3.3 Особенности применения возможностей cam для различных видов обработки

3.3.1 Плоское фрезерование [5]

Развитие методов фрезерования непосредственно связано с разработкой новых станков, инструментов и соответствующего программного обеспечения. Современ­ное оборудование и программные комплексы позволяют производить механообра­ботку, управляя движением инструмента и/или детали более чем по трем координатам одновременно.

При этом один из самых первых видов фрезерования — плоская об­работка — продолжает оставаться основным видом во многих отраслях машиностроения. Более того, элементы этого вида механообработки все чаще включаются в комплексную технологию в комбинации с другими видами.

Совершенствование методов плоского фрезерования продолжается сегодня, в первую очередь, за счет повышения интеллекта программного обеспечения. Воз­можность применения различных стратегий, учет разнообразных параметров, ис­пользование плоских, объемных и комбинированных моделей в качестве исход­ных данных и многое другое определяет сегодня качество программного инструментария конструктора-технолога-программиста ЧПУ.

Как правило, современные системы совмещают в едином пространстве проек­тирования средства плоского и объемного моделирования, поэтому оба вида гео­метрических элементов могут присутствовать в проекте одновременно. Получает­ся довольно разнородная информация: плоские элементы, ребра, поверхности и тела, поэтому желание использовать весь это набор при задании обработки впол­не естественно и оправдано. Современные версии CAD/CAM систем позволяет комби­нировать разнородные элементы в единое целое, вне зависимости от того, как они были созданы — с использованием одной системы или импортированы из других CAD/CAM-систем. Все типы геометрических объектов могут использовать­ся одновременно, в зависимости от желания пользователя и текущей ситуации.

Выбор стратегии. Как правило, плоское фрезерование отличается большей потребностью в раз­личных стратегиях обработки, чем объемное. Способ обработки зависит от мно­гих факторов, но зачастую конфигурация обрабатываемого элемента уже накла­дывает определенные условия на вид траектории. Так, например, при выборке элементов типа «Уступ» наиболее оправдана схема обработки, при которой инст­румент подходит из свободной зоны, последовательно приближаясь к обрабаты­ваемому элементу, а для выборки элементов типа «Окно» и «Колодец (пониже­ние)» более подходит эквидистантный или спиральный вид траектории. Таким образом, технолог, при проектировании управляющей программы, должен иметь возможность выбора наиболее подходящего метода обработки.

Для плоского фрезерования существует девять основных схем обработки, показанных выше (смотри таблицу 3.1). Стандартные виды обработки и их комбина­ции могут практически полностью обеспечить потребности технолога-програм­миста, но иногда не хватает именно какой-то малости. Для таких случаев существуют две дополнительные возможности:

• макропроцедуры — средство, позволяющее вносить в систему собствен­ные параметрические методы обработки, задавая их в текстовом виде (в виде набора перемещений);

• технологическая команда «Строка» — функция, позволяющая графически формировать обработку на траекторном уровне, или, иначе говоря, ручной ввод. Эта команда обеспечивает максимальную гибкость, естественно, за счет снижения уровня автоматизации.

Особенности обработки .Момент врезания в материал очень важен для любого вида фрезерной обработки, поскольку на этом этапе фреза испытывает наибольшие нагрузки. Плоская обработка тут не исключение, поскольку очень часто обработка выполняется из «кирпича». Наличие различных типов врезания в этом случае просто необходимо. Для оптимального выбора режима врезания в материал в системе реализуют несколько схем врезания:

• по нормали — самый простейший тип врезания;

• линейное — врезание под углом к плоскости обработки за один или несколь­ко шагов. Меняя параметры, можно заставить инструмент возвращаться в точку врезания после каждого наклонного движения;

• радиусное — спиральное врезание по касательной к точке первого переме­щения на рабочей подаче.

Если вы задали многопроходную обработку элемента по координате Z, то сис­тема автоматически выполнит врезание на каждом проходе, используя заданную подачу врезания и способ врезания. Достаточно часто обрабатываемый элемент содержит внутренние острова, которые не позволяют провести всю обработку на рабочей подаче, возникают так называемые «зоны недоступности». В этом случае автоматически выделяются такие зоны, рассчитается точка врезания для каждой из них или выбирается ближайшая из списка доступных и выполняется врезание.

