CC BY
34
© И.Н. Миков, И.Л. Мезенцева, 2007
УДК 531.8
И.Н. Миков, И.П. Мезенцева
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБРАБОТКИ ПРИ ОБЪЕМНОМ ХУДОЖЕСТВЕННОМ ГРАВИРОВАНИИ ПО КАМНЮ НА СТАНКАХ С ЧПУ
Семинар № 24
Современные фрезерные станки, предназначенные для обработки сложных криволинейных поверхностей, обеспечивают возможность взаимного перемещения инструмента и заготовки по пяти независимым управляемым координатам. Обычно это движение инструмента вдоль оси Z, движение стола вдоль осей X, Y, и угловые повороты инструмента или заготовки вокруг осей X, Y. Такое количество управляемых координат позволяет обрабатывать сложные криволинейные поверхности, когда по условиям формообразования ось фрезы в любой момент располагается по нормали к обрабатываемой поверхности. Процесс обработки обеспечивается управляющей программой (УП), подготовленной в САМ системе. Трехмерная модель детали, созданная CAD программой, используется для генерирования управляющей программы для станка. Первоначально CAM системы нашли применение в автомобильной и авиационной промышленности. Например, система SURFAPT внедрена в 1971 году для обработки деталей кузова автомобиля фирмы Renault [1].
Поверхность барельефа характерна тем, что нормаль к ней в любой точке отклоняется от вертикали на
угол, меньший 90 град. Эта поверхность может быть описана отсеками огибающей двупараметрического семейства сфер или прямых круговых конусов. Поверхность барельефа является отсеком огибающей, ограниченным сверху плоскостью, совпадающей с плоскостью заготовки. Именно в этом случае совместное использование инструмента конического или полусферического профиля позволяет обойтись трехкоординатной обработкой.
Применение трехкоординатных фрезерных станков с ЧПУ позволяет получить сложнопрофильный объёмный рисунок на поверхности заготовки, например при гравировании барельефов. Модель барельефа подготавливается, как правило, в пакете трёхмерного моделирования. УП для станка с ЧПУ составляется в специализированном программном обеспечении, например, ArtCAM Pro [6]. При этом задаются форма рабочего инструмента, его геометрические размеры, технологические параметры обработки [7].
При гравировании на поверхности камня художественного объёмного изображения следует разделять погрешность формообразования и погрешность качества поверхности.
Рис. 1. Отклонение формы поверхности, связанное с шагом обработки I - расстоянием между смежными линиями траектории инструмента
Можно выделить следующие основные критерии оценок для этих случаев.
В части погрешности формообразования - это точность воспроизведения формы исходной поверхности, реализованной в компьютерной модели, на поверхности обрабатываемой детали. Эта точность зависит от:
- формы и геометрических размеров инструмента и их соответствия ширине и глубине впадин рельефной поверхности, получаемой на детали,
- значения параметра шага при чистовой обработке (рис. 1),
- погрешности установки заготовки на станке,
- погрешности, связанной с отклонением от формы поверхности самой заготовки,
- погрешности, вызванной статической (воздействие постоянной составляющей силы резания) и динамической (воздействие переменной составляющей силы резания - вынужденные колебания) деформациями упругой системы станка,
- точности начального позиционирования по осям X, У, 7, в частности от установки технологического зазора, т.е. расстояния между нижней точкой инструмента и поверхностью заготовки, которое может контроли-
роваться при помощи, например, тонкого щупа.
- размерного износа инструмента, что приводит не только к искажению геометрической формы поверхности, но и увеличивает силу резания.
В части погрешности качества поверхности - это шероховатость (чистота) поверхности (микропогрешность) и волнистость поверхности (миллипогрешность), которые зависят от:
- соотношения скорости подачи и частоты вращения шпинделя, а также от глубины фрезерования (волнистость),
- автоколебаний, возникающих в технологической системе (в зонах неустойчивого резания автоколебания приводят к значительному увеличению шероховатости поверхности [5]),
- от числа режущих граней в угле контакта, в частности, от зернистости применяемого алмазного инструмента
[2].
Возможность применения инструмента с той или иной геометрической формой и параметрами для получения конкретного рельефа оценивается после программной визуализации процесса обработки.
Рассмотрим некоторые особенности изготовления барельефных деталей каминов на трехкоординатном
Рис. 2. Деталь камина с рельефом 340х175х10 мм.
Мрамор Крема Марфил (Испания)
фрезерно-гравировальном станке с ЧПУ [4].
Детали изготавливались из мрамора и близких по свойствам горных пород с рельефным орнаментом высотой 5-15 мм, преимущественно 10 мм (рис. 2). Для обработки применялись различные алмазные шлифовальные головки, как спеченные, так и изготовленные гальваническим методом.
Спеченный инструмент, маркируемый АС65(50) 800/630 (500/400), в котором зерна алмаза распределены во всём объёме, годен для черновых операций, обладает достаточным ресурсом, применим для обработки твердых разновидностей мрамора, в частности с кварцевыми включениями. При обработке более мягких сортов мрамора он имеет свойство засаливаться из-за низкой концентрации алмазных зерен на поверхности рабочей части и постоянной необходимости их вскрытия. Поэтому при работе
таким инструментом в зону резания важно подавать большое количество охлаждающей жидкости (воды) под напором, достаточным для быстрого удаления шлама.
