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                高速加工技術在模具制作中的應用

                發布者:kefu 發布日期:2017-01-09

                20世紀30年代,德國科學家Salomon通過對不同材料進行切削試驗,發現了一個有趣的現象:隨著切削速▓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,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於臨界速度的ㄨ切削加工。對不同的切削材料和不同的切削方式來說,高速切削定義的切削速度的範圍也不同,對於銑削鋁、鎂合金,切削速度大於1000m/min可稱為高速加工,而對於加工鑄鐵或鋼,切削速度大於305m/min就可▅以稱為高速加工了。隨著←技術的發展,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,還應具有高的進給速度。如一般精銑加工可達到5000~15000mm/min 快速進給可達到20000~60000mm/min。

                與常規切削加工ζ相比,高◆速加工有如下一些優點,

                ①由於采用高的切削速度和高的進給速度,高速加工能在單位時間內切除更多的金屬材料,因而切︾削效率高;

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

                ③由於高速加工時切削力大大降低、大部分切削熱被切屑帶走,因而工件的ω 變形大大減少;

                ④高的切削速度意味著高的¤主軸轉速,機床運轉激勵的振動頻率能大大高於工藝系統的固有頻率,因而使機床和工藝系統的振動小,工作平穩,這也有利於提高被加工零件的精度和表面質量;

                ⑤由於高速加工時,切削溫度較低,單位切卐削力較小,因而刀具的耐用度能擁有提高。

                由於這些優點,所以高速加工首先在航空航天制造領域擁有應用。高速加工給航空航天帶來的影響有:

                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※、切削溫度低的優點,利用高速加工技術進行加工;

                ②高速加工的切削力小、切削效率高,可以采用長徑◥比很大的刀具進行加工,因而傳統的**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。由於當時高速☆加工屬於尖端的加工技術,並且主要應用於航空航天等國防制造領域,因而發達國家對高速〓加工機床的」出口實行管制政策■。隨著技術的進步,高速加工技術不斷成熟,高速加工機床的成本也不斷下降,使得高速加工技術已具有向民用制造業轉移的可能性◣,高速加工技術在模具制造行業有廣闊的應用前景。

                根據高速加工技㊣ 術的特點,高速加工技術應用於模具制造業中主要有如下一些優點:

                ①減少加工工序,粗加工後,直接精加▆工,不需要半精加工;

                ②表面質量提高,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、大進給的方△式完成淬火鋼的精加工,且達到很高的模具】表面質量,因而可以減少傳統加工因精加工後再淬火引起模具變形。

                高速加工技術主要涉及機床、刀具、和高速加工數控編程3個方面。目前,高速加工機床和刀具技術已取得了相當進展,為模具加工制√造廠家高速加工技術得廣泛應用奠定了基礎。

                2 高速加工機床

                實施高速加工技術,首先應有高速加工機床。高速加工機床具有不同於傳統數控機床的⊙特點

                (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,同時主軸動平衡性能好,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。帶有檢測過熱裝置和冷卻裝置。

                (2)高速加工機床的進給系統一般采用直線電機驅動,能夠實現高的進給速度,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後等缺∴陷,從而能實現高精密伺服控制、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優化設計采用較輕的移動部件,從而能@ 獲得高的加速度特征。

                (5)為了能獲得高的靜態和動態♀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,尤其是對主軸於刀柄的聯結有特殊※的要求,廣泛使用的ξ HSK刀具一般使用1 10的小錐度,而不使用傳統的大錐度刀柄。

                (6)高速加工具有數控卐代碼預覽功能,即高速加工機床的數控系統在進行切削加工的過程中,其讀取的加工代碼可以有一定量的超前,以便於機床調整進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特殊的要求,高速加工的數控編程是一項非常復雜的技術,NC代碼的編程員**了解高速加工的工藝過程,再編制數控加工程序時,將這些加工工≡藝考慮進去,一般來說,在利用高速加工技術進行模具加工時,應註意如下↘一些原則:

                (1)高速加工時,由於進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刀具是如何切⊙入工件,如何切〇出工件,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)在進行高速加工時遇到加工方向改變時,機床為了保證加工的精度,避免過切,通過→其預覽功能,在加工方向進行改變時一般會自動進行進給速度的調整。但是,當加工方向突然改變時,由於機▂床的加速度是有限制的,因而,有可能做不到及時的速度調整,造←成過切或(欠切),嚴重的將造成刀具斷裂。同時,不斷地調整進給速度會嚴重降低效率。因而,編寫高速加工數控加工程序時,應盡量避免加工方向的突然改變。行切的端點采用圓弧連接,避免直線連接、層間@應采用螺旋式連接,避免直線連接。

