搜索模具CAD/CAE/CAM技術(shù)模具高速銑削加工技術(shù)
2016-09-01 by:CAE仿真在線(xiàn) 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
模具CAD/CAE/CAM是改造傳統(tǒng)模具生產(chǎn)方式的關(guān)鍵技術(shù),是一項(xiàng)高科技、高效益的系統(tǒng)工程。它以計(jì)算機(jī)軟件的形式,為企業(yè)提供一種有效的輔助工具,使工程技術(shù)人員借助于計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)品性能、模具結(jié)構(gòu)、成形工藝、數(shù)控加工及生產(chǎn)管理進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。模具CAD/CAE/CAM技術(shù)能顯著縮短模具設(shè)計(jì)與制造周期、降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量已成為模具界的共識(shí)。與任何新生事物一樣,模具CAD/CAE/CAM在近二十年中經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜,從試點(diǎn)到普及的過(guò)程。進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái),模具 CAD/CAE/CAM技術(shù)發(fā)展速度更快、應(yīng)用范圍更廣,為了使廣大模具工作者能進(jìn)一步加深對(duì)該技術(shù)的認(rèn)識(shí),更好發(fā)揮模具CAD/CAE/CAM的作用,本文針對(duì)模具中應(yīng)用最廣泛、最具有代表性的鑄造模、鍛模、級(jí)進(jìn)模、汽車(chē)覆蓋件模和塑料注射模CAD/CAE/CAM的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)作概括性的介紹和分析。
鑄造模CAD/CAE/CAM的發(fā)展概況
鑄造成形過(guò)程模擬的探索性工作始于求解鑄件的溫度場(chǎng)分布。 1962年丹麥的Fursund用有限差分法首次對(duì)二維形狀的鑄件進(jìn)行了凝固過(guò)程的傳熱計(jì)算,1965年美國(guó)通用汽車(chē)公司Henzel等對(duì)汽輪機(jī)鑄件成功進(jìn)行了溫度場(chǎng)模擬,從此鑄件在模具型腔內(nèi)的傳熱過(guò)程數(shù)值分析技術(shù)在全世界范圍內(nèi)迅速開(kāi)展。從上世紀(jì)70年代到80年代,美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、日本、丹麥等相繼在鑄件凝固模擬研究和應(yīng)用上取得了顯著成果,并陸續(xù)推出一批商品化模擬軟件。進(jìn)入 90年代后,我國(guó)的高等院校,如清華大學(xué)和華中科技大學(xué)在該領(lǐng)域也取得了矚目的成就。
單純的傳熱過(guò)程模擬并不能準(zhǔn)確計(jì)算出鑄件的溫度變化和預(yù)測(cè)鑄造中可能產(chǎn)生的缺陷,充模過(guò)程對(duì)鑄件初始溫度場(chǎng)分布的影響以及凝固過(guò)程中液態(tài)金屬的流動(dòng)對(duì)鑄件缺陷形成的影響都是不可忽視的。鑄件充模過(guò)程的模擬技術(shù)始于上世紀(jì)80年代,它以計(jì)算流體力學(xué)的理論和方法為基礎(chǔ),經(jīng)歷十余載,從二維簡(jiǎn)單形狀開(kāi)始,逐步深化和擴(kuò)展,現(xiàn)已成功實(shí)現(xiàn)了三維復(fù)雜形狀鑄件的充模過(guò)程模擬,并能將流動(dòng)和傳熱過(guò)程相耦合。目前國(guó)外已有一批商品化的三維鑄造過(guò)程模擬軟件,如日本的SOLIDIA、英國(guó)的SOLSTAR、法國(guó)的SIMULOR、瑞典的NOVACAST、德國(guó)的MAGMA和美國(guó)的 AFSOLID、PROCAST 等。國(guó)內(nèi)也有清華大學(xué)的鑄造之星、華中科技大學(xué)的華鑄CAE等。這些鑄造模CAE軟件已覆蓋鑄鋼、鑄鐵、鑄鋁和鑄銅等各類(lèi)鑄件,大到數(shù)百?lài)?小至幾千克,無(wú)論是在消除縮孔和縮松,還是在優(yōu)化澆冒口設(shè)計(jì),改進(jìn)浮渣夾渣等方面都發(fā)揮了顯著的作用。
伴隨著 CAE技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的成功應(yīng)用,鑄造工藝及模具結(jié)構(gòu)CAD的研究和應(yīng)用也在不斷深入,國(guó)外已陸續(xù)推出了一些應(yīng)用軟件,如美國(guó)鑄造協(xié)會(huì)的 AFS- SOFTWARE,可用于鑄鋼和鑄鐵件的澆冒口設(shè)計(jì),英國(guó)FOSECO公司的FEEDERCALK軟件,可以計(jì)算鑄鋼件的澆冒口尺寸和選擇保溫冒口套的類(lèi)型。我國(guó)華中科技大學(xué)和清華大學(xué)在鑄造工藝及模具結(jié)構(gòu)CAD方面也做了許多工作,如清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的THFSCAD軟件,主要由圖形掃描及矢量化和鑄造工藝 CAD兩部分組成。前一部分對(duì)掃描輸入的圖形進(jìn)行消藍(lán)去污和矢量化,后一部分用來(lái)建立參數(shù)化圖形、計(jì)算鑄件的加工余量、繪制工藝卡等。 THFSCAD是在二維圖形學(xué)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的,采用了AUTOCAD軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。隨著CAD技術(shù)的快速進(jìn)步,三維CAD系統(tǒng)在鑄造生產(chǎn)領(lǐng)域會(huì)逐步取代二維CAD系統(tǒng)而成為主流設(shè)計(jì)系統(tǒng)。
鍛模CAD/CAE/CAM的發(fā)展概況
自上世紀(jì)70年代以來(lái),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和公司對(duì)鍛模CAD/CAE/CAM技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究,在鍛造工藝過(guò)程設(shè)計(jì)、鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和金屬流動(dòng)模擬等方面均取得了顯著的成績(jī)。
軸對(duì)稱(chēng)鍛件約占鍛件總數(shù)的30%左右,加上軸對(duì)稱(chēng)鍛件幾何形狀簡(jiǎn)單,易于描述和定義,所以開(kāi)發(fā)鍛模CAD/ CAM系統(tǒng)時(shí)國(guó)內(nèi)外大多數(shù)機(jī)構(gòu)和人都是從軸對(duì)稱(chēng)鍛模入手。軸對(duì)稱(chēng)鍛模CAD/ CAM系統(tǒng)的主要組成部分包括鍛件設(shè)計(jì)、模鍛工藝設(shè)計(jì)、鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和NC編程。鍛件設(shè)計(jì)指的是設(shè)計(jì)冷鍛件圖和熱鍛件圖,包括選擇分模面、補(bǔ)充機(jī)加工余量、添加圓角和拔模斜度等。模鍛工藝設(shè)計(jì)決定是否采用預(yù)成形工序、怎樣采用預(yù)成形工序以及如何選擇鍛壓設(shè)備的噸位。
另一類(lèi)廣泛應(yīng)用的鍛件是長(zhǎng)軸類(lèi)鍛件,其成形工序設(shè)計(jì)和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比軸對(duì)稱(chēng)鍛模復(fù)雜,因此開(kāi)發(fā)長(zhǎng)軸類(lèi)鍛模的CAD/CAM系統(tǒng)的難度更大、通用性也低,目前在許多通用商品化CAD/CAM軟件上二次開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)軸類(lèi)鍛模的CAD/CAM系統(tǒng)僅限于特定產(chǎn)品和特定場(chǎng)合的應(yīng)用,鍛模CAD/ CAM系統(tǒng)的發(fā)展方向是成組技術(shù)和模具標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的進(jìn)一步貫徹執(zhí)行以及CAE技術(shù)和人工智能技術(shù)的深入應(yīng)用。
