|
|
Стратегии создания траекторий движения инструмента для HSM фрезерования |
 |
Проблемы разработки САМ
Возможности программного обеспечения CAD/CAM являются ключевыми в обеспечении эффективной HSM обработки. Технология HSM начинается с создания соответствующих управляющих программ, поэтому с появлением HSM возникли новые требования к САМ системам и навыкам технологов-программистов. Качество управляющей программы в большой мере влияет на износ дорогостоящего станка, инструмента и качество работы.
Когда ведущие мировые производители оборудования и режущего инструмента предложили решения для использования новой технологии, разработчики САМ не спешили признать необходимость развития новых стратегий в процессах резания. В то же время были сделаны попытки развить возможности САМ в направлении удовлетворения требований HSM. При этом появились следующие вопросы:
- Каковы потенциальные проблемы разработки САМ для HSM?
- Каковы рыночные возможности нового САМ?
- Какие новые стратегии, отличные от стандартных методов обработки, должны быть развиты, чтобы удовлетворить производителей оборудования и инструмента для HSM?
- Может ли САМ оптимизировать траекторию движения инструмента для сохранения постоянного усилия резания при поддержании постоянной скорости резания и постоянной рабочей подачи?
Были определены следующие основные критерии разработки управляющих программ для HSM:
- условие сохранения постоянной толщины стружки;
- сопряжение по радиусу острых углов траектории для поддержания постоянной рабочей подачи и наилучших условий резания;
- плавное соединение концов траекторий при позиционировании.
Однако САМ, распространяемые сегодня в мире, пока не учитывают многообразие форм обрабатываемых деталей; проблемы, связанные непосредственно с конструкцией станков; и инерцию, возникающую в процессе механообработки. На сегодняшний день разработчики САМ предложили лишь общие решения специфических проблем, возникающих при обработке каждой определенной детали. Однако, не смотря на физические ограничения этих решений, сегодня рынок активно осваивает самое важное достижение в теории резания.
Сейчас HSM находится на той же стадии развития, что и 3-х осевое фрезерование 15 лет назад. Это было время, когда возникла потребность в автоматическом определении поверхностей ограничения, чтобы инструмент не зарезал соседние поверхности. До решения этой проблемы, разработчик управляющих программ вручную дорабатывал данные, полученные с помощью САМ.
Сегодня, чтобы получить пригодные HSM управляющие программы и преодолеть инерцию станка, часто приходится «реконструировать» геометрию детали. «Реконструкция» — это создание некоторой новой геометрии с целью получения оптимальной траектории движения инструмента, независимо от формы и размера детали.
Есть много факторов, от которых зависит эффективность процесса HSM обработки. Известно, как на HSM воздействуют характеристики станка, шпиндель, цанговые патроны, режущий инструмент и система ЧПУ. Однако не всегда учитывается зависимость качества выполнения HSM от методов программирования траектории движения инструмента.
Продукты CAM сегодня бурно совершенствуются, чтобы удовлетворить специфические потребности в создании новых стратегий движения инструмента для HSM. Для выполнения HSM обработки, САМ система должна обеспечить:
- постоянство условий резания;
- минимальные потери рабочей подачи;
- максимальную скорость отработки программы системой ЧПУ.
В связи с этими требованиями CAM система должна создавать проходы с маленьким шагом на очень больших рабочих подачах. Должны быть исключены резкие повороты, потому что функция предварительного просмотра «look-ahead» системы управления автоматически уменьшает рабочую подачу, когда обнаруживает приближение точки смены направления движения. Целью является чистовое фрезерование, например, деталей пресс-форм, с получением такой шероховатости поверхности и геометрической точности, чтобы финишная полировка могла быть минимизирована или полностью устранена.
Кроме того, чтобы преодолеть известную проблему «голодания данных» (ограничение быстродействия системы ЧПУ по обработке сигналов), что приведет к уменьшению рабочей подачи, — система CAM должна создавать специальные траектории движения инструмента, соответствующие возможностям систем управления HSM оборудования (возможность отработки G-кодов на базе технологии NURBS).