После врезания и выборки основного материала наступает очередь обработки стенок фрезеруемого элемента, тут важно обеспечить правильный подход и отход к стенке обрабатываемого элемента на последнем проходе. Свои особенности су­ществуют и здесь. Например: схема отхода может не совпадать со схемой подхода, для обеспечения качества стенки отход лучше выполнять на некотором расстоя­нии от точки подхода, в большинстве случаев требуется включение/выключение коррекции на радиус инструмента, наличие линейных участков перед радиусным подходом (для включения коррекции) и др.

3.3.2 Многоуровневая обработка [5,6]

Представьте, что обрабатывается плоский элемент, например колодец с острова­ми. Но стенки этого колодца не вертикальные, а имеют некоторый угол накло­на, и этот угол может быть как положительным, так и отрицательным (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3

Конеч­но, можно подобрать коническую фрезу с заданным углом и пройти по контуру, формируя стенку, но если усложнить задачу и добавить скругление вдоль ниж­ней и верхней кромки колодца, то стандартной фрезой уже не обойтись.

Если угол стенки не нормальный и/или радиус скругления между стенкой и дном больше радиуса скругления фрезы, то обработать такой конструктивный элемент возможно либо с использованием специальной профильной фрезы (что крайне дорого), либо многоуровневой обработкой. При многоуровневой обработке удаление материала производится послойно. Например, колодец, глубиной 30 мм может быть обработан за шесть проходов со снятием материала на глубину 5 мм на каждом проходе. В этом случае возникает вопрос о качестве поверхности стенок колодца и бобышек, так как на них будут возникать гребешки. САПР позволяет пользователю задать значение максимальной высоты гребешка и создаст траекторию движения фрезы, обеспечивающую заданное качество поверхности.

Мож­но пойти еще дальше и сказать, что угол стенки может быть переменным или профиль может быть задан произвольной кривой.

В этом случае можно предположить, что это уже объемная обработка и надо брать объемный модуль. Но, как правило, стоимость модуля 3х-фрезерования в несколько раз выше, и, самое главное, наиболее рас­пространенные станки не поддерживают 3-координатную обработку, на одно рабочее место объемной обработки приходится несколько мест с плоской. Учи­тывая все вышесказанное, модуль плоской обработки обладает возможностями для обработки плоских элементов с невертикальны­ми стенками. Для задания профиля стенки разработано несколько способов задания:

• заданием угла стенки и радиуса скругления на дне;

• двумя контурами, лежащими в плоскости дна и верхней грани, соответствен­но, что позволяет задавать элементы, стенка которых является переменной линейчатой поверхностью;

• контуром профиля стенки, при этом часть элементов ограничивающего контура может иметь свой профиль, что позволяет задать стенки сложной конфигурации.

Обработка таких элементов выполняется за несколько проходов по координа­те Z, глубина следующего прохода может быть рассчитана с учетом высоты гре­бешка на стенке. Если профиль стенки задан таким образом, что образуются те­невые зоны (например, стенка с отрицательным углом наклона), то тогда возможно применение дисковых и конических фрез.

3.3.3 Токарная обработка

Сегодня уже трудно представить себе предприятие, которое не использует со­временные CAD/CAM-системы либо не находится на пути их выбора. Многие из подобных программных продуктов позволяют автоматизировать ту или иную об­ласть промышленного производства, постоянно расширяя свою функциональ­ность. В частности, очень многие из них позволяют готовить управляющие про­граммы для токарных станков. Среди российских заводов, пожалуй, не найти практически ни одного, где бы такие станки не использовались. Их возможности постоянно совершенствуются, предоставляя пользователям новые режимы работы.

Инструмент произвольной формы. В современных САПР, можно учи­тывать геометрию режущей пластинки и резцедержателя при расчете траектории движения инструмента, не допуская столкновений инструмента с деталью и при­способлением.

Суть данной возможности заключается в необходимости модифицировать исход­ные контуры получаемой детали и заготовки таким образом, чтобы движение по этим контурам отображало реальный контакт инструмента с деталью. Если опус­тить технические аспекты, то весь расчет можно разделить на три основных этапа:

• построение контура, отражающего движение настроечной точки инстру­мента при обкате объединенным контуром режущей пластинки и резцедер­жателя, контура детали;

• построение контура, отражающего движение настроечной точки инструмен­та при обкате контуром режущей пластинки контура заготовки;

• объединение обоих контуров.

В результате получают замкнутый контур, гарантирующий отсутствие столк­новений с деталью при любых формах режущей пластинки и резцедержателя. В на­стоящий момент системой возможно контролировать столкновения на чистовых и черновых проходах. Моделирова­ние процесса точения возможно в плоскости и в пространстве с учетом парамет­ров, выбранных пользователем из базы данных.