在CAE 技術(shù)方面,有限元法一直是分析和研究金屬鍛造成形的主要數(shù)值分析方法,多年來(lái)已取得不少階段性的成果。1973年Lee和 Kobayashi以矩陣分析法導(dǎo)出了剛塑性有限元的Lagrange算法,成功分析了鍛造成形過(guò)程。1974年Zienkiewicz提出了剛粘塑性有限元的罰函數(shù)法,分析了軋制、擠壓和拉拔等成形工藝。1982年Mori和Osakada提出了剛塑性有限元中的材料可壓縮法并用于軋制和擠壓中。上世紀(jì) 80年代初,Oh和Altan用大型剛塑性有限元分析軟件ALPID對(duì)各類(lèi)塑性變形問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。90年代以后,國(guó)外一些商品化的專(zhuān)業(yè)有限元分析軟件,如法國(guó)的FORGE2、美國(guó)的DEFORM、ABAQUS、MSC/AutoForge等,都已成功地應(yīng)用于鍛造領(lǐng)域。這些軟件不僅可以預(yù)測(cè)鍛件成形的全過(guò)程,而且可以定量地給出與變形有關(guān)的各種物理量,如位移、速度、應(yīng)力、應(yīng)變和載荷等,為獲得最優(yōu)的模具設(shè)計(jì)、最合理的工藝方案和最少的試模時(shí)間提供了技術(shù)保證。
級(jí)進(jìn)模CAD/CAE/CAM的發(fā)展概況
國(guó)外級(jí)進(jìn)模CAD/CAE/CAM的研究始于上世紀(jì)60年代末,70年代便有初步應(yīng)用,但僅限于二維圖形的簡(jiǎn)單沖裁級(jí)進(jìn)模,其主要功能如條料排樣、凹模布置、工藝計(jì)算和NC編程等。彎曲級(jí)進(jìn)模CAD/CAM系統(tǒng)出現(xiàn)在80年代,如日本日立公司和富士通公司的彎曲級(jí)進(jìn)模系統(tǒng)等。為了能夠適應(yīng)復(fù)雜模具的設(shè)計(jì),富士通系統(tǒng)采用了自動(dòng)設(shè)計(jì)和交互設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法,在該系統(tǒng)中除毛坯展開(kāi)、彎曲回彈計(jì)算和工步排序?yàn)樽詣?dòng)處理外,其余均需要設(shè)計(jì)人員的參與。
應(yīng)用三維幾何造型技術(shù)的級(jí)進(jìn)模系統(tǒng)始于80年代末,如美國(guó)Auto-trol公司的Die-Design系統(tǒng),該系統(tǒng)采用三維幾何模型來(lái)描述鈑金零件,并將三維圖形技術(shù)應(yīng)用于模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),顯示出三維圖形軟件在模具設(shè)計(jì)中的重要作用。
進(jìn)入90年代,國(guó)際著名商品化三維CAD/CAM系統(tǒng),如美國(guó)的Pro/E、UG-II、 CADD5、Solidworks、MDT等均陸續(xù)在模具界得到應(yīng)用。美國(guó)PTC公司基于Pro/E系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了鈑金零件造型模塊Pro/Sheet Metal。UG Solution公司在UG-II的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了同類(lèi)型的模塊UG/Sheet Metal。以上兩個(gè)系統(tǒng)都缺乏面向級(jí)進(jìn)成形工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專(zhuān)用模塊,但這方面的工作進(jìn)展很快,有的已經(jīng)初見(jiàn)成效。
如美國(guó)Computer Design公司開(kāi)發(fā)的級(jí)進(jìn)模軟件Striker Systems是銷(xiāo)售量較大的商業(yè)化CAD/CAM系統(tǒng),包括鈑金零件造型(SS-DESIGN)、毛坯展開(kāi)(SS-UNFOLD)、毛坯排樣(SS- STRIP DESIGN),模具設(shè)計(jì)(SS- DIE DESIGN)和數(shù)控加工(SS-WIRE、SS-PROFILE)等模塊。該系統(tǒng)支持鈑金零件的特徵造型,雖已具有某些自動(dòng)化設(shè)計(jì)的功能,但其設(shè)計(jì)過(guò)程仍以交互操作為主,目前只適用于彎曲沖裁級(jí)進(jìn)模的設(shè)計(jì)。
本世紀(jì)之初,美國(guó)UGS公司與我國(guó)華中科技大學(xué)合作在UG-II (現(xiàn)為NX)軟件平臺(tái)上開(kāi)發(fā)出基于三維幾何模型的級(jí)進(jìn)模CAD/CAM軟件NX- PDW。該軟件包括工程初始化、工藝預(yù)定義、毛坯展開(kāi)、毛坯排樣、廢料設(shè)計(jì)、條料排樣、壓力計(jì)算和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等模塊。具有特徵識(shí)別與重構(gòu)、全三維結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)等顯著特色,已在2003年作為商品化產(chǎn)品投入巿場(chǎng)。我國(guó)從上世紀(jì)90 年代開(kāi)始,華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)和北京機(jī)電研究院等相繼開(kāi)展了級(jí)進(jìn)模CAD/CAM系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)。如華中科技大學(xué)模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在AutoCAD軟件平臺(tái)上開(kāi)發(fā)出基于特徵的級(jí)進(jìn)模CAD/CAM系統(tǒng) HMJC,包括鈑金零件特徵造型、基于特徵的沖壓工藝設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)件及典型結(jié)構(gòu)建庫(kù)工具和線(xiàn)切割自動(dòng)編程五個(gè)模塊。上海交通大學(xué)為瑞士法因托(Finetool)精沖公司開(kāi)發(fā)成功精密沖裁級(jí)進(jìn)模CAD/CAM系統(tǒng)。西安交通大學(xué)開(kāi)發(fā)出多工位彎曲級(jí)進(jìn)模CAD系統(tǒng)等。近年來(lái),國(guó)內(nèi)一些軟件公司也競(jìng)相加入了級(jí)進(jìn)模CAD/CAM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)行列,如深圳雅明軟件制作室開(kāi)發(fā)的級(jí)進(jìn)模系統(tǒng)CmCAD、富士康公司開(kāi)發(fā)的用于單沖模與復(fù)合模的CAD系統(tǒng) Fox-cad等。
汽車(chē)覆蓋件模CAD/CAE/CAM的發(fā)展概況
國(guó)際上最早開(kāi)展汽車(chē)覆蓋件模CAD/CAM系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)的是各個(gè)大汽車(chē)制造公司。早在1965年日本豐田汽車(chē)公司已將數(shù)控技術(shù)用于汽車(chē)覆蓋件的模具加工,取得了很好的經(jīng)濟(jì)效果。上世紀(jì)80年代豐田汽車(chē)公司所采用的汽車(chē)覆蓋件CAD/CAM系統(tǒng)包括了NTDFB和CADETT兩個(gè)設(shè)計(jì)軟件及加工凸、凹模的 TINCA軟件,可完成車(chē)身外形設(shè)計(jì)、車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、沖模CAD、主模型與沖模加工和夾具加工等任務(wù)。據(jù)報(bào)道,該系統(tǒng)投入使用后可使豐田公司的汽車(chē)覆蓋件成形模設(shè)計(jì)與制造時(shí)間減少50%,本世紀(jì)之初豐田汽車(chē)公司又采用了美國(guó)PDC公司基于Pro/E軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)的面向拉延模設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)化軟件 Pro/Dieface。
美國(guó)通用汽車(chē)公司依托美國(guó)UGS公司在UG-II軟件平臺(tái)上也開(kāi)發(fā)了用于汽車(chē)覆蓋件模具設(shè)計(jì)的專(zhuān)用模塊,如鈑金件設(shè)計(jì)、車(chē)身設(shè)計(jì)、復(fù)蓋件沖壓工藝設(shè)計(jì)(包括沖壓方向選擇、工藝余量補(bǔ)充、壓邊面形狀設(shè)計(jì)和修邊線(xiàn)確定)和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等,目前該系統(tǒng)正處于試運(yùn)行階段。與此同時(shí),美國(guó)福特汽車(chē)公司、英國(guó) PSF公司、日本獲原鐵工所、富士鐵工所等國(guó)外生產(chǎn)汽車(chē)覆蓋件模具的公司也開(kāi)發(fā)了各自公司專(zhuān)用的汽車(chē)覆蓋件模 CAD/CAM系統(tǒng)。目前這些系統(tǒng)尚不對(duì)外出售。
