ПРОГРАММЫ

5-осевая позиционная обработка в PowerMILL:
«3+2»-фрезерование

При «3+2»-обработке поворотные движения выполняются вне процесса резания. Это как бы набор 3-осевых траекторий, выполняемых для разного положения оси инструмента. В данном случае жесткость технологической системы существенно выше. Отличие от 3-осевого варианта здесь состоит в том, что можно использовать более короткий инструмент для работы вблизи высоких стенок и для обработки поднутрений (рис. 1 и 2).

Рис. 1. Использование инструмента малого диаметра для обработки высоких стенок

Для более короткого инструмента можно использовать более высокие скорости обработки без потери точности. Кроме того, можно использовать инструмент меньшего диаметра, что сокращает объем последующих доработок и ручных операций и в ряде случаев позволяет исключить электроэрозионную обработку.

Рис. 2. Схема обработки высоких стенок фрезой малого диаметра

Еще одним положительным моментом, который обусловлен наклоном инструмента, является то, что резание в этом случае осуществляется периферийной частью инструмента (вершина инструмента, где условия резания наихудшие, выведена из обработки), а это улучшает качество поверхности и увеличивает стойкость инструмента. На рис. 3 представлена доработка вогнутых углов на высокой стенке матрицы инструментом, наклоненным на 45° относительно глобальной системы координат. Красным цветом показана локальная система координат, используемая для расчетов.

Рис. 3. Доработка вогнутых углов вблизи высокой стенки (с использованием «3+2»-обработки в PowerMILL)

Есть и еще один аргумент в пользу позиционной, а не непрерывной 5-осевой обработки — это высокоскоростная обработка. Если поворотные оси работают как установочные, то шпиндельная головка (или стол) фиксируется до начала резания, поэтому в процессе резания можно использовать режимы, характерные для этого вида обработки. К тому же фиксированное положение системы координат позволяет легче и, главное, быстрее контролировать возможность столкновений или зарезаний, а для непрерывной 5-осевой обработки такие расчеты более трудоемки.

5-осевое сверление

Значительная экономия времени достигается и при сверлении множества отверстий, оси которых имеют различную ориентацию в пространстве. На первый взгляд сверление кажется более простой операцией по сравнению с фрезерованием, но практика показывает, что при ручном перепозиционировании изделия для 3-осевого сверления часто возникают ошибки, приводящие к браку изделия. В свою очередь, 5-осевое сверление выполняется автоматически, что увеличивает производительность и устраняет ошибки (рис. 4).

Рис. 4. Пример 5-осевого сверления

Кроме того, современные CAD-системы (например, PS-MoldMaker фирмы Delcam plc) могут передавать информацию об отверстиях в CAM-систему в виде списка. Такая информация включает не только координаты и расположение оси отверстия, но и его тип, и на ее основе PowerMILL может назначить стратегию и режимы сверления автоматически для всего списка.

Пример обработки крыльчатки

Рассмотренные стратегии проиллюстрируем на примере обработки весьма сложного изделия — крыльчатки. Здесь можно выделить три этапа: подготовку модели, черновую выборку полостей и чистовую обработку лопастей (рис. 5).

Полностью изделие представлено на рис. 5а; по нижним кромкам соседних лопастей создается направляющая поверхность (на рис. 5б показана черным цветом), которая своей нормалью будет задавать ориентацию оси при выборке межлопастной полости.

Рис. 5. Пример 5-осевой обработки крыльчатки:
а — модель изделия; б — направляющая поверхность для 5-осевой черновой обработки;
в — однопроходная обработка полости с использованием направляющей поверхности;
г — то же, но многопроходная; д — обработка лопасти боковой
стороной фрезы многопроходная; е — то же, но однопроходная

Использование такой поверхности позволяет применить переменный (параметрический) шаг, то есть проходы будут следовать вдоль образующих этой поверхности. Подвод и отвод инструмента для каждого прохода в этом случае осуществляются за пределами полости. На рис. 5в показана однопроходная (здесь виден переменный шаг проходов), а на рис. 5г — многопроходная обработка полости (осуществляется при необходимости) с заданием оси инструмента по нормали к направляющей поверхности. Все это — черновая обработка.

Далее осуществляется обработка боковой поверхностью фрезы лопастей крыльчатки. На рис. 5д представлен многопроходный (получистовой), а на рис. 5е — однопроходный (чистовой) вариант обработки.

