Технология высокоскоростной механической обработки

 
 

3. С точки зрения проектировщика станка, точность позиционирования шпинделя и поворотного стола входит в явное противоречие с высокой скоростью их перемещения, что сопряжено с возникновением высоких динамических нагрузок при разгоне-торможении подвижных элементов. Чтобы станок сохранял точность под действием инерционных нагрузок, контроллер станка анализирует очередь управляющих команд и автоматически уменьшает скорость подачи перед изменением траектории инструмента. На практике это означает, что фактическая скорость подачи во время обработки может быть меньше заданной в CAM-системе. Это приводит к тому, что реальное станочное время оказывается выше, чем время обработки, рассчитанное CAM-системой. Некоторые продвинутые CAM-системы, в том числе и PowerMILL, позволяют при расчете перемещений инструмента оптимизировать расположение точек траектории в пределах заданного допуска с целью уменьшения эффекта «подтормаживания» контроллера станка. Подробнее мы рассмотрим этот вопрос в главе, посвященной выбору CAM-системы.

4. При выборе станка большое внимание следует уделить и динамическим характеристикам станка, в том числе допустимым линейным ускорениям. Для обычных станков эти ускорения достигают порядка 5 м/с2, а для задействованного на семинаре станка Hermle C30U с динамической опцией эта характеристика составляет 10 м/с2. С учетом малых величин перемещений при постоянной смене направления движения именно допустимое ускорение играет важнейшую роль при отработке УП.

5. На пятиосевых фрезерных станках можно фиксировать поворотный стол (две оси) и выполнять позиционную (так называемую 3+2) обработку. Это позволяет существенно повысить скорость и точность фрезерования: если при непрерывном пятиосевом фрезеровании точность составляет порядка 10-11 мкм, то при позиционном достижима точность в 4-5 мкм. Кроме того, длина управляющих программ для непрерывной пятиосевой обработки оказывается в среднем на 15% больше по сравнению с позиционной обработкой. Следствием этого является увеличение на 15-20% времени непрерывной пятиосевой обработки, по сравнению с позиционной.

6. При разработке  управляющей программы для повышения  точности и производительности  предпочтение следует отдавать  позиционной обработке. При черновой  и получистовой обработке, когда  точность не так важна, для  экономии времени также более предпочтительна позиционная обработка.

7.С учетом  того, что ВСО ставит задачу  обеспечения высокого качества  обрабатываемой поверхности, дополнительное  внимание следует уделить подбору  режимов резания с точки зрения  нахождения зон, где отсутствуют  вибрации. Например, на рис. 9 показаны зоны вибрации с различным числом волн N между зубьями фрезы в зависимости от глубины и скорости. Практически для каждой комбинации СПИД (станок—приспособление—инструмент—деталь) придется находить стабильные зоны, и в связи с отсутствием отработанных рекомендаций их придется экспериментальным путем искать непосредственно на станке. Наиболее склонны к вибрации коневые фрезы с нулевым радиусом скругления. Для уменьшения вибраций следует выбирать фрезы с закругленной режущей кромкой.

8. Интересный  эффект увеличения стойкости  инструмента при ВСО наблюдается  при сравнении способов охлаждения . Как показывает график, наибольшая  стойкость наблюдается при использовании  обдува. Поскольку тепло концентрируется в стружке, ее надо быстро удалить из зоны резания. Низкая стойкость инструмента при охлаждении объясняется главным образом выкрашиванием, что обусловлено циклическими термическими нагрузками на режущую кромку инструмента. Постоянная тепловая нагрузка, даже на относительно высоких температурах, лучше, чем меняющаяся циклическая нагрузка.

Все вышеперечисленное  относится к технической стороне  ВСО.  

