3D обработка. Основы CAM для фрезерных станков с ЧПУ.
В первую очередь следует понять, чем 3D обработка отличаются от 2D. 2D траектории инструмента используются почти исключительно для обработки деталей, которые являются призматическими, то есть все поверхности детали являются горизонтальными или вертикальными.
3D-траектории используются для обработки деталей более произвольной формы — они могут не иметь идеально вертикальных или горизонтальных поверхностей. На изображении ниже показана трехмерная часть слева и призматическая часть справа.
Черновая и чистовая обработка
Важное различие между 2D / 3D для программ CAM заключается в том, что 3D-обработка часто разделяется на четко определенные этапы черновой и чистовой обработки. Основная часть исходного материала удаляется траекторией черновой обработки как можно быстрее, хотя это может оставить поверхность плохого качества. Траектории чистовой обработки используются для удаления небольшого количества материала и для придания детали желаемого качества поверхности за минимальное время.
В 2D-траекториях также используются черновой и чистовой проходы, но они часто объединяются в одну операцию. Например, карман может быть вырезан немного меньше размера, а затем обрезан до окончательного размера на последнем проходе на всю глубину.
Черновая обработка
Во многих случаях черновые проходы 3D очень похожи на траектории кармана, используемые при 2D-обработке. Модель разделена на несколько срезов, каждый из которых подвергается механической обработке, чтобы модель оставалась «внутри» заготовки.
На изображении выше показана параллельная траектория черновой обработки, также называемая зигзагообразной траекторией. Как и в случае с обычными траекториями 2D-прорезания карманов, у вас обычно есть такие опции, как траектории смещения:
Показанные выше параллельные траектории и траектории смещения основаны на стандартных траекториях 2D-кармана, где уровень Z заблокирован для каждого среза. Это приводит к проблеме, когда много материала остается недорезанным:
Мы можем значительно уменьшить это, если спроецируем каждый срез на модель так, чтобы уровень Z мог повторять контуры детали.
Когда мы смотрим на симуляцию, то получаем:
Глядя на результат, может быть не сразу понятно, почему вы вообще выбрали плоскую версию. Конечно, есть одна большая причина, по которой вы можете предпочесть плоскую траекторию — она часто будет резать быстрее, потому что станку не нужно перемещать ось Z вверх и вниз во время резки. Точная разница в скорости полностью зависит от вашей модели, вашей машины и скорости подачи.
Мое практическое правило таково: если я режу мягкий материал, такой как пластик или пенопласт, где я могу использовать высокие скорости подачи и не нагружать станок, то я предпочитаю плоскую траекторию черновой обработки. Избыточный остаток припуска не станет проблемой для чистового прохода, и мне нравится более быстрое время обработки.
Однако если я режу твердый материал, например металл, я предпочитаю траекторию для черновой 3D-обработки. Скорее всего, время обработки будет ограничено моей скоростью подачи, и я предпочитаю оставлять небольшую ровную пленку для чистового прохода.
После черновой обработки с припуска должна быть удалена большая часть излишков материала. Теперь мы можем перейти к траекториям чистовой обработки, где деталь будет обрезана до окончательных размеров с приемлемой обработкой поверхности.
Три основных траектории 3D чистовой обработки
Есть три простых 3D-траектории инструмента — параллельная, ватерлинии (иногда называемая z-уровнем) и карандашная. Мы применим эти траектории к нашей модели модели
Параллельная обработка
Параллельная чистовая обработка аналогична траектории 2D-зигзагообразного кармана, которая проецируется на 3D-модель.
Сверху все выглядит хорошо, но когда мы смотрим сбоку, начинают проявляться потенциальные проблемы.
Взгляните на часть со стрелкой — кажется, что ступеньки расходятся дальше друг от друга по сравнению с расстоянием по поверхности. Если мы загрузим gcode в симулятор ЧПУ, то получим следующее:
Это дает нам наблюдение номер один: параллельную чистовую обработку лучше всего использовать для обработки плоских или неглубоких частей модели, но она относительно плохо справляется с крутыми частями.
