Высокоскоростная обработка (ВСО)

Теория использования высоких режимов резания при механической обработке металлов возникла достаточно давно. Однако только сейчас, с появлением самых современных станков с ЧПУ, частота вращения шпинделя у которых достигает 60 000 об/мин, а скорость рабочей подачи переваливает за 5000 мм/мин, из области научных предположений мы переходим к реальному производству.

Экспериментально установлено, что при увеличении скорости резания температура в зоне резания постепенно возрастает и достигает некоторого максимального значения. При дальнейшем увеличении скорости резания происходит некоторое падение температуры и крутящий момент, необходимый для выполнения резания, тоже снижается. Это означает, что существует некоторая область сверхвысоких скоростей обработки, в которой процесс резания происходит спокойно и режущий инструмент не подвергается катастрофическим нагрузкам. В настоящее время для каждого обрабатываемого материала и инструмента эта область определяется только опытным путем.

Работа в условиях ВСО имеет ряд нюансов и предъявляет особые требования к оборудованию, инструменту и управляющей программе.

При работе в таком режиме, во-первых, станок должен иметь частоту вращения шпинделя не менее 15 000 об/мин и подачу не менее 2500 мм/мин, во-вторых, он должен успевать за программой, то есть быстро ускорять и замедлять рабочую подачу. Желательно, чтобы станок обладал высокой жесткостью и имел эффективные средства для удаления стружки.

Режущий инструмент является главным «ограничителем» скорости обработки. Как правило, режущая часть инструмента для ВСО имеет специальное износостойкое покрытие. Уделите особое внимание патрону, так как малейшая погрешность установки вызывает биение, особо опасное на таких скоростях вращения шпинделя. Вылет инструмента должен быть минимальным.

Теперь поговорим об особенностях программирования. В случае ВСО глубина и шаг обработки гораздо меньшие, чем при обычном фрезеровании. Траектория перемещения должна быть плавной, без резких смен направления и скорости подачи. Часто линейные перемещения заменяют на петлеобразные, используют трохоидальную траекторию. Врезание инструмента в металл должно проходить по спирали или под небольшим углом, но никак не вертикально. Конечно же все это делается для поддержания неизменных условий резания, уменьшения нагрузки на инструмент и исключения его поломки.

Так как УП для ВСО содержит очень много перемещений, то ее размер может превышать размер обычной программы обработки в десятки или сотни раз. Система ЧПУ станка должна успевать отрабатывать кадры и иметь достаточно большой программный буфер для подготовки к последующим перемещениям. Если система не имеет значительного объема памяти для хранения программ, то не обойтись без DNC-режима. При этом предъявляются особые требования по скорости и надежности к персональному компьютеру, коммуникационному программному обеспечению и линии связи.

Не стоит увлекаться методом ВСО для обработки всей детали целиком. В большинстве случаев черновую обработку можно выполнить на обычных режимах «грубым» инструментом. Серьезная САМ-система обязательно должна иметь инструменты дообработки, средства определения излишков материала и возможность сравнить результаты обработки с исходной моделью. Используя различные программные фильтры и оптимизаторы, производящие анализ перемещений в УП, можно значительно сократить размер программы, сделать ее наиболее подходящей для метода ВСО.

Каковы преимущества от использования ВСО? Меньший шаг и глубина фрезерования в сочетании с большими значениями рабочей подачи и оборотов шпинделя при чистовой обработке существенно повышают качество поверхности и значительно сокращают машинное время. Это позволяет избежать ручной доводки, например при изготовлении пресс-форм. При ВСО можно использовать инструмент меньшего размера и фрезеровать такие мелкие детали и острые углы, которые в другом случае пришлось бы получать электроэрозионной обработкой.

Рис. 12.31. Трохоидальная траектория состоит из множества «петелек»

Что касается черновой обработки, то положительный эффект от ВСО не так очевиден и проявляется лишь при обработке деталей небольшого размера или высокой твердости и при достаточной загрузке станка.

