Сокращение машинного времени при обработке 3D-изделий

Фрезерно-гравировальный станок с ЧПУ является универсальным оборудованием для резки, раскроя и гравировки заготовок из различных материалов. Благодаря системе числового программного управления (ЧПУ), 3д фрезерные станки легко поддаются переналадке и программированию. В то же время, программой обработки может выступать трёхмерная математическая модель изделия (точнее, построенная на её базе траектория движения фрезы). Это позволяет создавать и подготавливать к производству изделия самых различных форм и пропорций — от простейших деталей механизмов до сложных художественных произведений (скульптур, резьбы, фигурок, барельефов и т. д.).

Возможности фрезерного станка воплощать «в материале» изделия сложных форм определяет количество степеней свободы режущего инструмента. Обычный фрезерный станок консольного типа, как правило, имеет три степени свободы — продольное и поперечное движение фрезы (и, соответственно, шпинделя) параллельно полкости рабочего стола и вертикальный подъём/опускание фрезы. Специальный механизм наклона фрезы (и/или рабочего стола) расширяет количество степеней свободы инструмента до 4-х или даже 5-ти. Однако и трёх координатная обработка предоставляет широкие возможности для производства изделий (в том числе 3D) высокого качества и сложности.

Порядок фрезеровки 3D-изделий

В настоящее время фрезерные станки с ЧПУ широко применяются для создания разнообразных 3D-изделий. Типичным примером таких изделий является художественная резьба по дереву, иконы, барельефы, колонны и балясины, элементы мебельного и интерьерного декора, сувенирные фигурки, скульптурные композиции и т. п. Существуют обширные библиотеки готовых файлов — как в виде эскизов, так и в виде готовых управляющих программ.

Однако не следует думать, что производство этих, по настоящему высокохудожественных, изделий сводится к простой загрузке программы в память станка ЧПУ и нажатии клавиши «старт». Для получения качественного результата необходимы и опыт, и умения, и многочисленные пробные варианты изготовления.

Обычной последовательностью изготовления 3D-изделия на фрезерном станке с ЧПУ является:

• 1. Выбор рисунки/эскиза (на данном этапе «плоского») для будущего изделия;
• 2. Создание на базе выбранного 2D эскиза трёхмерной модели изделия;
• 3. Построение маршрута обработки (фактически — создание управляющей программы) по имеющейся 3D-модели изделия;
• 4. Экспорт управляющей программы на фрезерный станок с использованием нужного постпроцессора;
• 5. Загрузка файла управляющей программы в память ЧПУ, установка заготовки и нужного типа режущего инструмента и непосредственно процесс фрезерования в автоматическом режиме.

Первый пункт может быть опущен, в случае если для обработки берётся готовая 3D-модель из библиотеки. Пункт третий предполагает разбивку процесса обработки на черновой и чистовой этапы, а также указание типа режущего инструмента и режимов обработки. От правильного выбора этих параметров во многом зависит успех всего процесса изготовления.

Каждый из перечисленных этапов выполняется с помощью соответствующего программного обеспечения. К примеру, 2D-эскизы могут быть созданы в программах «CorelDraw» или САПР-пакетах («AutoCAD», «Компас»). Для работы с трёхмерными моделями также может использоваться «AutoCAD» или «SolidWorks», «3D Max», и т. п. Создание и экспорт управляющих программ для обработки (этапы 3 и 4) выполняются в САМ-пакетах, подобных «ArtCam» (простая и удобная в освоении, обладающая широким набором функций), «PowerMill», «MasterCam» и т. п. От функционального набора и встроенных утилит САМ-программы во многом зависит стратегия обработки. Однако базовые требования остаются всё те же — изготовление качественного изделия в строгом соответствии с исходной моделью.

Скорость не в ущерб качеству

Традиционно считается, что фрезерные станки с ЧПУ обеспечивают высокое качество обработки, в том числе на скоростных режимах. В принципе скорость обработки (наряду с другими настройками) выбирается исходя из материала заготовки, его твёрдости, типа применяемого режущего инструмента и т. д. Неправильным будет считать, что снижение скорости неизбежно влечёт за собой повышение качества обработки. В данном случае пословица «Тише едешь — дальше будешь» не срабатывает. А вот обратный процесс — снижение качества при форсировании скорости обработки вполне вероятен! Да ещё сопряжён с риском порчи заготовки, поломки фрезы и выходом из строя фрезерного станка в целом.

Тем не менее, процесс выбора оптимальной скорости чрезвычайно важен для любого производства. Ведь от темпа выпуска изделий зависит прибыль предприятия, а сокращение машинного времени на обработку не только повышает интенсивность производства, но и значительно экономит электроэнергию и ресурс станочного оборудования. Особенно важным сокращение времени обработки является для фрезерования сложных 3D-изделий — когда фреза совершает множество переходов, а толщина срезаемого материала за один проход минимальна (для обеспечения качества фигурной обработки).

Весьма нередки ситуации, когда время обработки изделия по одинаковому эскизу (и с идентичными режимами в файле программы) у разных операторов может отличаться в разы! Причиной, как правило, является отличие настроек скоростей и ускорений движения инструментального портала по осям. При фрезеровании 3D-рельефа инструмент то и дело меняет направление и скорость движения. В случае, когда в управляющей программе выставлена определённая (допустим — высокая) скорость движения по отдельным осям, непосредственно в процессе резания станок может физически не успевать разогнать фрезу до требуемой скорости. А частые смены направления и ускорение/торможение портала могут привести к появлению сильных вибраций и опасной нагрузки на оборудование.

Второй причиной медленной обработки 3D-изделия может быть банальная ошибка в выборе стратегии фрезерования. Трёхмерный рельеф не может обрабатываться «за раз» — правильное определение последовательности обработки частей (центральных элементов, фона, периферийных деталей) значительно «облегчит» программу и сократить время фрезерования заготовки. Причём для оптимизации управляющей программы может потребоваться пересмотр даже начального 2D-эскиза (замена сложных кривых на более «гладкие» вектора) — иначе станок будет «спотыкаться» на участках с излишней детализацией.

Третьей причиной может быть неправильный выбор постпроцессора для экспорта управляющей программы. Для ускорения 3D-обработки рекомендуется сохранять управляющие программы с помощью постпроцессора, допускающего круговую интерполяцию. Следует также отметить, что распространённая утилита симуляции обработки в САМ-программе служит неплохим ориентиром для оценки потребного времени на процесс фрезерования 3D-изделий.