Требования  к CAM-системе  
 

Во-первых, чтобы  вести обработку со всех сторон с  одного установа, CAM-система должна оперировать 3D-моделью остаточного  припуска (рис. 12). Модель остаточного  припуска дает возможность при любом  повороте детали производить резание  только там, где еще остался материал, — это позволит сэкономить много времени на холостых ходах. Важно не путать понятие модели остаточного припуска с функцией доработки (например, фрезами разного диаметра, которую имеют почти все САМ-системы), предназначенной для снятия остаточного материала при обработке без поворота (!) детали. Например, PowerMILL после каждого перехода может формировать 3D-модель оставшегося материала заготовки со всеми ступеньками, получившимися после предыдущей черновой обработки. Эта модель и используется для формирования траектории с другой стороны детали.  

 

 
 

Рис. 12. CAM-система  для ВСО должна поддерживать 3D-модель остаточного припуска 

  

Во-вторых, CAM-система  должна иметь в своем арсенале достаточное количество стратегий, позволяющих обрабатывать сложные полости и стесненные зоны. Как уже упоминалось, для повышения точности и сокращения времени обработки следует использовать позиционную обработку, а непрерывное пятиосевое фрезерование применять лишь для обработки сложных полостей и каналов (рис. 13). В то же время при позиционной обработке для фрезерования высоких стенок может потребоваться очень длинный инструмент, обладающий низкой жесткостью. Если для детали не удастся подобрать нужный угол наклона, при котором можно снизить длину фрезы, придется прибегнуть к непрерывному пятиосевому фрезерованию.  

 

 
 

Рис. 13. CAM-система PowerMILL позволяет обрабатывать даже каналы 

  

В-третьих, как  мы уже отмечали, в CAM-системе должны присутствовать стратегии обработки  со сглаженными траекториями обработки (со скруглением острых углов, «гоночные» (Raceline) траектории и т.п.) — рис. 14 — и сглаженными ускоренными перемещениями (ускоренные подводы и переходы по дуге) — рис. 15, позволяющие снизить инерционные нагрузки на станок. В противном случае контроллер станка будет непрерывно уменьшать скорость подачи в углах траектории.  

  

   

  

Рис. 14. Пример траектории инструмента для обычного фрезерования (слева) и для ВСО 

   
 
 

Рис. 15. Сглаженные ускоренные перемещения на высоких  скоростях позволяют экономить общее время 

  

 

Рис. 16. Трохоидальная  обработка в стесненных зонах 

  

При обработке  стесненных зон для снижения нагрузки на инструмент желательно наличие в CAM-системе стратегии трохоидальной обработки (рис. 16), которая позволяет избежать фрезерования полной боковой поверхностью фрезы и достичь высоких значений скорости подачи, а также обеспечить равномерную нагрузку на инструмент (рис. 17).  

  

 

  

Рис. 17. CAM-система PowerMILL может добавлять трохоидальную обработку для предотвращения перегрузки инструмента 

  

Как мы уже отмечали, контроллер станка с ЧПУ непрерывно анализирует очередь предстоящих  команд на сотни кадров вперед, и  при резких изменениях траектории снижает  скорость подачи. Оказывается, что если заставить CAM-систему аппроксимировать траекторию инструмента в пределах допуска дугами окружности, то можно достичь снижения фактического времени обработки на станке. В CAM-системе PowerMILL такая оптимизация реализована в опции расчета управляющих программ Вписать дуги (рис. 18). На практике это позволяет на несколько процентов сэкономить время обработки на станке только за счет того, что контроллер дает возможность достичь больших скоростей подачи.  

  

 

Рис. 18. Опция PowerMILL Вписать дуги позволяет перераспределить точки траектории с целью повышения  фактической скорости подачи и снизить  станочное время 

  

Современные системы  ЧПУ имеют встроенные алгоритмы, которые сами могут интерполировать полученную «ломаную» траекторию в гладкую, в зависимости от длины перемещения в кадре и угла между соседними отрезками траектории. Если использовать это свойство и задать в кадре перемещение, равное заложенному в параметрах системы ЧПУ, то система ЧПУ отработает эти перемещения без замедлений и ускорений в точке перегиба. В PowerMILL для этого используется функция перераспределения точек (рис. 19), которая может в пределах заданного допуска перераспределить или убрать избыточные точки траектории. Приведем конкретный пример: при обработке на станке Huron KX8-Five со стойкой Siemens 840D в случае равномерного распределения точек фактическое время резания детали составило 82 мин, а после перераспределения точек с максимальным допуском 0,25 мм оно снизилось до 50 мин (рис. 20). В этом случае экономия времени составила почти 40%!  