 

 

CAD/CAM

Требования к современной САМ-системе

Сегодня на рынке CAD/САМ представлен не один десяток систем, отличающихся возможностями, интерфейсом и стоимостью. Как сделать правильный выбор и приобрести систему, которая бы полностью устраивала технолога и позволяла максимально автоматизировать процесс создания УП? Есть ряд параметров, по которым можно составить первоначальное мнение о САМ-системе.

Первое, что бросается в глаза при знакомстве с системой, – ее интерфейс, то есть совокупность меню, пиктограмм и окон. Главное требование к интерфейсу – удобство. Подавляющее большинство современных САМ-систем имеет привычный Windows-интерфейс, позволяющий сформировать удобную для пользователя атмосферу. Что же касается наглядности и графического оформления – то это дело вкуса. Обратите внимание на язык интерфейса. Если вы не владеете иностранным языком, то предпочтительнее, чтобы все меню были представлены на русском языке.

САМ-система не должна ограничивать технолога выбором только стандартного инструмента. Функция поддержки оригинального (пользовательского) инструмента позволит вам спроектировать инструмент любой формы прямо в системе и правильно рассчитать траекторию его перемещения. Поверьте, рано или поздно эта функция обязательно понадобится.

Вряд ли вам понравится, если вы обнаружите зарезы на детали после черновой или чистовой обработки. Хорошая САМ-система обязана иметь механизм, обеспечивающий предотвращение зарезов и столкновений инструмента с заготовкой и элементами крепежа.

Если траектории перемещения инструмента рассчитываются с учетом заданной заготовки произвольной формы, то это говорит о высокой эффективности созданных системой операций. Другими словами – система должна «видеть» заготовку. Преимущество этой функции проявляется при работе с заготовками в виде отливок и штамповок. Когда система не имеет этой функции, она производит расчет траекторий на основе цилиндра или параллелепипеда. Полученная траектория окажется неоптимальной, в ней может присутствовать довольно большое количество холостых перемещений.

Способность системы «помнить», сколько материала было снято в предыдущих операциях, говорит об «интеллектуальном» потенциале системы. Функция дообработки позволяет автоматически находить недоработанные области и гарантирует получение максимально эффективных траекторий.

К верификатору САМ-системы нужно отнестись очень внимательно. Во-первых, система должна обеспечивать возможность импорта трехмерной модели заготовки из CAD-модуля и верификацию этой модели. Во-вторых, верификатор должен уметь вращать заготовку, динамически масштабировать и перемещать по экрану. В-третьих, при верификации система должна отмечать цветом места зарезов и столкновений инструмента с заготовкой.

Верификаторы большинства современных CAD/САМ-систем имеют несколько режимов работы и множество полезных настроек. Режим верификатора «Turbo» используется для работы со сложными заготовками и большими траекториями, если ожидаемое время процесса верификации слишком велико. При работе в режиме Turbo верификатор производит расчеты и показывает только конечный результат – модель обработанной детали.

Графическое качество процесса верификации сильно зависит от производительности компьютера и от соответствующих настроек верификатора. Как правило, между качеством и скоростью существует прямая зависимость – чем выше качество верификации, тем медленнее она производится.

Обычно верификаторы позволяют осуществлять визуальную проверку 3-осевой обработки. Верификация многоосевой обработки может быть опцией. Следовательно, если вы собираетесь работать с четырьмя или пятью координатами в УП, то лучше проверьте возможности верификатора заранее.

Наиболее продвинутые верификаторы позволяют интенсивно работать с 3D-моделью заготовки. При наличии такого верификатора вы сможете экспортировать модель обработанной детали в другую CAD-систему, проверить ее геометрические размеры или сделать сечение. Дополнительным преимуществом является способность осуществлять проверку не только промежуточного CL-файла, но и кода управляющей программы. Часто возникают ситуации, когда технологу-программисту приходится работать с некачественной 3D-моделью детали. Например, модель может попасть в САМ-модуль «дырявой», то есть имеющей поверхностные нестыковки или исчезнувшие геометрические элементы. Некоторые САМ-системы способны «закрыть глаза» на это, другие же просто не смогут работать с такими моделями и потребуют их «лечения».

