Проектирование деталей для изготовления на станке с ЧПУ

Проектирование деталей для изготовления на станке с ЧПУ

• Каким должен быть материал?
• Какие формы и размеры должна иметь заготовка?
• Подготовки черного припуска
• Какой жесткости должны быть допуски?
• Глубина резания и радиус углов
• Какие делать отверстия — сквозные или глубокие?
• Какой должна быть резьба?
• Радиус дна углублений меньше радиуса закругления стенки
• Сколько должно быть установов?
• Что делать, если у вас несколько установов?
• Требования к инструментам
• Проектирование с учетом требования сборки (ПТС)
• Посадка болтов
• Что насчет неполных отверстий?
• Как правильно сверлить?
• Расположение пазов
• Касательно гладких кромок
• Обработка длинных тонких деталей
• Расположение наружных краев
• Расположение внутренних краев
• Внутренние скругления и фаски
• Допуски и посадки
• Врезание в деталь
• Уплотнение вместо плоских поверхностей
• Про глухие отверстия с плоским дном
• Каким должен быть радиус карманов?

Устройство станков с ЧПУ: основные узлы и механизмы

Станки с ЧПУ включают в себя узлы, в задачу которых входит выполнение возложенных на них определенных функций.

Среди главных узлов металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ выделяют:

• Основание. Представляет собой прямоугольник, который вместе со станиной обеспечивает устойчивость изделия.
• Станина. Главная деталь устройства. Она соединяет между собой все узлы и механизмы.
• Бабка шпиндельная. В ней расположен шпиндельный подшипниковый узел, закрепляющий и вращающий поставленную заготовку.
• Головка автомат. С ее помощью можно установить режущие элементы в рабочее положение.
• Приводы подач. Превращают движения ротора в линейное положение узлов при помощи шарико-винтовых пар.
• Датчик нарезания металла. Он устанавливается на шпиндельной бабке.
• Система управления. В станок встроено несколько панелей для контроля работы и контроля процесса производства деталей.

Справка. Если знать всю конструкцию устройства с ЧПУ и его узлов, то можно быстро включиться в работу, а в случае чего устранить неполадки или объяснить мастеру проблему.

4. Вал винтовой передачи

Задача данного вала-преобразовывать вращательное движение в поступательное вдоль оси с как можно меньшим трением и как можно меньшим люфтом.

Когда станок меняет направление движения винтовой передачей, требуется небольшой поворот винта, прежде чем направление изменится на противоположное. В этот момент винт и гайка смещаются друг относительно друга без взаимного вращения.

Станки с ЧПУ очень нетерпимы к люфту. Минимизация люфта критически важна для качественной работы станка.

Люфт нельзя полностью устранить, но хорошим значением для любого станка с ЧПУ является люфт менее двадцати пяти тысячной сантиметра (0,0025 сантиметра), но в промышленных станках с ЧПУ это значение гораздо меньше.

Передача винт-гайка

Данный вид передачи был наиболее распространен до появления ШВП, но всё же до сих пор используется на некоторых видах станков в силу простоты конструкции и её дешевизны. Для уменьшения люфта на таком соединении может применяться разрезная гайка, которая позволяет путем сжатия регулировать натяг, устраняя тем самым увеличивающийся со временем люфт. Минусом и одновременно плюсом такой пары является повышенное трение в передаче, что с одной стороны ведет к досрочному износу винта, и требует более мощного мотора, но с другой стороны компенсирует вращательные колебания винта при использовании шагового двигателя.

Шарико-винтовые передачи (ШВП)

Металлообработка на станках с ЧПУ: как начать выпускать продукцию мирового уровня?

Представляю вашему вниманию статью на тему цифровизации производства и выпуска продукции нового поколения. В материале пойдет речь о CAD-CAM-системе как важной составляющей конкурентоспособного производства. В качестве примера расскажу об одной из таких систем – Solid Edge+Solid Edge CAM Pro.

Актуально ли для вас существенное повышение эффективности, снижение времени на проектирование+производство? Достаточно ли проработана статья или на чем-то лучше остановиться подробнее? Буду благодарен за обратную связь.

