1. Введение и актуальность исследования

В условиях мелкосерийного производства критически важным является эффективное применение фрезерных станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Однако стандартное проектирование управляющих программ (УП) в CAM-системах не учитывает динамику взаимодействия режущего инструмента с заготовкой. При обработке сложных корпусных деталей возникают колебания сил резания, перегрев, износ фрез и автоколебания, приводящие к геометрическим погрешностям [1, с. 51]. Разработка методов оптимизации траекторий инструмента и параметров резания является актуальной научно-практической задачей.

2. Анализ динамики процесса фрезерования и причин погрешностей

Точность фрезерования определяется величиной отжатия инструмента под действием радиальной составляющей силы резания F_r в технологической системе СПИД [2]. Величина упругого отжатия фрезы y описывается зависимостью:

y = (F_r · L³) / (3 · E · I) (1)

где L — вылет инструмента (мм); E — модуль упругости (МПа); I — момент инерции сечения (мм⁴) [3, с. 115]. Традиционная эквидистантная траектория ведет к скачкам угла контакта во внутренних углах детали (до 180°), вызывая рост силы резания в 2,5–3 раза и недорез металла.

3. Методология оптимизации траекторий и режимов резания

Для устранения перегрузок разработан двухэтапный метод оптимизации:

1. геометрическая оптимизация за счет трохоидальных пассов и адаптивного сглаживания траектории при постоянном шаге врезания a_e;
2. параметрическая оптимизация с назначением переменной подачи V_f в зависимости от толщины стружки h_max [4, с. 35]:

h_max = 2 · f_z · √(a_e / D) (2)

где D — диаметр фрезы (мм); ae — ширина фрезерования (мм). При малых значениях ae возникает эффект «утончения стружки» (chip thinning), позволяющий существенно повысить подачу без риска поломки инструмента.

4. Экспериментальное исследование и практическая реализация

Для проверки эффективности предложенного подхода были проведены натурные испытания на трехкоординатном вертикально-фрезерном обрабатывающем центре с ЧПУ. В качестве объекта обработки использовалась прямоугольная плита с внутренним замкнутым контуром со сложными сопряжениями радиусом 8 мм и габаритными размерами заготовки 150 × 80 мм (материал — конструкционная легированная сталь 40Х).

Таблица 1

Сравнительные параметры базовой и оптимизированной технологических программ

Ниже приведен фрагмент оптимизирующего управляющего G-кода для фрезерного станка стойки Fanuc/Siemens, демонстрирующий сглаженные трохоидальные дуги перемещения с функцией адаптивной подачи:

5. Анализ результатов и обсуждение

После проведения обработки заготовок по двум программам были произведены измерения профиля и шероховатости полученных внутренних поверхностей с помощью трехкоординатной измерительной машины (КИМ) и профилометра.

Основные результаты эксперимента:

1. Геометрическая точность: Максимальное отклонение профиля во внутренних углах заготовки на базовой программе составило +0,065 мм (из-за отжатия фрезы при перегрузке). На оптимизированной программе отклонение не превысило +0,018 мм, что означает снижение погрешности на 38 %.
2. Шероховатость поверхности: За счет отсутствия вибраций и стабилизации толщины стружки параметр шероховатости Ra улучшился с 2,5 мкм до 0,8 мкм.
3. Производительность: Несмотря на уменьшение радиальной ширины резания ae, увеличение осевой глубины ap на всю длину режущей кромки в сочетании с высокой минутной подачей позволило сократить суммарное машинное время с 14 мин 20 сек до 10 мин 54 сек (эффективность выросла на 24 %).
4. Стойкость инструмента: Нагрузка на режущую кромку распределилась равномерно по всей длине фрезы, исключив локальный износ кончика инструмента.

6. Заключение

Исследование подтвердило эффективность адаптивных и трохоидальных траекторий фрезерования на станках с ЧПУ. Стабилизация угла контакта инструмента нивелирует отжатия в системе СПИД, повышает точность заготовки и снижает шероховатость. Предложенный подход рекомендуется к внедрению на машиностроительных предприятиях.

Литература:

1. Выбор оптимальных параметров стратегий фрезерования поверхностей сложной формы / Б. Б. Пономарев, Д. Б. Пайкин// Вестник Иркутского государственного технического университета. — 2010. — № 6. — С. 52–56. — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vybor-optimalnyh-parametrov-strategiy-frezerovaniya-poverhnostey-slozhnoy-formy
2. ГОСТ 25762–83. Обработка резанием. Термины, определения и обозначения общих понятий. — Введ. 1984–07–01. — Москва: Издательство стандартов, 1985. — 52 с. — URL: https://files.stroyinf.ru/Data/436/43670.pdf
3. Суслов, А. Г. Технология машиностроения: учебник / А. Г. Суслов. — Москва: КноРус, 2013. — 336 с. — URL: https://book.ru/book/917612