Решение задач технологической подготовки производства деталей, получаемых методом электроэрозионной проволочной обработки (на примере деталей пресс-форм в Pro/ENGINEER)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Решение задач технологической подготовки производства деталей, получаемых методом электроэрозионной проволочной обработки (на примере деталей пресс-форм в Pro/ENGINEER)

А.В. Рыбаков, А.А. Окунькова

Аннотация

Рассмотрены существующие методы получения формообразующих поверхностей деталей пресс-форм, особенности и различия механических и электроэрозионных проволочных (ЭЭП) методов обработки, способы представления зоны обработки детали в САМ-системе и пример применения методов поверхностного моделирования в качестве универсального подхода при формировании траектории движения режущей проволоки при 4-осевой ЭЭП обработке.

Ключевые слова: ТПП; электроэрозионная проволочная обработка; оборудование с ЧПУ; детали пресс-форм.

Электроэрозионная проволочная (ЭЭП) обработка незаменима в инструментальном производстве при изготовлении: матриц и пуансонов штампов для операций вырубки-пробивки; формообразующих поверхностей пресс-форм для литья пластмасс; шаблонов, фасонных резцов и т.п. [1; 2].

Область применения ЭЭП обработки обусловлена двумя ее главными преимуществами:

1. Электроэрозионная обработка является очень эффективной технологией при обработке твердых и высокопрочных сплавов [2; 3].

2. На электроэрозионном станке с ЧПУ по одной и той же программе без коррекции можно изготовить идентичные изделия (вследствие того, что инструмент - непрерывно перематывающаяся проволока - имеет постоянное сечение).

На мировом рынке металлообработки представленные предложения от производителей электроэрозионного (ЭЭ) оборудования значительно расширяют возможности ее применения. На международных выставках количество стендов с ЭЭ станками с ЧПУ и комплектующими свидетельствует об активном развитии этой области. Так, на международной выставке металлообработки «EMO-2007», которая проходила с 17 по 22 сентября 2007 г. в Ганновере (Германия), было представлено 29 стендов в одном павильоне площадью в 4 футбольных поля [4].

Только на рынке металлообрабатывающего оборудования Тайваня сейчас представлено более 50 фирм-производителей ЭЭ оборудования, а в Китае их более 450 [5]. И это не считая предложений Японии (где сосредоточен на текущий момент мировой центр ведущих производителей оборудования с ЧПУ), Европы и Индии (их ЭЭ оборудование не только отвечает всем современным стандартам, но и обладает доступными ценами).

На данный момент производители ЭЭ оборудования расширяют возможности по обработке деталей применением дополнительных поворотных столов и поворотных головок [6].

На сегодняшний день геометрия резания на ЭЭ оборудовании позволяет получить конфигурацию деталей такой сложности, которая не может быть обеспечена никаким другим видом обработки (рис.1).

Также бурный рост область ЭЭ обработки получила вследствие развития применения новых диэлектриков [7], которые увеличивают производительность обработки и обладают хорошими экологическими показателями.

Предложения на рынке CAM-систем делают возможной реализацию практически любой геометрии деталей, изготовляемых методами ЭЭ обработки. На международной выставке металлообработки «EMO-2007» два павильона было отведено под стенды с предложениями по САМ-системам (48 стендов). Представленные мировые производители универсальных CAD/САМ-систем предлагают использовать специализированные пакеты для программирования 2- и 4-осевой ЭЭП обработки.

Кроме этого, многие производители ЭЭ оборудования снабжают системы ЧПУ своих станков встроенными простейшими САМ-системами, построенными по принципу преобразования отрисованной геометрии зоны обработки детали в управляющую программу (УП).

Это делает возможным и доступным применение недорогого ЭЭ оборудования для небольших предприятий, где нет возможности купить специализированный пакет САМ-систем для программирования ЭЭ обработки деталей.

Поэтому на текущий момент актуальна задача совершенствования использования средств технологической подготовки производства (ТПП) деталей, изготовляемых методом ЭЭ обработки. Это могут быть детали пресс-форм, инструмент 2-го порядка (фасонные резцы, электроды), штампы для листовой штамповки (для операций вырубки-пробивки, вытяжки), а также элементы формы деталей, недоступные для фрезерной обработки, и детали, изготовленные из трудно обрабатываемых резанием материалов (твердых сплавов).

В современном мире все больше нас окружают изделия, изготовленные из пластмасс методом литья под давлением. Это связано с развитием технологий литья и процессов создания формообразующих поверхностей деталей пресс-форм (ПФ).

Детали ПФ можно условно разделить на 2 группы (рис.2):

1. С наличием формообразующих поверхностей (матрицы, пуансоны, инструмент 2-го порядка, формирующий указанные поверхности).