Металлообработка в XXI веке – вызовы и возможности

Согласно данным аналитического отчёта, продукция российского машиностроения характеризуется низким уровнем конкурентоспособности на мировом рынке. Объяснение – в проблемах, которые испытывает отрасль. Перечислим основные:

• спад потребления на внутреннем рынке, начавшийся в 2014 году;
• увеличение доли изношенных станков;
• отставание от развитых стран по доле станков с ЧПУ;
• низкий уровень оптимизации и автоматизации производственных и бизнес-процессов предприятий.

При этом технологические инициативы промышленно развитых стран, как указано в том же отчете, направлены в первую очередь на то, чтобы ускорить переход к производству продукции нового поколения, которое основано на технологии «интернета вещей» (IoT), внедрения систем автоматизации и анализа больших данных.

Ведущие предприятия отрасли направляют инвестиции в технологии – передовое оборудование и технологии обработки – и в системы управления производственными процессами (MES-системы).

За последние три года наиболее эффективными вложениями в промышленном секторе стали инвестиции в:

• многофункциональные обрабатывающие центры;
• пятиосевую/универсальную обработку, используемую на рынке высокоточной обработки;
• быстросменные инструмент/крепление;
• высокоскоростную механическую обработку (HSM);
• программное обеспечение (ПО) для создания, симуляции и проверки управляющих программ для станков с ЧПУ (далее – УП).

Цифровизация машиностроения и переход на контракты жизненного цикла позволят предприятиям продвинуться в решении задачи увеличения доли конкурентоспособной продукции. По оценкам, с новым подходом выпуск такой продукции возрастет с нынешних 16% до 30% к 2025 году и до, как минимум, 50% – к 2030 году.

Высокоавтоматизированная САD-CAM-система для решения задач машиностроения

Мировой промышленный концерн Siemens AG реализует свою стратегию цифровизации с помощью программного обеспечения от Siemens PLM Software. По мнению специалистов последней, машиностроительное предприятие для повышения конкурентоспособности должно решить следующие задачи:

• обеспечить максимальную загрузку оборудования и сократить время на наладку;
• внедрить сбор информации о продуктах и процессах для контроля и управления инструментальной оснасткой и приспособлениями совместно с деталями изделия на основе шаблонов;
• внедрить симуляцию траектории обработки 3D-модели для симуляции кинематики станка и моделирования траектории движения инструмента;
• сократить время программирования, внедрить автоматизацию этапов создания УП для обработки стандартных элементов (таких, например, как отверстия);
• сократить время обработки, внедрить новые стратегии обработки.

Как показала практика ведущих компаний отрасли, последовательно решать эти задачи – неэффективный и долгий процесс. Требуется комплексный подход и внедрение CAD-CAM-системы, которая управляет всеми этапами изготовления изделия – от проектирования до готовой детали.

Ключевая особенность цифровизации производственного процесса – возможность проектировать под требования рынка не только технические и функциональные характеристики продукта, но и процессы производства и эксплуатации. Для этого одновременно разрабатываются: физический продукт, его математическая (программная) модель (так называемый цифровой двойник, digital twin) для управления производством продукта и автоматического мониторинга.

В результате внедрения системы процесс разработки становится более гибким: инженеры-конструкторы совершенствуют изделия, специалисты оптимизируют управляющие процессы, технологи-программисты проверяют стратегии и выбирают оптимальный способ изготовления изделий.

Преимущества использования САD-CAM-системы

Рассмотрим основные драйверы, которые снижают трудоемкость программирования, сокращают время обработки и износ станков с ЧПУ и, как следствие, приводят к росту выпуска продукции.

Драйверы повышения ценности по всей технологической цепочке:

Основные результаты применения эффективной САD-CAM-системы:

1. Рост производительности и эффективности работы за счет:
   • шаблонов процессов и автоматизации;
   • повторного применения инструментов и технологий обработки;
   • прослеживаемости «деталь > процесс > изготовление».
2. Увеличение использования активов за счет:
   • сокращения времени наладки;
   • использования многофункциональных обрабатывающих центров, симуляции в G-кодах, взаимодействия со стойкой ЧПУ.
3. Оптимизация операционных расходов за счет:
   • сокращения складских запасов через управление инструментами;
   • сокращения затрат на инструмент;
   • применения инструмента в САМ-системе, отслеживания времени жизни инструмента.
4. Автоматизация и гибкость производства за счет:
   • поддержки безлюдных производств;
   • использования систем анализа производственных данных.