Многоинструментальная обработка. В современных условиях от любого оборудования с ЧПУ стараются добиться максимальной эффективности, например увеличивая скорость резанья за счет применения новых материалов режущих пластинок. В последнее время на заво­дах все чаще стали появляться токарные станки, обеспечивающие обработку не­сколькими револьверными головками одновременно. Для поддержки таких стан­ков вводят технологические команды типа «Контрольная точка», которые обеспечивают синхронизацию одновременно рабо­тающих головок. Эти команды с таким же успехом могут применяться для синхро­низации многошпиндельных фрезерных станков.

Для того чтобы воспользоваться этим видом обработки, необходимо со­здать несколько проектов, задав в каждом из них обработку для каждой головки отдельно. Далее следует во всех проектах расставить команды, синхронизирующие работу револьверных головок. При этом следует учитывать, что, при получении ко­манды «Контрольная точка», система остановит выполнение текущего проекта до прихода команд с тем же номером в других проектах. После чего одновременная работа всех проектов продолжается, если не задано дополнительных условий. Таковыми могут быть, например, выстой в течение нескольких секунд или оборотов шпинделя, прохождение другой головкой определенного расстояния.

Используя данную технологическую команду, можно указать, что все инстру­менты применяются для выборки одной области, чередуя проходы. В данном слу­чае отвод одного инструмента в позицию следующего прохода выполняется одно­временно с рабочим перемещением другого. По умолчанию система ориентирована на обработку каждым инструментом отдельного объекта.

Определение врезания и расточка глубоких областей. Для того чтобы облег чить условия резанья на начальных этапах обработки, когда инструмент снимает максимальное количество материала, в систему вводят возможность определе­ния условий врезания. В зависимости от схемы обработки набор параметров раз­личается, хотя и содержит общие величины, такие, как подача врезания. Напри­мер, для прорезной обработки, кроме длины участка, врезания задается еще и ширина области врезания, на которой происходит поочередное переключение режущих кромок прорезного резца. Для облегчения выборки глубоких внутрен­них областей задания условий врезания недостаточно, поскольку в этом случае процесс охлаждения инструмента и удаления стружки из зоны резания затруднен. Поэтому в систему введен специальный параметр, позволяющий автоматически останавливать обработку после определенного числа проходов для контроля за состоянием режущих кромок и удаления стружки.

Совмещение токарной и фрезерной обработки. Интеграция — это неотъемлемое свойство современных CAD/CAM-систем. Ин­теграция может и должна проявляться не только на уровне отдельных модулей сис­тем, например CAD и CAM, но и внутри отдельных модулей. Примером тому может служить возможность задания совместной токарной и фрезерной обработки в одном проекте. Токарные обрабатывающие центры с дополни­тельной фрезерной головкой находят все большее распространение как в России, так и за рубежом. Параллельно с совершенствованием был разработан, который обеспечивал обработку корпусных деталей на обрабатывающих центрах. Совместив возможности токарного модуля и модуля многопозиционной фрезерной обработки, получают уникальную возможность создавать комбинированные уп­равляющие программы для любых типов обрабатывающих центров.

3.3.4 Сверлильно-расточная обработка [7]

Операции сверлильно-расточной группы, пожалуй, самый распространенный вид обработки, независимо от того, выполняется ли они на универсальном оборудовании или на станке с ЧПУ. Практически любая современная CAD/CAM система обеспечивает программирование подобного вида работ и казалось бы, что уже давно все описано и в этом вопросе существует полная ясность. В то же время, на практике мы часто приходится сталкиваться с ситуацией, когда именно обработка отверстий становится камнем преткновения, сводящем на нет эффективность использования современного металлорежущего оборудования. Особенно это заметно при обработке сложных корпусных деталей, выдувных форм, компонентов прессформ и различного рода фильер и решеток. В этом случае, кроме большого числа отверстий (от нескольких десятков до нескольких сотен) и их различного пространственного расположения, возникает вопрос обеспечения указанной конструктором шероховатости и точности отверстия. Все возможности данного вида обработки содержат следующие типы технологических переходов: центровать; сверлить; зенкеровать; развернуть; нарезать резьбу; расточить.

