Курсовая работа: Станки высокоскоростной обработки

Курсовая работа: Станки высокоскоростной обработки

Введение

Высокоскоростная обработка - одна из современных технологий, которая, по сравнению с обычным резанием, позволяет увеличить эффективность, точность и качество механообработки. Ее отличительная особенность — высокая скорость резания, при которой значительно увеличивается температура в зоне образования стружки, материал обрабатываемой детали становится мягче, и силы резания уменьшаются, что позволяет инструменту двигаться с большой рабочей подачей.

Первое официальное объяснение явления HSM было предложено Карлом Саломоном в 1931 году (патент № 523594, April 1931, Германия). Он определил, что при некоторой скорости резания, которая является в несколько раз выше, чем при обычной механообработке, теплопередача от стружки к инструменту начинает уменьшаться, а это делает возможной обработку заготовок на более высоких скоростях. Он также экспериментально определил область высокоскоростной обработки для различных материалов.

Эффект высокоскоростной обработки обуславливается структурными изменениями материала (из-за пластических деформаций, осуществляемых с большой скоростью) в месте отрыва стружки. При повышении скорости деформаций силы резания первоначально растут, а потом, с достижением определенной температуры в зоне образования стружки, вдруг начинают существенно снижаться. Самое замечательное, что время контакта режущей кромки с заготовкой и стружкой так мало, а скорость отрыва стружки столь высока, что большая часть тепла, образующегося в зоне резания, удаляется вместе со стружкой, а заготовка и инструмент просто не успевают нагреваться.

ВСО достигла сегодня больших успехов и вследствие большого разнообразия применяемых инструментов обладает большой гибкостью относительно геометрических параметров заготовок и их материала. И уже сейчас существует немало деталей, которые невозможно получить классическими способами, поэтому приходится использовать высокоскоростную обработку, обладающую достаточной экономической эффективностью и гибкостью.

В мировом станкостроении сегодня наблюдается устойчивая тенденция создания станков, предназначенных для высокоскоростной обработки. Достижения в области технологии создания режущего инструмента позволили эффективно применять высокоскоростную обработку в различных отраслях машиностроения. На наш взгляд, ведущие мировые производители режущего инструмента подошли к некоему пределу качества. И теперь все большее значение приобретает техническая поддержка, то есть способность компании-продавца произвести оптимальный подбор инструмента под конкретные технологические потребности заказчика.

1.  Перспективы развития САМ-систем

Ведущие мировые производители оборудования и режущего инструмента первыми предложили решения для использования новой технологии. Разработчики САМ поначалу не спешили признать необходимость новых стратегий в процессах резания, однако рынок заставил их развивать возможности САМ в направлении соответствия принципам HSM. При этом появились следующие вопросы:

•  Каковы потенциальные проблемы развития САМ для HSM?

•  Какова рыночная востребованность новых CAM-разработок?

•  Какие новые стратегии, отличные от стандартных методов обработки, должны быть созданы для HSM, чтобы удовлетворить производителей оборудования и инструмента?

•  Может ли CAM-система оптимизировать траекторию инструмента для сохранения постоянных усилий резания и большой рабочей подачи при постоянной скорости резания?

Существующие CAM-системы пока еще не учитывают многообразие форм обрабатываемых деталей и влияние инерции, возникающей в процессе механообработки, а также не решают проблемы, связанные непосредственно с особенностями конструкции станков. На сегодняшний день разработчики САМ предложили лишь общие решения специфических проблем, появляющихся при обработке каждой конкретной детали.

Например, чтобы получить УП, пригодные для HSM, часто приходится реконструировать геометрию детали. Под этим понимается создание некоторой новой геометрии с целью получения оптимальной траектории инструмента. Иногда разработчикам УП приходится вручную дорабатывать данные, полученные с помощью САМ. Однако, несмотря на все ограничения, современный рынок активно осваивает самое важное достижение в теории резания.

Надо отметить, что CAM-системы сегодня бурно совершенствуются, чтобы удовлетворить специфические потребности в создании новых стратегий движения инструмента. Современная CAM-система должна обеспечивать следующие основные критерии разработки УП для HSM:

•  постоянство условий резания с сохранением постоянной толщины стружки;

•  сопряжение по радиусу острых углов траектории для поддержания наилучших условий резания с минимальными потерями рабочей подачи;

•  плавное соединение концов траектории при позиционировании;

•  максимальная скорость отработки УП системой ЧПУ. В связи с этим CAM-система должна уметь создавать проходы с маленьким шагом, которые будут выполняться на очень больших рабочих подачах. Для этого должны быть исключены резкие повороты, так как функция предварительного просмотра (look-ahead) системы ЧПУ автоматически уменьшает рабочую подачу в тех случаях, когда обнаруживает приближение точки смены направления движения. Целью является геометрически точное фрезерование изделий (например, деталей пресс-форм) с достижением такой шероховатости поверхности, чтобы финишная полировка была минимальной или даже полностью устранялась.