Мрамор, особенно мягкие разновидности, достаточно хорошо обрабатывается гальваническим инструментом. Но его недостатком является низкий ресурс работы.
В большинстве случаев для получения подобных поверхностей достаточно инструментов двух форм (табл. 1), которые применяются последовательно: а) - для черновой обработки, б) - для чистовой обработки.
Черновая обработка заключается в выборке основной части материала вокруг рельефа в пределах заданной точности. При обработке мрамора на рельефе оставляется значительный припуск - 1,0-1,5 мм. Целесообразно применение инструмента большого диаметра, но такого, чтобы обеспечи-
Таблица 1
Формы шлифовальных головок
а) Шлифовальная головка шаровая с цилиндрической боковой поверхностью
б) Шлифовальная головка коническая с закруглённой вершиной
валось его прохождение вокруг всего контура рисунка. Обработка ведется на небольших значениях скорости подачи при значительном расстоянии между параллельными проходами инструмента (шаг 1,2-2,0 мм) (табл. 2). Как правило, при обшей высоте рельефа 10 мм, обработку можно провести за один, либо за два прохода, в зависимости от твердости материала. При необходимости постепенного углубления в материал при заданной глубине одного прохода инструмента рельеф разбивается на слои по вертикали и рассчитывается траектория
Таблица 2
Режимы н параметры обработки
для обработки каждого слоя.
При чистовой обработке формируется окончательная поверхность рельефа. Чем сложнее конфигурация рисунка, тем меньше должен быть угол конуса шлифовальной головки. Материал снимается за один проход при небольшом значении шага (0,3-0,8 мм). Чем меньше шаг при чистовой обработке, тем выше качество получаемой поверхности. Обработка ведется при больших значениях скорости подачи и с увеличенной частотой врашения шпинделя.
Рассчитаем объем снимаемого материала в единицу времени для шаровой шлифовальной головки с цилиндрической поверхностью (см.т абл 1, а). Пусть э - подача, мм/с; п - частота врашения инструмента, мин -1; <1 -диаметр инструмента; мм; 1 - глубина резания, мм. Тогда объем Ут снимаемого материала за 1 с при условии 1
>= а/2:
Ут = (п а2/8 + аа - а/2))*э.
Объем Уоб снимаемого материала за один оборот инструмента:
Примеры обрабатываемых материалов Вил обработ- ки Частота вращения шпинле-ля, п мин -1 Ско- рость рабочей полачи Цраб, мм/сек Ско- рость полачи вреза- ния ц '-'врез мм/сек Расстояние межлу смежными линиями траектории инструмента 1, мм Глубина резания 1 за олин прохол, мм
Мрамор Рохо Али-кантэ, Тасос, Пинк Ёавкас, Крема Марфил, Росо Пор-тугало; мраморизованный известняк розовый (Кок-Серекское м-е); Травертин Жиало Черновая обработка 7000- 9000 о ю ю т-Н 0,3 о, счТ СЧ. 1 9 ю
Чистовая обработка 9000- 11000 5 00 сТ со оТ ю 1 со 0Т
Уоб = (п а2/8 + а (1 - а/2))* э * 60 /п.
Величину силы резания Ри косвенно можно оценить по мошности N привода шпинделя с учетом того, что при такого рода обработке на резание расходуется 0,25 этой мошности
[3]. 3 0,25 * N = Рк п а п / (60 * 103), (Вт), откуда
Рк = 0,25 * N * 60 * 103 / (п а п), (Н).
Так, при N = 500 Вт; а =10 мм;
1. Гардан И., Люка М. Машинная графика и автоматизация конструирования: Пер. с франц. - М.: Мир, 1986. - 272 с.
2. Казарян Ж.А. Природный камень: добыча, обработка, применение. Справочн. - М.: ЗАО "ГК ГРАНИТ", "ПЕТРАКОМ-ПЁЕКТ", 2002. - 319 с.
3. Резание конструкционных материалов, режушие инструменты и станки \под ред. Петрухи П.Г. - М.: Машиностроение, 1974. - 615 с.
4. Гравировально-фрезерный станок-автомат «График 3К/3КМ». Руководство по эксплуатации. М.: ООО НПФ «САУНО», 2003.
п = 10000 мин -1 Ри составит около 25 Н.
Заключение
Варьирование параметров обработки позволяет повысить качество получаемого барельефа как с точки зрения воспроизведения формы поверхности исходной компьютерной модели, так и с точки зрения чистоты поверхности.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Altintas Y. Manufacturing Automation: Metal Cutting Mechanics, Machine Tool Vibrations, and CNC Design, Cambridge University Press, 2000.
6. ArtCAM Pro 6. Учебное пособие. -М.: Delcam plc.
7. Morozov V.I., Mikov I.N., Mezentseva I.L., Magomedov M.H. Computer automation of three dimensional art engraving on solid materials. Annual of university of mining and geology “St. Ivan Rilsky” - Sofia, 2006 (part 3: mechanization, electrification and automation in mines), - p. 27...33. ИШ
— Коротко об авторах
Миков И.Н. - профессор, доктор технических наук,
Мезенцева И.Л. -
Московский государственный горный университет.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 24 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.И. Морозов.