國(guó)內(nèi)如湖南大學(xué)、吉林大學(xué)和華中科技大學(xué)等單位近幾年來(lái)對(duì)汽車(chē)覆蓋件模CAD/CAE/CAM技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究,取得了許多可喜的成果。
如湖南大學(xué)以先進(jìn)沖壓CAE技術(shù)為突破口,開(kāi)發(fā)出一套包括沖壓工藝設(shè)計(jì)和汽車(chē)覆蓋件模具設(shè)計(jì)和制造的系列化軟件。其沖壓仿真CAE自動(dòng)建模系統(tǒng) CADEM- I能夠利用模具表面數(shù)控軌跡數(shù)據(jù)作為網(wǎng)格生成的幾何數(shù)據(jù)源,使建模效率成倍的提高,對(duì)于汽車(chē)覆蓋件成形,在同樣精度下可使仿真模型網(wǎng)格單元減少近20% ~40%。沖壓仿真CAE系統(tǒng)CADEM-II采用先進(jìn)的理論和算法,在保證沖壓件大變形計(jì)算精度的前提下顯著地提高了分析速度。沖壓工藝分析與設(shè)計(jì)系統(tǒng) CADEM-III采用殼體失穩(wěn)理論預(yù)測(cè)覆蓋件成形中的起皺趨勢(shì),采用基于仿真的毛坯反算技術(shù),實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜零件的毛坯形狀和尺寸的迭代反求。
又如華中科技大學(xué)模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室最新推出的汽車(chē)覆蓋件沖壓成形快速分析軟件FASTAMP,基于改進(jìn)的有限元逆算法和板殼單元,綜合考慮了摩擦、壓邊力和拉深筋等工藝條件,將產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料選擇和工藝設(shè)計(jì)緊密聯(lián)系起來(lái),能夠快速模擬汽車(chē)覆蓋件成形后的起皺、破裂和成形不足等缺陷,優(yōu)化壓邊力、拉深筋和摩擦等工藝參數(shù)、校核壓料面和工藝補(bǔ)充面的合理性、提供最優(yōu)的毛坯形狀,從而可以為汽車(chē)覆蓋件工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)提供全面的解決方案。
塑料注射模CAD/CAE/CAM的發(fā)展概況
塑料注射模CAD/CAM是伴隨著通用機(jī)械CAD/CAM技術(shù)發(fā)展而不斷深化的。從上世紀(jì)60年代基于線(xiàn)框模型的CAD系統(tǒng)開(kāi)始, 到70年代以曲面造型為核心的CAD/CAM系統(tǒng),80年代實(shí)體造型技術(shù)的成功應(yīng)用,90年代基于特徵的參數(shù)化實(shí)體/曲面造型技術(shù)的完善,為塑料注射模采用 CAD/CAE/CAM技術(shù)提供了可靠的保證。目前在國(guó)內(nèi)外巿場(chǎng)已涌現(xiàn)出一批成功應(yīng)用于塑料注射模的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)。
現(xiàn)在國(guó)外一些著名的商品化三維造型軟件都帶有獨(dú)立的注射模設(shè)計(jì)模塊,如美國(guó)PTC公司的Pro/E、UGS公司的UG-II、SDRC公司的I- DEAS系統(tǒng)。這三個(gè)CAD/CAM系統(tǒng)目前在塑料模具工業(yè)中的應(yīng)用最為廣泛。此外還有美國(guó)CV公司的CADDS系統(tǒng)、法國(guó)MATRA公司的 EUCLID 系統(tǒng)、法國(guó) DASSAULT公司的CATIA系統(tǒng)、英國(guó)DELCAM公司的DUCT系統(tǒng)、日本造船信息系統(tǒng)株式會(huì)社的Space-E系統(tǒng)和日本UNISYS株式會(huì)社的CADCEUS系統(tǒng)等都各具特色,擁有各自的用戶(hù)群。
塑料注射模CAE技術(shù)的發(fā)展也十分迅速,從上世紀(jì)60年代的一維流動(dòng)和冷卻分析到70年代的二維流動(dòng)和冷卻分析再到90年代的準(zhǔn)三維流動(dòng)和冷卻分析,其應(yīng)用范圍已擴(kuò)展到保壓分析、纖維分子取向和翹曲預(yù)測(cè)等領(lǐng)域并且成效卓著。
塑料注射成型CAE商品化軟件中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)數(shù)美國(guó)Moldflow公司的模擬軟件MF,該軟件主要包括流動(dòng)模擬(MF/FLOW)、冷卻分析(MF/COOL)、翹曲分析(MF/WARP)、氣輔分析(MF/GAS)和應(yīng)力分析(MF/STRESS)等。該公司于1998年推出準(zhǔn)三維的雙面流軟件(Part Adviser),2002年推出真三維的實(shí)體流軟件模塊,目前該公司在世界上擁有較大的用戶(hù)群。
近十余年來(lái),我國(guó)對(duì)塑料注射成型CAE技術(shù)也開(kāi)展了系統(tǒng)而深入的研究。華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、鄭州大學(xué)和南昌大學(xué)等都相繼取得了可喜的成果。如華中科技大學(xué)模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在最近推出的商品化塑料注射成型集成化仿真系統(tǒng)HSCAE6.10,從1989年推出的HSCAE1.0版到如今的 6.10版,經(jīng)歷了從二維分析到三維分析,從實(shí)用化到商品化,從局部試點(diǎn)到大面積推廣應(yīng)用的進(jìn)程,已成為塑料制品設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工程師培訓(xùn)的有力工具,HSCAE仿真系統(tǒng)目前已在國(guó)內(nèi)80多家工廠(chǎng)和學(xué)校推廣應(yīng)用。
模具CAD/CAE/CAM的發(fā)展趨勢(shì)
本世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)正處于日新月異的變革之中,通過(guò)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的緊密結(jié)合,人工智能技術(shù)、并行工程、面向裝配、參數(shù)化特徵建模以及關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)等一系列與模具工業(yè)相關(guān)的技術(shù)發(fā)展之快、學(xué)科領(lǐng)域交叉之廣前所未見(jiàn)。今后十年新一代模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)必然是當(dāng)今最好的設(shè)計(jì)理念、最新的成形理論和最高水平的制造方法相結(jié)合的產(chǎn)物,其特點(diǎn)將反映在專(zhuān)業(yè)化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化和智能化四個(gè)方面。
隨著模具工業(yè)的快速發(fā)展,近幾年來(lái)世界各國(guó)的軟件開(kāi)發(fā)商投入了巨大的人力和物力,針對(duì)各類(lèi)模具的特點(diǎn),將通用的CAD/CAM系統(tǒng)改造為模具行業(yè)專(zhuān)用的系統(tǒng),取得了較大成效。已投入使用的有美國(guó)UGS公司的級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)系統(tǒng)NX -PDW、塑料注射模設(shè)計(jì)系統(tǒng)Mold Wizard、以色列 Cimatron公司的模具設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)Quick、英國(guó)DELCAM公司的塑料模設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)PS-Moldmaker、法國(guó) Misslel software公司的注射模專(zhuān)用軟件Top Mold和級(jí)進(jìn)模專(zhuān)用軟件 Top Progress、日本UNISYS株式會(huì)社的塑料模設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)CADCEUS等。這些軟件的技術(shù)特點(diǎn)是能在統(tǒng)一的系統(tǒng)環(huán)境下,使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù),完成特定模具的設(shè)計(jì)。NX-PDW初步實(shí)現(xiàn)了模具零件的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián), CADCEUS的特色在于三維設(shè)計(jì)與二維視圖的聯(lián)動(dòng),PS-Moldmaker 做到了加工信息的自動(dòng)封裝,這些特點(diǎn)使得專(zhuān)業(yè)軟件更加宜人化。
