Методика коррекции Управляющих программ для обработки методом концевого фрезерования на станках с ЧПУ

Методика коррекции Управляющих Программ для обработки методом концевого фрезерования на станках с ЧПУ

В.А. Залога, д-р техн. наук;

Д.В. Криворучко, канд. техн. наук;

Д. Г. Голдун

Сумский государственный университет

В статье описан метод увеличения продуктивности 2D концевого фрезерования. Основной идеей является коррекция траектории инструмента и режимов резания перед выполнением обработки с целью получения высокой точности и низкой шероховатости обработанной поверхности. Работоспособность данного подхода была доказана с помощью его полуэкспериментальной реализации.

В настоящее время машиностроение развивается быстрыми темпами. Создаются новые материалы, новые более точные методы расчетов, принципы проектирования машин и механизмов. Конфигурация деталей современных машин усложняется, так же, как и увеличиваются прочность и твердость материалов, из которых они должны быть изготовлены. Растут требования к точности и качеству обработанной поверхности. Все это сопровождается уменьшением объема выпускаемых изделий с одновременным увеличением их номенклатуры. В связи с этим становится необходимым разрабатывать новые и совершенствовать известные методы обработки деталей машин, в том числе и обработки резанием.

Одним из перспективных и универсальных методов обработки является процесс высокоскоростного концевого фрезерования, которое за счет увеличения скорости главного движения резания и соответственно скорости подачи позволяет обеспечить многократное увеличение производительности и/или снижение себестоимости обработки. Вместе с тем, для обеспечения требуемого качества обработанных этим методом поверхностей, особенно сложнопрофильных и формируемых с неравномерно распределенным припуском, требует применения принципиально новых подходов при разработке управляющих программ (УП).

В данной работе ставится задача установления факторов, определяющих точность формируемого профиля в условиях быстрых перемещений в движении подачи и разработки общего алгоритма компьютерной системы, позволяющей оптимизировать УП для ЧПУ таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная производительность при соблюдении требуемых чертежом точности и качества обработанной поверхности, а также разработки методики повышения производительности концевого фрезерования с учетом компенсации деформации отдельных элементов технологической системы, в частности инструмента, при обработке 2D контуров.

Рассмотрим некоторый 2D контур, ограничивающий деталь. В общем случае это может быть сечение 3D детали при его послойной обработке, или деталь, имеющая одинаковые сечения по всей высоте. Заготовка, из которой будет изготавливаться данная деталь, имеет припуск на обработку вдоль всей обрабатываемой поверхности. В общем случае примем припуск по контуру детали неравномерным. При традиционном фрезеровании, когда силы резания, как правило, относительно большие, вследствие чего могут иметь место значительная деформация инструмента (фрезы) и вибрации, а соответственно и искажение контура, для обеспечения необходимой точности формируемой поверхности обработку рекомендуется осуществлять, как минимум, за два перехода: черновое фрезерование, когда удаляется большая часть припуска, и чистовое, когда срезается оставшаяся часть припуска и формируется обработанная поверхность с заданной точностью. Если припуск неравномерный по контуру детали, то технологический процесс для обеспечения требуемой точности обработанной поверхности состоит из двух переходов даже в том случае, если величина припуска может быть снята и за один переход. Таким образом, при исключении чернового перехода появляется возможность существенного уменьшения основного времени при обработке сложноконтурных деталей с относительно небольшим неравномерным припуском. В этом случае на стадии проектирования УП необходимо так подобрать величину подачи и траекторию фрезы, чтобы обеспечивались заданные точность размеров и форма обработанной поверхности, а также отсутствовали вибрации во время обработки.

Такая задача может быть решена путем увеличения скорости резания, т.е. уменьшения силы резания, и разработки УП по специально разработанной методике, общая схема которой представлена на рисунке 2.

Управляющая программа для ЧПУ, разработанная в одном из САМ пакетов, например, SurfCAM, последовательно подвергается анализу на наличие искажений фактической траектории фрезы. Для этого после ввода УП из САМ системы задаются частота вращения фрезы и скорость подачи. Значения их принимаются равными средним рекомендуемым для данных условий и принимаются постоянными вдоль всей траектории фрезы в движении подачи (блок 1).