Панель, определяющая режимы обработки содержит параметры необходимые для задания общей глубины сверления, глубины/количества проходов, коэффициента уменьшения глубины и величины вывода инструмента. Его ось может быть установлена под произвольным углом, а если указана несущая поверхность, то нормали к ней, кроме этого при наличии поверхности можно задать сверление от плоскости привязки по поверхности или сверление от поверхности на заданную глубину. На панели так же доступны параметры управления подачей, недобегом, перебегом и системой охлаждения, выстоем (в секундах/оборотах). САПР выполняет полный контроль параметров инструмента, например соответствие глубины сверления и длины режущей части и общей длины инструмента. Общие параметры во многом схожи для всей сверлильно-расточной группы, исключение составляет лишь переход "Расточить". В нем присутствуют дополнительные элементы определяющие схему расточки и параметры, определяющие режимы вывода инструмента из зоны обработки, например для того чтобы остановить шпиндель под фиксированным углом, если пространство для вывода ограничено.

Сверлильно-расточные циклы. Если в процессе расчета траектории введенные параметры обработки соответствуют параметрам стандартных сверлильно-расточных циклов и в постпроцессоре на станок указано что они поддерживаются системой ЧПУ, то будет сформирован определенный стандартный цикл. Возможные циклы:

• сверление с уменьшением глубины резания с выстоем;

• сверление с уменьшением глубины резания;

• сверление с уменьшением глубины резания и выводом;

• сверление с заданным количеством проходов и выстоем;

• сверление с заданным количеством проходов и выводом;

• расточка обратная;

• расточка прямая;

• расточка прямая из канавки;

• центрование, сверление, развертывание и зенкерование за один проход без выстоя;

• сверление и зенкерование с выстоем;

• сверление глубокое за несколько проходов;

• нарезание резьбы метчиком;

• прямая расточка с выводом на рабочей подаче;

• прямая расточка с выводом на ускоренной подаче;

• прямая расточка с выводом на ручной подаче;

• прямая расточка с выводом на ручной подаче с выстоем;

• прямая расточка с выводом на рабочей подаче с выстоем;

Если параметры обработки не укладываются ни в один из стандартных циклов или они не реализованы в выбранной системе ЧПУ (например, при переносе обработки с одного станка на другой), то вместо цикла автоматически сформируется набор перемещений соответствующих типу обработки.

Кроме стандартных сверлильно-расточных циклов, в системе предусмотрена возможность вызова пользовательских циклов с помощью технологической команды "Вызов цикла", например циклы работы с контрольно-измерительными головками.

Сверление с разных сторон. В последнее многие предприятия успешно модернизируют свое оборудование, закупая в основном многофункциональные обрабатывающие центры. Эти станки позволяют выполнять обработку деталей практически за один установ, разворачивая заготовку, когда это необходимо. Поддерживая подобный типа станков, САПР предлагают вариант "5-ти позиционной" обработки, в том числе и для обработки отверстий. Наибольшего преимущества от данного способа обработки, можно получить, если использовать объемные модели изделия. Используя объемную модель и различные способы привязки системы координат обрабатываемого конструктивного элемента, задается положение плоскости обработки в системе координат станка и сами отверстия. В качестве источника геометрической информации могут быть использованы плоские элементы, объемные ребра и грани. Если система распознает, что в качестве элемента для указано не отверстие, то автоматически вычисляется центр масс отмеченного элемента, в котором и будет происходить обработка. Использование этой возможности удобно для предварительного сверления технологических отверстий, поскольку сами они в модели чаще всего отсутствуют. Далее, во время расчета траектории, система будет формировать все необходимые команды, чтобы установить требуемую зону и выполнить обработку. На этапе создания управляющей программы постпроцессор автоматически пересчитает все перемещения и повороты с учетом кинематической схемы станка, логики управления осями и других параметров.

Использованье фильтров и оптимизации перемещений. При обработке большого количества отверстий на первый план выходит проблема указания обрабатываемых элементов. Даже применение механизмов группового выбора не позволяет облегчить процесс, в поле окна могут попасть отверстия различных диаметров и глубин. Эта проблема может решаться за счет дополнения группового выбора набором фильтров, содержащих, например диапазон диаметров отверстий, в результате в обработку попадают элементы с определенными свойствами. Если в качестве источника геометрической информации используется объемная модель, то включаются дополнительные механизмы автоматического распознавания геометрических объектов. В этом случае достаточно указать плоскости/поверхности содержащие отверстия, их параметры автоматически извлекаются из модели и совместно с фильтром формируют список мест обработки.

Помимо сложности с выбором отверстий, существует еще одна проблема - последовательность обработки, сформированная на основе исходной геометрии не всегда оптимальна. Порядок создания элементов в модели практически никогда не соответствует последовательности обработки, а ручной способ указания порядка обработки эффективен только при небольшом количестве элементов. Для решения этой проблемы при групповом выборе отверстий во время расчетов система выполняет оптимизацию и переходит от одного отверстия к другому по кратчайшему расстоянию, сокращая тем самым общую длину холостых перемещений.

