Токарная обработка валов важный и нужный процесс в обработке металла. В современном машиностроительном производстве для технологической подготовки токарных операций, таких как например, обработка валов на токарном станке на станках с ЧПУ, все шире используются САМ-системы (Computer Aided Manufacturing).
В соответствии с типовой структурой управления станком с ЧПУ с помощью CAM-системы в ней решаются следующие задачи:
- геометрические задачи проектирования формообразующих траекторий движений инструмента и заготовки;
- проектирование элементов технологической операции;
- проверка геометрических расчетов и визуализация процесса обработки;
- формирование управляющей программы (УП) соответственно кодам постпроцессора выбранного станка.
Тем не менее, даже у современных CAM-систем отсутствует модуль, позволяющий в автоматическом режиме рассчитывать режим резания если стоит задача - обработка вала на станке с чпу. Назначение подачи (т.е. скорости движения по сформированной траектории) и частоты вращения шпинделя выполняется технологом на основе использования нормативных данных, собственного опыта или рекомендаций изготовителей инструментальных материалов. В то же время теоретически разработаны методы оптимизации процесса резания, которые базируются на решении задач нелинейного программирования. Обработка ступенчатых валов на токарном станке является одной из основных задач работы токарных станков, а в многономенклатурном производстве с применением станков с числовым программным управлением обработка валов на токарных станках с чпу производится из заготовок в виде прутков. Поэтому такие токарные операции априори предполагают многопроходную обработку. Однако для многопроходной обработки остается не решенным вопрос оптимального выбора режима резания, определения оптимальных значений всех его компонентов: глубины, скорости и подачи.
Учитывая реальные возможности по управлению всеми компонентами режима резания современных станков, CAM-система должна быть способной к полному использованию таких возможностей. Это означает, что в нее обязательно должен входить модуль, позволяющий в автоматическом режиме проектировать как траектории движений инструмента на черновых операциях по оптимальной глубине резания если выполняется обработка вала на чпу, так и рассчитывать программу управления такими компонентами режима резания как подача и частота вращения шпинделя. Причем, оптимальная глубина резания в сочетании с частотой вращения и подачей должны определяться из решения задачи оптимизации, которая в случае, если токарная обработка валов выполняется на станке с ЧПУ сводится к однокритериальной: найти такое сочетание компонент режима резания, чтобы критерий оптимальности производительность - был максимальным при условии выполнения всех ограничений. Поскольку оптимальное управление проектируется на этапе технологической подготовки производства, то исходные данные для решения задачи оптимизации должны получаться из априорной информации. Другим важным условием является то, что обработка ступенчатых валов на токарном станке изменчива и в процессе резания изменяются такие параметры как диаметр обработки и фактическая глубина резания, что предопределяет необходимость перманентного расчета оптимального режима обработки.
Поскольку реализация запланированных теоретических решений на станках с ЧПУ невозможна без применения САМ-систем, принята концепция создания управляющей программы, ориентированная на применение компьютера. Обработка вала на станке с чпу должна быть смоделирована, структура САМ-системы должна предусматривать процесс резки который проектируется по имеющимся априорным данным и на базе решения задачи расчета траекторий многопроходной обработки. Далее выполняется моделирование процесса точения, во время которого, на каждом его шаге, рассчитываются фактические величины диаметра и глубины резания, которые являются исходными для решения задачи оптимизации и определения оптимальных значений частоты вращения шпинделя и подачи, чтобы обработка валов на токарных станках с чпу была выполнена оптимальным способом.
Следовательно, для решения общей проблемы оптимального управления вначале необходимо установить оптимальную глубину резания на черновых проходах. Для решения такой задачи был разработан алгоритм, который основан на использовании алгоритма решения задачи оптимизации и соответствующей прикладной программы, представленных в работе Петракова Ю.В., Амин Афшара Камбиз “Оптимизация токарной обработки” (сборник Вестник Национального технического университета Украины «КПИ»).
Поскольку обработка ступенчатых валов на токарном станке выполняется наиболее часто с применением схемы точения с использованием инструментальных пластин с главным углом в плане φ>90 0 (рис.1), часть алгоритма, выполняющая расчет допустимой по шероховатости подачи была изменена. По условиям формообразования:
S об ≤ r(1+Sin φ1 + 1/Sin φ1),
поэтому гребешок Rz микронеровностей может образовываться только пересечением дуги окружности радиусом r и линией вспомогательной режущей кромки. Процедура вычисления рассчитывает высоту y профиля гребешка для каждой координаты x с определенным шагом в диапазоне от 0 до x=S об и выбирает максимальную величину. Процедура повторяется с выбранным шагом увеличения подачи Sоб до тех пор, пока y max = Rz. Величина подачи, соответствующая этому условию и будет допустимой по шероховатости.