目前,國(guó)外一些軟件開(kāi)發(fā)商已能按實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的功能劃分產(chǎn)品系列,在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)CAD/CAE/CAM的一體化,解決傳統(tǒng)混合型 CAD/CAM系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程分工協(xié)作的要求。例如英國(guó)DELCAM公司在原有軟件DUCT5的基礎(chǔ)上,為適應(yīng)最新軟件發(fā)展及工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際推出了CAD/CAM集成化系統(tǒng)Delcam’s Power Solution,該系統(tǒng)覆蓋了幾何建模、逆向工程、工業(yè)設(shè)計(jì)、工程制圖、仿真分析、快速原型、數(shù)據(jù)編程、測(cè)量分析等各個(gè)領(lǐng)域。系統(tǒng)的每個(gè)功能模塊既可獨(dú)立運(yùn)行,又可通過(guò)數(shù)據(jù)接口與其它系統(tǒng)相兼容,并能按使用要求進(jìn)行組合,以便形成專(zhuān)業(yè)化的 CAD/CAE/CAM系統(tǒng),做到開(kāi)放性、兼容性和專(zhuān)業(yè)化的統(tǒng)一。可以預(yù)計(jì),模具 CAD/CAE/CAM系統(tǒng)在今后幾年內(nèi)將會(huì)逐步發(fā)展為支持從設(shè)計(jì)、分析、管理到加工全過(guò)程的產(chǎn)品信息管理的集成化系統(tǒng)。
現(xiàn)階段,模具設(shè)計(jì)和制造在很大程度上仍然依靠著模具工作者的經(jīng)驗(yàn),僅憑計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算功能去完成諸如模具設(shè)計(jì)方案的選擇、工藝參數(shù)與模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、成型缺陷的診斷以及模具成形性能的評(píng)價(jià)是不現(xiàn)實(shí)的。新一代模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)正在利用KBE(基于知識(shí)的工程)技術(shù)進(jìn)行脫胎換骨的改造。如UG-II中所提供的人工智能模塊KF(Knowledge Fusion)。利用KF可將設(shè)計(jì)知識(shí)融入系統(tǒng)之中,以便進(jìn)行圖形識(shí)別與推理。
數(shù)值計(jì)算和人工智能技術(shù)的結(jié)合將是今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)一件十分艱巨而重要的工作。傳統(tǒng)的模擬軟件基本上都是被動(dòng)式計(jì)算工具,分析前需要用戶(hù)事先設(shè)計(jì)成形方案和確定工藝參數(shù),分析結(jié)果常常難于直接用來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn),這在很大程度上影響了模擬軟件的推廣和普及,華中科技大學(xué)模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在國(guó)產(chǎn)注塑成型模擬軟件HSCAE6.10中成功地引入了人工智能技術(shù)。對(duì)于注射時(shí)間、注射溫度等具有連續(xù)取值空間的參數(shù),采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)于分析結(jié)果的解釋和評(píng)價(jià)則采用基于規(guī)則推理的方法來(lái)處理。HSCAE6.10的專(zhuān)家系統(tǒng)規(guī)則庫(kù)以專(zhuān)家知識(shí)為基礎(chǔ),涵蓋了有關(guān)短射、流動(dòng)平衡、熔體降解、溫差控制、保壓時(shí)間、許可剪切應(yīng)力、剪切速率和鎖模力等方面的領(lǐng)域知識(shí),在對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行綜合和提煉的基礎(chǔ)上驅(qū)動(dòng)專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行推理,對(duì)成型方案進(jìn)行評(píng)價(jià)并在分析報(bào)告中輸出具體的改進(jìn)建議,其目標(biāo)是將模擬軟件由傳統(tǒng)的“被動(dòng)式”計(jì)算工具提升為新一代的“主動(dòng)式”優(yōu)化系統(tǒng)。
模具高速銑削加工技術(shù)
在現(xiàn)代模具生產(chǎn)中,隨著對(duì)塑件的美觀度及功能要求得越來(lái)越高,塑件內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得越來(lái)越復(fù)雜,模具的外形設(shè)計(jì)也日趨復(fù)雜,自由曲面所占比例不斷增加,相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)也設(shè)計(jì)得越來(lái)越復(fù)雜。這些都對(duì)模具加工技術(shù)提出了更高要求,不僅應(yīng)保證高的制造精度和表面質(zhì)量,而且要追求加工表面的美觀。隨著對(duì)高速加工技術(shù)研究的不斷深入,尤其在加工機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、CAD/CAM軟件等相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展的推動(dòng)下,高速加工技術(shù)已越來(lái)越多地應(yīng)用于模具型腔的加工與制造中。
數(shù)控高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù),是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的切削加工,其切削速度、進(jìn)給速度有了很大的提高,而且切削機(jī)理也不相同。高速切削使切削加工發(fā)生了本質(zhì)性的飛躍,其單位功率的金屬切除率提高了30%~40%,切削力降低了30%,刀具的切削壽命提高了70%,留于工件的切削熱大幅度降低,低階切削振動(dòng)幾乎消失。隨著切削速度的提高,單位時(shí)間毛坯材料的去除率增加了,切削時(shí)間減少了,加工效率提高了,從而縮短了產(chǎn)品的制造周期,提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí),高速加工的小量快進(jìn)使切削力減少了,切屑的高速排出減少了工件的切削力和熱應(yīng)力變形,提高了剛性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低,轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率,而工件的表面粗糙度對(duì)低階頻率最為敏感,由此降低了表面粗糙度。在模具的高淬硬鋼件(HRC45~HRC65)的加工過(guò)程中,采用高速切削可以取代電加工和磨削拋光的工序,從而避免了電極的制造和費(fèi)時(shí)的電加工,大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量。對(duì)于一些市場(chǎng)上越來(lái)越需要的薄壁模具工件,高速銑削也可順利完成,而且在高速銑削 CNC加工中心上,模具一次裝夾可完成多工步加工。
高速加工技術(shù)對(duì)模具加工工藝產(chǎn)生了巨大影響,改變了傳統(tǒng)模具加工采用的“退火→銑削加工→熱處理→磨削”或“電火花加工→手工打磨、拋光”等復(fù)雜冗長(zhǎng)的工藝流程,甚至可用高速切削加工替代原來(lái)的全部工序。高速加工技術(shù)除可應(yīng)用于淬硬模具型腔的直接加工(尤其是半精加工和精加工)外,在EDM電極加工、快速樣件制造等方面也得到了廣泛應(yīng)用。大量生產(chǎn)實(shí)踐表明,應(yīng)用高速切削技術(shù)可節(jié)省模具后續(xù)加工中約80%的手工研磨時(shí)間,節(jié)約加工成本費(fèi)用近30%,模具表面加工精度可達(dá)1 m,刀具切削效率可提高1倍。
