Большинство современных моделей фрезерных станков с ЧПУ осуществляют обработку заготовок по трём независимым координатам. При этом фреза совершает продольное (Х) и поперечное (Y) движение в горизонтальной плоскости (параллельно рабочему столу с закреплённой заготовкой), а также вертикальное перемещение «Z» (в плоскости, перпендикулярной заготовке). При наличии специального поворотного устройства (для обработки цилиндрических заготовок), одно из горизонтальных перемещений фрезы (чаще всего — поперечное, вдоль координаты Y) заменяется поворотом самой заготовки вокруг своей продольной оси. Однако в любом случае траектория движения фрезы определяется только тремя независимыми координатами. При этом, технологических возможностей станка оказывается достаточно для обеспечения перемещения фрезы по сложному маршруту и одновременной обработки нескольких поверхностей без изменения положения заготовки.
Нетрудно догадаться, что при расширении степеней свободы перемещения фрезы до пяти, возможности станка возрастают ещё больше. Так называемая «5-ти координатная обработка» означает, что к вышеописанным движениям фрезы по трём координатам добавляется поворот вокруг двух осей (т. е. наклон инструмента). На практике изменение угла инструмента относительно заготовки может осуществляться поворотом рабочего стола (платформы) и/или наклоном самого шпинделя. Соответствующее усложнение конструкции и удорожание станка компенсируется существенным расширением технологических возможностей.
Преимущества 5-ти координатной обработки
Наиболее сложными в плане обработки являются криволинейные и т. н. фасонные поверхности (то есть плоскости с прямолинейной направляющей и криволинейной образующей). В то же время в технике такие поверхности встречаются повсеместно — особенно в деталях машин и механизмов (например, зубчатые колёса, крыльчатки насосов, роторы компрессоров и т. п.). Даже фреза самого станка (или обычное сверло бытовой дрели) содержит стружечную канавку хитрого профиля, изготовление которого является очень непростой задачей. И в ряде случаев 5-ти координатный станок является единственным средством фрезерования «сложной» детали.
Достоинства 5-ти координатной обработки не ограничиваются фрезерованием сложных профилей. Порой «обычные» детали (в частности, корпусные) содержат множество конструктивных элементов: рёбра жёсткости, галтели и скругления, приливы, бобышки, а главное — большое количество отверстий. Такие детали являются сложной задачей для технолога, разрабатывающего последовательность операций по их обработке. В этом случае, возможность сложного взаимного перемещения фрезы и заготовки относительно пяти координат позволяет обрабатывать множество различных участков детали без остановки станка и перезакреплении заготовки. Это существенно экономит время на выпуск детали, а кроме того, обеспечивает высокое качество фрезерования, в частности избавляя от необходимости каждый раз, вручную подводить инструмент к началу очередного участка обработки — станок с ЧПУ сделает это автоматически и гораздо точнее даже самого опытного оператора!
Особенности 5-ти координатной обработки
Изготовление детали на современном оборудовании с ЧПУ условно может быть разделён на два этапа — создание управляющей программы (УП) и её воплощение непосредственно механической обработкой заготовки на станке. И если физические возможности 5-ти координатной обработки определяются типом оборудования и, по большому счёту, не зависят от обслуживающего персонала, то разработка программы управления целиком во власти «человеческого фактора».
Несколько упрощая, можно представить стандартную последовательность программирования станка с ЧПУ в виде следующих этапов:
- разработка собственной (или импорт готовой — что в условиях современного производства встречается чаще) 3D-модели детали;
- построение траектории движения фрезы (отдельно для каждого этапа обработки — чернового, чистового и пр.);
- экспорт управляющей программы с использованием постпроцессора под конкретную модель фрезерного станка.
Как правило, современные CAD/CAM-приложения для создания УП не привязаны к конкретному оборудованию, т. е. позволяют разрабатывать технологию обработки «в чистом виде». А конкретные особенности кинематики станка будут учтены специальным постпроцессором — при экспорте готовых файлов непосредственно перед загрузкой в ЧПУ.
Однако, это не означает, что для создания «настоящей» УП под 5-ти координатный станок достаточно на финальном этапе воспользоваться нужным постпроцессором — и ограничиться этим. На сегодняшний момент далеко не все CAM-системы предоставляют средства для действительного программирования одновременной обработки по 5-ти координатам. Ведь эта технология довольно сложна и в обязательном порядке должна предполагать решение таких вопросов как:
- фрезерование по контуру (в том числе сложной формы);
- контроль и поддержание нормали к обрабатываемой поверхности (независимо от наклона фрезы/заготовки);
- дробление и отвод стружки (одинаково эффективно для различного типа материала и вида фрезы — с одной или несколькими спиральными канавками и пр.);
- полный контроль угла наклона инструмента.
Соответственно САМ-система должна в обязательном порядке решать эти и целый ряд других не менее сложных вопросов. Отдельно следует упомянуть обязательное требование компьютерной системы быть способной оптимизировать маршрут движения фрезы по 5-ти координатам, автоматически предлагать (назначать) параметры фрезерования (скорость, подачу) для конкретного материала и инструмента (в том числе нестандартного!), быть совместимой/воспринимать различные форматы импортируемых данных и т. д.
Без соблюдения вышеописанных требований (прежде всего относящихся к CAM-системе), «честная» процедура 5-ти координатной обработки будет затруднительна. А работа дорогостоящего оборудования без использования всех технологических возможностей обернётся потерей времени и средств.