12 - 2002

ГеММа-3D: пятикоординатное высокоскоростное фрезерование моноколес

Владимир Мозговой, Валерий Карась, Сергей Петров

В настоящее время широкое распространение в различных областях техники получили осевые и центробежные моноколеса. Одной из наиболее сложных операций в процессе производства моноколес является высокоскоростное фрезерование лопаток и межлопаточного пространства (HSM). В применении к производству авиационных двигателей задача еще больше усложняется вследствие использования трудно обрабатываемых материалов, сложности формы и высоких требований к точности и чистоте фрезеруемых поверхностей. На нашем предприятии ОАО «Мотор Сич» (Украина) для этих целей используются современные высокоскоростные 5-осевые станки с ЧПУ «TURBOBLISK-1005». Подготовка УП для этого оборудования требует специализированных CAM-систем. Как правило, эти системы выполняют большинство возложенных на них задач, но имеют некоторые ограничения. С 1997 года на нашем предприятии успешно эксплуатируется САПР ГеММа-3D.

Модуль 5-осевой обработки САПР ГеММа-3D обладает обычным набором возможностей по управлению вектором фрезы. Инструмент можно поставить по нормали к обрабатываемой поверхности или боком. При фрезеровании боком есть возможность управлять углом отклонения фрезы от поверхности. Очевидно, что этих возможностей может не хватить при обработке моноколеса со сложной нелинейчатой поверхностью лопатки и с узким межлопаточным каналом. В связи с этим следует напомнить, что в состав ГеММа-3D входит GML — встроенный, простой и доступный, BASIC-подобный макроязык. Макроязык GML предоставляет полный набор функций доступа к геометрическим объектам, что позволяет создавать свои проблемно-ориентированные библиотеки макросов.

Итак, речь сейчас пойдет о наборе инструментов, созданных с помощью GML и позволяющих создавать и контролировать 5-координатные проходы для фрезерования моноколес или других деталей, требующих динамичного управления вектором фрезы. Сначала поговорим о макропрограммах, генерирующих проходы фрезы. Перед запуском этих программ необходимо построить кривые, ограничивающие зону обработки, и отрезки (векторы), определяющие динамику поведения фрезы по проходу. Что касается ограничивающих кривых, то они строятся стандартными средствами ГеММа-3D (кривые ограничений, кривые пересечения поверхностей и т.д.). Векторы можно строить множеством различных методов — как стандартными средствами ГеММа-3D, так и с помощью вспомогательных макропрограмм, позволяющих построить вектор в привязке к конкретной поверхности, то есть задав угол отклонения от поверхности и угол отклонения в направлении движения фрезы. Ручная расстановка векторов требует дополнительного времени, но зато диапазон управления вектором безграничен. В конечном счете исходные данные для генерирующей проход программы выглядят так, как показано на рис. 1 и 2.

Результирующий проход рассчитывается от первой указанной ограничивающей кривой до второй. Закон изменения вектора фрезы определяется отдельно для каждой кривой, вектор плавно изменяется, проходя через заданные векторы. Между первой и второй кривыми вектор меняется по линейному закону. Таковы общие принципы функционирования генерирующих макропрограмм. Теперь поговорим более конкретно. В обработке моноколес можно выделить две основные задачи: выборку межлопаточного пространства (чистовое фрезерование ступицы — частный случай этой обработки) и фрезерование лопаток. При обработке межлопаточного пространства задаются поверхность ступицы, ограничивающие зону обработки кривые, управляющие векторы и параметры операции (радиус фрезы, количество строк, векторы подхода и отхода и т.д.). Есть возможность получить траекторию зигзагом или петлей, а также отсортировать отдельные проходы в любой последовательности, например начать со среднего прохода, а затем двигаться к лопаткам. Проход ГеММа-3D, созданный с помощью макропрограммы выборки межлопаточного пространства, показан на рис. 3. Результат работы управляющей программы, рассчитана по проходу, созданному макросом, представлен на рис. 4.

Наиболее прогрессивным методом обработки лопаток является спиральное фрезерование. Этот метод позволяет избежать уступов на поверхности лопатки и обеспечивает равномерный съем материала по высоте лопатки. При обработке спиралью задаются поверхность лопатки, верхняя и нижняя границы обработки, управляющие векторы для каждой границы и параметры операции (радиус фрезы, количество витков спирали, вектор подхода и плоскость безопасности). Проход ГеММа-3D, созданный с помощью макропрограммы спирального фрезерования, показан на рис. 5.

Помимо перечисленных средств создания 5-осевой траектории существует также возможность создания одиночных проходов как вокруг лопатки, так и по ступице моноколеса. Одиночные проходы используются для контроля отсутствия подрезов, а также отсутствия коллизий фрезы и оправки с деталью и фиксирующим деталь приспособлением. Если два крайних прохода выборки межлопаточного пространства, построенных на базе выбранных векторов, не вызывают столкновений с лопатками и приспособлением, то это гарантирует, что и промежуточные проходы не вызовут проблем. Цена ошибки при производстве моноколес может быть слишком высока. Спектр разработанных с помощью GML средств контроля 5-координатных проходов очень широк. Объем данной статьи не позволяет подробно рассмотреть все эти инструменты, поэтому просто перечислим существующие возможности. Итак, с помощью контролирующих макропрограмм можно:

  • расставить векторы фрезы по всей траектории и затем поставить модель фрезы в любую точку траектории;
  • проанализировать зарезы и зазоры по всей траектории относительно указанной поверхности в районе режущей кромки с выдачей результатов в файл и их графическим представлением в виде точек;
  • проанализировать траекторию на предмет столкновений реальной модели фрезы и оправки с деталью и приспособлением (рис. 6);
  • построить UV-линии поверхности в указанной точке;
  • построить локальную систему координат поверхности (производная по U, производная по V, нормаль) в указанной точке;
  • построить сплайн по проходу из точек на фрезе, ближайших к обрабатываемой поверхности, и из точек на поверхности, ближайших к фрезе;
  • проанализировать набор полигонов на предмет принадлежности узловых точек к указанной поверхности с выдачей протокола в файл.

Ограничимся перечисленным набором, но отметим, что существует еще ряд вспомогательных программ, позволяющих автоматизировать процесс подготовки 5-осевых управляющих программ в контексте нашего производства.

Требуется, конечно, чтобы сама система выбирала и оптимизировала динамику вектора фрезы, имела возможность автоматического фрезерования межлопаточного канала по этажам, поддерживала фрезы любого типа, не требовала большого количества вспомогательных операций, выполняла автоматический контроль коллизий и т.д. и при этом работала быстро и надежно. Описать все это средствами GML — задача, скорее всего, нереальная. Причина проста. Макроязык GML — это не С++, поскольку предназначен для создания относительно небольших макропрограмм. На наш взгляд, GML могут с успехом использовать все пользователи ГеММа-3D, а не только профессиональные программисты.

Коллектив разработчиков ГеММа-3D проявил интерес к расширению возможностей 5-осевой обработки. В ближайших версиях ГеММа-3D появится мощный модуль для фрезерования моноколес, позволяющий технологу-программисту быстро создавать надежные управляющие программы, не выполняя при этом большого количества вспомогательных операций.

Целью данной статьи было не только описать конкретное применение GML, но и подвигнуть пользователей системы ГеММа-3D на собственные творческие изыскания. Очевидно, что при желании можно создать любой интересующий вас вид обработки или, например, программу, способную построить любой геометрический объект по исходным параметрам. Перед вашей САПР открываются новые горизонты. Дерзайте!

«САПР и графика» 12'2002