закрыв» дополнительными поверхностями.

В начало В начало

CAM-системы для ВСО

Несмотря на годы исследований, никто, как оказалось, не пришел к лаконичному, приемлемому определению ВСО. Основная идея ВСО состоит в том, что если делать небольшие вырезы с высокой скоростью, то материал может быть удален быстрее, чем в случае, если делаются большие вырезы с малой скоростью. Небольшие вырезы означают небольшое режущее усилие, то есть меньшую вибрацию и искажения. Высокие скорости резки позволяют резать очень твердые материалы соответствующим инструментом. Высокие скорости резки также приводят к тому, что большая часть энергии обработки растрачивается на нагрев стружки, тем самым уменьшая термическую деформацию детали.

Но ни одно из этих преимуществ не будет заметно при неверно выбранной стратегии обработки. Плохая стратегия, как правило, приводит к неприемлемо короткому сроку службы инструмента или к катастрофическим ошибкам. Очень важно помнить, что для ВСО не достаточно только запустить готовую траекторию обработки и увеличить скорость вращения шпинделя и подачи.

В начало В начало

Траектория для ВСО

Траектория инструмента для высокоскоростного фрезерования должна удовлетворять ряду требований, большинство которых вполне очевидно:

  • инструмент не должен долбить деталь;
  • режущая нагрузка на инструмент должна быть в допустимых для него пределах;
  • траектория инструмента не должна делать острых выступов (пиков), превышающих определенный предел;
  • необходимо избегать резких изменений скорости удаления материала;
  • скорости и ускорения должны быть в допустимых для станка пределах;
  • должно поддерживаться встречное/попутное направление резания;
  • нужно избегать резких изменений направления резания;
  • холостые ходы должны быть минимизированы;
  • время прохождения всей траектории должно быть сведено к минимуму.

Однако в отношении конкретной детали очень трудно создать траекторию инструмента, которая соответствовала бы всем этим требованиям. Обычно все эти ограничения невозможно учесть при чистовой обработке реальной детали сложной формы. Самое лучшее, что можно сделать в этой ситуации, — это учесть наиболее существенные ограничения и пренебречь менее существенными. Некоторые из указанных ограничений действительно являются решающими, они перечислены выше в порядке приоритета.

Чистовая обработка ставит особую задачу для ВСО, так как форма детали — это ограничение, которое нельзя обойти, и недостатки в условиях резания часто проявляются в видимых отметках на законченной поверхности. Конечно, шероховатости можно отполировать, но это подрывает доверие к ВСО. Черновую или получистовую обработку легче оптимизировать, так как CAM-оператор может подкорректировать форму детали после операции и удалить отмеченные особенности при чистовой обработке.

В начало В начало

Объем программы

Хорошие программы для высокоскоростной обработки выполняются на станке очень быстро, но их создание требует гораздо больше времени и усилий. При производстве пресс-форм и штампов, где деталь изготавливается в единичном экземпляре, допустимы задержки в ожидании программы. Попытки CAM-операторов ускорить создание программ могут привести к угловому вырезанию, в результате чего программа становится менее эффективной. Оптимальный баланс будет достигнут в случае, когда CAM-операторы смогут также поддерживать станки с пониженной скоростью.

Конечно, это неидеальная стратегия. Для того чтобы получить наилучший результат от ВСО, очень важно обеспечить адекватный объем CAM, чтобы станок был полностью загружен высококачественными программами:

  • выбирайте программное обеспечение CAM, которое обладает необходимыми возможностями для высокоскоростной обработки. Это позволит уменьшить нагрузку на операторов, которые должны оптимизировать свои программы;
  • выбирайте программное обеспечение CAM, которое быстро вычисляет траектории без зарезов. Пакетное вычисление позволяет рассчитывать сложные программы в ночное время;
  • используйте мощные компьютеры и регулярно обновляйте их. Убедитесь, что в компьютере установлено достаточно оперативной памяти;
  • убедитесь, что у вас достаточно CAM-операторов и они имеют необходимый опыт и навыки;
  • убедитесь, что операторы правильно подготовлены для создания ВСО-программ. Обучение операторов для создания программ на рабочем месте — это хороший способ использовать имеющиеся знания. Delcam регулярно проводит HSM Master Classes совместно с производителями станков H.R. Pearce и Mitsubishi.
В начало В начало

Планирование последовательности обработки

Для любых деталей, за исключением простейших, ВСО разбивается на несколько шагов. Выбор правильной последовательности шагов — самая важная стадия программирования ВСО, и как раз здесь опыт наиболее ценен. Подавляющее большинство проблем пользователей, которые мы видели в Delcam, происходило из-за неправильного использования стратегии обработки, а не из-за ошибок в самой стратегии как таковой. Уровень автоматизации в таких системах, как PowerMILL, постоянно растет, однако внимательность и осторожность пользователя не заменишь ничем.

Бесполезно описывать здесь весь процесс планирования, однако приведем несколько простых рекомендаций:

  • прежде всего думайте о материале, который вам нужно удалить, а не о законченной чистовой форме детали, которую вы пытаетесь сделать (рис. 2 показывает, как это может помочь в понимании того, что происходит);
  • делайте как можно меньше шагов;
  • предпочитайте стратегии непрерывного резания (например, офсетные траектории обычно лучше, чем растровые);
  • избегайте погружений в материал, если это возможно. Используйте любую удобную возможность приблизиться с боковой стороны заготовки;
  • избегайте наложений различных чистовых обработок на критических участках детали, поскольку там, где обработки наложились, останутся видимые следы;
  • старайтесь пользоваться одним инструментом при чистовой обработке критических участков детали, так как ошибки в установке инструмента могут привести к видимым дефектам на поверхности;
  • оставляйте как можно более короткий вылет фрезы, поскольку длинный резец быстрее снашивается. Если это необходимо, переориентируйте деталь, чтобы труднодоступные участки обрабатывались короткой фрезой.
В начало В начало

Заключение

ВСО предъявляет строгие требования ко всем элементам процесса. Очень важно соблюдать требования к оборудованию, и их достаточно просто сформулировать. Гораздо труднее определить, что конкретно требуется от CAD- и CAM-программ, которые оказывают существенное влияние на качество и стабильность процесса ВСО.

Важно, чтобы CAD-модели для высокоскоростной обработки точно передали форму, которая будет обрабатываться. Это означает точность допусков обработки модели; в то же время элементы, которые не будут обрабатываться, должны быть по возможности исключены из модели.

Вклад в оборудование для высокоскоростной обработки должен поддерживаться соответствующими возможностями ПО, чтобы машины загружались высококачественными программами. Возможность выполнять элементы программирования на рабочем месте может стать для операторов эффективным способом повышения возможностей программирования.

Убедитесь, что CAM-операторы и рабочие должным образом обучены и хорошо понимают особенности ВСО.

Аккуратное планирование последовательности обработки очень важно. Обеспечение должного использования тех стратегий, которые предоставляются CAM-системами, дает наилучший результат.

«САПР и графика» 12'2002