На первом этапе (блок 2) производится проверка искажений траектории из-за действия динамических сил, возникающих при изменении направления движения фрезы [1], например, при обходе угловой точки (рис. 3). Если выявлены участки траектории, где необходима коррекция, то в УП вносятся соответствующие изменения.

Для устранения искажений в результате действия динамических сил при подходе к угловой точке традиционно применялось торможение. Однако торможение приводит к увеличению основного времени обработки и, следовательно, в нашем случае неэффективно. Без торможения решить эту проблему можно за счет изменения траектории - перемещения фрезы в районе угловой точки по петле [1] (рис. 3). Минимальная скорость подачи, при которой необходима такая коррекция траектории, зависит от массы рабочих органов станка.

На втором этапе (блок 3) выполняется анализ автоколебаний фрезы при ее перемещении вдоль теоретической траектории. Теоретические основы прогнозирования автоколебаний при концевом фрезеровании заложили Altintas Y. и его сотрудники [2]. На каждом участке выбираются такие подача и частота вращения фрезы, которые обеспечивают обработку данного участка с максимальной минутной подачей при условии, что амплитуда автоколебаний не превышает допустимую, а шероховатость обработанной поверхности не больше заданной чертежом. Одновременно проверяется условие: не будет ли более производительным выполнение обработки на данном участке за два или более проходов. При необходимости корректируется траектория фрезы и вносятся изменения в УП.

На третьем этапе (блок 4) производится определение отклонения фактической траектории фрезы от теоретической, вызванное деформацией технологической системы под действием постоянной составляющей силы резания. Методика этой процедуры разрабатывалась ранее, например, Петраковым Ю. В. [3], Крыжановским С. А. [4] и др. В результате определяется новая траектория фрезы, эквидистантно смещенная в каждой точке теоретической траектории на величину деформации технологической системы. В результате после обработки обработанная поверхность окажется в поле допуска, заданном чертежом.

Если все условия выполнены (блок 5), то УП передается на станок для исполнения. В противном случае этапы 2 и 3 повторяются.

В представленной методике блок 4 наиболее важный, поскольку именно он определяет точность обработки. В связи с этим при создании компьютерной системы необходимо доказать возможность повышения производительности концевого фрезерования за счет коррекции траектории. Для этого была разработана полуэкспериментальная методика коррекции траектории фрезы на основе измерений ранее обработанной детали.

Сущность методики заключается в том, что обработка партии 2D деталей производится в два этапа. Сначала в одной из САМ систем создают УП на основе контура детали, заданного чертежом, и программируют обработку за один проход. По этой УП выполняют обработку тестовой детали в тех же условиях, в которых предполагают обрабатывать всю партию деталей. С помощью сканера получают растровое изображение фактического контура обработанной детали. Сравнивают этот контур с теоретическим, в результате чего получают «поправки», которые компенсируют деформацию технологической системы на каждом участке траектории. Используя эти «поправки», вычисляют новую траекторию и после этого выполняют обработку остальной части партии деталей.

Следует отметить некоторые особенности в реализации приведенной методики. В частности, проблематичным является процедура точного совмещения теоретического и фактического контуров. Эта проблема может быть успешно решена, если на тестовой заготовке предварительно выполнить «метки», например, предусмотреть сверление базовых меток центровочным сверлом малого диаметра с последующим совмещением контуров по ним.

Другой проблемой является получение геометрически точного растрового изображения обработанного контура, поскольку любое изображение, полученное со сканера, имеет искажения в сравнении с оригиналом - дисторсию. В результате дисторсии изображение прямоугольной сетки приобретает бочкообразную (отрицательная дисторсия) или подушкообразную (положительная дисторсия) геометрию, так как показано на рис. 4а и 4б соответственно. Поскольку такие искажения носят относительно стабильный характер, то имеется возможность исправить их с помощью программных средств на основе матрицы коррекции [5].

