Drive surfaces in 5-axial machining Copyright © CAD/CAM/CAE Observer # 4 (17)/2004 Направляющие поверхности в 5-осевой обработке Ведмидь П.А. ( Делкам-Урал, Екатеринбург) В последние несколько лет наблюдается повышенный интерес к 5-осевым станкам с ЧПУ. Причем, не только в традиционных областях их использования, например, в авиационной промышленности, где эти станки применяются, в частности, для обработки лопаток, но и в инструментальном и даже в серийном производстве. В первую очередь это объясняется снижением стоимости 5-осевых станков, которая приблизилась к стоимости трехкоординатных при более богатых технологических возможностях. Покупателей не смущает даже некоторое снижение жесткости при обработке и повышенная сложность составления программ в пяти координатах. Традиционно при разработке программ в рассмотрение принимались деталь, заготовка и инструмент. Как правило, этого было достаточно, и при наличии корректных компьютерных моделей технолог сам не занимался дополнительным моделированием. В этой статье мы рассмотрим технологию создания управляющих программ через построение дополнительных объектов (поверхностей, линий, точек), задающих закон движения инструмента относительно детали. Такая технология позволяет обеспечить полный контроль за движением инструмента, но в качестве платы за это технологу придется освоить поверхностное моделирование. Рис. 1. Ориентация инструмента по нормали к обрабатываемой поверхности Стратегии 5-осевой обработки в PowerMILL я уже рассматривал ранее (см. например: Ведмидь П., "5-осевая обработка для инструментальщиков", САПР и Рис. 2. Ориентация инструмента по графика, Nr 1/2003, с. 6...10). В нормали к направляющей (drive) этой статье мы подробнее поверхности разберем лишь одну стратегию – Проекция от поверхности – и покажем, как использование дополнительных построений расширяет возможности обработки. http://www.cadcamcae.lv/hot/5-axis_n17_p48.htm[17.02.2012 23:43:50] Drive surfaces in 5-axial machining По этой стратегии в PowerMILL5 можно обрабатывать как саму выбранную поверхность, так и использовать так называемую направляющую (drive) поверхность. Иногда такие поверхности называются еще справочными (reference). Рассмотрим простой пример. На рис. 1 показана рукоятка. Ориентировать инструмент по нормали к поверхности в данном случае не получается (ни с углами атаки/наклона 0 градусов, ни с другими значениями угла), поскольку на одних участках поверхности угол наклона инструмента превышает технологические возможности станка, а на других вообще невозможно ориентировать ось инструмента (например, вдоль оси вращения детали). Выходом из этой ситуации может стать создание специальной направляющей поверхности (рис. 2). Эта поверхность будет задавать ориентацию и закон движения инструмента, однако в качестве формообразующей при обработке система будет её игнорировать. Теперь рассмотрим примеры реальных изделий, при обработке которых использовались направляющие поверхности. Довольно часто направляющие поверхности используются при обработке турбинных лопаток. Случай 1 – сглаживание траектории Если модель лопатки недостаточно гладкая (это можно выявить с помощью функции анализа гладкости модуля PS-Surfacer, рис. 3), то в местах негладкости имеет место резкая смена направления нормали к поверхности. Ориентация инструмента при обработке лопаток обычно связана с нормалью. Резкая смена ориентации инструмента при обработке (качание) в данном случае приведет к дефекту на поверхности. Дефект в виде канавки действительно наблюдался вдоль кромки, показанной стрелкой (на рисунке это выглядит как зубчики на темных полосах). Нередко бывает, что сглаживать модель нельзя, поскольку действует запрет на изменение модели. В этом случае сглаживанию можно подвергнуть копию поверхности и уже эту копию использовать как направляющую поверхность. Сглаживание можно провести в модуле PS-Surfacer. Для этого в нем есть различные способы: прореживание по допуску (причем допуск может быть довольно грубым), удаление части образующих, сглаживание образующих путем смещения указанных точек с пересчетом касательных, переопределение числа и положения точек вдоль кривой и др. Сглаженный вариант показан на рис. 4. Рис. 3. Пример лопатки с негладкой поверхностью Рис. 4. Направляющая поверхность для обработки лопатки после сглаживания Случай 2 – устранение неполных витков http://www.cadcamcae.lv/hot/5-axis_n17_p48.htm[17.02.2012 23:43:50] Drive surfaces in 5-axial machining Если хвостовики расположены под углом к плоскости, перпендикулярной оси лопатки, то переопределение крайних образующих в направляющей поверхности даст траекторию лучшего качества (так как движение инструмента осуществляется вдоль изолиний – линий с равной поверхностной координатой). На рис. 5 показана траектория, созданная непосредственно