ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛИ «КОЖУХ»

В структуре производственных мощностей приборостроительного производства технологические переделы, связанные с обработкой материалов резанием занимают 40…60%. Основная номенклатура деталей, разрабатываемых в КБ изделий приборного направления, характеризуется высокой сложностью и ажурностью конструкций, наличием глубоких окон и сложно-профильных тонкостенных элементов. При этом большинство конструкций деталей характеризуется высокой точностью размеров, взаимностью расположения поверхностей и высокими требованиями к шероховатости и качеству поверхности.

Внедрение высокоскоростной обработки (ВСО) вызвано необходимостью решить проблему изготовления деталей с повышенными требованиями к точности геометрических параметров, качеству обрабатываемых поверхностей с одновременным снижением трудоемкости их изготовления. Для проведения работы была выбрана деталь «Кожух» (рисунок 1) и  подобраны материалы, которые наиболее часто используются для изготовления данной детали: титановый сплав ВТ20, алюминиевый сплав АМг6, теплостойкая сталь 12Х18Н10Т.

Рисунок 1. Чертеж детали «Кожух»

Особенности ВСО предъявляют определенные требования к конструкции станков, обеспечивающих этот вид обработки. Для выполнения данной работы в качестве технологического оборудования использован обрабатывающий центр с числовым программным управлением (ЧПУ) модели 508JIG-101-MI-RU-2010, компании WILLEMIN-MACODEL SA.

Ход работы по отработке технологии ВСО состоял из следующих этапов:

• разработка конструкторской документации, на опытную деталь, отражающую эффекты ВСО;
• разработка технологического процесса изготовления опытной детали;
• выбор режущего инструмента отвечающего требованиям ВСО;
• разработка управляющей программы (УП) для каждого типа материала и вида обработки;
• выбор программы для виртуальной симуляции CAM-систем;
• изготовление опытных деталей с выполнением всех требований;
• анализ полученных результатов.

ВСО предъявляет особые требования к САМ системам, которые используются при подготовке УП. Содержание программы варьируется от номенклатуры материалов и типов обработки.

При выборе траекторий для ВСО необходимо исключить резкие изменения в движении инструмента, особенно в зонах врезания при выполнении проходов полной шириной фрезы, что достигается трохоидальной обработкой, когда в процессе врезания фреза движется по окружности (рисунки 2,3).

Рисунок 2. Схема трохоидальной обработки паза

Рисунок 3. Предпочтительные стратегии при ВСО

 а – спиральная стратегия; б - стратегия эквидистантного смещения контура.

Предпочтение должно отдаваться спиральным стратегиям, где инструмент, однажды врезавшись, сохраняет непрерывный и равномерный контакт с заготовкой или стратегиям эквидистантного смещения контура (рисунок 3), которые длительное время сохраняют контакт инструмента с заготовкой, с одним заходом и выходом.

Таким образом, САМ система для ВСО должна обеспечить:

• широкий набор вариантов гладкого подвода-отвода инструмента;
• набор стратегий спиральной и эквидистантной обработки зон как на чистовой, так и на черновой обработке;
• автоматическое сглаживание траекторий в углах;
• исключение проходов полной шириной фрезы и автоматическое применение трохоидального врезания в этих местах;
• оптимизацию подач для сглаживания нагрузки на инструмент.

В процессе разработки программ были учтены особенности требований как к ВСО, так и к САМ системам.

Процесс разработки УП начинался с построения 3D модели (рисунок 4) в CAD системе. В опытном производстве в качестве CAD системы используется КОМПАС-3D.

Рисунок 4. 3D модель обрабатываемой детали «Кожух»

После построения, 3D модель переводится в формат CAM системы, которой  является ГЕММА-3D. ГЕММА-3D предназначена для автоматизированной подготовки УП для станков с ЧПУ. При автоматическом режиме создания проходов, в ГЕММА-3D используются алгоритмы построения траекторий движения инструмента для стандартной механической обработки (рисунок 5). Стандартный алгоритм не удовлетворяет особым требованиям технологии ВСО, таким как:

• маленький съем материала при высокой подаче;
• постоянство условий резания с сохранением одинаковой толщины стружки;
• сопряжение по радиусу острых углов;
• плавное соединение концов траектории при позиционировании.