Рисунок 5 - Чертёж лопатки (все размеры в мм)

Для этого выполняют калибровку сканера сканированием высокоточного эталона и определяют матрицу коррекций сравнением эталона с изображением. Данная процедура выполняется несколько раз через достаточно длительные (например, несколько часов) промежутки времени. В результате получают усредненную матрицу коррекции и инструментальную погрешность измерений сканера. В наших опытах использовался сканер Mustek 1200СР, а его инструментальная погрешность при разрешении 600 dpi измерений не превышала 49 мкм.

Практическую реализацию методики рассмотрим на примере обработки лопатки диффузора (рис. 5). Заготовка представляет собой параллелепипед с размерами 220_-1х20_-0.3 мм (рис. 6).Высота лопатки-40 мм. Обрабатываемый материал - сталь 20.

Обработку детали осуществляли на станке 6Р13Ф3 с системой ЧПУ 2С42-65, сопряженной с ЭВМ по параллельному интерфейсу. Применялась фреза из быстрорежущей стали Р6М5 диаметром 32 мм. Частота вращения шпинделя - 400 об/мин, номинальная минутная подача - 76 мм/мин. Обработка велась с СОЖ.

Управляющая программа на основе контура детали, заданного чертежом, была разработана в системе SURFCAM 2000. При построении УП система SURFCAM 2000 разбила обрабатываемый контур на 100 отрезков различной длины (рис. 6). Для обеспечения возможности совмещения растрового изображения обработанного контура с теоретическим контуром были предусмотрены 2 технологических отверстия диаметром 2 мм на торце лопатки.

Рисунок 6 - Теоретический профиль лопатки (все размеры в мм)

Методом проб и ошибок было установлено, что обработка с допустимой амплитудой автоколебаний и заданной величиной шероховатости возможна, если на участках с большим припуском уменьшать подачу в соответствии с рисунком 7.

Рисунок 7 - Эпюра распределения величины подачи

Были выполнены обработка тестовой лопатки и ее сканирование. С помощью полученного изображения определили, что фактический контур лопатки смещен на 0.15-0.38 мм (рис. 8), причем наибольшее смещение оказалось на участках с наибольшим припуском. Используя эти данные, была построена новая траектория, разработана новая УП и выполнена обработка следующей детали, сканирование которой показало, что отклонение фактического контура от теоретического не превысило 50 мкм (рис. 9). При обработке последующих 79 лопаток по этой же УП погрешность обработки не превысила 100 мкм.

Таким образом, представленная методика коррекции УП для обработки методом концевого фрезерования на станках с ЧПУ, позволяющая обеспечить максимальную производительность обработки и выполнение при этом требований чертежа по точности формы, размера и шероховатости обработанной поверхности. Экспериментально доказана работоспособность данной методики. Максимальная погрешность обработки по скорректированной УП лопатке диффузора на одной лопатке составляла не более 50 мм, а в партии из 80 шт. - 100 мкм.

Summary

An approach to increasing of 2D end-milling productivity is described in this article. The main idea is correction of toolpath and cutting conditions before machining with the aim of providing high accuracy and low roughness of machined surface. The principal workability of the approach is proved by semiexperimental realization of its part.

Список литературы

1. Козлов А. С. Средства оптимизации высокоскоростной фрезерной обработки при производстве технологической оснастки//Оборудование и инструмент. -2005. -№10. -С. 48-51.

2. Engin S., Altintas Y. Generalized Modeling of Milling Mechanics and Dynamics: Part I. Helical End Mills// Proceedings of ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition Symposium, Machining Science and Technology, Nashville, Tennessee, USA. -1999. - C. 125-132.

3. Петраков Ю. В. Автоматичне управління процесами обробки матеріалів різанням: авчальний посібник. - Київ: УкрДІАТ, 2003. - 383 с.

4. Крижановський С. А. Прогнозування параметрів процесу контурної обробки кінцевими фрезами на основі моделювання процесу різання та точності обробки дисс... кандидата. техн. наук:05.03.01/ ХНУ. - Хмельницький, 2005. -235 c.

5. Алсынбаев К.С., Ерофеев С.Г., Ким П.А. Калибровка ординарных сканеров по набору эталонных сеток для ввода картографических изображений//ГИС для устойчивого развития окружающей среды. -1997. -C.362-368.