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    高速加工技術(shù)在模具制作中的應用

    發(fā)布時(shí)間:2017-10-13

    20世紀30年代,德國科學(xué)家Salomon通過(guò)對不同材料進(jìn)行切削試驗,發(fā)現了一個(gè)有趣的現象:隨著(zhù)切削速度的增加,切削溫度隨之增加,單位切削力也隨之增加,而當切削速度增加到一定臨界值時(shí),如再增加,切削溫度和切削力反而急劇下降。由此,提出了高速加工的概念,所謂高速加工就是指切削速度高于臨界速度的切削加工。對不同的切削材料和不同的切削方式來(lái)說(shuō),高速切削定義的切削速度的范圍也不同,對于銑削鋁、鎂合金,切削速度大于1000m/min可稱(chēng)為高速加工,而對于加工鑄鐵或鋼,切削速度大于305m/min就可以稱(chēng)為高速加工了。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展,高速加工的概念也在不斷變化,一般而言,高速銑削除了具有高的切削速度和主軸轉速外,還應具有高的進(jìn)給速度。如一般精銑加工可達到5000~15000mm/min 快速進(jìn)給可達到20000~60000mm/min。


    與常規切削加工相比,高速加工有如下一些優(yōu)點(diǎn),


    ①由于采用高的切削速度和高的進(jìn)給速度,高速加工能在單位時(shí)間內切除更多的金屬材料,因而切削效率高;


    ②在高速加工的時(shí)候,可以采用較少的步距,達到提高零件表面質(zhì)量的目的,采用高速加工技術(shù),可以使得零件表面達到磨削的效果;


    ③由于高速加工時(shí)切削力大大降低、大部分切削熱被切屑帶走,因而工件的變形大大減少;


    ④高的切削速度意味著(zhù)高的主軸轉速,機床運轉激勵的振動(dòng)頻率能大大高于工藝系統的固有頻率,因而使機床和工藝系統的振動(dòng)小,工作平穩,這也有利于提高被加工零件的精度和表面質(zhì)量;


    ⑤由于高速加工時(shí),切削溫度較低,單位切削力較小,因而刀具的耐用度能得到提高。


    由于這些優(yōu)點(diǎn),所以高速加工優(yōu)先在航空**制造領(lǐng)域得到應用。高速加工給航空**帶來(lái)的影響有:


    ①傳統非常難以加工薄壁零件、柔性材料零件的加工,可以利用高速加工的切削力小、切削溫度低的優(yōu)點(diǎn),利用高速加工技術(shù)進(jìn)行加工;


    ②高速加工的切削力小、切削效率高,可以采用長(cháng)徑比很大的刀具進(jìn)行加工,因而傳統的必須設計為組合件的一些零件可以設計為整體件了。如蜂窩零件、飛機的整體框梁等。由于當時(shí)高速加工屬于尖端的加工技術(shù),并且主要應用于航空**等國防制造領(lǐng)域,因而發(fā)達國家對高速加工機床的出口實(shí)行管制政策。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步,高速加工技術(shù)不斷成熟,高速加工機床的成本也不斷下降,使得高速加工技術(shù)已具有向民用制造業(yè)轉移的可能性,高速加工技術(shù)在模具制造行業(yè)有廣闊的應用前景。


    根據高速加工技術(shù)的特點(diǎn),高速加工技術(shù)應用于模具制造業(yè)中主要有如下一些優(yōu)點(diǎn):


    ①減少加工工序,粗加工后,直接精加工,不需要半精加工;


    ②表面質(zhì)量提高,減少或不需要打磨;


    ③精度提高,減少試模工作量;


    ④可以使用小刀具加工模具細節,減少電極制作和電加工工序;


    ⑤可以在高精度、大進(jìn)給的方式完成淬火鋼的精加工,且達到很高的模具表面質(zhì)量,因而可以減少傳統加工因精加工后再淬火引起模具變形。


    高速加工技術(shù)主要涉及機床、刀具、和高速加工數控編程3個(gè)方面。目前,高速加工機床和刀具技術(shù)已取得了相當進(jìn)展,為模具加工制造廠(chǎng)家高速加工技術(shù)得廣泛應用奠定了基礎。


    2 高速加工機床


    實(shí)施高速加工技術(shù),優(yōu)先應有高速加工機床。高速加工機床具有不同于傳統數控機床的特點(diǎn)