Solid Edge + Solid Edge CAM Pro: CAD-CAM система от Siemens PLM Software

Увидеть, как создавать управляющие программы для токарной и фрезерной обработки в Solid Edge CAM Pro можно будет на ближайших вебинарах.

Далее я в общих чертах расскажу об особенностях и преимуществах CAM-системы.
Solid Edge CAM Pro, основанный на NX CAM, входит вместе с Solid Edge в одну линейку решений Siemens PLM Software. Программное решение предоставляет широкий спектр функциональных возможностей – от двухосевого фрезерования и высокоскоростной обработки до программирования многофункциональных станков и пятиосевого фрезерования.

Программисты станков с ЧПУ могут использовать Solid Edge CAM Pro, чтобы решать задачи с различными требованиями к обработке – фрезерование, сверление, токарная и электроэрозионная обработка.

С помощью синхронной технологии можно напрямую редактировать модели деталей и подготавливать их к созданию программ для станков с ЧПУ, включая обработку глухих отверстий и зазоров, смещенных поверхностей, а также изменять размеры элементов детали.
Solid Edge CAM Pro использует концепцию мастер-модели с целью обеспечения сквозного проектирования и разработки программ для ЧПУ за счет привязки всех CAM-функций к единой модели, определяющей геометрию детали. В результате программист может начать разработку программы для станка с ЧПУ, не дожидаясь окончания работы конструктора. Полная ассоциативность обеспечивает последующее обновление операций управляющей программы для станка с ЧПУ при изменении геометрии модели.

Основные возможности Solid Edge CAM Pro

Работа с PMI – конструкторско-технологической информацией 3D-модели.

Product Manufacturing Information, PMI – производственные данные, ассоциированные с трехмерной моделью изделия в САПР. PMI-данные включают в себя геометрические размеры и допуски (GD&T), трехмерные аннотации (текстовые пометки), требования к качеству обработки поверхностей и спецификации материалов. Данные PMI поддерживаются во многих форматах файлов, используемых для обмена и визуализации данных об изделии (например, PDF и JT). Эти данные, если они заложены в модель инженером-конструктором, транслируются вместе с данными геометрии из Solid Edge в Solid Edge CAM Pro. Таким образом, программист станка ЧПУ получает всю необходимую информацию от инженера-конструктора. Это позволяет избежать ошибок и задержек, связанных с использованием 2D-чертежей, оптимизировать производственные процессы с помощью сквозного описания изделия, а также автоматизировать создание управляющей программы на основе этих данных.

Обработка на основе элементов (Feature-based machining).

Модуль обработки на базе элементов обеспечивает распознавание отверстий, карманов, плоских граней (в том числе на импортированных из других CAD-систем моделях) и создание стратегии их обработки. Распознавание выполняется как по параметрам элементов построения, так и по их топологии. Этот модуль существенно ускоряет программирование призматических деталей, обеспечивает оптимизацию обработки, требует меньшей квалификации оператора. Модуль автоматически распознает конструкторско-технологическую информацию об изделии (PMI) – допуски, 3D-аннотации, параметры чистоты поверхности при назначении технологии обработки. Например, для точных отверстий помимо сверления будут автоматически добавлены операции растачивания или развертывания (причем можно настроить предпочтительный тип операции).
Обработка на основе элементов – яркий пример автоматизации программирования, которая может привести к значительному сокращению времени на создание управляющей программы.

Постобработка и симуляция.

Solid Edge CAM Pro включает в себя собственную систему постобработки, которая тесно взаимодействует с ядром CAM-системы. Это позволяет легко сгенерировать требуемый код управляющей программы для большинства типов конфигурации станков и контроллеров.
Программа включает утилиту PostBuilder, которая позволяет создавать и редактировать постпроцессоры. Используя графический пользовательский интерфейс утилиты, пользователь может задавать параметры требуемого кода программы для станка с ЧПУ.

Библиотека постпроцессора представляет собой интернет-ресурс, в котором содержится множество процессов, поддерживающих большое количество различных станков и инструментов. Также Solid Edge CAM Pro включает оптимизированный постпроцессор Sinumerik, который автоматически выбирает основные настройки контроллера в соответствии с данными операции технологического процесса.

Моделирование обработки на станке.