Для получения оптимальной траектории движения инструмента в функциональные возможности системы CAM должны входить следующие опции: исследование расстояния между слоями по оси Z; плавное соединение концов траекторий без потери подачи; контроль наклона стенок детали и идентификация специфики геометрии.
Система CAM должна изменять расстояния между слоями по оси Z, чтобы после предварительной обработки достигнуть почти окончательной формы с гарантированным определенным значением припуска. Для этого система САМ должна воспринимать изменения в рельефе поверхности между слоями. По значению остающегося припуска система должна определять необходимость дополнительных проходов. Такие функциональные возможности могут исключить получистовую обработку, уменьшить время цикла обработки и износ режущего инструмента.
Система CAM также должна иметь функциональные возможности врезания по спирали для механообработки карманов. Эта функция наиболее важна, когда инструмент достигает замкнутой области обработки.
Сегодня все ведущие САМ системы постоянно дополняются новыми функциональными возможностями, предназначенными для создания траектории движения инструмента именно для HSM обработки.
Принципы генерации траектории режущего инструмента
Существуют четыре принципа, которым должны быть подчинены все подходы к созданию управляющих программ для HSM.
- Длинные траектории движения инструмента с высокой скоростью вращения шпинделя, высокой рабочей подачей, низкой нагрузкой на инструмент и небольшой глубиной резания в осевом и радиальном направлениях.
- Резание образующей вместо торцового фрезерования.
Окружная скорость прямо пропорциональна радиусу инструмента, и даже при высокой скорости вращения шпинделя она равна нулю в центре инструмента (на оси). Силы резания при HSM уменьшаются, прежде всего, в направлении осей X и Y; а в направлении оси Z нет существенного уменьшения. К тому же, эвакуация стружки из центра наиболее трудна из-за маленького пространства, что является очень невыгодным для процесса резания.
- Плавное изменение условий резания, условий отвода стружки, усилий в осевом и радиальном направлениях.
Для современного инструмента из твердого сплава более благоприятно иметь, пусть даже и высокую, но постоянную температуру в зоне резания, чем ее колебания. Резкое изменение условий резания увеличивает количество выделяемого тепла и механические напряжения на режущей кромке, что, в результате, значительно снижает стойкость инструмента. Если траектория движения инструмента рассчитана при условии соблюдения постоянных условий резания, то это позволит увеличить стойкость инструмента, получить лучшую точность и шероховатость обработанной поверхности.
- Плавные траектории движения инструмента.
При HSM наиболее предпочтительнее применять функцию «look ahead and feed rate adjustment function» (предварительный анализ траектории и соответствующее регулирование рабочей подачи). Данная функция позволяет предотвратить резкие врезания в материал, так как рабочая подача будет соответствовать запрограммированному значению только на плавной траектории (особенно на прямолинейных участках), а перед резкой сменой направления движения инструмента рабочая подача будет плавно уменьшаться до некоторого значения. К тому же, если траектория движения инструмента плавная, то на механические узлы станка будут действовать наименьшие силы.
В большинстве случаев, геометрию детали практически невозможно получить без программирования траектории движения инструмента с острыми углами и быстрыми поворотами, но такие траектории должны быть минимизированы. Многие САМ системы работают над тем, чтобы достичь абсолютного отсутствия острых углов, причем автоматически. Плавная траектория движения инструмента (справа) более подходит для HSM, чем траектория, изображенная слева (см. рисунок).
Типы траекторий
Врезание инструмента
Сила резания в направлении оси Z не будет уменьшаться сколько-нибудь значительно из-за высокого значения скорости шпинделя. Врезание в твердый материал с высокой рабочей подачей наиболее вероятно приведет к повреждению инструмента и создаст большое напряжение в инструментальном патроне и шпинделе. Необходимо избегать вертикального врезания инструмента в материал (кроме графита, алюминия и некоторых других мягких материалов).
