Авторы: Трофимов В. В., Черных Д. М.
Аннотация: В статье рассматриваются вопросы использования прототипов в процессе проектирования. Приведен обзор методов обработки и области их применения. Предложены методы повышения производительности фрезерования при формообразовании поверхностей прототипов. Исследуются проблемы высокоскоростной обработки и направления ее совершенствования. Представлены особенности расчета шпиндельных узлов, модифицирования приводов подач, систем ЧПУ и закрепления инструмента
Ключевые слова: обработка прототипов, высокоскоростная обработка, программное управление.
Модернизация промышленности определяет проведение, на начальном этапе, технологического перевооружения машиностроительного комплекса. Замена устаревшего парка оборудования на современный, требует разработки комплексного методологического подхода, с целью создания новых поколений техники для повышения конкурентоспособности России на мировом рынке. Для этого необходимо обновление промышленности на основе инновационных обрабатывающих технологий, важнейшими для которых являются показатели техникоэкономической эффективности. Внедрение конкурентоспособного металлообрабатывающего оборудования делает технологическую среду и промышленную инфраструктуру предприятий компактной, менее ресурсоемкой. Ею проще управлять и переналаживать на выпуск новых изделий. При этом важен комплексный подход – необходимо сбалансировать модернизацию всех важнейших технологических переделов, реструктуризируя производство в тенденциях мировой промышленной глобализации и интеграции. Отверточные
технологии, пришедшие в Россию из промышленно развитых стран, – лишь одна сторона этого процесса [1].
Для успешной работы и развития современного промышленного предприятия его стратегия должна отвечать таким целям, как повышение конкурентоспособности продукции, сокращение сроков выхода продукции на рынок, снижение общих затрат на производство. Изготовление прототипов позволяет оценивать дизайн и эргономику будущего изделия, анализировать собираемость и функциональность его конструкции, эффективно проводить маркетинговые исследования и рекламные кампании по продвижению продукции на рынок, использовать их в качестве мастер-моделей для изготовления технологической оснастки [2].
Возможность быстро и легко перейти от модели в 3D к прототипу, который можно держать в руках, сложно переоценить. Благодаря современным технологиям вы получаете модели с отличным качеством поверхности. Все это позволяет быстро получить прототип, который не будет по внешним признакам отличаться от конечного изделия. Эти возможности широко используются для подготовки демонстрационных образцов для заказчиков и экспонирования на выставках.
Благодаря превосходному качеству моделей и высокой точности, прототипы очень удобно использовать для проверки собираемости новых изделий. Современные системы CAM позволяют разрабатывать управляющие программы для различного оборудования в очень сжатые сроки. Получив через несколько часов готовую модель, благодаря высокой производительности и степени точности оборудования, конструктор может быть уверен, что если в ней обнаружатся ошибки, то это ошибки, которые вкрались при разработке, а не при изготовлении прототипа.
Для проверки прототипов применяют функциональное тестирование, т.е. тестирование в тех же условиях, в которых будет работать конечное изделие. Каждое предприятие ставит различные задачи по тестированию, поэтому выделить какие-то общие моменты очень сложно. Прототипы успешно тестируются с различными жидкостями для изучения гидродинамических характеристик, продуваются в аэродинамической трубе и т.д. Это очень важное направление использования прототипов, которое становится все более востребованным.
Для получения отливок из пластика используется относительно новая технология – инжекционное литье низкого давления. В данном случае изготавливается не мастер-модель, а сама форма, в которую затем заливаются двухкомпонентные полиуретановые смолы, у которых время застывания составляет одну-две минуты. В связи с коротким временем застывания дегазация не используется. Большим плюсом этой технологии является возможность применения одной формы для практически неограниченного количества отливок.
Литье металлов по выплавляемым моделям является классической технологией для получения высококачественных отливок из металла. Конструктором разрабатывается форма для отливки изделия, а технологом управляющая программа для станка с ЧПУ. После обработки эта форма используется для получения восковок — точных копий конечного изделия из литейного воска. Такие копии применяются для создания керамической формы — обычно они собираются в куст, который несколько раз погружается в жидкую керамическую смесь и обсыпается песком для наращивания формы. Готовая форма с восковкой внутри помещается в печь, где форма окончательно высыхает, а литейный воск плавится и вытекает из формы. В готовую керамическую форму заливается металл, отливка остывает, затем форму разбивают и извлекают конечное изделие. После этого удаляются литники, а при необходимости изделие полируется.
Еще одна классическая технология, применяемая для получения отливок из металла - это литье в землю. По сравнению с литьем по выплавляемым моделям в данном случае точность не столь высока, что компенсируется возможностью получения отливок из цветных металлов с температурой плавления 600 – 800 °С и стали с температурой плавления более 1000 °С.