二、高速銑削加工機(jī)床
高速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一,它隨著CNC技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料和新結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而邁上更高的臺(tái)階。由于模具加工的特殊性以及高速加工技術(shù)的自身特點(diǎn),對(duì)模具高速加工的相關(guān)技術(shù)及工藝系統(tǒng)(加工機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、刀具等)提出了比傳統(tǒng)模具加工更高的要求。
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1. 高穩(wěn)定性的機(jī)床支撐部件
高速切削機(jī)床的床身等支撐部件應(yīng)具有很好的動(dòng)、靜剛度,熱剛度和最佳的阻尼特性。大部分機(jī)床都采用高質(zhì)量、高剛性和高抗張性的灰鑄鐵作為支撐部件材料,有的機(jī)床公司還在底座中添加高阻尼特性的聚合物混凝土,以增加其抗振性和熱穩(wěn)定性,這不但可保證機(jī)床精度穩(wěn)定,也可防止切削時(shí)刀具振顫。采用封閉式床身設(shè)計(jì),整體鑄造床身,對(duì)稱(chēng)床身結(jié)構(gòu)并配有密布的加強(qiáng)筋等也是提高機(jī)床穩(wěn)定性的重要措施。一些機(jī)床公司的研發(fā)部門(mén)在設(shè)計(jì)過(guò)程中,還采用模態(tài)分析和有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算等,優(yōu)化了結(jié)構(gòu),使機(jī)床支撐部件更加穩(wěn)定可靠。
2. 機(jī)床主軸
高速機(jī)床的主軸性能是實(shí)現(xiàn)高速切削加工的重要條件。高速切削機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速范圍為10000~100000m/min,主軸功率大于15kW。通過(guò)主軸壓縮空氣或冷卻系統(tǒng)控制刀柄和主軸間的軸向間隙不大于0.005mm。還要求主軸具有快速升速、在指定位置快速準(zhǔn)停的性能(即具有極高的角加減速度),因此高速主軸常采用液體靜壓軸承式、空氣靜壓軸承式、熱壓氮化硅(Si3N4)陶瓷軸承磁懸浮軸承式等結(jié)構(gòu)形式。潤(rùn)滑多采用油氣潤(rùn)滑、噴射潤(rùn)滑等技術(shù)。主軸冷卻一般采用主軸內(nèi)部水冷或氣冷。
3. 機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
為滿(mǎn)足模具高速加工的需要,高速加工機(jī)床的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有下列特性:
(1) 高的進(jìn)給速度。研究表明,對(duì)于小直徑刀具,提高轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給量有利于降低刀具磨損。目前常用的進(jìn)給速度范圍為20~30m/min,如采用大導(dǎo)程滾珠絲杠傳動(dòng),進(jìn)給速度可達(dá)60m/min;采用直線(xiàn)電機(jī)則可使進(jìn)給速度達(dá)到120m/min。 http://www.qipashuoo.com/ribao/
( 2)高的加速度。對(duì)三維復(fù)雜曲面廓形的高速加工要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有良好的加速度特性,要求提供高速進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)器(快進(jìn)速度約40m/min,3D輪廓加工速度為10m/min),能夠提供0.4m/s2到10m/s2的加速度和減速度。
機(jī)床制造商大多采用全閉環(huán)位置伺服控制的小導(dǎo)程、大尺寸、高質(zhì)量的滾珠絲杠或大導(dǎo)程多頭絲杠。隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展,先進(jìn)的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)問(wèn)世,并成功應(yīng)用于CNC機(jī)床。先進(jìn)的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使CNC機(jī)床不再有質(zhì)量慣性、超前、滯后和振動(dòng)等問(wèn)題,加快了伺服響應(yīng)速度,提高了伺服控制精度和機(jī)床加工精度。
4. 數(shù)控系統(tǒng)
先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)是保證模具復(fù)雜曲面高速加工質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素,模具高速切削加工對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的基本要求為:
(1) 高速的數(shù)字控制回路(Digital control loop),包括:32位或64位并行處理器及1.5Gb以上的硬盤(pán);極短的直線(xiàn)電機(jī)采樣時(shí)間。
(2)速度和加速度的前饋控制(Feed forward control);數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的爬行控制(Jerk control)。
(3) 先進(jìn)的插補(bǔ)方法( 基于NURBS的樣條插補(bǔ)),以獲得良好的表面質(zhì)量、精確的尺寸和高的幾何精度。
(4)預(yù)處理(Look-ahead)功能。要求具有大容量緩沖寄存器,可預(yù)先閱讀和檢查多個(gè)程序段(如DMG機(jī)床可多達(dá)500個(gè)程序段, Simens系統(tǒng)可達(dá)1000~2000個(gè)程序段),以便在被加工表面形狀(曲率)發(fā)生變化時(shí)可及時(shí)采取改變進(jìn)給速度等措施以避免過(guò)切等。
(5)誤差補(bǔ)償功能,包括因直線(xiàn)電機(jī)、主軸等發(fā)熱導(dǎo)致的熱誤差補(bǔ)償、象限誤差補(bǔ)償、測(cè)量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償?shù)裙δ?。奇葩說(shuō)此外,模具高速切削加工對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度的要求也很高。
(6) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口, 如RS232串行口的傳輸速度為19.2kb,而許多先進(jìn)的加工中心均已采用以太局域網(wǎng)(Ethernet)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,速度可達(dá)200kb。
5. 冷卻潤(rùn)滑
高速加工采用帶涂層的硬質(zhì)合金刀具,在高速、高溫的情況下不用切削液,切削效率更高。這是因?yàn)?銑削主軸高速旋轉(zhuǎn),切削液若要達(dá)到切削區(qū),首先要克服極大的離心力;即使它克服了離心力進(jìn)入切削區(qū),也可能由于切削區(qū)的高溫而立即蒸發(fā),冷卻效果很小甚至沒(méi)有;同時(shí)切削液會(huì)使刀具刃部的溫度激烈變化,容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生,所以要采用油/氣冷卻潤(rùn)滑的干式切削方式。這種方式可以用高壓氣體迅速吹走切削區(qū)產(chǎn)生的切削,從而將大量的切削熱帶走,同時(shí)經(jīng)霧化的潤(rùn)滑油可以在刀具刃部和工件表面形成一層極薄的微觀保護(hù)膜,可有效地延長(zhǎng)刀具壽命并提高零件的表面質(zhì)量。
三、高速切削加工的刀柄和刀具
由于高速切削加工時(shí)離心力和振動(dòng)的影響,要求刀具具有很高的幾何精度和裝夾重復(fù)定位精度以及很高的剛度和高速動(dòng)平衡的安全可靠性。由于高速切削加工時(shí)較大的離心力和振動(dòng)等特點(diǎn),傳統(tǒng)的7:24錐度刀柄系統(tǒng)在進(jìn)行高速切削時(shí)表現(xiàn)出明顯的剛性不足、重復(fù)定位精度不高、軸向尺寸不穩(wěn)定等缺陷,主軸的膨脹引起刀具及夾緊機(jī)構(gòu)質(zhì)心的偏離,影響刀具的動(dòng)平衡能力。目前應(yīng)用較多的是HSK高速刀柄和國(guó)外現(xiàn)今流行的熱脹冷縮緊固式刀柄。熱脹冷縮緊固式刀柄有加熱系統(tǒng),刀柄一般都采用錐部與主軸端面同時(shí)接觸,其剛性較好,但是刀具可換性較差,一個(gè)刀柄只能安裝一種連接直徑的刀具。由于此類(lèi)加熱系統(tǒng)比較昂貴,在初期時(shí)采用HSK類(lèi)的刀柄系統(tǒng)即可。當(dāng)企業(yè)的高速機(jī)床數(shù)量超過(guò)3臺(tái)以上時(shí),采用熱脹冷縮緊固式刀柄比較合適。