Опускание режущего инструмента на величину прохода по оси Z рекомендуется производить в воздухе, а врезание в материал — в горизонтальном направлении. При обработке кармана можно использовать функции CAM системы HELIX и RAMP для выполнения косого врезания по спирали, причем угол наклона спирали рекомендуется задавать менее 2 градусов. Чем тверже материал, тем меньше должно быть значение угла врезания. Например, при обработке стали с твердостью 62—65 HRc, значение угла врезания — 0.5 градуса.
Контролируя высоту подъема до плоскости безопасности, можно избежать чрезмерного увеличения машинного времени при обработке кармана.
Резание параллельными слоями
Резание параллельными слоями (фреза при механообработке движется последовательно слоями по горизонтальным плоскостям) — пока наиболее популярный метод получения траектории движения инструмента. К числу преимуществ этого подхода относится простота программирования; и если смена направления движения по осям X и Y будет производиться главным образом вне детали, — это существенно скажется на качестве окончательной обработки. Техника механообработки параллельными слоями фактически связана со старыми типами фрезерных станков, для которых программы составлялись в САМ системе 2.5 осевой обработки.
Траектории движения инструмента при механообработке параллельными слоями — это комбинация подъемов, опусканий и обычного 2-х осевого фрезерования (зигзаг). Эта техника механообработки не совсем подходит для HSM, так как при этом не контролируется, насколько большая часть фрезы будет в контакте с обрабатываемой деталью, и условия резания могут изменяться довольно резко. С другой стороны, механообработка параллельными слоями — наиболее предпочтительна для черновой HSM обработки. Глубина резания, значение которой является одним из наиболее чувствительных параметров механообработки, может хорошо контролироваться в силу того, что траектория движения инструмента будет двухмерной на каждом слое. Необходимо контролировать только соединение траекторий движения инструмента при переходе от слоя к слою, что обеспечивает большинство современных CAM систем.
При окончательной обработке параллельными слоями лучше всего генерируются чистовые проходы для обработки боковых стенок карманов или островов. Однако для обработки незамкнутой плоской поверхности (низ кармана или верх острова), обработка параллельными слоями не совсем подходит, и лучше применять метод, генерирующий тип траектории движения инструмента, более подходящий для такой обработки. Хорошие CAM системы обычно позволяют программировать траектории для обработки комбинированных поверхностей (muti-surface). Идеальные CAM системы могут автоматически распознавать и различать наклонные и горизонтальные поверхности и совмещать в одной последовательности (программе обработки) различные методы программирования для обработки различных областей. Если CAM система не имеет подобных встроенных функций, что не является столь уж необычным, то технолог-программист должен вручную комбинировать различные методы для обработки поверхностей разного типа.
На сегодняшний день наблюдается постоянный прогресс CAM технологий, совершенствуется современный инструментарий создания различных типов обработки и множатся сложные элементы построения. Одновременно сохраняет свою актуальность следующая задача программирования — разделить обрабатываемые поверхности на сегменты и с помощью различных методов программирования достигнуть оптимальной шероховатости поверхности при удовлетворительной стойкости инструмента. Сегменты могут быть разделены в соответствии с их естественными границами или искусственно, с помощью элементов CAM, доступных технологу-программисту.
Другая важная проблема обработки параллельными слоями на постоянной высоте — изменение размера шага по оси Z. Даже самые современные САМ системы обеспечивают обработку только с постоянным шагом; недостаток состоит в том, что траектория движения инструмента будет иметь два конца, в местах, где стенки имеют различный наклон. Некоторые САМ системы позволяют определять различные значения приращения по оси Z в зависимости от угла наклона стенок; большинство же — не может. Технолог-программист должен в этом случае вручную разделить поверхность на области и указывать различные значения приращения по оси Z, чтобы получить оптимальную шероховатость поверхности наклонных и вертикальных стенок кармана (острова).