Чтобы соответствовать особенностям ВСО, необходимо максимально приблизить траекторию движения инструмента к требованиям ВСО, при помощи дополнительно созданных этапов в написании УП для обработки опытной детали “Кожух” (рисунок 6).

Рисунок 5. Формирование проходов инструмента традиционной обработки

Стандартный алгоритм включает в себя 2 этапа механической обработки детали, УП для ВСО включила в себя 6 этапов. 

Первый этап заключается в обработке плоскости центральной части детали по круговой интерполяции. Второй, третий, четвертый и пятый это обработка каждого угла изготавливаемой детали по линейной интерполяции. Последние этапы обработки наружной поверхности стенок изготавливаемой детали не отличаются друг от друга.

Как мы можем видеть, объем УП для ВСО существенно превосходит объем УП традиционной механической обработки, но рассчитанные режимы резания для ВСО с маленьким съемом материала и большой скоростью подачи способны сократить время изготовления детали в разы.

Отличием УП ВСО от УП обработки традиционным методом являются специальные режимы резания для механической обработки деталей. Фирмы-изготовители инструментов дают определенные рекомендации по параметрам для расчета режимов резания. Режимы резания представлены в таблице 1.

Рисунок 6. Пошаговое создание УП для ВСО

Таблица 1.

Режимы резания для ВСО

Режущий инструмент для ВСО должен иметь повышенную жесткость. Ведущие фирмы-производители инструмента предлагают широкий набор фрез для ВСО с необходимыми рекомендациями по областям их применения и режимам резания. Был подобран режущий инструмент, удовлетворяющий всем основным критериям для обработки конструкционных материалов  высокоскоростным резанием.

Симуляция УП особенно важна при ВСО. На высокой скорости обработки ошибка может привести к непредсказуемым последствиям: от поломки инструмента до вывода из строя дорогостоящего оборудования.

В качестве программы симулятора в опытном цехе применяется VERICUT. В этой программе происходит виртуальная отработка программы механической обработки. При симуляции (рисунок 7) можно визуально определить положение  инструмента и исключить в дальнейшем ошибки в виде выхода инструмента за габариты детали или врезание в приспособления.

Рисунок 7. Симуляция программы механической обработки

Изготовление деталей (рисунок 8) проводилось с рассчитанными режимами, указанными в таблице 1.

Рисунок  8.  Изготовление деталей методом ВСО

В результате были выполнены работы по изготовлению деталей из разных материалов, с различными видами обработки. Проведен визуальный контроль изготовленных деталей (рисунок 9), в котором видно разницу между технологиями обработки. Составлена карта обмера деталей, представленная в таблице 2.

а)                      б)

Рисунок 9. Внешний вид деталей из алюминиевого сплава АМг6

 (а) – изготовление детали обычным методом; б) – изготовление детали с применением технологии ВСО)

Таблица 2.

Сравнительная карта обмера деталей «Кожух»

Анализ карты обмера показал: при обработке деталей по технологии ВСО качество шероховатости поверхности, точность изготовления деталей, стабильность полученных размеров значительно выше традиционного метода механической обработки.

Вывод: В процессе отработки высокоскоростного фрезерования были подобраны и отработаны оптимальные режимы ВСО, при которых достигнуты улучшения качества шероховатости поверхности, стабильность геометрических размеров, сохранение основных свойств материала и уменьшение трудоемкости обработки деталей.

Список литературы:

1. Справочник «Конструкционные материалы». Под общей редакцией доктора техн. наук Б.Н. Арзамасова. М. Машиностроение 1990 г.
2. Лекция “Высокоскоростная обработка”  CАПР и графика, 11/2002.
3. Статья “CAD/CAM-системы для высокоскоростной обработки” CАПР и графика, 12/2002.
4. Статья “Высокоскоростная фрезерная обработка в производстве технологической оснастки”  CАПР и графика, 2/2005.
5. Автоматизация и современные технологии №9/2011
6. Translation of the original instructions.  Copyright 1996/2010, WILLEMIN-MACODEL SA. All rights reserved.
7. Руководство пользователя. ГеММа-3D. Версия 9.5. г. Жуковский 2006.
8. Фрезерная обработка на станках ЧПУ. Учебное пособие. Санкт-Петербург 2005г.