Кроме того, чтобы преодолеть известную проблему "голодания данных" (недостаточное быстродействие системы ЧПУ при обработке сигналов ведет к уменьшению рабочей подачи), система CAM должна создавать специальные траектории инструмента, соответствующие возможностям систем управления HSM-обо-рудования (к примеру, использовать возможность отработки G-кодов на базе технологии NURBS).

Для получения оптимальной траектории инструмента в функциональные возможности САМ-системы должны входить следующие опции:

•  исследование расстояния между слоями по оси Z;

•  плавное соединение концов траектории;

Такие функциональные возможности помогут исключить получистовую обработку, уменьшить время обработки и износ режущего инструмента. Кроме того, CAM-система должна обеспечивать плавное врезание инструмента в материал заготовки (например, по спирали).

Отметим, что в последнее время все ведущие CAM-системы постоянно дополняются новыми функциональными возможностями, предназначенными для создания траектории инструмента для HSM-обработки. Кроме того, эти возможности служат для существенного улучшения условий резания и при обычном (не высокоскоростном) фрезеровании.

Главный эффект HSM заключается не только в сокращении машинного времени за счет интенсификации режимов резания, а в общем упрощении производственного процесса и в повышении качества обработки. Условием успеха в высокоскоростной обработке может стать правильный выбор всех составляющих факторов, участвующих в этом процессе:

·  станок,

·  система ЧПУ,

·  режущий инструмент,

·  система программирования с поддержкой HSM,

·  квалификация персонала

Отсутствие всего одной составляющей сведет на нет весь эффект от применения HSM.

Возможности используемого программного обеспечения являются ключевыми в обеспечении эффективной высокоскоростной обработки. Технология HSM начинается с применения соответствующих параметров в операциях обработки, которые в настоящее время присутствуют в большинстве современных CAM-систем, но далеко не во всех.

Существуют основные принципы, которым должны быть выполнены при создании управляющих программ для HSM:

·  плавные траектории движения инструмента.

·  попутное направление фрезерования.

·  минимизация количества врезаний инструмента – эффекта «швейной машинки», предпочтительны длинные траектории.

·  отход и подход инструмента по дуге.

·  небольшая и постоянная глубина резания в осевом и радиальном направлении.

NX обладает всей необходимой функциональностью для создания HSM-обработки, такими как сглаживание траектории перемещения инструмента, плавное врезание инструмента по дуге и спирали, обработка комбинированных поверхностей (muti-surface), оптимальный алгоритм определения высот резания, использование трахоидальной стратегии резания и перемещения по спирали, оптимизация перемещений без резания и т.д.

Рис.1 Траектории обработки

2.  Технологические особенности системы обработки

Возможности программного обеспечения CAD CAM являются ключевыми в обеспечении эффективной высокоскоростной обработки. Технология высокоскоростной обработки начинается с создания соответствующих управляющих программ, поэтому возникли новые требования к САМ системам и навыкам технологов-программистов. Целью применения высокоскоростного фрезерования деталей является получение такой шероховатости поверхности и геометрической точности, чтобы финишная полировка могла быть минимизирована или полностью устранена.

При создании программ фрезерной обработки необходимо учитывать следующие параметры:

·  Динамические характеристики оборудования;

·  Максимально выдерживать оптимальные режимы резания для выбранного инструмента.

До появления высокопроизводительного инструмента, минутная подача при обработке конструкционных сталей не превышала 200...300 мм/мин, и 500...600 мм/мин, при обработке легких сплавов. Теперь, если станок позволяет задавать необходимые обороты, подачи достигают 800...2000мм/мин. для сталей, и до 10000мм/мин для легких сплавов. В некоторых случаях даже современные станки не могут обеспечить необходимую подачу.