2. Без формообразующих поверхностей (плиты, втулки, толкатели и т.п.).

Изготовление формообразующих поверхностей деталей ПФ составляет до 80% трудоемкости ее создания и часто требует использования методов ЭЭ обработки, в частности ЭЭП обработки.

Первая группа деталей ПФ (формообразующие детали - ФОД) характеризуется наличием уникальной по своей форме зоны обработки, сформированной требованиями, предъявляемыми к конечному пластмассовому изделию и его технологичности при литье. Если к тому же зона обработки характеризуется тем, что ее образующая - прямая линия, то получить такую поверхность можно только двумя способами: фрезерной или ЭЭП обработкой (часто 4-осевой из-за наличия технологических уклонов на поверхности изделия).

Рис. 2. Методы программирования системы ЧПУ в зависимости от характера зоны обработки и назначения детали ПФ

В данном случае программирование движений инструмента в зоне обработки детали затруднительно реализовать без использования средств автоматизированной ТПП деталей, в частности без использования CAM-систем тяжелого уровня, таких, как Pro/ENGINEER, UG, DELCAM и т.п.

Вторая группа деталей ПФ (плиты и т.п.) характеризуется наличием простых по геометрии зон обработки. Часто это сквозные цилиндрические отверстия, отверстия прямоугольного сечения (отверстия под толкатели особой формы). Цилиндрические отверстия можно получить механическими способами обработки. Однако если отверстие относительно небольшого размера (меньше диаметра фрез в наличии), если отношение его диаметра к длине больше 10 или оно не цилиндрической формы, единственный способ его получения - 2-осевая ЭЭП обработка.

При программировании в системе ЧПУ движений инструмента в зонах обработки такого типа наибольшее распространение получило использование ручного ввода (ввод кодов УП непосредственно со стойки станка) и простейших САМ-систем (встроенных в систему ЧПУ или установленных как отдельное приложение на ЭВМ). Простейшие САМ-системы построены по принципу преобразования эскиза геометрии зоны обработки в текст УП (например, UNICAM). Также возможно программирование системы ЧПУ посредством параметризованных макроподставок.

Применение методов ЭЭП обработки при получении поверхностей деталей ПФ имеет ряд преимуществ перед механическими способами на основе физических и геометрических особенностей.

Перечислим особенности применения ЭЭП обработки:

1. Возможно получение поверхности без видимого следа от инструмента.

2. Основное требование к обрабатываемому материалу - электропроводимость.

3. Режущий инструмент - бесконечно перематывающаяся проволока.

4. Создается особая фактура поверхности, которая предпочтительна на ФОД ПФ при литье пластмасс [8].

5. Поверхность детали после применения обработки насыщена углеродом и обладает повышенной прочностью, что препятствует быстрому износу ПФ.

6. Скорость обработки довольно низкая (порядка 1…3 мм/мин на черновых режимах обработки), но возможно обеспечение круглосуточной работы оборудования.

Результаты сравнения применения фрезерной и ЭЭП обработки при получении ФОД ПФ приведены в таблице.

деталь электроэрозионный проволочный обработка

Таблица. Сравнение применения методов фрезерной и ЭЭП обработки при получении формообразующих поверхностей деталей ПФ

Примечание: Размещено на http://www.allbest.ru/

- имеет преимущество при сравнении; Размещено на http://www.allbest.ru/

- имеет недостаток при сравнении.

При анализе геометрии поверхностей, получаемых методом ЭЭП обработки, можно выделить следующие типы зон обработки (рис.3):

1. Вертикальная стенка - верхний и нижний контуры зоны обработки идентичны, угол наклона образующей - 0є, такой тип зоны обработки можно отнести к 2-осевой ЭЭП обработке.

2. Наклонная стенка с постоянным углом наклона - верхний и нижний контуры зоны обработки идентичны по геометрии (по форме), но разные по габаритам (по масштабу), угол наклона образующей - постоянный, такой тип зоны обработки можно отнести к 3-осевой ЭЭП обработке.

3. Наклонная стенка с переменным углом наклона - верхний и нижний контуры зоны обработки разные по геометрии и габаритам, угол наклона образующей - переменный, такой тип зоны обработки можно отнести к 4-осевой ЭЭП обработке.

Однако это деление условно, так как 3-осевой ЭЭП обработки отдельно от 4-осевой не существует. И тот и другой типы зон обработки реализуются при помощи 4-осевого ЭЭП оборудования.

Рассмотрим подробнее особенности геометрической реализации указанных типов ЭЭП обработки на оборудовании с ЧПУ.

При 2-осевой обработке на 2-осевом ЭЭП оборудовании режущая проволока располагается перпендикулярно плоскости рабочего стола (X-Y), а ось Z параллельна ей. Инструмент перемещается по координатам X,Y; ось Z в обработке не участвует, ее значение постоянно и соответствует толщине заготовки.