Очевидный ответ на это ограничение: «Ну, просто уменьшите шаг, чтобы лучше покрыть крутые участки». Конечно, это сработает, но это приведет к гораздо более длинной траектории инструмента с соответствующим увеличением времени обработки. Должен быть вариант получше…
Обработка по ватерлинии
Обработка по ватерлинии разрезает модель на множество горизонтальных слоев и создает траекторию, которая отслеживает каждый из них. Расстояние между слоями называется шагом вниз, что аналогично шагу при параллельной отделке. Во многих случаях я использую почти одно и то же значение для обоих.
Давайте посмотрим на ту же модель сверху с ватерлинией:
Теперь мы определенно получаем хорошее покрытие в вертикальной части. А как насчет плоских / неглубоких частей, показанных стрелками? Мы получаем очень мало информации об этом.
Основываясь на этом, мы можем сделать еще одно наблюдение: чистовая обработка ватерлинии хороша для крутых или вертикальных участков, но плохая для неглубоких участков.
Комбинация параллельной / ватерлинии отделки
Многие программы CAM, которые предлагают как параллельную обработку, так и обработку по ватерлинии, также имеют способ ограничить их использование определенными областями на основе углов поверхности. Ниже приведен снимок экрана траектории инструмента из MeshCAM с пороговым углом 45 градусов. Все, что ниже 45, обрабатывается параллельно, все круче — ватерлинии.
Моделирование показывает только одну проблемную область:
Углы можно было бы очистить немного больше, и было бы проще поручить это станку, чем нам делать это вручную.
Карандашная отделка
Карандашная обработка имеет единственную цель — провести резаком по острым вогнутым углам, чтобы очистить их. Внешние углы или выпуклые углы обрабатываются очень хорошо, используя комбинацию параллельности и ватерлинии, поэтому карандашная отделка здесь не имеет большого значения.
Как правило, для нее нет никаких настроек; просто установите скорость подачи, инструмент и включите его. Вот как это выглядит:
Когда мы добавляем карандашный путь к приведенной выше комбинации параллельных ватерлиний, мы получаем следующее:
Поскольку карандашные пути короткие по сравнению с параллельными или ватерлинией, почти всегда стоит использовать их, если у вас есть деталь с острыми вогнутыми углами.
3D обработка высокого класса
Некоторые из вас думают, что я опускаю более экзотические альтернативы, которые объединяют характеристики ватерлинии и параллельности в единую траекторию, а именно траекторию «постоянного гребешка» и ее производные, такие как смещение модели или Wortex.
Изображение выше взято из MasterCAM, и оно показывает траекторию инструмента с более или менее постоянным шагом по модели даже при переходе поверхности от плоской к вертикальной. Эти траектории могут быть эффективными, но их очень сложно разрабатывать и поддерживать, поэтому они существуют только в программном обеспечении CAM, стоящем несколько тысяч долларов. И это пожалуй единственная причина по которой стоит использовать методы обработки используемые выше, по крайней мере для более менее мощных контроллеров ЧПУ, или хотя бы систем типа Mach 3. Но если у вас слабый, хобби ЧПУ, то данная статья поможет в обработке 3D моделей.
Заключение
Итак, вот практические правила для 3D-обработки:
- Если вы хотите получить наилучшую обработку за наименьшее количество времени, вы, вероятно, захотите использовать комбинацию траекторий.
- Обработайте все плоские / неглубокие участки с параллельной обработкой.
- Обработайте все крутые / вертикальные участки с обработкой по ватерлинии.
- Начните с того, что параллельный шаг и шаг вниз по ватерлинии установлены на одно и то же значение.
- Очистите углы «карандашом».
Одна из самых больших ошибок, которые совершают новые пользователи, и я предполагаю, что это относится к большинству новых пользователей CAM, заключается в использовании только параллельной обработки для чистовой обработки детали. Хотя это сработает, это почти всегда приводит к чрезмерному времени обработки или низкому качеству отделки.