Сверление фильер и трубных решеток. Одной из задач, характерных для сверления, является обработка группы отверстий расположенных в узлах решетки. Чаще всего для обработки используется плоский чертеж, поскольку общее число отверстий может достигать нескольких тысяч. Закон распределения отверстий определяется видом решетки - это может быть сеть или набор концентрических окружностей и линий радиусов, ограниченная набором замкнутых контуров. САПР может автоматически выделить узлы, лежащие внутри каждой области и выполнить их обработку. Для линейных решеток доступна опция сверления на многошпиндельных станках, значительно сокращающая время обработки. Ее применение позволяет сверлить сразу несколько отверстий за один рабочий ход. Если в процесс обработки шпиндель выходит за пределы обрабатываемой области, он автоматически отключается и отводится в безопасную позицию, попадая в следующую область, он вновь активизируется и включается в обработку.

Использование шаблонов. За один технологический переход зачастую невозможно достигнуть требуемой шероховатости и точности обработки. Поэтому обработка отверстий обычно требует последовательного выполнения нескольких переходов, например Центровать->Сверлить->Зенкеровать. Конечно, можно задать маршрут, определив шаг за шагом нужную последовательность, но это путь привет к неоправданным потерям времени, и трудностям в случае последующего изменения технологии изготовления детали. Чтобы упростить процесс создания таких последовательностей, в САПР реализуют механизм создания и использования типовых технологических шаблонов. Этот механизм позволяет связывать несколько объектов с различными режимами и типами обработки, но использующих одинаковые геометрические элементы, между собой. Для создания шаблона достаточно описать последовательность переходов, определить режимы обработки без привязки их к геометрической информации и сохранить шаблон в библиотеку. После этого шаблон может быть извлечен из библиотеки, по мере необходимости, и вставлен в любое место в маршруте обработки. Теперь останется только указать обрабатываемые элементы и выполнить расчет траектории.

3.3.5 Электроэрозионная обработка

Электроэрозионная обработка является чрезвычайно эффективной, иногда единственной, технологией при обработке твердых и высокопрочных металлов. Одним из ее видов, широко применяемых при изготовлении технологической оснастки, является проволочная электроэрозионная резка. Важнейшим практическим достоинством данного вида обработки является малый радиус эффективного сечения инструмента (проволоки), а также реализованная на современных электроэрозионных станках возможность ее пространственной ориентации в достаточно широком диапазоне углов. В результате создаются уникальные возможности изготовления точных деталей в широком диапазоне размеров с весьма сложной геометрией.

Можно привести далеко не полный перечень деталей, изготавливаемых электроэрозионной резкой:

- пуансоны и матрицы вырубных штампов;

- точные окна в плитах прессформ;

- калибры и шаблоны;

- единичное производство шестерен (для ремонта и уникальных типоразмеров);

- электроды для прошивки;

- фасонные фрезы и резцы;

- фильеры для экструзии металлических и пластиковых профилей;

- волноводы и др.

Вместе с тем этот вид обработки имеет ряд особенностей, отличающих его от обычных способов обработки металлов резанием. Перечислим необходимые функциональные возможности технологического пакета программирования электроэрозионной обработки:

1) необходимо для получения требуемой точности использовать активное управление режимом генератора и процессом промывки;

2) для той же цели при электроэрозионной проволочной обработке применяется многопроходная обработка (3-4 прохода), которые должны строиться по заданным параметрам автоматически;

3) при задании коррекции для гладкого выхода на обрабатываемый контур должен быть реализован ряд подходов, определяемых технологическими рекомендациями;

4) при обработке с постоянным наклоном проволоки необходимо решение, обеспечивающее ее движение при формировании углов в контурах деталей;

5) при использовании управления углом ориентации проволоки необходим гибкий аппарат формирования граничных контуров, определяющих ее движение и задание соответствия точек контуров, задающих ее текущее положение;

6) необходимость крепления детали в ванне или на столе при обработке под струей промывающей жидкости требуется удобное управление остановом для перестановки креплений детали;

7) наконец, программирование пространственного движения проволоки по двум контурам для станков разных фирм существенно отличается и требует определенной специализации управляющих программ.

Для решения задач электроэрозионной обработки в составе САПР создают специализированный модуль электроэрозионной резки. Данный модуль может предлагаться в трех вариантах (2D, 3D, 4D), в зависимости от возможностей электроэрозионных станков, имеющихся на предприятии.