Так как все рабочие органы станка имеют значительную массу и как следствие, инерционность, для исключения излишних нагрузок на привода и обеспечения срока службы, в системах ЧПУ закладываются параметры разгона и торможения при изменении направления движения. Так же задается, так называемый, угол реверса и при всех изменениях направления движения на этот, или более острый угол, система управления выполняет торможение в конце перемещения перед переломом и разгон после его. В случае, если длина перемещения, заданная в кадре перед переломом меньше, чем необходимо для торможения, система управления не может обеспечить сброс подач. При этом инструмент отклонится от заданной траектории и на обрабатываемой поверхности получится подрез.

Кроме того, так как включается режим экстренного торможения, возникают механические и электрические нагрузки на привод, превышающие нормальные эксплуатационные, что приводит к уменьшению срока службы приводов и систем управления электроприводами. Так же важным динамическим параметром станка является подача, с которой он может выполнить окружность с минимальными искажениями. Превышение подачи приводит к искажению траектории и повышении нагрузок на привода станка. Поэтому крайне важно, чтобы система САМ обеспечивала коррекции подач по этим параметрам, а визуализатор обработки позволял учитывать динамические характеристики станка.

Не менее важным, для обеспечения качества и точности обработки, стойкости инструмента, уменьшения нагрузки на инструмент и узлы станка необходимо строго соблюдать рекомендации фирм, производителей инструмента.

В отличии от стандартных режимов фрезерования, где задается минутная подача, производители инструмента указывают рекомендованные для каждого вида фрез подачу на зуб, ширину и глубину фрезерования. Подача на зуб определяет толщину снимаемой стружки и обеспечивает создание необходимого усилия для резания. Для различных материалов инструмента она разная. Так на пример:

·  для фрез из быстрорежущих сталей - 0,10...0,15мм

·  для цельных фрез из твердого сплава - 0,01 ...0,03мм

·  для наборных фрез с пластинами из твердого сплава -0,09...0,15мм

При высокоскоростном фрезеровании рекомендуется применять попутное фрезерование для черновой и чистовой обработки. Во-первых, при попутном фрезеровании получается лучшая шероховатость поверхности, и происходит оптимальный отвод стружки. Во-вторых, существенно возрастает стойкость фрезы. При встречном фрезеровании большое количество тепла выделяется при увеличении толщины стружки от нуля до максимума, поскольку режущая кромка движется с большим трением.

Задание подачи на зуб, при попутном фрезеровании, меньше минимально допустимой приводит к ухудшению условий резания и повышенному износу (в несколько раз). Это происходит потому, что первый зуб не может срезать слишком тонкий слой металла (на режущей кромке не создается достаточная сила резания) и проскальзывает и начинает резать только второй или третий зуб. При этом, возникает дополнительная нагрузка на инструмент и станок, из за избыточного трения при проскальзывании зубьев. Кроме того, так как фреза работает через зуб, а то и два, возникает вибрация, которая приводит к разрушению режущей кромки инструмента и повышенному износу узлов станка, и плохому качеству обрабатываемой поверхности.

По этому, при недостаточной мощности станка или низкой жесткости системы СПИД, снижать нагрузку необходимо уменьшением ширины фрезерования (по длине инструмента). Изменение глубины фрезерования (по диаметру инструмента) дает гораздо меньший эффект, так как ширина резания не изменяется. Например, разница оптимальной подачи на зуб при фрезеровании на половину диаметра и на полный диаметр составляет не более 10...15%.

В управляющих программах число оборотов шпинделя, как правило, задается вначале программы и в дальнейшем не изменяется. В отличие от оборотов, минутная подача движения фрезы должна изменяться, согласно условиям обработки на каждом участке траектории, для обеспечения оптимальных режимов обработки и динамических требований станка.

Применяемое в управляющих программах для стандартных режимов резания правило постоянной минутной подачи в программах для высокоскоростного фрезерования неприемлемо. Необходимо выдерживать постоянной подачу на зуб, при этом минутная подача может изменяться и очень значительно. Наиболее простым примером этого служит фрезеровка отверстий и обкатка углов на контуре. При движении фрезы по траектории обработки внутреннего радиуса, возникает ситуация, когда периферия инструмента перемещается с гораздо большей скоростью. Например, если на траектории, при обработке фрезой 10мм, при движении по радиусу 1мм задана подача 300мм/мин, то непосредственно на контуре минутная подача будет 1500мм/мин. Соответственно реальная подача на зуб возрастет в пять раз. Это, конечно же, приведет к поломке инструмента. При обработке выпуклых поверхностей, получается обратный эффект.

Рассчитать в ручную необходимое изменение минутной подачи на каждый участок траектории не представляется возможным. Особенно это становится понятным при обработке конических поверхностей, где практически каждый проход должен выполняться на своей минутной подаче.

