復雜型面的五軸加工

發(fā)布日期:2012-10-25    蘭生客服中心    瀏覽:5621

  復雜型面在工具和模具制造中的出現(xiàn)是大批量市郊率生產(chǎn)的產(chǎn)物。在汽車工業(yè)中使用的鍛模和沖模在數(shù)控機床出現(xiàn)以前主要以手工方式制造。至70年代以后,數(shù)控機床在工具和模具制造中得到了廣泛的應用,復雜型面的基本輪廓通常用銑削加工,最初使周圍數(shù)控機床為三軸聯(lián)動。

  進入80年代后,五軸聯(lián)動的銑床在復雜型面加工中得到了廣泛的應用,銑削后的工件輪廓已經(jīng)十分接近工件的最終形狀,但最后一道精整工序仍為手工操作。80年代末期,高速切削技術(shù)逐步發(fā)展成熟,它在工業(yè)生產(chǎn)中的應用從機床、刀具及其他相關(guān)技術(shù)方面都得到了不斷的完善。由于高速切削能夠成倍地提高進給速度,所以在不降低生產(chǎn)效率的情況下使減少進刀間距成為可能,從而為提高工件的形狀精度和降低表而粗糙度提供了前提條件。目前,高速銑削加工過的工件多數(shù)已不再需要最后一道手工加工的工序,而直接可以投入使用。

  新型刀具材料如氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金屬陶瓷、硬質(zhì)合金特別是超硬鍍膜的不斷發(fā)展,使硬面銑削成為可能。模具的型面可以在淬火后銑削成形,從而可避免在銑削后再淬火而引起變形。這樣既簡化了加工過程,又可以提高工件精度。

  另外,隨著精密鍛造在模具制造中的應用,鍛打后的模具毛坯已經(jīng)具有其基本形狀,所剩的加工余量與整塊毛坯銑削時相比已經(jīng)微不足道,在這種情況下,除銑削外,還可以通過高效磨削進行加工。與硬面銑削相比,高效磨削不但可以提高工件的形狀精度,而且可以改善工件的表面粗糙度。高效磨削的方法很多,通常采用的有球面砂輪高速磨削和小直徑帶輪的砂帶磨削。

  工具和模具中常見的三維自由曲面通常在五軸聯(lián)運的加工中心上進行切削。由于工件的材料大多為合金鋼或工具鋼,機床的結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)必須考慮加工過程中生產(chǎn)率和工件精度的要求,并以此為依據(jù)進行適當?shù)牟季趾蛢?yōu)化。為了保證機床在切削各種模具材料時不發(fā)生太大的變形,在確定機床布局時,機床剛度應放在首位。較大的五軸加工中心,多半采用龍門式結(jié)構(gòu),一些中小尺寸的五軸加工中心有時也采用立柱式結(jié)構(gòu)。

  進入90年代以來,復雜型面在生產(chǎn)中幾乎全部以高速切削的方式進行加工。目的是為了提高生產(chǎn)效率,降低產(chǎn)品的成本,同時提高工件的形狀精度和降低表面粗糙度。為了滿足高速切削的需要,機床的主軸幾乎無一例外地采用電主軸。主軸轉(zhuǎn)速根據(jù)所用刀具直徑的不同進行無級變速,轉(zhuǎn)速范圍從每分鐘幾千轉(zhuǎn)至幾萬轉(zhuǎn);_的驅(qū)動系統(tǒng)在高速切削時也不同于常規(guī)加工中心,常用的系統(tǒng)有高速絲杠螺母副驅(qū)動和直線電機驅(qū)動,最大的進給速度可以達到100m/min以上。

  在加工復雜型面時,機床的數(shù)控系統(tǒng)也必須滿足一些特殊要求。比如,復雜型面的數(shù)控加工程序一般在CAD/CAM軟件上生成,一個型面的程序往往需數(shù)兆字節(jié)(Byte)的儲存空間,用軟盤傳遞數(shù)控程序已經(jīng)沒有可能。所以數(shù)控系統(tǒng)必須有與其他計算機系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的功能,以便直接從CAD/CAM上接收數(shù)控程序。此外,數(shù)控系統(tǒng)還必須采用先進的控制技術(shù),首先要求有前瞻(LookAhead)的功能。也就是說,在機床加工某一軌跡前,數(shù)據(jù)系統(tǒng)對要加工的曲面進行預先分析,根據(jù)曲面各點的曲率以及各相鄰點的銜接關(guān)系,適當調(diào)整機床的進給速度,以便在保證工件精度的前提下達到最高的生產(chǎn)率。為了減少加工過程中的動態(tài)誤差,新型的數(shù)據(jù)系統(tǒng)伺服誤差的校正不再采用以往的串聯(lián)式比例微分積分(PID)調(diào)節(jié)器,而是采用按位置和速度等狀態(tài)參數(shù)進行補償?shù)臓顟B(tài)調(diào)節(jié)器,采用這種調(diào)節(jié)器可以徹底消除驅(qū)動滯后誤差,補償由于間隙或摩擦引起的非線性誤差,甚至可以抵消機床的某些振動,從而達到提高工件形狀精度和降低表面粗糙度的要求。