刀具是高速切削加工中最活躍重要的因素之一,它直接影響著加工效率、制造成本和產(chǎn)品的加工精度。刀具在高速加工過(guò)程中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動(dòng)等載荷,高速切削刀具應(yīng)具有良好的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性,即具有良好的抗沖擊、耐磨損和抗熱疲勞的特性。高速切削加工的刀具技術(shù)發(fā)展速度很快,應(yīng)用較多的如金剛石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具、涂層硬質(zhì)合金、(碳)氮化鈦硬質(zhì)合金TIC(N)等。
在加工鑄鐵和合金鋼的切削刀具中,硬質(zhì)合金是最常用的刀具材料。硬質(zhì)合金刀具耐磨性好,但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。為提高硬度和表面光潔度,采用刀具涂層技術(shù),涂層材料為氮化鈦(TiN)、氮化鋁鈦(TiALN)等。涂層技術(shù)使涂層由單一涂層發(fā)展為多層、多種涂層材料的涂層,已成為提高高速切削能力的關(guān)鍵技術(shù)之一。直徑在10~40mm范圍內(nèi),且有碳氮化鈦涂層的硬質(zhì)合金刀片能夠加工洛氏硬度小于42的材料,而氮化鈦鋁涂層的刀具能夠加工洛氏硬度為42甚至更高的材料。高速切削鋼材時(shí),刀具材料應(yīng)選用熱硬性和疲勞強(qiáng)度高的P類(lèi)硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、立方氮化硼(CBN)與CBN復(fù)合刀具材料(WBN)等。切削鑄鐵,應(yīng)選用細(xì)晶粒的K類(lèi)硬質(zhì)合金進(jìn)行粗加工,選用復(fù)合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(PCNB)復(fù)合刀具進(jìn)行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時(shí),應(yīng)選用聚晶金剛石PCD或CVD金剛石涂層刀具。選擇切削參數(shù)時(shí),針對(duì)圓刀片和球頭銑刀,應(yīng)注意有效直徑的概念。高速銑削刀具應(yīng)按動(dòng)平衡設(shè)計(jì)制造。刀具的前角比常規(guī)刀具的前角要小,后角略大。主副切削刃連接處應(yīng)修圓或?qū)Ы?來(lái)增大刀尖角,防止刀尖處熱磨損。應(yīng)加大刀尖附近的切削刃長(zhǎng)度和刀具材料體積,提高刀具剛性。在保證安全和滿(mǎn)足加工要求的條件下,刀具懸伸盡可能短,刀體中央韌性要好。刀柄要比刀具直徑粗壯,連接柄呈倒錐狀,以增加其剛性。盡量在刀具及刀具系統(tǒng)中央留有冷卻液孔。球頭立銑刀要考慮有效切削長(zhǎng)度,刃口要盡量短,兩螺旋槽球頭立銑刀通常用于粗銑復(fù)雜曲面,四螺旋槽球頭立銑刀通常用于精銑復(fù)雜曲面。
四、模具高速加工工藝及策略
高速加工包括以去除余量為目的的粗加工、殘留粗加工,以及以獲取高質(zhì)量的加工表面及細(xì)微結(jié)構(gòu)為目的的半精加工、精加工和鏡面加工等。
1. 粗加工
模具粗加工的主要目標(biāo)是追求單位時(shí)間內(nèi)的材料去除率,并為半精加工準(zhǔn)備工件的幾何輪廓。高速加工中的粗加工所應(yīng)采取的工藝方案是高切削速度、高進(jìn)給率和小切削用量的組合。等高加工方式是眾多CAM軟件普遍采用的一種加工方式。應(yīng)用較多的是螺旋等高和等Z軸等高兩種方式,也就是在加工區(qū)域僅一次進(jìn)刀,在不抬刀的情況下生成連續(xù)光滑的刀具路徑,進(jìn)、退刀方式采用圓弧切入、切出。螺旋等高方式的特點(diǎn)是,沒(méi)有等高層之間的刀路移動(dòng),可避免頻繁抬刀、進(jìn)刀對(duì)零件表面質(zhì)量的影響及機(jī)械設(shè)備不必要的耗損。對(duì)陡峭和平坦區(qū)域分別處理,計(jì)算適合等高及適合使用類(lèi)似3D偏置的區(qū)域,并且可以使用螺旋方式,在很少抬刀的情況下生成優(yōu)化的刀具路徑,獲得更好的表面質(zhì)量。在高速加工中,一定要采取圓弧切入、切出連接方式,以及拐角處圓弧過(guò)渡,避免突然改變刀具進(jìn)給方向,禁止使用直接下刀的連接方式,避免將刀具埋入工件。加工模具型腔時(shí),應(yīng)避免刀具垂直插入工件,而應(yīng)采用傾斜下刀方式(常用傾斜角為20°~30°),最好采用螺旋式下刀以降低刀具載荷。加工模具型芯時(shí),應(yīng)盡量先從工件外部下刀然后水平切入工件。刀具切入、切出工件時(shí)應(yīng)盡可能采用傾斜式(或圓弧式)切入、切出,避免垂直切入、切出。采用攀爬式切削可降低切削熱,減小刀具受力和加工硬化程度,提高加工質(zhì)量。機(jī)械手真空吸盤(pán)批發(fā)哪里有?推薦伽達(dá)。
2. 半精加工
模具半精加工的主要目標(biāo)是使工件輪廓形狀平整,表面精加工余量均勻,這對(duì)于工具鋼模具尤為重要,因?yàn)樗鼘⒂绊懢庸r(shí)刀具切削層面積的變化及刀具載荷的變化,從而影響切削過(guò)程的穩(wěn)定性及精加工表面質(zhì)量。
粗加工是基于體積模型,精加工則是基于面模型。以前開(kāi)發(fā)的CAD/CAM系統(tǒng)對(duì)零件的幾何描述是不連續(xù)的,由于沒(méi)有描述粗加工后、精加工前加工模型的中間信息,故粗加工表面的剩余加工余量分布及最大剩余加工余量均是未知的。因此應(yīng)對(duì)半精加工策略進(jìn)行優(yōu)化以保證半精加工后工件表面具有均勻的剩余加工余量。優(yōu)化過(guò)程包括:粗加工后輪廓的計(jì)算、最大剩余加工余量的計(jì)算、最大允許加工余量的確定、對(duì)剩余加工余量大于最大允許加工余量的型面分區(qū)(如凹槽、拐角等過(guò)渡半徑小于粗加工刀具半徑的區(qū)域)以及半精加工時(shí)刀心軌跡的計(jì)算等。
現(xiàn)有的模具高速加工C A D /CAM軟件大都具備剩余加工余量分析功能,并能根據(jù)剩余加工余量的大小及分布情況采用合理的半精加工策略。如 MasterCAM軟件提供了束狀銑削(Pencil milling)和剩余銑削(Rest milling)等方法來(lái)清除粗加工后剩余加工余量較大的角落以保證后續(xù)工序均勻的加工余量。
3. 精加工
模具的高速精加工策略取決于刀具與工件的接觸點(diǎn),而刀具與工件的接觸點(diǎn)隨著加工表面的曲面斜率和刀具有效半徑的變化而變化。對(duì)于由多個(gè)曲面組合而成的復(fù)雜曲面加工,應(yīng)盡可能在一個(gè)工序中進(jìn)行連續(xù)加工,而不是對(duì)各個(gè)曲面分別進(jìn)行加工,以減少抬刀、下刀的次數(shù)。然而,由于加工中表面斜率的變化,如果只定義加工的側(cè)吃刀量(Step over),就可能造成在斜率不同的表面上實(shí)際步距不均勻,從而影響加工質(zhì)量。
一般情況下,精加工曲面的曲率半徑應(yīng)大于刀具半徑的1.5倍,以避免進(jìn)給方向的突然轉(zhuǎn)變。在模具的高速精加工中,在每次切入、切出工件時(shí),進(jìn)給方向的改變應(yīng)盡量采用圓弧或曲線(xiàn)轉(zhuǎn)接,避免采用直線(xiàn)轉(zhuǎn)接,以保持切削過(guò)程的平穩(wěn)性。
高速精加工策略包括三維偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。這些策略可保證切削過(guò)程光順、穩(wěn)定,確保能快速切除工件上的材料,得到高精度、光滑的切削表面。精加工的基本要求是要獲得很高的精度、光滑的零件表面質(zhì)量,輕松實(shí)現(xiàn)精細(xì)區(qū)域的加工,如小的圓角、溝槽等。對(duì)許多形狀來(lái)說(shuō),精加工最有效的策略是使用三維螺旋策略。使用這種策略可避免使用平行策略和偏置精加工策略中會(huì)出現(xiàn)的頻繁的方向改變,從而提高加工速度,減少刀具磨損。這個(gè)策略可以在很少抬刀的情況下生成連續(xù)光滑的刀具路徑。這種加工技術(shù)綜合了螺旋加工和等高加工策略的優(yōu)點(diǎn),刀具負(fù)荷更穩(wěn)定,提刀次數(shù)更少,可縮短加工時(shí)間,減小刀具損壞機(jī)率。它還可以改善加工表面質(zhì)量,最大限地減小精加工后手工打磨的需要。在許多場(chǎng)合需要將陡峭區(qū)域的等高精加工和平坦區(qū)域三維等距精加工方法結(jié)合起來(lái)使用。