по поверхности пера, а на рис. 6 – по направляющей поверхности. У поверхности пера крайние образующие обычно параллельны остальным, но обрезаны до поверхности хвостовика. Траектория на рис. 5 содержит неполные витки, которые обычно нежелательны. Траектория на рис. 6 таких витков не имеет. Этот подход может использоваться и для участка поверхности, где необходимо использование другого инструмента (рис. 7). Рис. 5. Траектория, созданная непосредственно по поверхности пера лопатки, содержит неполные витки Рис. 6. При использовании направляющей поверхности траектория для обработки лопатки не содержит неполных витков Рис. 7. Здесь использована направляющая поверхность для устранения неполных витков на участке поверхности http://www.cadcamcae.lv/hot/5-axis_n17_p48.htm[17.02.2012 23:43:50] Drive surfaces in 5-axial machining Случай 3 – спиральная обработка При спиральной обработке можно использовать специальные направляющие поверхности двух типов: ленточную и со смещением продольной образующей. Ленточная направляющая поверхность (рис. 8) создается специальной утилитой Helix, написанной как приложение к модулю PowerSHAPE. В этом случае при обработке задается проход вдоль одной образующей этой "ленты". На рис. 9 показана направляющая поверхность, созданная смещением продольной образующей на величину шага, и соответствующая траектория обработки (поверхность пера условно не показана). В PowerSHAPE при смещении образующих направления касательных сохраняются, поэтому в месте разрыва направляющей поверхности нет разрыва гладкости траектории. Рис. 8. Спиральная направляющая поверхность, созданная утилитой Helix Рис. 9. Спиральная направляющая поверхность, созданная сдвигом продольной образующей Случай 4 – игнорирование нормали на части модели Если на поверхности лопатки имеются конструктивные приливы (рис. 10), то при их обработке направление оси инструмента обычно не меняют. В этом случае для обработки лопатки можно использовать направляющую поверхность, созданную на основе самого пера без учета прилива. В данном случае при создании направляющей поверхности была использована комбинация двух методов, описанных в предыдущем разделе. Рис. 10. При обработке прилива инструмент не должен менять свою ориентацию Случай 5 – продление и объединение поверхностей При обработке торца хвостовика хороший результат дает направляющая поверхность, полученная продлением поверхности скругления. После http://www.cadcamcae.lv/hot/5-axis_n17_p48.htm[17.02.2012 23:43:50] Drive surfaces in 5-axial machining продления поверхность надо разбить на две, и в качестве направляющей использовать только участок продления. На рис. 11 показан многопроходный вариант. Рис. 11. Направляющая поверхность для обработки торца хвостовика получена продлением поверхности скругления Однако, если модель импортирована из системы твердотельного моделирования, то поверхность скругления часто состоит из нескольких кусков (рис. 12). Их лучше объединить, чтобы использовать полученную поверхность для расчета непосредственно или в качестве направляющей поверхности (если оригинал модели изменять запрещено). Рис. 12. Модель лопатки после импорта из системы твердотельного моделирования. Скругление задано разными поверхностями, которые показаны разными цветами Случай 6 – ограничение положения оси инструмента путем спрямления образующих В том случае, если необходимо выполнить обработку поверхности скругления пера и хвостовика инструментом, радиус которого меньше, чем радиус скругления, то направляющую поверхность можно сделать из http://www.cadcamcae.lv/hot/5-axis_n17_p48.htm[17.02.2012 23:43:50] Drive surfaces in 5-axial machining поверхности скругления путем спрямления её поперечных образующих (рис. 13). Этот способ годится и для обработки скругления переменного радиуса. В PS-Surfacer это делается с помощью всего двух операций – выбрать все поперечные образующие и спрямить выбранные. При обработке такая поверхность обеспечит гарантированный наклон инструмента относительно торца хвостовика. Рис. 13. Форма для сглаживания или спрямления образующих в PowerSHAPE Случай 7 – использование направляющей поверхности без учета нормали Поверхность, созданная описанным выше способом, может использоваться в качестве направляющей и при обработке без учета нормали. На рис. 14 показано использование такой направляющей поверхности для обработки закрытой крыльчатки. Ориентация оси инструмента задана "к точке". Спрямление образующих на направляющей поверхности потребовалось еще и потому, что радиус инструмента для получистовой обработки больше радиуса скругления. Если задать для обработки саму поверхность скругления, то траектория не будет рассчитана, так как инструмент не сможет коснуться поверхности ни в одной точке, не зарезав при этом соседнюю поверхность. В данном случае направляющая поверхность еще и продлена для того, чтобы обеспечить безопасный подвод инструмента. http://www.cadcamcae.lv/hot/5-axis_n17_p48.htm[17.02.2012 23:43:50] Drive surfaces in 5-axial machining Рис. 14. Здесь направляющая поверхность используется для обработки скругления закрытой крыльчатки, но она задает только закон движения инструмента, а ориентация оси задана “к точке”, т.