Кроме того, изменения минутной подачи, требуется и по динамическим требованиям станка. Практически во всех САМ - системах, алгоритм торможения обязательно включает в себя выделение зоны торможения. Для «старого» инструмента этот алгоритм работал хорошо, так как изменение подачи составляло 30...50%. С применением современного инструмента, когда необходимо изменение минутной подачи в несколько раз, этот алгоритм приводит к повышенному износу инструмента.

Напрашивается следующий вывод, что САМ - системам необходимо задавать, как исходную информацию, не минутную подачу, а подачу на зуб, количество зубьев фрезы и обороты, для автоматического расчета минутной подачи на каждом участке обработки. Введение зон торможения должно быть обусловлено только динамическими характеристиками станка, то есть когда перемещение слишком мало для торможения, или изменениями условий обработки (например, значительным увеличением припуска).

К сожалению, на данный момент времени ни одна система, даже высокого уровня, не решает поставленных задач в полном объеме.

3.  Принципы генерации траектории режущего инструмента

Существуют следующие четыре принципа, которым должны быть подчинены все подходы к созданию УП для HSM:

·  предпочтительны длинные траектории инструмента для резания с небольшой глубиной в осевом и радиальном направлениях.

·  резание образующей вместо торцового фрезерования.

Окружная скорость прямо пропорциональна радиусу инструмента, и даже при высокой скорости вращения шпинделя она равна нулю в центре инструмента (на оси). Силы резания при HSM существенно уменьшаются в направлении осей X и Y, а вот в направлении оси Z - практически не изменяются. К тому же при торцовом фрезеровании эвакуация стружки затруднена, что очень негативно сказывается на процессе резания. \3\ Плавное изменение условий резания: условия отвода стружки, усилия резания в осевом и радиальном направлениях и т.д.

Для современного инструмента из твердого сплава более благоприятна постоянная (пусть даже и высокая) температура в зоне резания, чем её колебания. Резкое изменение условий резания при врезании инструмента в материал приводит к увеличению количества выделяемого тепла и механических напряжений, что отрицательно сказывается на стойкости инструмента. Если траектория инструмента рассчитана при условии плавного изменения условий резания, то это позволит значительно увеличить стойкость инструмента, получить лучшую точность и шероховатость обработанной поверхности.

Очень часто деталь невозможно изготовить без использования траектории, предполагающей резкую смену направления движения инструмента, но такие случаи должны быть минимизированы. Разработчики CAM-систем работают над средствами, позволяющими достичь абсолютного отсутствия острых углов у траектории.

4.  Врезание инструмента

Сила резания в направлении оси Z не уменьшается сколько-нибудь значительно при увеличении скорости вращения шпинделя. Врезание в твердый материал с большой рабочей подачей создаст большое напряжение в инструментальном патроне и шпинделе и, вероятней всего, приведет к повреждению инструмента. Необходимо всячески избегать вертикального врезания инструмента в материал (за исключением графита, алюминия и некоторых других мягких материалов).

Опускание режущего инструмента на величину прохода по оси Z рекомендуется производить в воздухе, а врезание в материал - в горизонтальном направлении по дугообразной траектории. Желательно и выход инструмента из материала осуществлять по дуге. При обработке кармана можно использовать такие функции CAM-системы, как HELIX и RAMP для выполнения врезания по спирали, причем угол наклона спирали рекомендуется задавать менее 2 градусов. Чем тверже материал, тем меньше должно быть значение угла врезания.

Рис. 2 Поверхности карманного типа

5.  Способы обработки

5.1   Резание параллельными слоями

Резание параллельными слоями (фреза движется последовательно слоями по горизонтальным плоскостям) - наиболее популярный сегодня метод формирования траектории для предварительной обработки. К числу преимуществ этого подхода относится простота программирования.

При обработке параллельными слоями хорошо генерируются проходы для окончательной обработки боковых стенок карманов или островов. Однако для обработки плоских поверхностей (низ кармана или верх острова) такая техника не совсем подходит, и тут лучше применять другие методы. CAM-системы обычно позволяют программировать траектории для обработки комбинированных поверхностей ( multi-surface). Идеальные CAM-системы могут автоматически распознавать наклонные и горизонтальные поверхности и совмещать в одной программе разные методы обработки различных областей. Ести же CAM-система не имеет подобных встроенных функций (что не является столь уж необычным явлением), то технолог-программист должен вручную комбинировать различные методы для обработки поверхностей разного типа.

Страницы: 1, 2