Выделяют следующие области применения прототипов:
Прототипы используются не только при конструировании новых моделей автомобилей, но и при восстановлении ретро автомобилей или модернизацией современных транспортных средств. Разработка и производство макета транспортного средства требует изготовления уникальных деталей интерьера и экстерьера в единичном экземпляре. Пяти – осевая высокоскоростная обработка позволяет получить демонстрационный образец изделия, который возможно установить на функциональный макет транспортного средства.
Прототипирование для опытных производств и конструкторских бюро в сочетании с трехмерным моделированием позволяют сократить время на разработку первого функционального образца проектируемого изделия, а также сократить прямые расходы на подготовку производства опытной партии проектируемых изделий. Сокращение сроков подготовки производства возможно с 2-3 месяцев до 10-14 дней. При этом прямые расходы сокращаются в 2-3 раза.
Рынок потребительских товаров и электронных приборов является одним из основных источников работы для области прототипирования. Использование прототипов позволяет сократить время на обновление модельного ряда продукции и обеспечивая тем самым успех в конкурентной борьбе.
Услуги по изготовлению прототипов часто востребованы медицинскими учреждениями. Опытное производство товаров медицинского назначения требует соблюдения повышенной геометрической точности, хорошего качества поверхностей, безупречного дизайна. Характерными направлениями, где используются прототипы медицинского назначения, являются стоматология, хирургия, терапия.
В современных условиях развития обувной промышленности помимо компьютерного моделирования все шире применяются инновационные технологии прототипирования компьютерных моделей, когда физические образцы-прототипы изготавливаются машинным способом и определенным образом. Их демонстрация в кругу специалистов совершенствует процесс обсуждения моделей, позволяет включить изделие в индивидуальные дизайнпроекты и упрощает оценку качества демонстрационных и функциональных свойств отдельных деталей, узлов и изделий.
Прототипы чаще всего имеют достаточно сложную геометрию. Поэтому на стадии проектирования прототипа необходимо уделить внимание проблемам формообразования. Особенности формы и геометрической структуры сложных поверхностей является причиной имеющихся особенностей в технологии обработки ограниченных ними деталей. Поэтому многокоординатная обработка деталей с рабочими поверхностями такого типа характерна выраженной нестационарностью всех ее основных параметров: параметров удаляемого припуска и сечений срезаемых слоев, текущих значений кинематических, геометрических параметров режущих кромок инструмента, допустимыми в текущий момент времени критическими значениями скорости резания, подач и др.
Сложные поверхности деталей обрабатываются методом построчного огибания на металлорежущих станках, имеющих от 3-4 до 5-6 и более одновременно управляемых от системы ЧПУ координат. В этой области имеются большие неиспользованные резервы, что требует радикального совершенствования технологии с целью повышения эффективности обработки и более полного использования потенциальных возможностей многокоординатных станков с ЧПУ современных конструкций.
Расширение объемов производства деталей с рабочими поверхностями сложной формы настоятельно требует решения актуальной технологической проблемы: с минимальными затратами средств и времени наиболее экономично и производительно обрабатывать произвольно сложные поверхности деталей. При этом синтезировать оптимальный процесс многокоординатного формообразования сложных поверхностей деталей на станках с ЧПУ следует, в первую очередь, исходя из достижения максимальной производительности формообразования. Более производительный процесс обеспечивает экономию времени на обработку, что в конечном счете определяет полный экономический эффект. Более общие результаты будут получены, если синтез технологии обработки поверхности детали осуществить исходя из условия обеспечения максимальной производительности обработки не одной, а двух и более поверхностей детали одновременно, изготовления детали в целом, изготовления узла, агрегата или машины, и т.д.
Аналитическое описание и синтез оптимального процесса формообразования сложных поверхностей деталей на многокоординатных станках с ЧПУ представляет собой многоплановую проблему. Для решения этой проблемы требуется решение комплекса технических задач, совокупность которых составляет сущность дифференциальногеометрического метода формообразования поверхностей при механической обработке деталей.
Вследствие высокой стоимости многокоординатного оборудования и единичного типа производства очень остро стоит вопрос сокращения времени обработки прототипа. Для этого целесообразно использовать высокоскоростную фрезерную обработку (ВСО). Суть данного метода заключается в том, что единичный объем удаляемого материала уменьшается, но скорость резания, т. е. количество удаляемых единичных объемов за равный временной промежуток многократно увеличивается.
Главное преимущество высокоскоростной обработки состоит в малой глубине резания. Малая глубина резания обуславливает значительное уменьшение уровня тепловой энергии, выделяющейся в процессе обработки. При этом становится возможным значительное (до 10-кратного) увеличение частоты вращения шпинделя. А поскольку удельная длина реза на один зуб фрезы остается без изменений, то в пропорции с частотой оборотов шпинделя становится возможным использование гораздо более высоких скоростей подач.