При 3- и 4-осевой обработке режущая проволока находится под наклоном относительно оси Z и не перпендикулярна плоскости рабочего стола. Для контроля расположения инструмента вводят 2 условные плоскости: основную (X-Y) и вспомогательную (U-V). Они располагаются относительно рабочего стола ЭЭП станка (Z=0) на определенном расстоянии. Расстояние между основной и вспомогательной плоскостями соответствует толщине обрабатываемой детали.

Рис. 3. Геометрическая классификация поверхностей деталей, получаемых методом ЭЭП обработки, и особенности реализации их геометрии на ЭЭП оборудовании с ЧПУ

При ТПП ФОД ПФ, получаемых методом ЭЭП обработки, наиболее полно решена геометрическая задача подготовки УП по 3D-модели. При анализе существующих пакетов САМ-систем с возможностью программирования ЭЭП обработки выяснилось, что способы представления зоны обработки схожи и этапы ее проектирования сводятся к идентичным действиям (рис.4).

Рис. 4. Способы представления зоны обработки детали в САМ-системе (в CAD/CAM-системе Pro/ENGINEER)

При проектировании 2-осевой ЭЭП обработки существует 2 возможности представления зоны обработки: по эскизу; кромке.

Сущность этих способов сводится к следующему. При проектировании по эскизу на этапе создания траектории движения инструмента (режущей проволоки) в САМ-системе пользователем строится плоскость, соответствующая плоскости рабочего стола станка или параллельная ей. В этой плоскости можно отрисовать в автоматическом режиме любую траекторию движения инструмента (даже сплайновую). При проектировании ЭЭП обработки по кромке на 3D-модели пользователем указывается кромка (или элемент кромки), по которой должен пройти инструмент.

При реализации последнего способа могут возникнуть трудности, если кромка 3D-модели не лежит в плоскости, параллельной плоскости рабочего стола станка. Универсальным выходом из подобной ситуации может быть использование первого способа представления зоны обработки.

При проектировании 4-осевой ЭЭП обработки существуют следующие возможности представления зоны обработки: по 2 эскизам и расстоянию между ними; поверхности 3D-модели.

Сущность этих способов сводится к следующему. При проектировании по двум эскизам и расстоянию между ними на этапе создания траектории движения инструмента (режущей проволоки) в САМ-системе пользователем строятся две плоскости, параллельные плоскости рабочего стола станка, соответствующие условным основной и вспомогательной плоскостям. Вводится расстояние между ними, соответствующее толщине детали. Из построенных двух плоскостей выбирается основная. Последовательно строятся два эскиза в каждой из них. Основное условие реализации способа - наличие одинакового количества сегментов контура в каждой из плоскостей. Если согласовать два контура не получается в автоматическом режиме, это можно выполнить вручную, указав соответствующие друг другу сегменты контуров в каждом из эскизов. Другим условием применения указанного способа является наличие лежащих в параллельных плоскостях кромок 3D-модели. Если это условие не выполняется, то возможно применение 2-го способа - по поверхности 3D-модели.

При проектировании ЭЭП обработки по поверхности в САМ-системе пользователем указывается поверхность (или «лоскут» поверхности), по которой должна пройти проволока. При реализации этого способа представления зоны обработки обязательным условием является то, что выбираемая поверхность должна состоять из вертикальных «лоскутов», по которым пройдет режущая проволока. Система воспринимает и выполняет «лоскуты» последовательно, стараясь сориентировать инструмент по ним. При горизонтальных «лоскутах» система начнет выполнять их последовательно, в результате инструмент может несколько раз пройти по одному и тому же месту, вследствие чего на практике получим «зарез» детали. При наклонных «лоскутах» система будет стараться сориентировать проволоку в соответствии с наклоном «лоскута»; дойдя до его конца, инструмент вернется назад для выполнения следующего «лоскута», результатом будет «зарез» и брак.

Кроме того, поверхность зоны обработки детали должна быть однородной - не содержать переломов, разрывов, щелей и т.п.

Из перечисленных условий видно, что последний способ не может рассматриваться как универсальный подход при проектировании в САМ-системе 4-осевой ЭЭП обработки. Что же делать, если зона обработки детали не отвечает ни одному из условий?

Рассмотрим конкретный пример проектирования 4-осевой ЭЭП обработки в САМ-системе - получение формообразующей поверхности детали «Матрица» ПФ в Pro/ENGINEER (рис.5). Из анализа 3D-модели детали видно, что в каждом из 4 углов формообразующей поверхности детали «Матрица» есть области, не отвечающие условиям применения существующих способов представления в САМ-системе:

1. Верхний и нижний контуры зоны обработки детали не лежат в параллельных плоскостях, следовательно, применение 1-го способа затруднительно.