Рис.1. Схема обработки (а) и образование шероховатости поверхности (б)
Обработка валов на токарных станках с чпу должна происходить с оптимальной глубиной резания на черновых проходах, это значение, при котором, с оптимальными частотой вращения шпинделя и продольной подачей, производительность, оцениваемая по скорости срезания припуска, будет максимальным. При выполнении таких исследований было установлено, что всегда имеется определенное сочетание глубины резания подачи и частоты вращения, полученное из решения задачи оптимизации, которое обеспечивает максимум принятого критерия.
В таблице 1 представлены результаты исследований по определению оптимального режима резания, когда выполняется черновая обработка валов на токарном станке. Сталь 30 инструментом Т5К10 с радиусом при вершине r=0,2 мм и углами в плане φ=95 градусов, φ1=5 градусов на токарном станке 1К62Ф2. Другие дополнительные условия: стойкость инструмента 20 мин, диаметр обработки 50 мм, шероховатость после черновой обработки Rz=20 мкм
Таблица 1. Зависимость оптимального режима от глубины резания
Результаты исследований в графической форме представлены на рис.2. Видно, что гипотеза о наличии экстремума режима резания при черновой обработке от заданной глубины резания полностью подтвердилась. Для условий эксперимента режим резания H=2,5 мм, S м=425 мм/мин и n=648 об/мин обеспечивает максимальную скорость снятия припуска, объем которого при постоянном диаметре оценивается по площади поперечного сечения срезаемого слоя. Следовательно, такой режим является оптимальным для черновой обработки.
Рис.2. Графики зависимости критерия оптимальности от глубины резания для черновой и чистовой обработки
Токарная обработка валов с оптимальным режимом резания для чистовых проходов оценивается по скорости формообразования, т.е. по величине Sм минутной подачи и зависит от припуска.
Обработка ступенчатых валов на токарном станке выполняется в соответствии с принятой концепцией, модуль оптимизации САМ-системы построен по алгоритму, укрупненная блок-схема которого представлена на рис.3.
Рис.3. Блок-схема алгоритма модуля оптимизации
Модуль оптимизации предусматривает предварительный расчет по встроенной процедуре определения оптимального режима резания на черновых проходах в зависимости от введенных исходных данных. Процедура в автоматическом цикле находит максимум целевой функции Sм*H и определяет, таким образом, глубину резания. Далее, вычисляется необходимое количество проходов и выполняется формирование траекторий движения инструмента как эквидистант к контуру детали. Для этого используется специальная процедура, предусматривающая построение технологической эквидистанты, с достраиванием траектории движения на углах контура по дуге окружности.
Обработка вала на чпу при первом проходе и далее в некоторых местах обработки непостоянна, глубина резания может отличаться от расчетной, при моделировании процесса обработки предусмотрено постоянное обращение к процедуре оптимизации, которая вычисляет оптимальный режим резания для фактической глубины резания. Все расчетные данные (координаты траектории, частота вращения шпинделя и продольная подача) используются для формирования управляющей программы в G-кодах.
Поскольку модуль рассчитан и на автономное использование при технологической подготовке программ для токарных станков с ЧПУ, в него включен интерфейс, выполняющий функции CAD-системы (рис.4).
Рис.4. Графический интерфейс модуля оптимизации
В левом углу задаются геометрические параметры детали, справа выбирается вид заготовки и вводятся ее геометрические размеры. После нажатия кнопок «Применить», изображения контура детали и заготовки появляются в графическом окне, там же обозначены номера участков детали.
Следует отметить, что для использования в дальнейших расчетах универсальных процедур, контуры детали и заготовки представляются дискретными геометрическими моделями в виде цифровых массивов.
При нажатии кнопки «Фрезерно-центровальная операция» выполняется соответствующая перестройка массива контура заготовки показано пунктирной линией на рис.4.
Следующий интерфейс (рис.5) позволяет ввести исходные данные, необходимые для функционирования дальнейших процедур модуля в соответствии с алгоритмом (смотри рис.3). В имеющейся базе данных содержится 10 видов обрабатываемых материалов и 6 марок инструментальных материалов. При необходимости, база данных может быть расширена. Обработка вала на станке с чпу при задании технологических параметров обработки не требует вводить глубину резания, подачу и частоту вращения шпинделя, поскольку они будут определяться автоматически в ходе решения задач оптимизации.
Рис.5. Интерфейс ввода технологических параметров
При нажатии кнопки «Применить данные» появляется графическое окно анимации процесса обработки. На рис.6 показано такое окно в исходном положении для условий рассматриваемого примера.