Еще одно преимущество состоит в том, что полученная в результате обработки форма детали является более близкой к требуемой так, что в некоторых случаях дополнительные финишные проходы могут не понадобиться. Это сокращает время и затраты на выполнение обработки.
Для описания процесса ВСО необходимо рассмотреть несколько критериев:
Последние три критерия служат для определения динамического отклика станка и определяют эффективность при обработке алюминиевых сплавов [4].
Одним из наиболее ответственных узлов станка является шпиндельный узел, всегда участвующий в процессе формообразования. Качество шпиндельного узла оказывает огромное влияние на точность, жесткость и производительность всего станка. На его долю приходится от 50% до 80% погрешностей в общем балансе точности. Поэтому актуален вопрос моделирования поведения шпиндельного узла под нагрузкой еще на стадии его проектирования.
Шпиндельный узел представляет собой сложную механическую систему, состоящую из различных упругих элементов, связанных между собой. Его основная задача, воспринимая эксплуатационные нагрузки и подвергаясь действию процессов различной скорости, обеспечивать заданные выходные параметры точности и сохранение их во времени [5].
Анализ функциональных свойств шпиндельного узла показывает целесообразность разработки математической модели упругодеформированного состояния, определяющей нагрузки, деформации, жесткость каждого элемента системы. Для этого предлагается использовать метод конечных элементов.
Использование численных методов при проектировании продиктовано необходимостью постоянного повышения надежности и качества шпиндельных узлов, а также возможностью использовать новые современные материалы, учитывать сложные условия работы при необходимости повышения их конкурентоспособности и надежности. Исследования механического поведения трехмерных конструкций можно проводить экспериментально. Этот способ позволяет оценивать поведение конструкции при воздействии на нее различных внешних факторов. Однако он является довольно дорогостоящим, требует больших временных затрат, а иногда не может быть применим. В настоящее время в процессе разработки высокотехнологичной конкурентоспособной продукции ведущие фирмы мира используют конечно-элементное (КЭ) моделирование, пытаясь заменить дорогостоящий натурный эксперимент более дешевым вычислительным экспериментом. КЭ-моделирование позволяет оценить поведение трехмерных конструкций под воздействием различных внешних факторов [6, 7].
Для достижения требуемой точности обработки требуются частые проходы инструмента с небольшим шагом. Это приводит к резкому увеличению длины траектории и, как следствие, объему управляющих программ. При этом особенно остро встает вопрос об увеличении производительности станка при соблюдении высокой точности. Особенно это заметно при программировании обработки сложных поверхностей, когда управляющая программа должна неразрывно связывать согласованные перемещения элементов станка по 3-м, 4-м и даже по 5-ти координатам при шаге в 0,01...0,02 мм.
Поскольку у существующих систем числового программного управления имеются ограничения по скорости обработки кадра управляющей программы и передачи сигнала управления к приводу, то при ВСО возможны ограничения по подаче, то есть ЧПУ может непрерывно управлять приводами лишь до определенной скорости их перемещения [8, 9].
Подача значительно влияет на время обработки. Но при этом следует учитывать одну из особенностей управляющих программ (УП) для обработки сложных поверхностей – малые величины отрезков, аппроксимирующих траекторию движения инструмента, что необходимо для соблюдения требуемой точности аппроксимации. Дело в том, что каждый отрезок, аппроксимирующий траекторию, представляет собой вектор движения, имеющий участки разгона и торможения. Последние существенно снижают скорость рабочей подачи, которая задается технологически [10, 11]. Уменьшить данное несоответствие можно за счет увеличения ускорения перемещения рабочих органов станка. Для этого было предложено заменить шарико – винтовую передачу (ШВП) на планетарную ролико – винтовую передачу (ПРВП).
Высокая предельная частота вращения винта ролико-винтовых передач по сравнению с ШВП позволяет повысить производительность обработки. Жесткость ролико-винтовых передач выше жесткости ШВП, но требования к передаче как динамическому звену следящего привода обусловливают поиск новых возможностей повышения жесткости и снижения момента инерции передач. В результате, замена ШВП на ПРВП приводит к сокращению основного времени за счет более быстрого ускорения и торможения, а вспомогательного времени – за счет более высоких скоростных характеристик. Также происходит повышение плавности работы по сравнению с ШВП за счет исключения возникновения импульсов при входе шариков в канал возврата и выходе из него [12, 13].