Принципы разработки управляющих программ
Следующие принципы (см. таблицу) программирования HSM траекторий выработаны на основе имеющегося опыта, каждый момент обсужден детально, но не в каком-либо определенном порядке.
| Принцип |
Объяснение |
| Избегайте трения, то есть обработка должна идти с образованием стружки. |
Тепло в основном отводится вместе со стружкой. При трении стружка не производится, и тепло будет отводиться только через инструмент и обрабатываемую деталь, что приведет к преждевременному износу инструмента. |
| Если условия резания не являются постоянными, то уменьшение значения шага по оси Z является наиболее эффективным способом улучшить резание. |
При уменьшении значения шага по оси Z минимизируются случаи внезапного увеличения удаляемого материала при врезании фрезы в угол, что поможет уменьшить вибрацию и улучшить условия отвода стружки (тепла). |
| Попутное фрезерование. |
Рекомендуется применять попутное фрезерование для черновой и чистовой обработки. Во-первых, при попутном фрезеровании получается лучшая шероховатость поверхности, и происходит оптимальный отвод стружки. Во-вторых, существенно возрастает стойкость фрезы. Современные инструменты из твердого сплава более сопротивляются усилиям сжатия, нежели растяжения. При встречном фрезеровании большое количество тепла выделяется при увеличении толщины стружки от нуля до максимума, поскольку режущая кромка движется с большим трением. |
| Резание в одном направлении. |
При резании в одном направлении инструмент всегда будет находиться с одной стороны от материала; поэтому будут созданы условия более однородного резания. Недостаток — большое время, затрачиваемое на холостые ходы (перебеги). |
| Минимум врезаний инструмента. |
При врезании инструмента количество удаляемого материала внезапно увеличивается, и в режущем инструменте возникает большое напряжение. Некоторые САМ системы решают эту проблему автоматически за счет встроенных функций. |
| Окончательная глубина фрезерования должна достигаться переменными шагами, чтобы для окончательной обработки оставался равномерный припуск. |
Дополнительный припуск может оказаться слишком большим для инструмента окончательной обработки, поэтому дополнительная предосторожность в этом случае не помешает. Если используемая система САМ не обеспечивает контроль количества припуска, необходимо добавить дополнительную траекторию между предварительной и окончательной обработкой. |
| Обработка «от центра — к периферии», несколько чистовых проходов при обработке стенок. |
Для предварительной обработки параллельными слоями, когда на каждом уровне инструмент движется по спирали, лучше генерировать траекторию «от центра — к периферии». Это также позволяет добавить дополнительный проход при обработке боковых стенок кармана.
Но есть свои преимущества и у обработки «от периферии — к центру», при которой уменьшаются случаи врезания инструмента по оси Z и в углах. Если в САМ системе есть функция «minimize tool burial» (минимизация врезаний инструмента), то рекомендуется ее использовать.
|
| Припуск в углах для последующей доработки. |
Обработка углов с маленьким радиусом должна производиться инструментом малого диаметра, который не является в достаточной мере жестким для удаления большого количества материала, особенно когда инструмент имеет большой вылет (малое соотношение диаметра инструмента к его длине). САМ системы позволяют удалять припуск, оставленный в углах, с помощью дополнительных фрез меньшего диаметра. Это особенно полезно, когда твердость материала высока. |
| Функция «аппроксимация дугами» в САМ системе. |
Функция «аппроксимация дугами» служит для преобразования нескольких линейных сегментов в одну дугу, что позволит уменьшить размер программы и поддержать постоянство рабочей подачи. Эта функция особенно полезна при интерполяции одновременно по всем трем осям. При включенной функции «аппроксимация дугами» значение точности интерполяции (Tolerance) должно быть на порядок выше, чем оставляемый припуск. |
| Обработка наклонных стенок более предпочтительна, так как при этом уменьшается износ инструмента и улучшается шероховатость поверхности. |
Фреза гораздо лучше режет образующей, нежели торцом. При обработке вертикальных стенок концевая фреза режет всей образующей, поэтому желательно (возможно искусственно) наклонить боковые поверхности. Этот метод создает дополнительные трудности при программировании для 3-х осевого станка.