Если вы создаете геометрию детали в CAD-системе, которая не является «родной» для САМ-системы, то вам не обойтись без помощи конверторов (трансляторов). Конверторы предназначены для преобразования графических файлов одного формата в графические файлы другого (требуемого) формата. О формате вы можете судить по расширению файлов. Например,.DWG,.DXF,.IGS,.STL,.SAT. При знакомстве с САМ-системой убедитесь в наличии требуемых конверторов и проверьте качество конвертации файлов.

CAD/CAM

Требования к современной САМ-системе

Сегодня на рынке CAD/САМ представлен не один десяток систем, отличающихся возможностями, интерфейсом и стоимостью. Как сделать правильный выбор и приобрести систему, которая бы полностью устраивала технолога и позволяла максимально автоматизировать процесс создания УП? Есть ряд параметров, по которым можно составить первоначальное мнение о САМ-системе.

Первое, что бросается в глаза при знакомстве с системой, – ее интерфейс, то есть совокупность меню, пиктограмм и окон. Главное требование к интерфейсу – удобство. Подавляющее большинство современных САМ-систем имеет привычный Windows-интерфейс, позволяющий сформировать удобную для пользователя атмосферу. Что же касается наглядности и графического оформления – то это дело вкуса. Обратите внимание на язык интерфейса. Если вы не владеете иностранным языком, то предпочтительнее, чтобы все меню были представлены на русском языке.

САМ-система не должна ограничивать технолога выбором только стандартного инструмента. Функция поддержки оригинального (пользовательского) инструмента позволит вам спроектировать инструмент любой формы прямо в системе и правильно рассчитать траекторию его перемещения. Поверьте, рано или поздно эта функция обязательно понадобится.

Вряд ли вам понравится, если вы обнаружите зарезы на детали после черновой или чистовой обработки. Хорошая САМ-система обязана иметь механизм, обеспечивающий предотвращение зарезов и столкновений инструмента с заготовкой и элементами крепежа.

Если траектории перемещения инструмента рассчитываются с учетом заданной заготовки произвольной формы, то это говорит о высокой эффективности созданных системой операций. Другими словами – система должна «видеть» заготовку. Преимущество этой функции проявляется при работе с заготовками в виде отливок и штамповок. Когда система не имеет этой функции, она производит расчет траекторий на основе цилиндра или параллелепипеда. Полученная траектория окажется неоптимальной, в ней может присутствовать довольно большое количество холостых перемещений.

Способность системы «помнить», сколько материала было снято в предыдущих операциях, говорит об «интеллектуальном» потенциале системы. Функция дообработки позволяет автоматически находить недоработанные области и гарантирует получение максимально эффективных траекторий.

К верификатору САМ-системы нужно отнестись очень внимательно. Во-первых, система должна обеспечивать возможность импорта трехмерной модели заготовки из CAD-модуля и верификацию этой модели. Во-вторых, верификатор должен уметь вращать заготовку, динамически масштабировать и перемещать по экрану. В-третьих, при верификации система должна отмечать цветом места зарезов и столкновений инструмента с заготовкой.

Верификаторы большинства современных CAD/САМ-систем имеют несколько режимов работы и множество полезных настроек. Режим верификатора «Turbo» используется для работы со сложными заготовками и большими траекториями, если ожидаемое время процесса верификации слишком велико. При работе в режиме Turbo верификатор производит расчеты и показывает только конечный результат – модель обработанной детали.

Графическое качество процесса верификации сильно зависит от производительности компьютера и от соответствующих настроек верификатора. Как правило, между качеством и скоростью существует прямая зависимость – чем выше качество верификации, тем медленнее она производится.

Обычно верификаторы позволяют осуществлять визуальную проверку 3-осевой обработки. Верификация многоосевой обработки может быть опцией. Следовательно, если вы собираетесь работать с четырьмя или пятью координатами в УП, то лучше проверьте возможности верификатора заранее.