數(shù)控編程也要考慮幾何設(shè)計(jì)和工藝安排,在使用CAM系統(tǒng)進(jìn)行高速加工數(shù)控編程時(shí),除刀具和加工參數(shù)根據(jù)具體情況選擇外,加工方法的選擇和采用的編程策略就成為了關(guān)鍵。一名出色的使用CAD/CAM工作站的編程工程師應(yīng)該同時(shí)也是一名合格的設(shè)計(jì)與工藝師,他應(yīng)對(duì)零件的幾何結(jié)構(gòu)有一個(gè)正確的理解,具備對(duì)于理想工序安排以及合理刀具軌跡設(shè)計(jì)的知識(shí)和概念。
五、高速切削數(shù)控編程
高速銑削加工對(duì)數(shù)控編程系統(tǒng)的要求越來(lái)越高,價(jià)格昂貴的高速加工設(shè)備對(duì)軟件提出了更高的安全性和有效性要求。高速切削有著比傳統(tǒng)切削特殊的工藝要求,除了要有高速切削機(jī)床和高速切削刀具外,具有合適的CAM編程軟件也是至關(guān)重要的。數(shù)控加工的數(shù)控指令包含了所有的工藝過(guò)程,一個(gè)優(yōu)秀的高速加工 CAM編程系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計(jì)算速度、較強(qiáng)的插補(bǔ)功能、全程自動(dòng)過(guò)切檢查及處理能力、自動(dòng)刀柄與夾具干涉檢查、進(jìn)給率優(yōu)化處理功能、待加工軌跡監(jiān)控功能、刀具軌跡編輯優(yōu)化功能和加工殘余分析功能等。高速切削編程首先要注意加工方法的安全性和有效性;其次,要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩(wěn),這會(huì)直接影響加工質(zhì)量和機(jī)床主軸等零件的壽命;最后,要盡量使刀具載荷均勻,這會(huì)直接影響刀具的壽命。
1. CAM系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計(jì)算編程速度
高速加工中采用非常小的進(jìn)給量與切深,其N(xiāo)C程序比對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控加工程序要大得多,因而要求軟件計(jì)算速度要快,以節(jié)省刀具軌跡編輯和優(yōu)化編程的時(shí)間。
2. 全程自動(dòng)防過(guò)切處理能力及自動(dòng)刀柄干涉檢查能力
高速加工以傳統(tǒng)加工近10倍的切削速度進(jìn)行加工,一旦發(fā)生過(guò)切對(duì)機(jī)床、產(chǎn)品和刀具將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果,所以要求其CAM系統(tǒng)必須具有全程自動(dòng)防過(guò)切處理的能力及自動(dòng)刀柄與夾具干涉檢查、繞避功能。系統(tǒng)能夠自動(dòng)提示最短夾持刀具長(zhǎng)度,并自動(dòng)進(jìn)行刀具干涉檢查。
3. 豐富的高速切削刀具軌跡策略
高速加工對(duì)加工工藝走刀方式比傳統(tǒng)方式有著特殊要求,為了能夠確保最大的切削效率,又保證在高速切削時(shí)加工的安全性,CAM系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)加工瞬時(shí)余量的大小自動(dòng)對(duì)進(jìn)給率進(jìn)行優(yōu)化處理,能自動(dòng)進(jìn)行刀具軌跡編輯優(yōu)化、加工殘余分析并對(duì)待加工軌跡監(jiān)控,以確保高速加工刀具受力狀態(tài)的平穩(wěn)性,提高刀具的使用壽命。
機(jī)械手治具配件廠(chǎng)家采用高速加工設(shè)備之后,對(duì)編程人員的需求量將會(huì)增加,因高速加工工藝要求嚴(yán)格,過(guò)切保護(hù)更加重要,故需花多的時(shí)間對(duì)NC指令進(jìn)行仿真檢驗(yàn)。一般情況下,高速加工編程時(shí)間比一般加工編程時(shí)間要長(zhǎng)得多。為了保證高速加工設(shè)備足夠的使用率,需配置更多的CAM人員。現(xiàn)有的CAM軟件,如 PowerMILL、MasterCAM、UnigraphicsNX、Cimatron等都提供了相關(guān)功能的高速銑削刀具軌跡策略。
六、結(jié)束語(yǔ)
高速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一,目前主要應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)和模具行業(yè),尤其是在加工復(fù)雜曲面的領(lǐng)域、工件本身或刀具系統(tǒng)剛性要求較高的加工領(lǐng)域等,是多種先進(jìn)加工技術(shù)的集成,其高效、高質(zhì)量為人們所推崇。它不僅涉及到高速加工工藝,而且還包括高速加工機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、高速切削刀具及 CAD/CAM技術(shù)等。模具高速加工技術(shù)目前已在發(fā)達(dá)國(guó)家的模具制造業(yè)中普遍應(yīng)用,而在我國(guó)的應(yīng)用范圍及應(yīng)用水平仍有待提高,由于其具有傳統(tǒng)加工無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),仍將是今后加工技術(shù)必然的發(fā)展方向。
在現(xiàn)代模具生產(chǎn)中,隨著對(duì)塑件的美觀度及功能要求得越來(lái)越高,塑件內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得越來(lái)越復(fù)雜,模具的外形設(shè)計(jì)也日趨復(fù)雜,自由曲面所占比例不斷增加,相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)也設(shè)計(jì)得越來(lái)越復(fù)雜。這些都對(duì)模具加工技術(shù)提出了更高要求,不僅應(yīng)保證高的制造精度和表面質(zhì)量,而且要追求加工表面的美觀。隨著對(duì)高速加工技術(shù)研究的不斷深入,尤其在加工機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、CAD/CAM軟件等相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展的推動(dòng)下,高速加工技術(shù)已越來(lái)越多地應(yīng)用于模具型腔的加工與制造中。
數(shù)控高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù),是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的切削加工,其切削速度、進(jìn)給速度有了很大的提高,而且切削機(jī)理也不相同。高速切削使切削加工發(fā)生了本質(zhì)性的飛躍,其單位功率的金屬切除率提高了30%~40%,切削力降低了30%,刀具的切削壽命提高了70%,留于工件的切削熱大幅度降低,低階切削振動(dòng)幾乎消失。隨著切削速度的提高,單位時(shí)間毛坯材料的去除率增加了,切削時(shí)間減少了,加工效率提高了,從而縮短了產(chǎn)品的制造周期,提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí),高速加工的小量快進(jìn)使切削力減少了,切屑的高速排出減少了工件的切削力和熱應(yīng)力變形,提高了剛性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低,轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率,而工件的表面粗糙度對(duì)低階頻率最為敏感,由此降低了表面粗糙度。在模具的高淬硬鋼件(HRC45~HRC65)的加工過(guò)程中,采用高速切削可以取代電加工和磨削拋光的工序,從而避免了電極的制造和費(fèi)時(shí)的電加工,大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量。對(duì)于一些市場(chǎng)上越來(lái)越需要的薄壁模具工件,高速銑削也可順利完成,而且在高速銑削 CNC加工中心上,模具一次裝夾可完成多工步加工。
高速加工技術(shù)對(duì)模具加工工藝產(chǎn)生了巨大影響,改變了傳統(tǒng)模具加工采用的“退火→銑削加工→熱處理→磨削”或“電火花加工→手工打磨、拋光”等復(fù)雜冗長(zhǎng)的工藝流程,甚至可用高速切削加工替代原來(lái)的全部工序。高速加工技術(shù)除可應(yīng)用于淬硬模具型腔的直接加工(尤其是半精加工和精加工)外,在EDM電極加工、快速樣件制造等方面也得到了廣泛應(yīng)用。大量生產(chǎn)實(shí)踐表明,應(yīng)用高速切削技術(shù)可節(jié)省模具后續(xù)加工中約80%的手工研磨時(shí)間,節(jié)約加工成本費(fèi)用近30%,模具表面加工精度可達(dá)1 m,刀具切削效率可提高1倍。