Адаптация к конкретному оборудованию

Компоновка
Большинство 5-осевых станков имеет 3 линейные (X, Y и Z) и 2 поворотные оси. Несмотря на большое разнообразие станков, их можно свести к следующим компоновкам:

«стол-стол» — поворот по обеим осям осуществляет стол. В этой компоновке ось инструмента не меняется. Для программирования следует знать положение заготовки относительно поворотных осей.
«головка-головка» — поворот по обеим осям осуществляет шпиндельная головка. При этой компоновке заготовка остается фиксированной, поэтому для программирования надо знать положение кромки инструмента относительно поворотных осей и длину инструмента.
«стол-головка» — поворот по одной оси выполняет стол, а по второй — шпиндельная головка. В этом случае ориентация и инструмента и заготовки меняется, так что для программирования нужно знать положение вершины инструмента относительно поворотной оси головки (а значит, и длину инструмента) и положение заготовки относительно поворотной оси стола.

Трансформация осей
На 3-осевых станках все оси линейные и независимые, поэтому движение по одной координате не меняет остальных координат. На 5-осевых станках линейные оси по-прежнему независимы, а вот движение по поворотной оси изменяет не только наклон оси, но и позицию вершины инструмента. Кроме того, поворотные оси часто взаимозависимы. Вследствие этого любое движение поворотной оси требует компенсационных движений линейных осей и корректировки второй поворотной оси.

Старые системы ЧПУ были не способны производить расчет компенсации в реальном процессе времени, поэтому эти расчеты выполнялись постпроцессором. Современные системы ЧПУ производят расчет компенсаций самостоятельно и могут программироваться непосредственно заданием координат вершины и ориентации оси инструмента. PowerMILL поддерживает оба этих способа.

Зона обработки
Зона обработки для случая 3-осевой обработки рассчитывается достаточно просто, но при 5-осевой обработке не всегда можно заранее представить выполнимость требуемого движения инструмента. Поэтому проверку на предельные значения осей производит постпроцессор.

Линеаризация круговых движений
При 5-осевой обработке важное значение имеет линеаризация движений (при 3-координатной обработке для этого служит функция G01). На ускоренных движениях (с функцией G00) линеаризация движений может не выдерживаться. Специальное устройство — интерполятор — выполняет эту задачу.

При установочном движении вокруг поворотной оси кромка инструмента движется по дуге, и если угол поворота достаточно большой, то на этом участке возможен зарез (рис. 6). Большинство систем ЧПУ не производят линеаризацию таких движений аппаратно из-за трудоемкости расчетов. Данную задачу выполняет постпроцессор, и в систему ЧПУ выдается последовательность коротких движений, рассчитанных с заданным допуском, вместо одного кругового движения (рис. 7). Постпроцессор PowerMILL поддерживает оба упомянутых варианта.

Рис. 6. Траектория вершины инструмента при повороте оси

Рис. 7. Траектория вершины инструмента при повороте оси с линеаризацией

Управление подачей
При проведении резания важно, чтобы инструмент двигался с определенной подачей. Для 3-осевой обработки, где все оси независимы, по требуемой (результирующей) подаче достаточно легко рассчитать подачи по каждой оси, и эту задачу обычно выполняет система управления станка. В случае 5-осевой обработки задача значительно сложнее, так как круговые оси не являются независимыми — для правильных расчетов необходимо знать и длину инструмента, и расположение заготовки относительно осей поворота, вследствие чего большинство систем управления не реализуют такие расчеты аппаратно. CAM-системе известны все необходимые данные, поэтому такие расчеты следует выполнять при подготовке управляющей программы. PowerMILL поддерживает управление подачей.

Имитация обработки
Если при 3-осевой обработке для контроля столкновений достаточно рассматривать только деталь, инструмент и державку, то при 5-осевой обработке очень важен контроль столкновений узлов станка. На рис. 8 показан процесс имитации обработки для станка Mazak, выполняемый в системе PowerMILL.

Рис. 8. Процесс имитации обработки для станка Mazak в системе PowerMILL

Интерфейс PowerMILL

Несмотря на многообразие своих возможностей, PowerMILL достаточно прост в освоении: интерфейс и документация переведены на русский язык; все параметры логично сгруппированы (на рис. 9 представлено окно задания параметров для обработки боковой стороной фрезы).