Наиболее продвинутые верификаторы позволяют интенсивно работать с 3D-моделью заготовки. При наличии такого верификатора вы сможете экспортировать модель обработанной детали в другую CAD-систему, проверить ее геометрические размеры или сделать сечение. Дополнительным преимуществом является способность осуществлять проверку не только промежуточного CL-файла, но и кода управляющей программы. Часто возникают ситуации, когда технологу-программисту приходится работать с некачественной 3D-моделью детали. Например, модель может попасть в САМ-модуль «дырявой», то есть имеющей поверхностные нестыковки или исчезнувшие геометрические элементы. Некоторые САМ-системы способны «закрыть глаза» на это, другие же просто не смогут работать с такими моделями и потребуют их «лечения».

Если вы создаете геометрию детали в CAD-системе, которая не является «родной» для САМ-системы, то вам не обойтись без помощи конверторов (трансляторов). Конверторы предназначены для преобразования графических файлов одного формата в графические файлы другого (требуемого) формата. О формате вы можете судить по расширению файлов. Например,.DWG,.DXF,.IGS,.STL,.SAT. При знакомстве с САМ-системой убедитесь в наличии требуемых конверторов и проверьте качество конвертации файлов.

 

Органы управления

Большинство органов управления современного станка с ЧПУ сосредоточены на передней панели стойки ЧПУ. К органам управления относятся различные переключатели и клавиши, а также дисплей, позволяющий оператору «общаться» со станком. Как правило, системы ЧПУ имеют монохромный или цветной электронно-лучевой дисплей, хотя самые современные станки могут быть оснащены жидкокристаллическим дисплеем. Любая стойка ЧПУ имеет клавиатуру: либо полноразмерную, аналогичную клавиатуре обычного персонального компьютера, либо ограниченную, которая позволяет вводить только основные символы и знаки программирования.

Все клавиши, переключатели и рукоятки станка можно условно разделить на несколько функциональных групп:

· Клавиши для ввода различных символов, букв и цифр.
При помощи клавиатуры УЧПУ оператор станка может составить программу обработки прямо на экране, вводя G-коды, различные слова данных и специальные символы программирования (например, знак конца кадра). В случае ограниченной клавиатуры одна клавиша может отвечать за несколько символов (адресов).

· Клавиши редактирования и курсора.
Клавиши редактирования позволяют оператору станка изменять содержимое управляющей программы. Курсорные клавиши предназначены для навигации по программе.

· Программные или экранные клавиши.
Программные клавиши используются для выполнения различных функций в зависимости от программного обеспечения системы ЧПУ и текущего экранного режима. Обычно эти клавиши расположены прямо под дисплеем, а их текущие функции отображаются в нижней части дисплея.

· Клавиши и переключатели режимов работы станка.
Станок с ЧПУ имеет несколько режимов работы. Для перехода из одного режима в другой обычно используется специальный переключатель.

· Кнопки прямого управления осевыми перемещениями.
При помощи этих кнопок оператор может перемещать исполнительные органы станка в осевых направлениях на рабочей подаче или на ускоренной подаче.

· Рукоятки управления скоростью подачи и вращения шпинделя.
Многие станки имеют средства для прямого (без программирования G- и М-кодов) включения/выключения шпинделя и управления скоростью его вращения. Система ЧПУ предоставляет оператору станка возможность корректировки запрограммированной скорости подачи и частоты вращения шпинделя в определенных диапазонах.

· Клавиши и переключатели для работы со специальными функциями станка.
За включение и выключение освещения рабочей зоны станка, управление системой удаления стружки и другие вспомогательные действия отвечают клавиши и переключатели для работы со специальными функциями.

· Клавиши цикла программирования.
За пуск управляющей программы отвечает кнопка Старт цикла, а за ее останов – кнопки Останов подачи или Сброс. К этой же группе относятся клавиши для активации функций выборочной остановки М01, пропуска кадра /, покадрового выполнения программы, пробного прогона и блокировки осевых перемещений.