3.3.6 Многоосевая обработка [8]

Развитие станков с числовым программным управлением приводит к постоянной эволюции ПО, обеспечивающего разработку управляющих программ для них. Учитывая возросшую в последнее время популярность многокоординатного оборудования, в современных версиях САПР значительное внимание уделено именно этому виду обработки.

В зависимости от числа одновременно управляемых координат сложные фрезерные станки можно разделить на 4-х и 5-ти координатные (когда к трем линейным перемещениям добавляются одно или два угловых). Изменение углов инструмента по отношению к детали может быть выполнено:

-поворотом стола и/или шпинделя;

-совместным поворотом детали, закрепленной в шпинделе токарно-фрезерного обрабатывающего центра и дополнительного фрезерного шпинделя;

-использованием силовых роботов-манипуляторов, на которых установлен вращающийся фрезерный инструмент.

В качестве примера можно привести станки немецкой фирмы KUKA Roboter GmbH (рисунок 3.4).

САПР обычно позволяет вести проектирование, не привязываясь к конкретному типу кинематики станка (она будет учтена постпроцессором автоматически при создании УП), а сосредоточив внимание на технологических аспектах обработки.

Рисунок 3.4 Фрезерные станки KUKA

В то же время, интеграция модулей проектирования техпроцессов и программирования станков с ЧПУ позволяет включать программные операции в общий техпроцесс, дополняя их необходимыми приспособлениями, мерительным и вспомогательным инструментом, формировать эскизы и карту наладки станка. Сама же программная операция (УП) - набор технологических переходов и команд, характерных для обработки с ЧПУ.

Обратимся непосредственно к описанию возможностей многокоординатной обработки, под которой будем понимать как лазерную обработку, так и фрезерование.

4-х координатная обработка на телах вращения. Смысл обработки состоит в том, что плоская траектория как бы "наворачивается" на тело вращения, образующая которого задана произвольным контуром. Ось инструмента при этом может быть выставлена либо по нормали к обрабатываемой поверхности, либо по нормали к оси вращения детали. В качестве места обработки может быть определен любой конструктивный элемент, доступный в системе: например, "Колодец" или "Текст". Этому виду обработки могут быть присущи все возможности, доступные в плоском фрезеровании: многопроходная обработка, врезание, коррекция, подбор необработанных зон и др. Диапазон его применения очень широк: от лазерной маркировки сувенирной продукции (рисунок 3.5) до обработки корпусов в ракетно-космической промышленности. Впрочем, в обоих этих случаях обработка выполняется чаще всего на цилиндре или конусе.

Рис. 3.5 Лазерная гравировка логотипа на брелке-фонарике.

5-ти координатная обработка произвольных поверхностей. 5-ти координатная обработка широко применяется при лазерной сварке объемных деталей и резке плоских и объемных элементов. Основные возможности управления с помощью САПР: параметрическое копирование обработки на группе точек и возможность управляемого создания точек прерывания луча, что исключает выпадение деталей, заданных замкнутыми контурами.

Для создания управляющих программ сварки используется возможность движения лазера вдоль объемной кривой с заданным фокусным расстоянием и вектором оси лазерного луча. Во время движения вдоль кривой допускается корректировка угла наклона луча на ее отдельных участках, что позволяет более гибко управлять положением шпинделя. Изменение углов может производиться дискретно, на каждом участке, или меняться плавно по ходу движения.

Более широкие возможности доступны в режиме лазерной резки, который применяется в основном для обработки тонкостенных оболочек. Для того, чтобы задать положение инструмента в пространстве и обеспечить его удержание по нормали к обрабатываемой оболочке, достаточно указать поверхности движения, по которым скользит луч, и набор управляющих кривых (рисунок 3.6). Режимы работы лазера выбираются из базы данных, исходя из марки материала, указанного в техпроцессе.

Конечно же, объемная лазерная обработка по сложности уступает фрезерной, поэтому развитие САПР ведется именно в направлении фрезерования. В первую очередь в современных САПР был реализован полный контроль ситуаций: проверяется касание инструмента и компонентов шпинделя как рабочих, так и контрольных поверхностей.

Рисунок 3.6.5-ти координатная лазерная резка.