е. без учета нормали В следующем номере мы рассмотрим создание направляющих поверхностей для наиболее сложных в обработке изделий – крыльчаток, а также некоторых других деталей. (Продолжение следует.) Copyright © CAD/CAM/CAE Observer # 4 (17)/2004 http://www.cadcamcae.lv/hot/5-axis_n17_p48.htm[17.02.2012 23:43:50] Drive surfaces in 5-axial machining Copyright © CAD/CAM/CAE Observer # 4 (17)/2004 Направляющие поверхности в 5-осевой обработке (Окончание. Начало в #4/2004) Ведмидь П.А. ( Делкам-Урал, Екатеринбург) Во второй части статьи мы продолжаем разбирать стратегию "Проекция от поверхности" и использование дополнительных построений для расширения возможностей обработки в PowerMILL 5. Случай 8 – направляющие поверхности на основе сложных геометрических построений с опорой на существующие поверхности При обработке крыльчаток типа показанной на рис. 15, обработка лопастей выполняется стратегией "Боком фрезы" и дополнительных построений для этого не требуется. А вот для черновой выборки и зачистки дна впадины необходимо создать направляющие поверхности (рис. 16). Из-за наличия короткой лопасти у крыльчатки, таких поверхностей понадобится как минимум три. Рис. 15. Пример изделия “крыльчатка” http://www.cadcamcae.lv/hot/5-axis_n18_p68.htm[17.02.2012 23:44:55] Drive surfaces in 5-axial machining Рис. 16. Направляющие поверхности для обработки крыльчатки Идею создания направляющей поверхности в данном случае проиллюстрируем плоским рисунком – сечением через впадину (рис. 17). Для начала определим максимально возможный диаметр инструмента, который проходит в самом узком Рис. 17. Плоская иллюстрация идеи месте между лопастями создания направляющих поверхностей для (это легко сделать, обработки крыльчаток рассчитав пробные УП по обработке соседних лопастей стратегией "Боком фрезы"). Далее, построим ось инструмента для крайних положений при обработке (при контакте с соседними лопастями). Идеальное сечение направляющей поверхности на этом участке представляет собой дугу, проведенную из точки пересечения линий, задающих крайние положения осей инструмента – то есть, при ориентации инструмента по нормали к поверхности, в крайних положениях он будет касаться лопастей по линии наилучшего приближения, тем самым максимально удаляя материал. Радиус значения не имеет (но нагляднее, когда дуга построена вблизи дна впадины). Можно сразу создать в пространстве, вдоль соседних лопастей, две поверхности"ленточки", перпендикулярные этим лопастям (т.е. в сечении – перпендикулярно, а в пространстве – вдоль), а затем эти поверхности объединить. Не исключено, что придется смещать эти ленточки вдоль оси инструмента, чтобы избежать перегиба поверхности (в плоской интерпретации надо построить два перпендикуляра к осям инструмента из точки "О", http://www.cadcamcae.lv/hot/5-axis_n18_p68.htm[17.02.2012 23:44:55] Рис. 18. Проблемой при объединении нескольких направляющих поверхностей может Drive surfaces in 5-axial machining лежащей на биссектрисе угла, образованного крайними положениями оси инструмента – см. рис. 17). стать перегиб поверхности, где неизбежно изменение направления оси инструмента при работе относительно нормали к поверхности На рис. 18 показано, как правильно и как неправильно можно объединить эти ленточки. Наличие перегиба в поверхности вызовет неприемлемую ориентацию инструмента (в PowerMILL, конечно, зареза не будет, но останется неснятый материал). Обратите внимание, что при объединении поверхностей в PowerSHAPE обеспечивается гладкое сопряжение. Случай 9 – направляющие поверхности на основе сложных геометрических построений по сечениям Если крыльчатка имеет узкие изогнутые каналы, то для их обработки часто используют коническую фрезу. В этом случае объединить ленточные поверхности затруднительно, и нам приходится строить направляющую поверхность по сечениям. Есть и еще одно дополнительное условие: в продольном (относительно канала) направлении ось фрезы лучше располагать вдоль образующих лопасти, поскольку только в этом направлении поверхность линейчатая. На рис. 19 полученная направляющая поверхность показана желтым цветом. Она построена по четырем поперечным сечениям, которые дополнительно были смещены, чтобы обеспечить перпендикулярность этой поверхности образующим пера. На рисунке видно, что все вспомогательные построения производятся в объеме, с привязкой к существующим объектам. Рис. 19. Вспомогательные построения создавались путем