· Другие органы управления.
Часть органов управления может быть расположена не на самом пульте УЧПУ. Например, выключатель электропитания часто расположен на тыльной стороне корпуса станка, а клавиши управления инструментальным магазином – прямо рядом с окошком для загрузки инструментов. Большая красная кнопка Экстренный останов находится на самом видном и доступном месте.

Практически все станки с ЧПУ имеют маховики, которые дают возможность оператору перемещать исполнительные органы вручную. Как правило, этими маховиками оператор пользуется для выполнения точных операций, таких как поиск нулевой точки или измерение длины инструмента.

Кроме различных органов управления, станок с ЧПУ имеет набор индикаторов. Эти индикаторы (светодиоды или лампочки) могут показывать, пришли или не пришли исполнительные органы станка в нулевую точку, включена ли подача СОЖ, и сигнализируют о возникшей аварийной ситуации.

Рис. 15.1. Кнопка для экстренной остановки станка

Основные режимы работы

Режим автоматического управления. Этот режим является основным для станка с ЧПУ. Именно в этом режиме производится обработка детали по программе. Для запуска УП на выполнение необходимо сначала выбрать активную программу и затем нажать кнопку Старт цикла.

В режиме автоматического управления оператор может влиять на запрограммированную скорость подачи и частоту вращения шпинделя. Рукоятка коррекции ускоренного хода позволяет изменять скорость холостых перемещений исполнительных органов станка обычно в диапазоне от 0 до 150%.

Режим редактирования. В этом режиме оператор станка может вводить новую или редактировать существующую программу обработки вручную, используя клавиатуру УЧПУ.

Возможности по редактированию УП у разных стоек ЧПУ могут значительно отличаться. Простейшие системы позволяют вставлять, удалять и копировать слова данных. Самые современные СЧПУ имеют функции поиска и замены данных (аналогично текстовым редакторам на ПК), копирования, удаления и переноса определенного программного диапазона, способны редактировать УП в фоновом режиме.

Рис. 15.2. Ручной генератор импульсов

Функция фонового редактирования данных позволяет оператору станка создавать или редактировать одну программу при одновременном выполнении другой программы. Для фонового редактирования систему управления необходимо переключить в автоматический режим.

Обычно в режиме редактирования осуществляется ввод/вывод УП с персонального компьютера или другого внешнего устройства. Здесь же можно проверить размер свободной памяти СЧПУ и количество зарегистрированных программ.

Режим ручного ввода данных MDI. Режим ручного ввода данных MDI позволяет оператору ввести и выполнить один или несколько кадров, не записанных в памяти СЧПУ. Обычно этот режим используется для ввода отдельных G- и М-кодов, например для смены инструмента или включения оборотов шпинделя. Введенные команды и слова данных после выполнения или сброса удаляются.

Толчковый режим. Толчковый (старт-стопный) режим обеспечивает ручное перемещение исполнительных органов станка при нажатии на соответствующие клавиши на панели УЧПУ.

Режим управления ручным генератором импульсов или маховиками. В этом режиме осуществляется перемещение исполнительных органов станка при помощи ручного генератора импульсов, который похож на пульт дистанционного управления или при помощи специальных маховиков на панели УЧПУ. Оператор станка может задавать шаг и направление перемещения при помощи специальных переключателей.

Режим возврата в нулевую точку. Возврат исполнительных органов в нулевую точку является стандартной процедурой при включении станка. В этом случае происходит синхронизация станка и системы управления.

Режим прямого числового управления DNC. Режим DNC позволяет выполнять программу обработки прямо из компьютера или другого внешнего устройства, не записывая ее в память системы. Обычно в этом режиме выполняются УП большого размера, которые не могут поместиться в памяти СЧПУ.