  

 

Рис. 19. В левой  части рисунка показана оптимизированная в пределах допуска траектория обработки с перераспределением точек 

  

Мы уже не раз подчеркивали, что все траектории для ВСО должны быть сглажены, чтобы  система «станок — приспособление — инструмент — деталь» не испытывала высоких динамических нагрузок. Гладкость траектории приводит к тому, что УП для ВСО состоят из очень коротких ходов инструмента — порядка 0,1-0,2 мм между соседними точками. В результате файлы программ для ВСО получаются объемом в десятки мегабайт. Отсюда вытекает еще одно специфическое требование: CAM-система должна быть очень быстрой, чтобы в приемлемый срок обрабатывать столь большой объем данных.  

  

 

Рис. 20. При обработке  этой детали функция перераспределения точек позволила сэкономить 39% (!) машинного времени 

  

В случае формирования внешнего контура рассматриваемых  деталей топливных и гидравлических агрегатов приходится снимать большие  объемы материала, причем зачастую в  глубоких карманах и закрытых зонах. В этом случае для достижения более высокой производительности съема материала целесообразно использовать погружное фрезерование (Plunge Milling), при котором фреза движется вдоль своей оси вращения (рис. 21).  

  

 

Рис. 21. Иллюстрация  метода погружного фрезерования 

  

Еще одно особое требование к CAM-системе для ВСО  — повышенная надежность ЧПУ-программ, поскольку любой зарез может  вызвать катастрофические поломки оборудования. Во время семинара участникам была продемонстрирована обработка детали на подачах до 8000 мм/мин (приблизительно 134 мм/с). При столь высоких скоростях подачи доверие программиста-технолога и оператора станка с ЧПУ к CAM-системе играет решающую роль, так как в случае ошибки в УП остановить станок с целью предотвращения аварии не представляется возможным.  

 

 
 

Рис. 22. После  согласования с конструктором наружная поверхность корпусной детали для экономии времени может остаться недообработанной 

  

Теперь задумаемся, существуют ли еще какие-то способы  увеличения производительности работы, кроме как повышение объема снимаемого за единицу времени материала? Оказывается, в некоторых случаях качество наружной поверхности корпусной детали непринципиально, и после согласования с конструктором наружная поверхность может остаться частично недообработанной (рис. 22). Естественно, при этом незначительно увеличится вес детали, но зато отпадет потребность в чистовой обработке наружной поверхности, что сэкономит много времени. 

Шпиндель 

Высокоскоростной  шпиндель накладывает определенные ограничения на процесс обработки. Рассмотрим разные шпиндели:  

- силовой шпиндель: 15 000 об/мин, конус 50, мощность 45 квт, максимальный крутящий момент 400 Нм на 1000 об/мин, диаметр 100 мм. 

- средний шпиндель: 24 000 об/мин, конус 40, мощность 20 квт, момент 75 Нм на 3 000 об/мин, диаметр 70 мм. 

- скоростной шпиндель: 40 000 об/мин, конус 30, мощность 12 квт, момент 48Нм на 30 000 об/мин, диаметр 45мм. 

Как видим с  ростом скорости вращения падает мощность и крутящий момент, уменьшается диаметр. Уже сам этот факт заставляет переходить от силовых режимов к более  щадящим скоростным режимам резания. Это совсем не означает, что мы должны использовать эти станки только для чистовой обработки. Просто черновая обработка, где надо снять большой объем материала, должна выполняться с уменьшенными сечениями среза, снимаемыми с более высокой скоростью.