При чистовой обработке сферической фрезой желательно обеспечить некоторый угол между осью фрезы и нормалью к обрабатываемой поверхности. Это достаточно легко выполняется при 4-х и 5-ти осевой обработке.
|
| Отход и подход к траектории по дуге. |
При использовании отхода и подхода к траектории по дуге условия резания изменяются плавно, и износ инструмента уменьшается. |
| При черновой обработке более предпочтительны концевые фрезы с радиусом на торце. |
При выборе режущего инструмента для черновой обработки рекомендуется отдать предпочтение концевым фрезам с радиусом на торце. Они могут сохранять свою целостность намного дольше, нежели фрезы без радиуса на торце или сферические фрезы. |
| Желательно, чтобы радиус инструмента был меньше радиуса угла. |
Радиус инструмента должен быть меньше радиуса угла, чтобы траектория движения была плавной. |
| Эвакуация стружки. |
Поскольку вместе со стружкой отводится тепло из зоны резания, контролировать процесс стружкообразования и распределение потока стружки очень важно, особенно при обработке глубокого кармана. Очень важно уйти от резания самой стружки при обработке закаленной стали, иначе режущие кромки инструмента будут повреждены. |
| Охлаждение. |
Процесс отвода тепла в большой степени зависит от своевременной эвакуации стружки, и для этого правильней будет использовать воздушную струю, поданную под большим давлением вместо охлаждающей эмульсии на водной основе. Поскольку в зоне резания создается высокая температура и большие центробежные силы, любая жидкость на водной основе вблизи от режущей кромки будет мгновенно превращена в пар, и какой-либо охлаждающий эффект будет отсутствовать. При этом жидкость будет на мгновение охлаждать режущую кромку, пока находящуюся вне процесса резания. Эти тепловые удары приведут к преждевременному износу инструмента.
Необходимо заметить, что масляно-воздушная охлаждающая эмульсия в виде тумана служит в основном для смазки и уменьшения трения.
|
Анализ процесса черновой обработки
При черновой обработке сталей должны быть достигнуты две главные цели: высокая скорость удаления металла и обеспечение высокой стойкости инструмента. При ближайшем рассмотрении процесса чернового фрезерования монолитными инструментами можно заметить, что существуют различные концепции достижения этих целей.
«Классический» процесс чернового фрезерования осуществляется фрезами, сделанными из быстрорежущей стали (HSS). Фрезы HSS имеют то преимущество, что такие инструменты могут применяться даже тогда, когда жесткость станка невысока. Но из-за низкой скорости резания значение рабочей подачи ограничено. К тому же, стойкость такого инструмента существенно ниже (по сравнению с твердосплавными фрезами), поэтому механообработка закаленной стали практически невозможна.
Процесс чернового фрезерования наиболее оптимально осуществлять монолитными фрезами из твердого сплава (HSС), либо сборными фрезами со вставками из твердого сплава. Геометрия режущих кромок должна способствовать снижению сил резания, чтобы фрезерование можно было осуществлять с высокой рабочей подачей. Жесткость, а, следовательно, и стойкость такого инструмента достаточно высока, что делает возможным обрабатывать закаленную сталь. Высокая скорость резания и большая температура в зоне резания способствуют уменьшению сил резания. Даже при малых значениях осевой и радиальной глубин резания высокая скорость удаления металла (включая закаленную сталь) обусловлена высокой скоростью резания и большой рабочей подачей. Малое сечение стружки — фактор ограничения эффективности данного процесса. К тому же, из-за возможности повторного резания инструментом стружки (являющейся фактически абразивом), проблема своевременной эвакуации стружки из зоны резания имеет важнейшее значение.
Поэтому при программировании траекторий инструмента для черновой обработки сталей необходимо контролировать процесс образования стружки. |
|
|
|
|
Статьи 