Режим редактирования параметров. В этом режиме производят редактирование параметров системы ЧПУ. Пользовательские параметры отвечают за настройку текущей даты и времени, работу в различных режимах и т. д. Системные параметры влияют на функционирование станка в целом. Не рекомендуется самостоятельно изменять значения системных параметров. Иногда вход в область параметров заблокирован и для редактирования требуется ввести специальный код, установленный производителем станка.

Тестовые режимы. У любого станка с ЧПУ есть определенное количество тестовых функций. К ним, например, относятся пробный прогон и покадровая отработка УП. Некоторые системы ЧПУ позволяют осуществлять графическую проверку траектории.

 

Основные режимы работы

Режим автоматического управления. Этот режим является основным для станка с ЧПУ. Именно в этом режиме производится обработка детали по программе. Для запуска УП на выполнение необходимо сначала выбрать активную программу и затем нажать кнопку Старт цикла.

В режиме автоматического управления оператор может влиять на запрограммированную скорость подачи и частоту вращения шпинделя. Рукоятка коррекции ускоренного хода позволяет изменять скорость холостых перемещений исполнительных органов станка обычно в диапазоне от 0 до 150%.

Режим редактирования. В этом режиме оператор станка может вводить новую или редактировать существующую программу обработки вручную, используя клавиатуру УЧПУ.

Возможности по редактированию УП у разных стоек ЧПУ могут значительно отличаться. Простейшие системы позволяют вставлять, удалять и копировать слова данных. Самые современные СЧПУ имеют функции поиска и замены данных (аналогично текстовым редакторам на ПК), копирования, удаления и переноса определенного программного диапазона, способны редактировать УП в фоновом режиме.

Рис. 15.2. Ручной генератор импульсов

Функция фонового редактирования данных позволяет оператору станка создавать или редактировать одну программу при одновременном выполнении другой программы. Для фонового редактирования систему управления необходимо переключить в автоматический режим.

Обычно в режиме редактирования осуществляется ввод/вывод УП с персонального компьютера или другого внешнего устройства. Здесь же можно проверить размер свободной памяти СЧПУ и количество зарегистрированных программ.

Режим ручного ввода данных MDI. Режим ручного ввода данных MDI позволяет оператору ввести и выполнить один или несколько кадров, не записанных в памяти СЧПУ. Обычно этот режим используется для ввода отдельных G- и М-кодов, например для смены инструмента или включения оборотов шпинделя. Введенные команды и слова данных после выполнения или сброса удаляются.

Толчковый режим. Толчковый (старт-стопный) режим обеспечивает ручное перемещение исполнительных органов станка при нажатии на соответствующие клавиши на панели УЧПУ.

Режим управления ручным генератором импульсов или маховиками. В этом режиме осуществляется перемещение исполнительных органов станка при помощи ручного генератора импульсов, который похож на пульт дистанционного управления или при помощи специальных маховиков на панели УЧПУ. Оператор станка может задавать шаг и направление перемещения при помощи специальных переключателей.

Режим возврата в нулевую точку. Возврат исполнительных органов в нулевую точку является стандартной процедурой при включении станка. В этом случае происходит синхронизация станка и системы управления.

Режим прямого числового управления DNC. Режим DNC позволяет выполнять программу обработки прямо из компьютера или другого внешнего устройства, не записывая ее в память системы. Обычно в этом режиме выполняются УП большого размера, которые не могут поместиться в памяти СЧПУ.

Режим редактирования параметров. В этом режиме производят редактирование параметров системы ЧПУ. Пользовательские параметры отвечают за настройку текущей даты и времени, работу в различных режимах и т. д. Системные параметры влияют на функционирование станка в целом. Не рекомендуется самостоятельно изменять значения системных параметров. Иногда вход в область параметров заблокирован и для редактирования требуется ввести специальный код, установленный производителем станка.

Тестовые режимы. У любого станка с ЧПУ есть определенное количество тестовых функций. К ним, например, относятся пробный прогон и покадровая отработка УП. Некоторые системы ЧПУ позволяют осуществлять графическую проверку траектории.

 

 

Управление станком с ЧПУ