Одним из основных преимуществ системы Solid Edge CAM Pro являются интегрированные функции имитационного моделирования и верификации обработки, которые позволяют специалистам выполнять проверку траектории движения инструмента в процессе программирования станков с ЧПУ. При этом доступен многоуровневый процесс проверки. Например, имитационное моделирование на основе G-кода показывает движение, управляемое выходными данными кода программы станка с ЧПУ на встроенном постпроцессоре NX. 3D-модель станка вместе с деталью, приспособлениями и инструментом перемещается в соответствии с движениями инструмента на основе G-кода.

Основные преимущества: усовершенствованные стратегии обработки с гибкими вариантами управления осями инструмента, переменное профилирование оси автоматически обрабатывает сложные стенки на основе геометрии дна, обработка по Z-профилю с наклонным инструментом может уменьшить прогиб инструмента для лучшей чистоты поверхности. Для сложных деталей, используемых в аэрокосмических и энергетических отраслях, Solid Edge CAM Pro предлагает гибкий подход и ряд вариантов управления осями инструмента для пятиосевой обработки. Например, при программировании детали с несколькими карманами со спроектированными стенками необходимо один раз выбрать дно кармана, и система создаст траектории чистовой обработки для стенок.

Высокоскоростная обработка (High speed machining-HSM).

Высокоскоростная черновая обработка в Solid Edge CAM Pro поддерживает высокую скорость удаления материала при управлении нагрузками на инструмент. Эффективные стратегии HSM для фрезерования с высокой скоростью позволяют сократить время обработки и повысить качество обрабатываемых поверхностей пресс-форм и штампов, призматических и сложных деталей. Пользователю доступен широкий выбор стратегий высокоскоростной обработки для эффективного фрезерования закаленных деталей с обеспечением плавного перемещения инструмента и постоянства силы резания.

Прикладное программирование. Фрезерование турбокомпонентов.

Модуль Turbomachinery Milling предназначен для программирования станков с ЧПУ, которые обрабатывают многолопастные и многоосевые детали вращения. Предусмотрена возможность обработки лопаток с поднутрениями. Кроме того, поддерживается обработка нескольких рассекателей, что позволяет эффективнее работать с CAD-данными независимо от того, в какой системе они были созданы. Лопатки могут состоять из одной или нескольких поверхностей. Зазоры между поверхностями и наложения поверхностей исправляются автоматически. Система позволяет создавать плавные траектории движения инструмента на смежных поверхностях с несовместимыми параметрическими линиями. Определяет операции механообработки для одного элемента моноколеса или крыльчатки, а затем автоматически применяет их к остальным частям детали.

Цифровой цех с Solid Edge CAM Pro

Solid Edge CAM Pro – инструмент для производителей, которые «строят» цифровой цех или планируют обновлять оборудование. С помощью этой системы пользователь может создавать оптимальные программы обработки на станках с ЧПУ для моделей, созданных в Solid Edge и моделей, созданных в сторонних CAD-форматах, снизить производственные издержки, повысить качество выпускаемых изделий.

Внедрение Solid Edge +Solid Edge CAM Pro – значительный шаг к цифровизации бизнес-процессов и росту конкурентоспособности продукции.

На вебинаре 19 марта вы сможете узнать, как быстро начать работу в Solid Edge CAM Pro (по окончании запись будет доступна к скачиванию).

Выполняемые операции на станках

С применением этого оборудования, выполняется обработка деталей, которая сводится:

• к лазерной резке листов металла и труб;
• к раскрою листов лазером и другим лазерным работам;
• к фрезерным и токарным работам;
• к сверлению отверстий и нарезке пазов;
• к обычной резке и сварке металла.

Кроме этого, достоинство компьютерного управления состоит в том, что обработка становится более точной, ведь исключаются негативные влияние человеческих факторов.