При нажатии кнопки «Черновая обработка» выполняется моделирование процесса точения, результаты которого в определенном масштабе выводятся в окно анимации. Моделирование выполняется с заданным шагом (0,1 мм), предусматривает, что обработка валов на токарном станке будет производится только после вычисления фактической глубины резания и обращения к процедурам определения оптимизации значений подачи и частоты вращения шпинделя на каждом шаге. Вычисление фактической глубины резания производится специальной процедурой сравнения цифровых массивов текущей траектории движения резца и контура заготовки, сформированного на предыдущем проходе. Резец выполняет движение по траекториям, сформированным на предыдущих этапах работы модуля.
Рис.6А. Состояние графического окна в начале процесса моделирования
Таким образом, во время моделирования создаются массивы данных, представляющие траектории движения инструмента (координаты X и Y), а также привязанные к ним значения подачи и частоты вращения шпинделя.
В конце моделирования деталь 1 приобретает заданную вначале проектирования форму, резец 2 занимает исходное положение а в графическом окне появляются рассчитанные траектории движения на черновой обработке (линии 3) и на чистовой обработке (линия 4). Там же афишируется расчетное время обработки на этих переходах или операциях, это особенно важно если происходит обработка длинного вала на токарном станке.
Рис. 6Б. Состояние графического окна в начале процесса моделирования
Для визуальной проверки результатов моделирования и генерирования управляющей программы в G-кодах используется следующий интерфейс модуля оптимизации. В графическом окне интерфейса (рис.7) можно представлять графики управления подачей и частотой вращения шпинделя как на черновых так и на чистовом проходах. Причем в зависимости от номера прохода, который выбирается в окне «номер прохода», можно наблюдать управляющие воздействия на любом проходе процесса обработки.
В качестве графического окна представления использован компонент Chart (Среда программирования Delphi), что позволяет проводить увеличение масштаба любого участка графиков и, таким образом, оценивать значения управляющих воздействий.
На рис.7 линией 1 обозначен закон управления подачей, а линией 2 частотой вращения шпинделя. Оба закона привязаны к длине траектории и поэтому, в сочетании с цифровыми массивами координат, являются исходной базой данных для генерирования управляющей программы.
Уменьшение подачи в зонах А и Б объясняется тем, что обработка вала на чпу производится с особенностями точения торцевых участков контура детали, где глубина резания значительно возрастает из-за смены направления подачи и геометрии главного угла в плане резца. На такие возмущения программа успешно среагировала, выбрав (согласно алгоритму) соответствующие изменения управляющих воздействий.
Рис.7. Интерфейс представления графиков управлений (7-ой черновой проход)
Законы управления на чистовом проходе также представлены в функции координаты длины траектории инструмента (рис.8). Постоянство частоты вращения на всех участках контура детали (линия 1) обусловлено конструктивными ограничениями выбранного станка (смотри рис.5), а изменение подачи разными требованиями по шероховатости обработки, назначенными при проектировании чертежа детали (смотри рис.4).
В заключение следует отметить, что аналогичным образом решается задача проектирования оптимального управления и при выборе заготовки в виде штамповки или литья (смотри рис.4). При этом в исходных данных назначается литейные (штамповочные) уклоны и величина припуска. Припуск по умолчанию принимается эквидистантный, а формирование его цифрового массива, представляющего дискретную геометрическую модель, выполняется процедурой расчета эквидистанты, которая используется и для определения траекторий на черновой обработке.
Выводы.
- 1. Впервые доказано, что черновая обработка валов на токарном станке зависит от глубины резания, причем зависимость носит экстремальный характер. Предложен алгоритм автоматического поиска экстремума по глубине резания и формирования траекторий движения резца на черновых проходах.
- 2. Впервые разработан модуль САМ-системы управления токарной обработкой ступенчатых валов, не требующий от технолога задания параметров режима резания и выбора траекторий движения.
- 3. Разработанный модуль в автоматическом режиме определяет частоту вращения шпинделя и продольную подачу, которые обеспечивают минимально возможное время обработки и генерирует управляющую программу для станка с ЧПУ.
- 4. Рассчитывая управляющую программу согласно принятой концепции, разработанный модуль автоматически обеспечивает работу станка на максимально допустимых режимах и, тем самым токарная обработка валов, обеспечена стабилизацией условий обработки на черновых проходах, и решены одновременно две важнейшие задачи управления: стабилизация и оптимизация.
A design technique technological operations of lathe treatment, oriented to the use of CAM-system for machine-tools with CNC, is offered. The module of optimization of sharpening process, intended for building in CAM-system and capable in the automatic mode to expect the optimum laws of cutting process control, is presented.
Рис.8. Интерфейс представления графиков управлений на чистовом проходе