    (1)高速加工機床的主軸部件,要求采用耐高溫、高速、能承受大的負荷的軸承,同時(shí)主軸動(dòng)平衡性能好,有良好的熱穩定性,能夠傳遞足夠的力距和功率且能承受高的離心力。主軸的剛性好、有恒定的力矩。帶有檢測過(guò)熱裝置和冷卻裝置。


    (2)高速加工機床的進(jìn)給系統一般采用直線(xiàn)電機驅動(dòng),能夠實(shí)現高的進(jìn)給速度,達到大的加速度。


    (3)高速加工機床采用高性能的數控系統,克服傳統數控機床的運算速度低和伺服滯后等缺陷,從而能實(shí)現高精密伺服控制、高速數控運算和全公差控制功能。


    (4)高速加工的機床結構一般通過(guò)優(yōu)化設計采用較輕的移動(dòng)部件,從而能獲得高的加速度特征。


    (5)為了能獲得高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛度,適應高速旋轉的需要,高速加工機床對刀具有嚴格的要求,尤其是對主軸于刀柄的聯(lián)結有特殊的要求,廣泛使用的HSK刀具一般使用1?。保暗男″F度,而不使用傳統的大錐度刀柄。


    (6)高速加工具有數控代碼預覽功能,即高速加工機床的數控系統在進(jìn)行切削加工的過(guò)程中,其讀取的加工代碼可以有一定量的超前,以便于機床調整進(jìn)給速度以適應刀具軌跡變化的需要。


    3 面向高速加工的數控編程基本原則


    高速加工對加工工藝走刀方式有著(zhù)特殊的要求,高速加工的數控編程是一項非常復雜的技術(shù),NC代碼的編程員必須了解高速加工的工藝過(guò)程,再編制數控加工程序時(shí),將這些加工工藝考慮進(jìn)去,一般來(lái)說(shuō),在利用高速加工技術(shù)進(jìn)行模具加工時(shí),應注意如下一些原則:


    (1)高速加工時(shí),由于進(jìn)給速度和切削速度很高,應當避免刀具突然切入和切出工件,避免切削力的突然變化減少沖擊。因而,編程者應當能夠充分預見(jiàn)刀具是如何切入工件,如何切出工件,盡量采用平穩的切入切出方式,下刀或行間、層間的過(guò)渡部分**采用斜式下刀或圓弧下刀,避免垂直下刀直接接近工件材料。


    (2)在進(jìn)行高速加工時(shí)遇到加工方向改變時(shí),機床為了保證加工的精度,避免過(guò)切,通過(guò)其預覽功能,在加工方向進(jìn)行改變時(shí)一般會(huì )自動(dòng)進(jìn)行進(jìn)給速度的調整。但是,當加工方向突然改變時(shí),由于機床的加速度是有**的,因而,有可能做不到及時(shí)的速度調整,造成過(guò)切或(欠切),嚴重的將造成刀具斷裂。同時(shí),不斷地調整進(jìn)給速度會(huì )嚴重降低生產(chǎn)效率。因而,編寫(xiě)高速加工數控加工程序時(shí),應盡量避免加工方向的突然改變。行切的端點(diǎn)采用圓弧連接,避免直線(xiàn)連接、層間應采用螺旋式連接,避免直線(xiàn)連接。


    (3)要盡可能維持恒定切削負載,切削深度、進(jìn)給量和切削線(xiàn)速度一定要協(xié)調好。當遇到某處切削深度有可能增加時(shí),應降低進(jìn)給速度,以保持恒定的負載。編寫(xiě)高速加工的數控程序時(shí),應能充分考慮殘留余量的效應,**編程軟件有殘留余量的分析功能,做基于殘留余量的刀具軌跡計算。同時(shí),要注意刀具的實(shí)際切削位置,避免切削線(xiàn)速度減低的現象發(fā)生,確實(shí)處于正常的高速加工切削速度范圍,應盡量使用多坐標編程,通過(guò)刀軸旋轉來(lái)維持恒定的切觸點(diǎn)位置,維持恒定的切削速度。