                (3)要盡可能維持恒定切削負載,切削深度、進給量和切削線速度一定要協調好。當遇到某處切√削深度有可能增加時,應降低進給速╱度,以保持恒定的負載。編寫高速加工的數控程序時,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,做基於殘留余量的刀具軌跡計算。同時,要註意刀具的實際切削位置,避免切削線速度減低的現ξ 象發生,確實處於正常的高速加工切削速度範圍,應盡量使用多坐♂標編程,通過刀軸旋轉來維持恒定的切觸點位置,維持恒定的切削速度。

                (4)刀具路徑越簡單越好,應盡量采用圓弧、曲線等插補功能,傳統的加工模〗具時采用的密集點數據刀具♀路徑,不太適合於高速加工,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』線段之間,是C0連續的,因而數控系統要不斷地調整進給速度,造¤成進給速度升不上去,嚴重影∮響加工效率。

                (5)在進行高速加工編程時,皇冠足彩比分無論從加工精度還是加工**性考慮,都應該進行充分的幹涉檢查和加工過程仿真。

                (6)註意進行多種︼加工方案的對比分析,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,由於高速加工對工藝的嚴格要求一般需要不同方案的對比分析,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ㄨ防過切能力和自動的幹涉檢№查能力。高速加工以高出傳統數控加工近10倍的切削速度和進給速度,一旦發生過切或幹涉∞∞,其後果將十分嚴重▃▃。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,比較容易發生過切現象,一般都是靠人工選擇幹預的方式來防止,很難保證過切防護的**性。另外,高速加工在模具的加工制造中經常用於模具細節部分的加工,以取代傳♂統的電極加工,這是,比較容易發生刀柄的幹涉,這就要求NCP編程系統能自動檢查報告。

                (3)適合高速加工的NCP系統,應該能自動進行進給速率和切削速度的優化處理,從而保證在高速加工時的**的切削效率、**的切削條件和切削加工的**性。

                (4)高速加工編』程系統應有刀具軌跡的編輯優化功能,避免多余的空刀和通過對刀具軌跡的鏡向、復制、移動、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曲線插〓補的編程功能,通過使用NURBS插補編程,減少程序長度。

                (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,豐富的進刀和退刀方法,基於殘留余∏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,能夠自動確定允許的加工方向變化的程度(即確定不卐同曲率半徑的圓弧段允許的進給速度的變化程度),軌跡上*小的曲率半徑與進給速度的關系,能夠滿足高速加工對切削線速々度的自動的調整。5 具有高速加工編程能力的NCP系統簡介

                目前有關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 PTC公司的Pro/Engineering,CNC公司的MasterCAM等在傳統的◇NCP模塊中添加了適合於高速加工編程的工藝◥策略。

                皇冠足彩比分概括起來主要有如下一些方法:

                (1)采用光滑的進刀、退刀方式。

                在傳統切削輪廓的加工過程中,有法向進、退刀,切向進退刀和相鄰輪廓的角分〓線進退刀等。而在高速切削加工輪廓的過程中,應盡量采取輪廓的切向進退刀方式以保證刀具軌跡的平滑。在對曲面進行加工時,傳統的數控加工方法一般采用Z向垂直進、退刀,曲面正向與反向的⌒進、退刀等方式,而在采用□高速切削的方法進行曲面加工時,可采用斜向或螺旋▲式的進刀方式。同時,CAM系統應該采用基於知識的加工方法,這樣當螺旋式進刀切入材料時,系統會自動檢查刀具信息,如果發現刀具具◣有盲區時,螺旋加工半徑就不Ψ 會無限制減小,從而避免撞刀。這就對加工過程的**性提ㄨ供了周全的保障。