Можно назвать операции, совершаемые посредством токарных, сверлильных и револьверных агрегатов, двухсторонними центровыми станками, – изменяющие конфигурацию обрабатываемых изделий:

• точение – связанное с обработкой внешней поверхности детали;
• растачивание – заключается в обработке внутренней поверхности;
• подрезание – обработка поверхностей с торцов;
• разрезание – заготовка разделяется на две части, или же готовая деталь отрезается от заготовок;
• зенкерование – его суть в обработке ранее полученных отверстий, чтобы придать им геометрически правильную форму и снизить шероховатости на поверхностях;
• посредством зенкования сделанные отверстия углубляют, чтобы удобно было разместить головки болтов, винтов или заклепок;
• в процессе центрования (после подрезания торца), отверстие обрабатывают с двух сторон, чтобы его зацентровать;
• резьба (внутренняя и внешняя) нарезается при создании нескольких видов соединения деталей;
• развертывание – обработка отверстий с помощью специнструмента. Применяемая для этого развертка имеет от 6 до 12 лезвий.

На токарно-винторезные станки ложатся и другие операции, например, обтачивание фасонных поверхностей.

Строение и применение ЧПУ

Современный токарный станок имеет числовое программное управление (ЧПУ). Применение электрической схемы и видоизменение основных узлов позволяет добиться высокой точности обработки.

Особенности станков с ЧПУ:

1. При выборе оборудования нужно учитывать данные, указанные в ГОСТе. Там указываются класс точности и другие параметры.
2. Устройство имеет сложную электрическую схему и мини-блок управления.
3. Несмотря на свои небольшие размеры и вес, модели могут выдерживать большую нагрузку.
4. Прибор имеет блок, на который выводится вся информация. Для этого применяются языки программирования, установленные стандартом.
5. Оборудование небольших размеров и высокой точности востребовано. На нем производятся детали для электроники и бытовой техники.

Ручное программирование станков с чпу

Ручное программирование обработки деталей на станках с ЧПУ практически используется только при обработке простых деталей. Подготовку исходных данных, маршрутной и операционной технологии I, II, III этапов (см. Система чертеж-деталь на станках с ЧПУ) проводит технолог, который разрабатывает план операций и карту наладки инструментов (рис. 1). Задачи математических расчетов (этап IV) выполняет программист в бюро математических расчетов (БМР) с использованием средств вычисления (калькуляторы). По предварительно разработанному плану операций программист составляет расчетно-технологическую карту, в которой указываются во временной последовательности все рабочие движения станка, а также дополнительная информация, например свойства обрабатываемого материала, размеры и положение инструмента, скорость резания и т.п. Используя таблицы кодирования, программист пишет текст управляющей программы для конкретного станка с ЧПУ (V этап).

Рис. 1. Этапы ручного программирования обработки деталей на станках с чпу

Изготовление и контроль УП (VI этап) может проводиться в бюро электронных схем (БЭС) предприятия, где осуществляется запись программы на носитель и графическая проверка траекторий движения органов станка (см. рис. 1).

Если носителем информации для станка с ЧПУ является перфолента, то запись УП ведется на устройстве подготовки данных для перфоленты (УПДЛ). На этапе контроля, информация, считываемая с перфоленты, должна быть преобразована в импульсные или фазомодулированные сигналы в зависимости от типа УЧПУ. Вырабатываемые УЧПУ сигналы подаются на исполнительные механизмы координатографа — устройства графической проверки управляющей программы (см. рис. 1).

Конструкция и принцип работы

Большинство токарных станков имеют схожую конструкцию и имеют одни и те же элементы. Отличаются они только габаритами и расположением некоторых деталей.

На токарных станках производится в результате вращения обработка деталей режущим инструментом. При поступательном движении резца с поверхности заготовки снимается слой металла, ей придается нужный вид и форма. Современные станки обладают высокой точностью, резьба может быть нарезана любого профиля.

Принцип работы токарного станка состоит в следующем:

• инструмент для работы вставляется в пиноль задней бабки;
• задняя бабка должна быть установлена в соответствии с размерами детали; она передвигается по направляющим станины;
• между передней и задней бабками располагается суппорт, в процессе работы он перемещается по направляющим с помощью каретки;
• резцедержатели подбираются в зависимости от размера детали, они могут быть как одиночными, так и предназначенными для нескольких резцов.

Оперативное программирование станка с чпу

При обработке простых деталей предварительная подготовка управляющей программы может не выполняться. Программирование обработки деталей на станках с чпу ведется непосредственно у станка с пульта УЧПУ по чертежу детали. Такой способ подготовки управляющей программы называется оперативным программированием.

Оперативное программирование осуществляется оператором с пульта системы управления станком в режиме ввода и редактирования управляющих программ.