    (4)刀具路徑越簡(jiǎn)單越好,應盡量采用圓弧、曲線(xiàn)等插補功能,傳統的加工模具時(shí)采用的密集點(diǎn)數據刀具路徑,不太適合于高速加工,一方面數據量太大,加重數控系統的數據處理負擔,造成進(jìn)給速度要適應數控系統的處理速度而減低。另一方面,密集的直線(xiàn)段之間,是C0連續的,因而數控系統要不斷地調整進(jìn)給速度,造成進(jìn)給速度升不上去,嚴重影響加工效率。


    (5)在進(jìn)行高速加工編程時(shí),模具加工制造廠(chǎng)家無(wú)論從加工精度還是加工安全性考慮,都應該進(jìn)行充分的干涉檢查和加工過(guò)程仿真。


    (6)注意進(jìn)行多種加工方案的對**析,選取**的切削方案。


    4 高速加工對NCP系統的要求


    為了能適應高速加工數控編程的要求,針對高速加工的數控編程系統應該滿(mǎn)足相應的特殊要求。


    (1)NCP系統應該具有高的計算編程速度,在高速加工中,一般可采用非常小的進(jìn)給量和切削深度,因而計算量較傳統的數控編程大得多。同時(shí),由于高速加工對工藝的嚴格要求一般需要不同方案的對**析,這更加大了編程工作量,所以要求編程系統應該具有高的編程計算速度。


    (2)NCP系統應該具有全程自動(dòng)防過(guò)切能力和自動(dòng)的干涉檢查能力。高速加工以高出傳統數控加工近10倍的切削速度和進(jìn)給速度,一旦發(fā)生過(guò)切或干涉,其后果將十分嚴重。傳統的模具數控加工編程系統一般采用面向曲面的局部加工,比較容易發(fā)生過(guò)切現象,一般都是靠人工選擇干預的方式來(lái)防止,很難保證過(guò)切防護的安全性。另外,高速加工在模具的加工制造中經(jīng)常用于模具細節部分的加工,以取代傳統的電極加工,這是,比較容易發(fā)生刀柄的干涉,這就要求NCP編程系統能自動(dòng)檢查報告。


    (3)適合高速加工的NCP系統,應該能自動(dòng)進(jìn)行進(jìn)給速率和切削速度的優(yōu)化處理,從而保證在高速加工時(shí)的**的切削效率、**的切削條件和切削加工的安全性。


    (4)高速加工編程系統應有刀具軌跡的編輯優(yōu)化功能,避免多余的空刀和通過(guò)對刀具軌跡的鏡向、**、移動(dòng)、旋轉等操作避免重復計算,提高編程效率。


    (5)高速加工編程系統應該有NURBS曲線(xiàn)插補的編程功能,通過(guò)使用NURBS插補編程,減少程序長(cháng)度。


    (6)適合高速加工編程的系統應該有符合高速加工工藝要求的加工策略。如豐富的行間、層間連接方法,豐富的進(jìn)刀和退刀方法,基于殘留余量的刀具軌跡計算方法。


    (7)適合高速加工變編程系統,**能引入工藝系統的參數、材料的**切削條件、機床的允許加速度等參數,能夠自動(dòng)確定允許的加工方向變化的程度(即確定不同曲率半徑的圓弧段允許的進(jìn)給速度的變化程度),軌跡上較小的曲率半徑與進(jìn)給速度的關(guān)系,能夠滿(mǎn)足高速加工對切削線(xiàn)速度的自動(dòng)的調整。5 具有高速加工編程能力的NCP系統簡(jiǎn)介


    目前有關(guān)適合高速加工編程的NCP(CAM)系統的研究引起了較為廣泛的重視,在許多商用CAD/CAM系統,如英國Delcom公司的PowerMill、以色列的Cimatron、美國的Unigraphics?。校裕霉镜模校颍铮牛睿纾椋睿澹澹颍椋睿?,CNC公司的MasterCAM等在傳統的NCP模塊中添加了適合于高速加工編程的工藝策略。


    模具加工制造廠(chǎng)家概括起來(lái)主要有如下一些方法:


