3D обработка. Основы CAM для фрезерных станков с ЧПУ.
Первым делом важно разобраться, чем 3D обработка отличается от 2D. 2D траектории инструмента чаще всего применяются для обработки призматических деталей, у которых все поверхности находятся в горизонтальной или вертикальной плоскости.
3D-траектории, напротив, используются для обработки деталей со сложными, непредсказуемыми формами. Такие детали могут не иметь строго вертикальных или горизонтальных поверхностей. На изображении ниже показана деталь в 3D слева и призматическая деталь справа.
Черновая и чистовая обработка
Существенное различие между 2D и 3D в CAM-программах заключается в том, что 3D-обработка разделяется на этапы черновой и чистовой обработки. На первом этапе удаляется основная часть материала черновыми траекториями, что может оставить неровную поверхность. Чистовая обработка удаляет малый объем материала для получения высококачественной поверхности с минимальными временными затратами.
В 2D обработке также выполняются черновой и чистовой проходы, но они часто совмещены в одной операции. Например, карман сначала обрабатывается с небольшим запасом, а затем дорабатывается до точных размеров за один глубокий проход.
Черновая обработка
В большинстве случаев черновые траектории в 3D аналогичны карманным траекториям 2D-обработки. Модель разбивается на слои, каждый из которых обрабатывается, оставляя заготовку с минимальными излишками материала.
Выше показана параллельная черновая траектория, также называемая зигзагообразной. Как и в 2D карманных траекториях, есть возможность использовать смещенные траектории.
Эти параллельные и смещенные траектории основаны на 2D-карманных траекториях с фиксированным уровнем Z для каждого среза, что приводит к недорезанным участкам.
Это можно улучшить, проецируя каждый срез на модель, чтобы уровень Z следовал контурам детали.
Когда мы видим симуляцию, можно заметить:
Такой результат показывает, что плоские траектории часто быстрее, так как станок не тратит время на перемещение по оси Z, что полезно при работе с мягкими материалами. Однако, для обработки твердых материалов, таких как металл, предпочтительнее 3D-траектории, оставляющие небольшие припуски для чистовой обработки.
По завершении черновой обработки большая часть материала будет удалена, и можно приступить к чистовой обработке для получения точных размеров и качества поверхности.
Три ключевые траектории 3D чистовой обработки
Существует три основных 3D-траектории: параллельная, ватерлиния (уровень Z) и карандашная. Все они могут быть применены к обработке модели.
Параллельная обработка
Параллельная чистовая обработка напоминает 2D зигзагообразную траекторию, которая проецируется на 3D-модель.
Сверху это выглядит приемлемо, но при взгляде сбоку видны недостатки.
На участках с крутыми склонами возникают ступенчатые следы, что усложняет получение гладкой поверхности. При уменьшении шага траектории этот недостаток можно исправить, но это приведет к увеличению времени обработки. Нужно искать другой, более эффективный способ.
Ватерлинейная обработка
Метод ватерлинейной обработки разделяет модель на несколько горизонтальных уровней и прокладывает траекторию, повторяющую их контуры. Промежуток между этими уровнями называется шагом вниз, который по своей сути похож на шаг при параллельной обработке. Часто я применяю одинаковые значения для обоих параметров.
Теперь давайте рассмотрим ту же модель сверху с использованием ватерлинии:
В данном случае мы получаем отличное покрытие в вертикальных областях. Но что насчет более пологих, как отмечено стрелками? Здесь информации гораздо меньше.
Таким образом, можно сделать вывод: ватерлинейная отделка превосходна для обработки крутых участков, но недостаточна для плоских или слабопрофильных зон.
Сочетание параллельной и ватерлинейной обработки
Многие CAM-программы, предлагающие и параллельную, и ватерлинейную обработку, имеют функции для их ограничения в зависимости от углов поверхности. На изображении ниже показана траектория инструмента в MeshCAM с порогом в 45 градусов. Все поверхности с углом ниже 45 обрабатываются параллельно, а все круче этого значения — по ватерлинии.
Моделирование выявляет только одну область, требующую внимания:
Углы можно было бы обработать более тщательно, и проще всего доверить эту задачу станку, чем выполнять вручную.
Карандашная обработка
Карандашная обработка предназначена для того, чтобы инструмент прошел по острым вогнутым углам и удалил остатки. Наружные и выпуклые углы обычно отлично обрабатываются с помощью комбинации параллельной и ватерлинейной обработки, поэтому здесь карандашная стратегия не столь актуальна.
Обычно для карандашной обработки не требуется особых настроек. Нужно лишь задать скорость подачи, выбрать инструмент и активировать этот метод. Вот пример ее применения:
После добавления карандашного пути к комбинированной обработке, результат выглядит так:
Карандашные пути относительно коротки по сравнению с параллельными или ватерлинейными, поэтому их использование в деталях с острыми углами практически всегда оправдано.
Продвинутые методы 3D-обработки
Многие из вас, возможно, задумывались о более продвинутых альтернативах, которые объединяют характеристики ватерлинейной и параллельной обработки. Например, траектория «постоянного гребня» или такие ее производные, как смещение модели или Wortex.
Пример выше, взятый из MasterCAM, показывает, как траектория инструмента остается почти неизменной даже при переходе с плоской поверхности на вертикальную. Эти методы эффективны, но их разработка и настройка довольно сложны. Они доступны только в дорогих системах CAM, что делает их недоступными для большинства любительских ЧПУ систем. Если ваш ЧПУ аппарат относится к категории хобби, эта статья окажет поддержку в обработке 3D-моделей.
Выводы
Ниже приведены несколько практических рекомендаций для 3D-обработки:
- Для достижения оптимального результата за минимальное время, рекомендуется использовать комбинацию траекторий.
- Плоские и пологие участки лучше обрабатывать параллельной стратегией.
- Для крутых или вертикальных областей используйте ватерлинейную обработку.
- Задавайте одинаковые значения для шага при параллельной и ватерлинейной обработке.
- Дополнительно очищайте углы с помощью карандашной обработки.
Частая ошибка новичков — использование только параллельной стратегии для чистовой обработки деталей. Это может сработать, но, как правило, приводит к чрезмерному увеличению времени обработки или снижению качества поверхности.
