Опыт изготовления деталей сложной геометрической формы на примере лопасти модели движителя

Несмотря на относительно высокую стоимость, станки с числовым программным управлением (ЧПУ) получают все большее распространение по сравнению с традиционными универсальными станками. К преимуществам использования станков с ЧПУ можно отнести:

• высокий уровень автоматизации производства (вмешательство оператора станка в процесс изготовления сводится к минимуму, появляется возможность обслуживания нескольких станков одновременно);
• производственную гибкость (для обработки разных деталей нужно лишь заменить программу);
• высокую точность и повторяемость обработки;
• обработку деталей сложной геометрической формы;
• прогнозирование времени обработки.

Таким образом, вопросы внедрения и использования станков с ЧПУ на обрабатывающих производствах являются актуальными. Рассмотрим опыт изготовления деталей сложной геометрической формы в опытно-экспериментальном производстве (ОЭП) ОАО ЦКБ МТ «Рубин» на примере лопасти модели движителя (рис. 1).

Обработка любой детали на станке с ЧПУ предполагает последовательное прохождение следующих типовых этапов: выбор станка, выбор CAM-системы, создание программы обработки, генерация машинного кода, доводка и оптимизация кода. Для обработки лопасти был выбран вертикально- фрезерный обрабатывающий центр Fryer MC-80 (рис. 2), а для создания программы — программный комплекс Autodesk Inventor с интегрированной CAM-системой IventorCAM.

Технические характеристики обрабатывающего центра Fryer MC-80

Перемещение по оси x, мм...................... 2035
Перемещение по оси y, мм........................890
Перемещение по оси z, мм ....................... 760
Нагрузка на стол, кг................................. 2270
Размеры стола, мм............................765х2365
Мощность двигателя, кВт........................ 18,6
Частота вращения шпинделя,
об/мин.......................................................6000
Число инструментальных
позиций, шт..................................................24
Точность позиционирования,
мм...................................................... +/–0,005
Повторяемость, мм........................ +/–0,0025

Комплекс Autodesk Inventor — IventorCAM традиционно используется в ОЭП, поскольку позволяет гибко работать с моделью: вносить изменения в модель без риска потери данных при импорте, легко синхронизировать эти изменения с управляющим файлом. Консультантами на этом этапе выступили сотрудники компании InterCAD. Оценив задачи проекта, его технологическую сложность и потенциальные затраты по каждому из вариантов, они предложили остановиться именно на связке Autodesk Inventor — IventorCAM. Эта система обладала необходимыми возможностями и не имела излишнего функционала, за который в ином случае пришлось бы переплачивать.

Выбор оборудования и программного обеспечения позволил сформулировать специфические задачи, которые потребовалось решить в ходе выполнения данной работы, а именно:

• закрепление лопасти на станке, обеспечивающее надежную фиксацию в ходе обработки;
• создание программы для станка с ЧПУ при отсутствии типовых алгоритмов;
• реализация обработки поверхностей сложной геометрической формы в рамках 4-координатной обработки;
• обеспечение совместимости машинного кода и программного обеспечения станка.

Закрепление лопасти на станке представляло сложность в силу ее небольших размеров и сложной формы. Заготовка представляет собой прямоугольный параллелепипед размерами 205 х 110х60 мм. Технологическая проработка показала целесообразность предварительного изготовления торца основания лопасти и закрепления его на оправке (рис. 3). Оправка зажималась в шпинделе, размещенном на столе станка, и использовалась для точного позиционирования заготовки, а также задания нулевой отметки, соответствующей началу координат в InventorCAM.

Создание программы для 4-координатного станка с ЧПУ. Совместно с поставщиком программного обеспечения компанией InterCAD был проведен поиск существующих алгоритмов решения задачи обработки применительно к лопасти, который показал, что аналогичные работы в InventorCAM отсутствуют. Дополнительной трудностью было то, что взаимное перемещение инструмента и заготовки ограничивалось четырьмя координатами (рис. 4).