    (1)采用光滑的進(jìn)刀、退刀方式。


    在傳統切削輪廓的加工過(guò)程中,有法向進(jìn)、退刀,切向進(jìn)退刀和相鄰輪廓的角分線(xiàn)進(jìn)退刀等。而在高速切削加工輪廓的過(guò)程中,應盡量采取輪廓的切向進(jìn)退刀方式以保證刀具軌跡的平滑。在對曲面進(jìn)行加工時(shí),傳統的數控加工方法一般采用Z向垂直進(jìn)、退刀,曲面正向與反向的進(jìn)、退刀等方式,而在采用高速切削的方法進(jìn)行曲面加工時(shí),可采用斜向或螺旋式的進(jìn)刀方式。同時(shí),CAM系統應該采用基于知識的加工方法,這樣當螺旋式進(jìn)刀切入材料時(shí),系統會(huì )自動(dòng)檢查刀具信息,如果發(fā)現刀具具有盲區時(shí),螺旋加工半徑就不會(huì )無(wú)**減小,從而避免撞刀。這就對加工過(guò)程的安全性提供了周全的保障。


    (2)采用光滑的移刀方式。


    這里所說(shuō)的移刀方式指的是行切中的行間移刀,環(huán)切中的環(huán)間移刀,等高加工的層間移刀等。應用于傳統切削加工方式的CAM軟件中的移刀方式大多不適合高速加工的要求。如在行間移刀時(shí),刀具大多是直接垂直于原來(lái)行切方向的法向移刀,導致刀具路徑中存在尖角;在環(huán)切的情況下,環(huán)間移刀也是從原來(lái)切削軌跡的法向直接移刀,也會(huì )導致刀具軌跡出現不平滑的情況;在等高線(xiàn)加工的層間移刀時(shí),也存在移刀尖角。這些導致加工中心頻繁的預覽減速影響了加工的效率,從而使高速加工不能真正達到高速加工的目的。


    在行間切削用量(行間距)較大的情況下,可以采用切圓弧連接的方法進(jìn)行移刀。但是當行間距較小時(shí),會(huì )由于半徑過(guò)小而使圓弧近似地成為一點(diǎn),進(jìn)而導致行間的移刀變?yōu)橹本€(xiàn)移刀,從而也導致機床預覽減速,影響加工的效率。在這種情況下,應該采用高爾夫球竿頭式移刀方式。


    環(huán)切的移刀通常有兩種方式,一種是圓弧切出與切入連接。這種方法的缺點(diǎn)是在加工 3D復雜零件時(shí),由于移刀軌跡直接在兩個(gè)刀具路徑之間生成圓弧,在間距較大的情況下,會(huì )產(chǎn)生過(guò)切,因此該方法一般多用于在加工中所有的刀具路徑都在一個(gè)平面內的2.5軸加工;另一種是空間螺線(xiàn)式移刀。這種方法由于移刀在空間完成,所以避免了上面方法的缺點(diǎn)。


    在進(jìn)行等高加工時(shí),切削層之間應采用多種螺旋式的移刀方式。


    (3)加工殘余分析功能。


    高速加工過(guò)程中,為了延長(cháng)刀具的使用壽命和保證加工零件的表面質(zhì)量,應盡可能保持穩定的切削參數,包括保持切削厚度、進(jìn)給量和切削線(xiàn)速度的穩定性。當遇到某處切削深度有可能增加時(shí),應該降低進(jìn)給速度,因為負載的變化會(huì )引起刀具的偏斜,從而降低加工精度、表面質(zhì)量和縮短刀具壽命。所以,在很多情況下有必要對工件輪廓的某些復雜部分進(jìn)行預處理,以使高速運行的精加工小直徑刀具不會(huì )因為前道工序使用的大直徑刀具留下的“加工殘余”而導致切削負載的突然加大。因此,許多軟件提供了適用于高速加工的 “加工殘余分析”的功能,這一功能使得CAM系統能夠準確地知道每次切削后加工殘余所在的位置。這既是保持刀具負載不變的關(guān)鍵,更是關(guān)系到高速加工成敗的關(guān)鍵。