привязки к существующим объектам, что позволило точно задать направляющую поверхность На рис. 20 показана траектория, полученная по этой направляющей поверхности (подводы и переходы не показаны). Как видим, она имеет равномерные проходы, идущие "веером", что обычно дает наилучший результат. На этом рисунке также видно, что торец короткой лопасти сильно искривлен, – это еще одна причина, почему надо вести обработку вдоль образующих. http://www.cadcamcae.lv/hot/5-axis_n18_p68.htm[17.02.2012 23:44:55] Drive surfaces in 5-axial machining Рис. 20. Траектория зачистки дна канала, полученная по направляющей поверхности, показанной на рис. 19 Случай 10 – совместное использование направляющей поверхности и контроля столкновений с соседними поверхностями В принципе, обобщающую направляющую поверхность можно и не строить, а использовать расширенные ленточные поверхности с каждой стороны с контролем столкновений с соседней лопастью. На рис. 21 желтыми линиями выделена направляющая поверхность, задаваемая для расчета. На рис. 22 показана форма назначения припусков компонентов (поверхностей) в PowerMILL5 и группы, назначенные на игнорирование и контроль столкновений. В данном случае каждая ленточная поверхность наклонена на угол конуса инструмента. Эту операцию очень легко выполнить через смещение одной образующей по нормали к поверхности (здесь нам снова пригодится способность PowerSHAPE работать с поверхностью на уровне образующих и точек). Рис. 21. Ускоренный способ создания направляющих поверхностей: при построении учитывается только одна стенка впадины, а вторая задается для контроля столкновений http://www.cadcamcae.lv/hot/5-axis_n18_p68.htm[17.02.2012 23:44:55] Drive surfaces in 5-axial machining Рис. 22. Форма в системе PowerMILL5, где задаются группы поверхностей для обработки, игнорирования и контроля столкновений Случай 11 – использование вспомогательных траекторий для моделирования Этот пример можно рассматривать как частный случай предыдущих. На рис. 23 показан шнек и чистовая траектория, созданная при помощи стратегии "Боком фрезы". Для выборки межлопастного пространства можно использовать направляющую поверхность, лежащую на цилиндре и ограниченную кривыми, полученными из траекторий (эти линии видны на рисунке: активная траектория показана зеленым цветом, остальные – темные). Использование траекторий для моделирования в предыдущих случаях не рассматривалось. Это еще одна иллюстрация гибкого подхода к созданию поверхностей. Рис. 23. Чистовые траектории используются для задания кромок направляющей поверхности для черновой выборки и зачистки дна канала Случай 12 – использование кромок модели и радиуса инструмента http://www.cadcamcae.lv/hot/5-axis_n18_p68.htm[17.02.2012 23:44:55] Drive surfaces in 5-axial machining При обработке шнека другого типа, направляющая поверхность представляет собой ленточку, идущую вдоль впадины шнека (рис. 24). Эта ленточка также построена из кромок модели с учетом радиуса предполагаемого инструмента. Направляющая поверхность учитывает плавный вход и выход инструмента при резании, т.е. определяет закон движения инструмента еще до контакта с заготовкой. Рис. 24. Ленточная направляющая поверхность для обработки полости шнека создана из кромок модели, а затем продлена для обеспечения плавности входа и выхода инструмента из резания Случай 13 – обработка поднутрений на 3-осевом станке При обработке поднутрений грибковой фрезой (рис. 25) направляющая поверхность позволила обеспечить постоянный шаг по высоте, а не по вогнутой поверхности (заметим, что чаще бывает актуальна обратная задача). Как видим, получилась обработка с постоянной Z. Рис. 25. Изделие с поднутрением: обработка на 3-осевом станке возможна при использовании грибковой фрезы Готовая стратегия "с постоянной Z" не дает возможности обрабатывать поднутрения, поэтому поднутрения в PowerMILL на 3-осевых станках обрабатываются проекционными методами. Применение стратегии "Проекция от поверхности" и направляющей поверхности, созданной из кромок модели (рис. 26), позволило обойти это ограничение. http://www.cadcamcae.lv/hot/5-axis_n18_p68.htm[17.02.2012 23:44:55] Drive surfaces in 5-axial machining Рис. 26. Направляющая поверхность для случая, показанного на рис. 25 Заключение Конечно, описанные здесь случаи не исчерпывают всех ситуаций, где возможно использование направляющих поверхностей, но они дают представление о гибкости предложенного подхода. Отметим и еще один положительный момент такого подхода к обработке в PowerMILL: минимизируется количество стратегий и объектов, с которыми приходится иметь дело технологу-программисту. А это, в свою очередь, существенно упрощает и ускоряет процесс освоения системы. Copyright © CAD/CAM/CAE Observer # 4 (17)/2004 http://www.cadcamcae.lv/hot/5-axis_n18_p68.htm[17.02.2012 23:44:55]