С развитием САПР были существенно расширены виды формируемых траекторий, среди которых следует отметить спираль, эквидистанту, зигзаг UV c автоматической сшивкой поверхностей, контурные траектории, обеспечивающие плавный переход в продольном и поперечном направлении с одной кривой на другую и др.(рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 Схема обработки "Контурный зигзаг"

Появилась возможность задания углов опережения отклонения, позволяющих исключить нулевую скорость резания в центре фрезы и обеспечивать доступ инструмента в теневые зоны. Также были переработаны с учетом специфики многоосевой обработки методы подход/отход к обрабатываемым поверхностям, что позволяет теперь выполнять их наиболее оптимальным образом.

Интеграция пятиосевой обработки и функций позиционирования позволила реализовать схему обработки "5+2". Ее применение оправдано в тех случаях, когда диапазон изменения углов инструмента ограничен, а станок оснащен делительной головкой. В этом случае в одном переходе программируется 5-х обработка зоны, доступной для инструмента, после чего происходит дискретный разворот заготовки в следующую доступную зону и продолжение обработки в следующем переходе.

Возможности 5-ти координатного фрезерования лучше всего рассмотреть на примерах. Самым простейшим методом обработки, но далеко не самым эффективным, является фрезерование поверхностей, когда инструмент выставлен по нормали к обрабатываемой поверхности. Этот метод требует указания лишь набора фрезеруемых и контролируемых поверхностей.

В авиационной промышленности одними из наиболее часто обрабатываемых деталей являются различного рода шпангоуты и нервюры. Практически все они содержат линейчатые поверхности, так называемые "переменные малки": угол их наклона может быть переменным. Для облегчения обработки подобных деталей, предлагается режим фрезерования боковой поверхностью фрезы. Используя его, достаточно определить набор поверхностей, вдоль которых должен двигаться инструмент. Так, на рисунке 3.8 показана чистовая обработка коническим инструментом "закрытой малки" с отрицательным углом в 3 градуса.

Рис 3.8 Обработка "закрытой малки" конической фрезой

Для облегчения визуального контроля правильности расчетов можно активизировать совместное отображение траектории и вектора оси инструмента.

Следующий пример (рисунок 3.9) демонстрирует обработку деталей на токарно-фрезерных обрабатывающих центрах. В этом случае деталь устанавливается в основной шпиндель, обеспечивающий непрерывное вращение детали вокруг одной из осей. Фреза, как правило, устанавливается в дополнительный шпиндель, формирующий перемещения по трем линейным и одной поворотной координатам.

Рис 3.9 Спиральная обработка электрода

Такую технологию обработки часто называют спиральной траекторией и используют для обработки турбинных лопаток или электродов для прошивных электроэрозионных станков.

Во всех приведенных выше примерах используется возможность системы, при которой геометрическая модель сама определяла положение инструмента по отношению к обрабатываемой детали. В большинстве случаев этого вполне достаточно для формирования УП, к тому же значительно упрощается сам процесс создания маршрута. Но существует определенный класс деталей, требующих специальных методов управления углами наклона инструмента. Так, при черновой обработке межлопаточного пространства моноколес или шнеков возникает ситуация, когда инструмент, не дойдя до границы одной обрабатываемой поверхности, начинает касаться соседней. В этом случае, конечно же, можно автоматически развернуть инструмент для того, чтобы избежать зарезания соседних поверхностей, но этот метод не является полностью универсальным. Для более гибкого и полного управления углами в систему вводят понятие кривой оси инструмента. При ее задании настроечная точка фрезы движется по обрабатываемой поверхности, а ось фрезы всегда проходит через указанную кривую. Это метод был использован при обработке канавки шнека, представленной на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 Обработка шнека.

Движение инструмента в этом примере происходит по UV линиям обрабатываемых поверхностей вдоль их естественных границ. Но граничные кривые могут быть заданы и явно. В качестве кривой оси инструмента могут использоваться любые виды геометрических объектов из числа доступных в модуле CAD системы. В данном примере было использовано ребро вспомогательной поверхности. Заметим так же, что независимо от используемого метода фрезерования допустимо использование ограничивающих контуров, задающих конкретное место обрабатываемой поверхности.

Наиболее полный набор методов многокоординатного фрезерования был задействован при изготовлении моноколеса, показанного на рисунке 3.11, маршрут обработки которого состоит из восьми технологических переходов.

Рис 3.11 Обработка моноколеса.

Фрезерование выполняется после обработки заготовки на токарном станке. Вначале концевой фрезой выполняется черновая трехкоординатная обработка межлопаточного пространства, а затем металл, оставшийся в теневых зонах, удаляется шаровой фрезой с использованием стратегии "Зигзаг UV" и заданием угла отклонения. Заметим, что вся дальнейшая обработка выполняется на основе геометрии одной лопатки, и повторяется на всех остальных с помощью углового копирования траектории вокруг общего центра вращения. После оформления вершины лопатки производят чистовую обработку межлопаточного пространства аналогично тому, как это делалось выше при обработке шнека, при этом фрезерование ведется в направлении линий потока. Завершают работу чистовым фрезерованием пера лопатки, используя стратегию обработки боковой частью конической фрезы.