Нельзя также не отметить роль электроприводов станков в процессе обработки. Результатом повышения требований к ним являются: высокая максимальная скорость; значительная нагрузочная способность; широкий диапазон регулирования скорости; высокая точность и равномерность движения на всех скоростях вплоть до самых малых; минимальное время отработки задающего воздействия при апериодическом характере переходных процессов разгона и торможения; линейность, стабильность и повторяемость характеристик; высокое быстродействие при изменении нагрузки или при реверсе под нагрузкой на малой скорости; минимальные габаритные размеры электродвигателя при большом вращающем моменте или мощности; высокая надежность и ремонтопригодность [14].
Особые требования предъявляются и к режущему инструменту, зачастую имеющему неудовлетворительное соотношение диаметра и длины. Фреза диаметром от 0,5 мм и длиной до 10 мм (что соответствует пропорции 1:20) не является редкостью во фрезеровании. К счастью, инструмент такого типа уже не столь экзотичен, как еще несколько лет назад. Ряд производителей (например, Hufschmied, Dixi, Jabro) поставляют со склада целый диапазон инструментов из твердых сплавов.
Цель производителей инструмента состоит в том, чтобы добиться оптимальной остроты режущей кромки инструмента из микрозернистых сортов твердого металла на основе соединения карбида вольфрама и кобальта. Современные используемые материалы состоят из зерен карбида вольфрама диаметром 0,5-1 мкм в сравнительно мягком соединении с кобальтом. Из таких сортов твердого материала получается инструмент с очень малыми закруглениями режущей кромки, что приводит к существенному уменьшению силы резания. Этот инструмент, превосходно подходящий для обработки цветных металлов, в большинстве случаев имеется на складах и доступен по приемлемой цене.
Инструмент из материала с покрытием в большинстве случаев является незаменимым для работы с высоколегированными или закаленными сортами стали, а также с легированной вольфрамом медью или графитом. Такое покрытие улучшает стойкость и температурную устойчивость инструмента, даже если обладает недостатком в виде закругления режущей кромки, поэтому в настоящее время ему нет экономичной альтернативы [15].
Обрабатывающий инструмент и весь процесс резания предъявляют со своей стороны высокие требования к станкам, которые наряду с высокой точностью и динамикой перемещений должны также иметь достаточные показатели жесткости.
При разработке технологий изготовления деталей особое внимание необходимо уделять связующим звеньям между станком и режущим инструментом, в частности инструментальной оснастке. Вибрации инструмента в процессе резания резко снижают его стойкость и повышают риск преждевременной поломки или износа инструмента, и как следствие снижают его производительность, качество обработанной поверхности и безотказность оборудования [16]. Существует множество вариантов закрепления – цанговый зажим, гидравлический (гидропластовый) зажим, термозажим, прессовый зажим и другие. Самым распространенным на сегодняшний день является зажим инструмента с помощью цанг. Для минимизации биения и вибраций необходимо использовать прецизионные системы закрепления инструмента. Благодаря отсутствию внутренних механизмов, возможно добиться оптимальных параметров жесткости и точности сопрягаемых поверхностей – оправка-цанга и цанга-инструмент, что в свою очередь позволит демпфировать возникающие при работе высокие вибрации [17].
Значительно снизить вибрации, возникающие при обработке, позволяет балансировка оправок. При несимметричном распределении массы ротора вращающихся узлов возникает дисбаланс. Он вызывает центробежные силы, которые возрастают по квадратичной функции в зависимости от числа оборотов шпинделя. Последствия такого дисбаланса в оправке и инструменте при высокоскоростной обработке сказываются очень негативно: центробежные силы нагружают опоры шпинделя, сокращая, таким образом, срок службы шпинделя на 50%.
Направление эффективного движения центробежных сил постоянно меняется, что генерирует возникновение колебаний. Эти колебания передаются на станок и инструмент, тем самым значительно сокращая срок службы.
Вибрации не только повреждают шпиндель и инструмент, но и ухудшают процесс обработки и сказываются на обработанной поверхности детали. Появляются следы вибраций, которые впоследствии необходимо дорабатывать.
Положительный сопровождающий эффект балансировки это повышение срока службы шпинделей. Замена шпинделя становиться спланированным фактором, что предотвращает незапланированный простой оборудования. Измерение дисбаланса производится за короткий промежуток времени, и если работать с балансировочными кольцами, 1-2 минут достаточно для проведения балансировки. При проведении балансировки посредством сверления, затраты времени увеличиваются [18].
В заключение необходимо отметить, что сокращение времени проектирования объекта – многоуровневый и достаточно трудоемкий процесс. Требуются дальнейшие глубокие исследования производства и применения прототипов, с целью сохранения их массового внедрения в процесс технологической подготовки. Внедрение фрезерной ВСО, в настоящий момент, связано с использованием дорогостоящего оборудования и оснастки. Это определяет необходимость совершенствование процессов обработки, для снижения сроков окупаемости инвестиций – сокращения издержек при запуске новой продукции.