Информация управляющей программы вводится в УЧПУ в специальном семиразрядном буквенно-цифровом коде по ГОСТ 13032–77, соответствующем международному коду ISO–7 bit. Управляющая программа вводится отдельными кадрами, состоящими из слов, которые задаются буквенными адресами с определенными числовыми значениями.

Современные микропроцессорные УЧПУ позволяют осуществлять оперативное программирование в режиме диалога оператора с УЧПУ. При этом УП готовится с помощью специального графического редактора в режиме «меню». Данный способ программирования обработки деталей на станках с чпу называется диалоговым программированием. Такой диалог возможен при наличии в УЧПУ специального программного обеспечения и следующих технических средств: клавиатуры ввода на пульте УЧПУ (рис. 4, α); дисплея УЧПУ, работающего как в алфавитно-цифровом режиме, так и в режиме графического отображения (рис. 4, б, в); пульта управления станком (рис. 4, г).

Рис. 4. Технические средства ведения диалогового программирования на станке с системой ЧПУ «HEIDENHAIN»: α — клавиатура ввода данных; б — дисплей УЧПУ в режиме «алфавитно-цифровой клавиатуры»; в — дисплей УЧПУ в режиме «графической симуляции»; г — пульт управления станка

На экране дисплея УЧПУ высвечивается последовательность вопросов, на которые должен ответить оператор нажатием определенных буквенных или цифровых клавиш. Эти вопросы могут также задаваться в виде перечня («меню»), из которого надо выбрать желаемый вариант.

Оператор в процессе программирования выбирает требуемый по чертежу вариант из «меню» и вводит с пульта УЧПУ необходимые данные в предлагаемой последовательности. Введенные данные (графики, буквенно-цифровая информация) тут же высвечиваются на экране дисплея и, при необходимости, редактируются.

Программирование обработки деталей на станках с ЧПУ при использовании диалогового программирования не требует знания условных изображений и формата кадра. По данным, вводимым оператором, микроЭВМ сама формирует УП в виде, необходимом для работы УЧПУ.

Программирование обработки включает последовательные этапы: формирование геометрии обработанной детали; выбор режущих инструментов; определение режимов резания; определение схем наладки и обработки; моделирование процесса обработки. Управляющая программа в этом случае представляет собой упорядоченное множество геометрических объектов и технологических команд.

По геометрическим данным чертежа оператор, используя соответствующее «меню», производит построение контура обрабатываемой детали из различных геометрических элементов: точек, линий, окружностей и т.д., которые изображаются на экране графического дисплея в виде рисунка (рис. 5).

Рис. 5. Задание геометрических элементов контура обрабатываемой детали в УЧПУ «SINUMERIK»

При необходимости на экран дисплея вызывается информация о режущем инструменте. Графически могут быть представлены схема инструмента, его данные, включая размеры, код, номер корректора, материал режущей части и др.

Из «меню» «Последовательность переходов» оператор выбирает необходимые для обработки технологические переходы, при формировании которых будут использоваться типовые циклы обработки, например цикл сверления (рис. 6), цикл чернового точения цилиндрической поверхности и т.п. В циклах задаются соответствующие параметры: припуски на черновую, чистовую обработку; глубина и ширина обработки; плоскость безопасности; направление подачи и т.п.

Режимы резания могут быть или назначены оператором, или получены автоматически по введенному коду материала детали и инструмента, виду обработки (черновая, чистовая), принятым циклам обработки. Программное обеспечение УЧПУ может определять оптимальные режимы (подачу, скорость резания, необходимые замедления) с учетом данных, характерных для станка.

Рис. 6. Типовой цикл обработки (цикл сверления), используемый при диалоговом программировании на УЧПУ «SINUMERIK»

После определения всех параметров обработки УЧПУ автоматически рассчитывает управляющую программу работы станка, и с определенными комментариями ее можно увидеть на экране дисплея в соответствующем коде. По желанию оператора возможно графическое представление всего процесса обработки детали как в плоскостном (рис. 7, α), так и в объемном изображении (рис. 7, б). Такой вид информации на экран дисплея делает ее обзорной и легко понимаемой.

Рис. 7. Графическое представление процесса обработки, полученного диалоговым программированием: α — плоскостное изображение; б — объемное изображение