В результате операция фрезерования была разбита на шесть переходов:

• черновая обработка заготовки концевой фрезой диаметром20 мм, объемный припуск 2 мм;
• получистовая обработка нагнетательной и засасывающей сторон, нижних кромок лопасти и галтелей сферической фрезой диаметром 10 мм, объемный припуск 0,4 мм;
• чистовая обработка концевой (наружной) кромки лопасти сферической фрезой диаметром 10 мм, объемный припуск 0,1 мм;
• чистовая обработка пера лопасти сферической фрезой диаметром 10 мм, объемный припуск 0,1 мм. Отличительной особенностью данного перехода является то, что при его выполнении происходит вращение заготовки вокруг оси X (см. рис. 3);
• чистовая обработка нижних кромок лопасти и галтелей сферической фрезой диаметром 10 мм, объемный припуск 0,1 мм;
• чистовая обработка галтелей сферической фрезой диаметром 3 мм, объемный припуск 0,1 мм.

Таким образом, для каждого перехода задавались тип обработки, обрабатываемые поверхности, инструмент, режимы резания, подвода и отвода инструмента, величина припусков. После расчета каждого перехода контролировалось взаимное перемещение инструмента и заготовки при помощи модуля визуализации (рис. 5).

а — анализ столкновений; б — остаточный материал (числовые значение в мм);
в — траектория инструмента; г — визуализация на станке

Следует отметить, что при кажущейся формальной простоте разработки технологического подходак обработке изделия успех процесса полностью зависит от практического опыта инженера. В ходе обработки возможно появление вибрации, деформации изделия, да и просто непредсказуемое поведение станка. Предотвратить и предупредить такие отклонения можно тем эффективнее, чем опытнее технолог, организующий процесс. Команда компании InterCAD показала прекрасное знание практической стороны вопроса, и мы добились высокого качества обработки, затратив минимальное количество заготовок.

Обеспечение совместимости. Генерация управляющей программы в InventorCAM может осуществляться как для одного перехода, так и для операции фрезерования в целом, что позволяет в значительной степени автоматизировать процесс обработки. В то же время важным критерием при создании файлов управляющей программы оказался их размер, так как стойка станка с ЧПУ оборудована носителем информации объемом 2400 кбайт.
Доводка и оптимизация полученного машинного кода с целью обеспечения совместимости составляет процесс написания постпроцессора. Под этим термином мы понимаем специальный программный код для превращения внутренних настроек программы в текстовый файл, понятный данной стойке ЧПУ. Разработка уникального постпроцессора, адаптированного под конкретное оборудование и решающего специфические задачи, может стать серьезной задачей, требующей времени, опыта и специальных знаний. Экспертные консультации специалистов компании InterCAD помогли нам избежать ошибок в этой области, обойти некоторые технологические «странности» оборудования и сэкономить заготовки.

Постпроцессоры направляли обработку в следующих направлениях:

• анализ ускоренных перемещений инструмента;
• исключение столкновений заготовки и инструмента;
• уменьшение потерь времени на подвод и отвод инструмента;
• оптимизация размера файлов с кодом управляющей программы.

Изменения и дополнения в управляющую программу вносились с помощью вариации параметров обработки в InventorCAM, правки машинного кода в текстовом редакторе или при помощи программ, созданных в VBA Microsoft Excel.

Проверка готовой лопасти. Точность изготовления лопасти проверялась при помощи трехмерного сканирования поверхности готовой детали, закрепленной прямо на станке, что весьма удобно в случаях, когда анализ показывает необходимость дополнительной обработки. Сравнение результатов сканирования и теоретической модели, представленное на рис. 6, было проведено при использовании программного продукта Geomagic, также поставленно го компанией InterCAD. Наблюдается удовлетворительное совпадение реальных поверхностей лопасти и поверхностей 3D-модели.

Заключение. Описанный процесс изготовления лопасти модели движителя демонстрирует эффектив ость станков с ЧПУ при производстве деталей, поверхность которых не может быть получена на универсальных станках. Использование специализированного программного обеспечения, такого как Autodesk Inventor, InventorCAM, Geomagic, а также оборудования для 3D-сканирования, позволяет в короткие сроки получить управляющий код и качественно обработанную готовую деталь в условиях единичного и мелкосерийного производства. Наилучшие результаты могут быть достигнуты при оптимальном сочетании детали, станка и CAM-системы.