2. В верхней части зоны обработки в каждом из углов есть «лоскуты» поверхности зоны обработки, не связанные с основной поверхностью, - «осколки».

3. На нижней кромке зоны обработки в каждом из углов есть горизонтальные «лоскуты» поверхности зоны обработки.

Поскольку условия применения способов представления поверхности для 4-осевой ЭЭП обработки детали нарушены, возникает вопрос о том, можно ли обойти эти условия. Иными словами, если зона обработки детали не отвечает указанным условиям, можно ли ее изменить таким образом, чтобы она им соответствовала?

При твердотельном моделировании изменить зону обработки детали, не нарушив геометрии самой детали, невозможно. Однако в современных CAD-системах существует возможность как твердотельного, так и поверхностного моделирования.

Зону обработки детали можно представить средствами поверхностного моделирования независимо (как отдельную поверхностную 3D-модель), а твердотельную модель скрыть, так как дальнейшее проектирование в ней осуществляться не будет.

Рис. 5. Пример использования методов поверхностного моделирования при представлении зоны обработки детали в САМ-системе (в CAD/CAM-системе Pro/ENGINEER)

Далее, проанализировав расположение областей, не отвечающих известным условиям, воспользуемся методами поверхностного моделирования для корректировки зоны обработки. Достроим условные основную и вспомогательную плоскости, которые бы обрамляли зону обработки сверху и снизу. Затем расположим дополнительные плоскости, параллельные им, выше и ниже проблемных областей зоны обработки. С помощью инструмента «Обрезка» отсечем проблемные области от построенных дополнительных плоскостей. Получившаяся новая зона обработки виртуальна и не соответствует полностью геометрии, необходимой для получения поверхности детали ПФ. Новые кромки зоны обработки с помощью инструмента «Протяжка» продолжим по поверхности зоны обработки в обе стороны до пересечения с основной и вспомогательной плоскостями. Получившаяся зона ЭЭП обработки не только отвечает необходимым условиям применения любого из предложенных в САМ-системах способов представления, но и полностью соответствует геометрии твердотельной 3D-модели детали.

На основе изложенного способа была спроектирована обработка для ФОД «Матрица» и «Пуансон» ПФ на изделие «Ящик молочный» (рис.6). Особенность этой задачи заключалась в получении двух согласованных деталей из одной заготовки. Применение механических способов получения этих деталей из двух заготовок предполагает, что как минимум половина материала заготовок перейдет в стружку. Применение метода ЭЭП обработки исключило бы подобные растраты (320 кг металла, или ?100 000 руб.). Однако раньше ЭЭП обработка не могла быть реализована из-за трудностей представления 4-осевой зоны обработки (рис.5). Кроме этого, ни одна CAM-система не ориентирована на проектирование зоны обработки сразу по двум твердотельным 3D-моделям деталей. С помощью средств поверхностного моделирования была не только спроектирована общая для двух согласованных деталей зона обработки, по которой они были разъединены, но и исключены возможные проблемные зоны 3D-моделей деталей.

Применение предложенного способа представления зоны обработки при проектировании 4-осевой ЭЭП обработки (средствами поверхностного моделирования) позволяет получить следующие преимущества:

1. Обеспечить универсальность подхода, так как подобным образом можно представить зону обработки практически любой сложности.

2. Исключить ошибку ориентирования инструмента (режущей проволоки) на этапе проектирования зоны обработки.

3. Расширить возможности представления зоны обработки в САМ-системе (необязательно создавать твердотельную 3D-модель детали, если таковой нет).

4. Обеспечить наглядность представления зоны обработки.

Список литературы

1. Справочник по электротехническим и электрофизическим методам обработки / Г. Л. Амитан, И.А. Байсупов, Ю.М. Барон [и др.] ; под общ. ред. В.А. Волосатова. - Л. : Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1988. - 719 с.

2. Косевич, Ю.А. Нетрадиционные методы обработки материалов : учеб. пособие для вузов / под ред. А.Д. Гладуна. - М. : СТАНКИН, 1997. - 163с.

3. Основы электротехнологии и ее новые разновидности / Л.Я. Попилов // Библиотечка электротехнолога. - Л.: Машиностроение, 1971. - Вып.1. - 216 с.

4. http://www.emo-hannover.de/exhibitorsproducts

5. Electrical Discharge Machine, High-end EDM Suppliers Focus on Innovation // Machine Tools. - 2007, Jul.

6. http://www.jauchschmider.com/Seiten_RT10085D--105.aspx

7. http://www.oel-held.de/main.html

8. Rees, H. Mold engineering / Herbert Rees. - Munich ; Vienna ; New York : Hanser; Cincinnati : Hanser / Gardner, 1995.

Размещено на Allbest.ru