Эффективная черновая обработка на станках с ЧПУ Шаг первый — выбор высот обработки
Рыночные отношения, прочно утвердившиеся в производстве оснастки, не оставляют выбора ее производителям: только эффективная эксплуатация станков с ЧПУ в тандеме с удобной и надежной САМ-системой позволяет в короткий срок изготовить инструмент высокого качества. Однако эта статья написана не для того, чтобы агитировать за этот тезис. В данной публикации на примере фрезерной обработки мы попытаемся рассмотреть этапы обработки и подходы к выбору методов обработки, а также дать оценку эффективности этих методов.
С точки зрения технологии первым этапом является черновая обработка — с нее и начнем. Целью черновой обработки является удаление основной массы лишнего материала и приближение формы заготовки к геометрии изделия. В большинстве случаев заготовка представляет собой геометрически правильное тело (параллелепипед, цилиндр, многогранник) с большим количеством лишнего материала, который и надлежит удалить (рис. 1).
Практика показала, что эффективнее удалять избыточный материал послойно, при условии правильного решения двух задач: оптимального задания высот обрабатываемых слоев и рационального выбора стратегии удаления материала на каждом слое. Умудренные опытом технологи наверняка назовут и третью задачу: собственно перемещение между различными высотами и областями обработки.
Существует множество методов задания высот черновой обработки: шагом между высотами, количеством высот, непосредственно координатой Z и т.д. (в зависимости от используемой CAM-системы, этот список может быть продолжен либо сокращен). Рассмотрим, чем же мы должны руководствоваться, выбирая тот или иной метод либо их комбинацию.
Дальнейшие рассуждения становятся бессмысленными без конкретного примера. Рассмотрим модель, сечение которой показано на рис. 2. Она представляет собой матрицу простой корпусной детали, имеющей в своей геометрии, как и подавляющее большинство деталей, комбинацию вложенных «карманов» и «островов». Для обработки выберем концевую фрезу с плоским торцом диаметром 20 мм, а во избежание работы с отрицательными значениями, поместим базу обработки на стол станка, то есть уровень Z=0,0 будет находиться на нижнем торце заготовки.
Если нашей задачей является достижение максимальной эффективности обработки, разумно предположить, что выполнять обработку надо с максимальным шагом по Z. Поэтому создадим набор высот обработки с шагом по Z, равным максимально допустимому для конкретной фрезы (1/2 диаметра = 10 мм). Получим следующий список высот обработки: 0, 10, 20, 30, 40. Однако в борьбе за эффективность не стоит терять ясности мысли. Очевидно, что когда высота заготовки не кратна шагу между высотами, то толщина первого (или последнего) слоя может значительно отличаться от желаемого значения, а это приведет к неэффективному использованию оборудования. Поэтому пересчитаем шаг обработки, используя реальную высоту заготовки и полученное при максимальном шаге количество высот. Таким образом мы избежим неравномерности слоев обработки. Новый шаг обработки будет равен 8,8 мм, а список высот изменится и будет выглядеть так: 0; 8,8; 17,6; 26,4; 35,2. Посмотрим, что у нас получится в результате такой обработки (рис. 3).
Откровенный неуспех наших действий вполне объясним: не стоит пытаться обрабатывать деталь с закрытыми глазами. Вышеуказанный подход эффективен с точки зрения режима резания, но совершенно не учитывает геометрию детали. Поэтому надо открыть глаза. Добавим в наш список высоты плоских участков модели: 14, 25 и 30. Обратите внимание на тот факт, что результат, показанный на рис. 3, не пригоден для начала получистовой обработки еще и по причине наличия восьми миллиметровых ступенек на наклонном участке модели. Учитывая это, добавим в наш список еще дополнительные высоты с шагом 2 мм. В результате такой обработки получим деталь, сечение которой представлено на рис. 4. Такое решение геометрически нас вполне устраивает, но заплатим мы за него дорого — время обработки увеличится в пять раз. Несколько улучшить ситуацию можно, отфильтровав высоты, расстояние между которыми меньше 2 мм (при этом необходимо сохранить высоты плоских участков). В нашем случае из списка уйдут три значения, что сократит время обработки примерно на 10%. Так, неужели мы вынуждены балансировать между временем и качеством? К счастью, не в черновой обработке.
Для значительного сокращения временных затрат при сохранении необходимого качества обработки необходимо изменить последовательность обработки. Предлагается, как и ранее, производить обработку на всех высотах, но в разной последовательности, то есть разбить полный список высот на два или более списков. Для формирования первого списка воспользуемся рациональным зерном нашего первого неудачного опыта. Выберем из полного списка высот обработки те, которые расположены с шагом, близким к максимально допустимому для нашего инструмента (10 мм). Получим список всего из трех значений: 34, 25 и 15 мм. Обработку на оставшихся высотах необходимо вести с учетом ранее удаленного материала. Каким образом формируются списки высот для последующей обработки, зависит от геометрии детали. Если деталь не имеет обширных пологих участков, целесообразно выполнить доработку на оставшихся высотах за один раз, в противном случае оставшиеся высоты придется разбить еще на несколько списков. При анализе модели на наличие пологих участков следует принимать за пологие такие участки модели, в которых ширина обрабатываемой ступеньки Sст (рис. 5) превышает шаг обработки Sф. Иными словами, те места модели, где не удается выполнить доработку одним движением инструмента (рис. 5б). В нашем примере модель имеет наклонный участок, то есть нам необходимо разбить оставшиеся высоты еще на два списка. Теперь шаг по глубине будет заведомо меньше допустимого, поэтому, формируя список высот, мы должны исходить из соображений их равномерного распределения. Если, как в нашем случае, между обработанными высотами останется четное число необработанных, предпочтение необходимо отдать высотам плоских участков. В нашем примере для второго прохода возьмем высоты 14, 19, 30 и 38 мм, а оставшиеся высоты обработаем третьим этапом. Результат такой реструктуризации (рис. 6) не может не порадовать — всего двукратное увеличение времени обработки при полном соблюдении необходимой геометрии детали.
Исходя из вышеизложенного можно сформулировать два базовых требования к САМ-системе. Во-первых, система должна предоставлять возможность многоступенчатой черновой обработки одинаковым инструментом, то есть помнить, где материал заготовки был удален во время предыдущих обработок. Во-вторых, она должна самостоятельно определять высоты плоских участков модели. Имея такую САМ-систему, легко реализовать данный подход для обработки широчайшего спектра деталей.
В следующей статье мы постараемся провести сравнительный анализ различных стратегий выборки материала на отдельных слоях.
«САПР и графика» 12'2002