                (2)采用光滑的移刀方式。

                這裏所說的移刀方式指的是行切中的行間移刀,環切∮中的環間移刀,等高加工的層間移刀等。應用於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,刀具大多⊙是直接垂直於原來行切方向的法向移刀,導致刀具路徑中存在◥尖角;在環々切的情況下,環間移刀也是從原來切削軌跡的法向直接移刀,也會導致刀具軌跡出現不平滑的情況;在等高∞線加工的層間移刀時,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**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,可以卐采用切圓弧連接的方法進行移刀。但是當行間距較小時,會由於半徑過小而使圓弧近→似地成為一點,進而導致行間的移刀變為直線移刀,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。這種方法的缺點是在加工 3D復雜零件時,由於移刀軌跡直接在兩個刀具路徑之間生成圓↙弧,在間距較大的情況下,會產生過○切,因此該方法一般多用於在加工中所有的⌒ 刀具路徑都在一個平面內的2.5軸加工;另一種是空間螺線式移刀。這種方法由於移刀在空間完成,所以避免了上面方法的缺點。

                在進行等∏高加工時,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。

                高速加工過程中,為了延長刀具的使用壽命和保證加工零件的表面質量,應盡可能保持〖穩定的切削參數,包括保持切削厚度、進給量和切削線速度的穩定性。當遇到某處切削深度有可能增加時,應該降低進給速度,因為負載的變化會引起刀具的偏斜,從而降低加工精度、表面質量和㊣ 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¤復雜部分進行預處理,以使高速運行的精加工小直徑刀具不會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於高速加工的 “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後加工殘余所在的位置。這既是保持刀具負載不變的關鍵◣,更是關系到高速加工成敗的關鍵。

                (4)具有全程自動過切處理及自動刀柄幹涉檢查功能。

                高速☆加工的切削速度比傳統的加工方法高出大約10倍多,一旦發生過切或幹涉,其後果不堪設想。在∮高速加工中,一個提高加工效率的重要手段是采用①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ω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提示*小刀具直徑以及*短夾刀長度,並能自動進行刀具幹涉檢查。此外,在進行數控加☉工之前,為了能夠讓用戶直觀地判斷加工過程是否發生過切或刀柄的幹涉,CAM系統應該提供加工過程的動態仿真驗證,即把加工過程中的零件模型、刀具實體、切削加工過程及加工結果,采用不同的顏色一起動態顯示出來,模擬零件的實際加工過程,不僅可以觀察加工過程,而且可以檢驗Ψ刀具與約束面是否存在幹涉或加工過切的情形;更為先進的方法是將機床模型與加工過程仿真結合在一起,還可以觀察刀具是否與∴加工零件以外的其它部件(如夾具)發生幹涉碰撞。

                (5)采用新的加工方法。

                a.基於毛坯▓殘留知識的加◥工。

                近年來,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。基於毛坯殘留知識的加工↑,簡單地講就是基於殘留毛坯的加工。在目前使用的許多粗加工方法中,這種方法已經擁有大家的一致認可。它的工】作過程是:先執行首次粗加工,然後將加工擁有的形狀作為生成◆下次粗加工刀位軌跡的新毛∩坯。然後根據新毛坯,使用各種走刀方式(如行切,環切等)進行粗加工。其實整個過※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,並設定之後的加工為基於殘余毛坯的方式,系統在計算下一步刀位時總是基於上一步加工後的⌒殘余毛坯。因為有了當前毛坯信☆息,所以隨後產生的刀具◤軌跡就可以做到比較優化、合理。

                b.擺線加工。

                為了提高切削速度,人們提出一種被稱為“擺線”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切削被加工材料。“擺線”是圓上一固定點隨著ζ圓沿直線滾動時生成的軌跡。一般來說,擺線是這樣一種曲線:假如曲線A上有一固定點,當A沿另一〖曲線B進行無滑動的滾動時,固定點的軌跡□就是擺線。“擺線”加工非常適合高速銑削,因為切削的刀具總是沿著一條具有固定半徑的曲線運動。在整個加工過程中,它使刀具運動總能保持一致的進給率。

                (6)提供NURBS插補指令生成技術。

                傳統的模具型面數ω 控加工時經常采用直線①插補和圓弧插補技術,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間,一則是不便機床進行進給速度控制,影響加速加工的效率。許多軟件和機床提供NURBS曲線』插補技術 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

                高速加工技術在皇冠足彩比分有廣泛◎的應用前景,高速加工機床和數控技術日趨成熟。面向高速加工技術的數控編程技術的發展顯得相對落後,成了制約高速加工技術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技術研究者和各大CAD/CAM軟件開【發商正在對高速加工的數控編程技術進行廣泛而深入的研究,相信在不遠的將∴來,完全適合模具的高速加工的數控編程系統就會出現。

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