  刀具系統(tǒng)在加工復雜型面時對生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量起決定性作用。在選用刀具系統(tǒng)時,必須首先從被加工年零件幾何形狀出發(fā),合理采用刀具的種類。如圖1所示的工件,各個部位的幾何形狀差異很大。如果只采用球頭銑刀進行加工,則必須選用直徑很小的球頭銑刀,這樣就很難提高加工效率。另外,某些部位的圓弧半徑很小,即使用很小的球頭銑刀也無法加工。因此,考慮到生產(chǎn)效率和工件形狀兩方面的要求,在加工復雜型面的五軸聯(lián)動加工中心上必須配備其他類型的銑刀,如端銑刀和三面刃銑刀等。

  圖2是一些選用銑刀類型。只要尺寸允許,不管是哪種形狀的刀具,切削刃宜采用機夾可轉(zhuǎn)位銑刀片。這樣的刀具由于刀片和刀體可以進行多種組合,且刀片和刀體可以在不同公司進行生產(chǎn),所以可形成大規(guī)模專業(yè)化生產(chǎn),既有利于提高刀具的質(zhì)量,又有利于降低刀具的生產(chǎn)成本。

  目前市場上的可轉(zhuǎn)位刀片,大多采用CVD鍍膜的硬質(zhì)合金刀片。為了達到更高偽抗磨損性,可轉(zhuǎn)位刀片均采用多層鍍膜。比知用Al2O3可以提高刀片的化學穩(wěn)定性。用TiN和TiCN則可增強刀片的耐磨性。為了增強刀片的鋒利的程度,鍍膜除了可用低溫CVD方法生成外,還可以用PVD方法產(chǎn)生。有些加工對刀片的要求十分嚴格,刀片既要有鋒利的切削刃,以降低精加工表面的粗糙度,又要有極高的耐磨性,以保證工件的形狀精度。這種性情況下,必須采用多種鍍膜的組合。有的刀片為了確保使用過程上萬無一失,鍍膜層數(shù)可多達100層。

  刀具的壽命與進給量、切削速度和切削深度密切相關(guān)。最佳切削用量常常是一個很小的范圍,要根據(jù)具體的刀具與工件材料情況進行確定。

  此外,切削策略如:走刀路徑的規(guī)劃,刀具軸線曲面法矢(曲面在該點的法向方向)或沿曲面切矢(曲面在該點的切線方向)的不同方式等,也是加工復雜型面的一個關(guān)鍵性因素。它不僅影響被加工工件的表面粗糙度,也影響到工件的形狀和尺寸精度。圖3是加工一個柱形曲面時采用的不同切削策略。在圓周方向進行切削,刀具軌跡要進行兩軸聯(lián)動插補。在用沿母線方向進行切削時,刀具只需作單軸的插補。另外,不同的切削方法,刀具的磨損差別很大,順銑時的刀具磨損明顯低于逆銑,往復銑削時的磨損遠遠大于單向銑削。

  為了提高加工過程的穩(wěn)定性,優(yōu)化切削策略時,必須保證切削的連續(xù)性,同時盡可能減少走刀運動和空行程,以便縮短切削時間。粗銑鋼件時,必須保證連續(xù)順銑,盡量降低刀刃在切削過程中切削量波動的峰值。

  加工圖4所示的工件時,假如采用圖5a所示的行切軌跡分區(qū)加工;刀具的運動很不合理,切削條件很不理想,加工時間需要33min,工件表面粗糙度為6~9μm。倘若改用圖5b所示的圈切軌跡分區(qū)進行加工,加工時間約需27min,工件的粗糙度也可降至2~4μm。

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