    (4)具有全程自動(dòng)過(guò)切處理及自動(dòng)刀柄干涉檢查功能。


    高速加工的切削速度比傳統的加工方法高出大約10倍多,一旦發(fā)生過(guò)切或干涉,其后果不堪設想。在高速加工中,一個(gè)提高加工效率的重要手段是采用殘余量加工或清根加工,也就是采用多次加工或采用系列刀具從大到小分次加工,直至達到所需尺寸,而避免用小刀一次加工完成。這就要求系統能夠自動(dòng)提示較小刀具直徑以及較短夾刀長(cháng)度,并能自動(dòng)進(jìn)行刀具干涉檢查。此外,在進(jìn)行數控加工之前,為了能夠讓用戶(hù)直觀(guān)地判斷加工過(guò)程是否發(fā)生過(guò)切或刀柄的干涉,CAM系統應該提供加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真驗證,即把加工過(guò)程中的零件模型、刀具實(shí)體、切削加工過(guò)程及加工結果,采用不同的顏色一起動(dòng)態(tài)顯示出來(lái),模擬零件的實(shí)際加工過(guò)程,不僅可以觀(guān)察加工過(guò)程,而且可以檢驗刀具與約束面是否存在干涉或加工過(guò)切的情形;更為先進(jìn)的方法是將機床模型與加工過(guò)程仿真結合在一起,還可以觀(guān)察刀具是否與加工零件以外的其它部件(如夾具)發(fā)生干涉碰撞。


    (5)采用新的加工方法。


    a.基于毛坯殘留知識的加工。


    近年來(lái),許多軟件為了適應高速加工的需要,引入了“二次粗加工”的思想,該思想正是“毛坯殘留知識”算法的核心?;诿鳉埩糁R的加工,簡(jiǎn)單地講就是基于殘留毛坯的加工。在目前使用的許多粗加工方法中,這種方法已經(jīng)得到大家的一致認可。它的工作過(guò)程是:先執行**粗加工,然后將加工得到的形狀作為生成下次粗加工刀位軌跡的新毛坯。然后根據新毛坯,使用各種走刀方式(如行切,環(huán)切等)進(jìn)行粗加工。其實(shí)整個(gè)過(guò)程的思想就是始終保持刀具切到材料,減少空走刀,以達到提高加工效率的目的。在具有這一加工方式的CAM 軟件中,一旦你指定初始毛坯,并設定之后的加工為基于殘余毛坯的方式,系統在計算下一步刀位時(shí)總是基于上一步加工后的殘余毛坯。因為有了當前毛坯信息,所以隨后產(chǎn)生的刀具軌跡就可以做到比較優(yōu)化、合理。


    b.擺線(xiàn)加工。


    為了提高切削速度,人們提出一種被稱(chēng)為“擺線(xiàn)”加工的刀位軌跡計算新方法。這種加工方式是使用切削刀具的側刃來(lái)切削被加工材料?!皵[線(xiàn)”是圓上一固定點(diǎn)隨著(zhù)圓沿直線(xiàn)滾動(dòng)時(shí)生成的軌跡。一般來(lái)說(shuō),擺線(xiàn)是這樣一種曲線(xiàn):假如曲線(xiàn)A上有一固定點(diǎn),當A沿另一曲線(xiàn)B進(jìn)行無(wú)滑動(dòng)的滾動(dòng)時(shí),固定點(diǎn)的軌跡就是擺線(xiàn)?!皵[線(xiàn)”加工非常適合高速銑削,因為切削的刀具總是沿著(zhù)一條具有固定半徑的曲線(xiàn)運動(dòng)。在整個(gè)加工過(guò)程中,它使刀具運動(dòng)總能保持一致的進(jìn)給率。


    (6)提供NURBS插補指令生成技術(shù)。


    傳統的模具型面數控加工時(shí)經(jīng)常采用直線(xiàn)插補和圓弧插補技術(shù),在高速加工中已不太適用,一則是因為數據量大,增加機床數控處理時(shí)間,一則是不便機床進(jìn)行進(jìn)給速度控制,影響加速加工的效率。許多軟件和機床提供NURBS曲線(xiàn)插補技術(shù) 一方面大大降低了數控程序的數據量,一方面光滑了數控加工刀具軌跡。


    5 結束語(yǔ)


    高速加工技術(shù)在模具加工制造廠(chǎng)家有廣泛的應用前景,高速加工機床和數控技術(shù)日趨成熟。面向高速加工技術(shù)的數控編程技術(shù)的發(fā)展顯得相對落后,成了制約高速加工技術(shù)在模具制造中廣泛應用的瓶頸。值得高興的是,目前眾多的CAM技術(shù)研究者和各大CAD/CAM軟件開(kāi)發(fā)商正在對高速加工的數控編程技術(shù)進(jìn)行廣泛而深入的研究,相信在不遠的將來(lái),完全適合模具的高速加工的數控編程系統就會(huì )出現。


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