После того, как сформирована траектория движения инструмента, остается последний этап - создание управляющей программы. Именно на этом этапе происходит учет кинематической схемы станка, которая заложена в постпроцессоре. На первых этапах развития 5-ти координатной обработки в постпроцессоре приходилось выполнять достаточно большой объем вычислений, что делало задачу его написания излишне трудоемкой. По мере накопления опыта для каждого типа станков был создан базовый постпроцессор, который выполнял все рутинные вычисления и максимально упростил для пользователя процесс адаптации системы к конкретному станку, сведя его вмешательство в настройку постпроцессора к минимуму. В то же время, базовый постпроцессор полностью открыт для редактирования.

3.3.7 Скоростная обработка (HSM)

Практически все современные системы (то есть сочетание САМ- системы, станка и инструмента) рассчитаны на высокоскоростные методы обработки. Предельная частота вращения шпинделя, как правило, более 12 000 об/мин, а если станок предназначен для обработки небольших деталей или пресс-форм, то и бо­лее 30 000 об/мин.

Высокоскоростная обработка(HSM) — это скорее идеология обработки, а не формальная процедура — в зависимости от диаметра инструмента и обрабатывае­мого материала и при оборотах шпинделя 1500 об/мин уже может быть HSM. Она складывается из:

- траектории без резких смен направления и скорости, желательно сплайн, или NURBS- аппроксимация, соединение проходов петлями; работы одной стороной фрезы (не более радиуса) и т. п.;

- очень маленькой глубины резания;

- больших оборотов шпинделя, больших скоростей подачи.

При HSM возникает интересный эффект — инструмент почти не греется, по­этому обычно не рекомендуется подавать СОЖ. Часто рекомендуется подавать воздух, но здесь его главное назначение — эффективно удалять стружку.

Что касается сил резания, то они, при переходе от обычного фрезерования к скоростному, сначала повышаются, а затем, по мере увеличения оборотов и подачи, резко снижаются. Всё тепло, выделяемое в процессе резания, уходит со струж­кой ( иногда она просто сгорает). Также сильно улучшается качество поверхности. Как правило, после фрезерования в режиме HSM деталь не требует шлифования и доводки.

Более того, так как HSM требует специально разработанного инструмента (в основном это монолитный твердосплавный), то такая система может обрабатывать любые материалы, включая закаленную сталь. Это приводит к тому, что система обработки, поддерживающая HSM, это серьезный конкурент электрохимической обработке.

Из сложившейся ситуации следует вывод — необходимо покупать такие станки, чтобы они поддерживали режимы работы, позволяющие реализовать потен­циал HSM.

Требования к станку: помимо оборотов, и всего из этого вытекающего, необходима так называемая «динамическая жесткость». Несмотря на все требования к гладкости траекторий, считается, что станок должен отрабатывать перемещения с ускорениями до 10g (100 м/сек²).

Из опыта внедрения HSM следует, что покупкой или модернизацией станка и приобре­тением CAD/CAM систем не обойтись. Нужен инструмент, который стоит немало, но затра­ты на него окупаются очень быстро, а также опытные операторы самих станков, владеющие САМ-системой. Для уменьшения затрат и потерь от брака рекомендуется обратиться к фирме, поставляющей станки, и заказать обучение персонала у изготовителя станка.

Для выполнения требований, применяемым к скоростной обработке, при ра­боте с CAD/CAM системой необходимо произвести следующие действия:

1) cоблюдать требования по объему снимаемого материала в зави­симости от диаметра фрезы (берутся из справочников);

2) при грубой обработке устанавливать для всех станков (в том числе и 3- и 5-координатных) технологический переход «Плоское фрезерование», в нем задавать параметр « Мно­гопроходная обработка» с контролем глубины. Установить глубину , равную глуби­не резания, и тип обработки « зигзаг контурный». Установить «остаточный припуск», равным глубине резания для чистовой обработки.

3) при чистовой обработке:

— для 2-координатных станков установить тип обработки «Контурная пет­ля» и «глубина резания» со значением для чистовой обработки;

— для 3-координатных станков установить тип обработки «Петля UV» и «глу­бина резания» со значением для чистовой обработки.