二、高速銑削加工機(jī)床
高速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一,它隨著CNC技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料和新結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而邁上更高的臺(tái)階。由于模具加工的特殊性以及高速加工技術(shù)的自身特點(diǎn),對(duì)模具高速加工的相關(guān)技術(shù)及工藝系統(tǒng)(加工機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、刀具等)提出了比傳統(tǒng)模具加工更高的要求。
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1. 高穩(wěn)定性的機(jī)床支撐部件
高速切削機(jī)床的床身等支撐部件應(yīng)具有很好的動(dòng)、靜剛度,熱剛度和最佳的阻尼特性。大部分機(jī)床都采用高質(zhì)量、高剛性和高抗張性的灰鑄鐵作為支撐部件材料,有的機(jī)床公司還在底座中添加高阻尼特性的聚合物混凝土,以增加其抗振性和熱穩(wěn)定性,這不但可保證機(jī)床精度穩(wěn)定,也可防止切削時(shí)刀具振顫。采用封閉式床身設(shè)計(jì),整體鑄造床身,對(duì)稱(chēng)床身結(jié)構(gòu)并配有密布的加強(qiáng)筋等也是提高機(jī)床穩(wěn)定性的重要措施。一些機(jī)床公司的研發(fā)部門(mén)在設(shè)計(jì)過(guò)程中,還采用模態(tài)分析和有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算等,優(yōu)化了結(jié)構(gòu),使機(jī)床支撐部件更加穩(wěn)定可靠。
2. 機(jī)床主軸
高速機(jī)床的主軸性能是實(shí)現(xiàn)高速切削加工的重要條件。高速切削機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速范圍為10000~100000m/min,主軸功率大于15kW。通過(guò)主軸壓縮空氣或冷卻系統(tǒng)控制刀柄和主軸間的軸向間隙不大于0.005mm。還要求主軸具有快速升速、在指定位置快速準(zhǔn)停的性能(即具有極高的角加減速度),因此高速主軸常采用液體靜壓軸承式、空氣靜壓軸承式、熱壓氮化硅(Si3N4)陶瓷軸承磁懸浮軸承式等結(jié)構(gòu)形式。潤(rùn)滑多采用油氣潤(rùn)滑、噴射潤(rùn)滑等技術(shù)。主軸冷卻一般采用主軸內(nèi)部水冷或氣冷。
3. 機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
為滿(mǎn)足模具高速加工的需要,高速加工機(jī)床的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有下列特性:
(1) 高的進(jìn)給速度。研究表明,對(duì)于小直徑刀具,提高轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給量有利于降低刀具磨損。目前常用的進(jìn)給速度范圍為20~30m/min,如采用大導(dǎo)程滾珠絲杠傳動(dòng),進(jìn)給速度可達(dá)60m/min;采用直線(xiàn)電機(jī)則可使進(jìn)給速度達(dá)到120m/min。 http://www.qipashuoo.com/ribao/
( 2)高的加速度。對(duì)三維復(fù)雜曲面廓形的高速加工要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有良好的加速度特性,要求提供高速進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)器(快進(jìn)速度約40m/min,3D輪廓加工速度為10m/min),能夠提供0.4m/s2到10m/s2的加速度和減速度。
機(jī)床制造商大多采用全閉環(huán)位置伺服控制的小導(dǎo)程、大尺寸、高質(zhì)量的滾珠絲杠或大導(dǎo)程多頭絲杠。隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展,先進(jìn)的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)問(wèn)世,并成功應(yīng)用于CNC機(jī)床。先進(jìn)的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使CNC機(jī)床不再有質(zhì)量慣性、超前、滯后和振動(dòng)等問(wèn)題,加快了伺服響應(yīng)速度,提高了伺服控制精度和機(jī)床加工精度。
4. 數(shù)控系統(tǒng)
先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)是保證模具復(fù)雜曲面高速加工質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素,模具高速切削加工對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的基本要求為:
(1) 高速的數(shù)字控制回路(Digital control loop),包括:32位或64位并行處理器及1.5Gb以上的硬盤(pán);極短的直線(xiàn)電機(jī)采樣時(shí)間。
(2)速度和加速度的前饋控制(Feed forward control);數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的爬行控制(Jerk control)。
(3) 先進(jìn)的插補(bǔ)方法( 基于NURBS的樣條插補(bǔ)),以獲得良好的表面質(zhì)量、精確的尺寸和高的幾何精度。
(4)預(yù)處理(Look-ahead)功能。要求具有大容量緩沖寄存器,可預(yù)先閱讀和檢查多個(gè)程序段(如DMG機(jī)床可多達(dá)500個(gè)程序段, Simens系統(tǒng)可達(dá)1000~2000個(gè)程序段),以便在被加工表面形狀(曲率)發(fā)生變化時(shí)可及時(shí)采取改變進(jìn)給速度等措施以避免過(guò)切等。
(5)誤差補(bǔ)償功能,包括因直線(xiàn)電機(jī)、主軸等發(fā)熱導(dǎo)致的熱誤差補(bǔ)償、象限誤差補(bǔ)償、測(cè)量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償?shù)裙δ?。奇葩說(shuō)此外,模具高速切削加工對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度的要求也很高。
(6) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口, 如RS232串行口的傳輸速度為19.2kb,而許多先進(jìn)的加工中心均已采用以太局域網(wǎng)(Ethernet)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,速度可達(dá)200kb。
5. 冷卻潤(rùn)滑
高速加工采用帶涂層的硬質(zhì)合金刀具,在高速、高溫的情況下不用切削液,切削效率更高。這是因?yàn)?銑削主軸高速旋轉(zhuǎn),切削液若要達(dá)到切削區(qū),首先要克服極大的離心力;即使它克服了離心力進(jìn)入切削區(qū),也可能由于切削區(qū)的高溫而立即蒸發(fā),冷卻效果很小甚至沒(méi)有;同時(shí)切削液會(huì)使刀具刃部的溫度激烈變化,容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生,所以要采用油/氣冷卻潤(rùn)滑的干式切削方式。這種方式可以用高壓氣體迅速吹走切削區(qū)產(chǎn)生的切削,從而將大量的切削熱帶走,同時(shí)經(jīng)霧化的潤(rùn)滑油可以在刀具刃部和工件表面形成一層極薄的微觀保護(hù)膜,可有效地延長(zhǎng)刀具壽命并提高零件的表面質(zhì)量。
三、高速切削加工的刀柄和刀具
由于高速切削加工時(shí)離心力和振動(dòng)的影響,要求刀具具有很高的幾何精度和裝夾重復(fù)定位精度以及很高的剛度和高速動(dòng)平衡的安全可靠性。由于高速切削加工時(shí)較大的離心力和振動(dòng)等特點(diǎn),傳統(tǒng)的7:24錐度刀柄系統(tǒng)在進(jìn)行高速切削時(shí)表現(xiàn)出明顯的剛性不足、重復(fù)定位精度不高、軸向尺寸不穩(wěn)定等缺陷,主軸的膨脹引起刀具及夾緊機(jī)構(gòu)質(zhì)心的偏離,影響刀具的動(dòng)平衡能力。目前應(yīng)用較多的是HSK高速刀柄和國(guó)外現(xiàn)今流行的熱脹冷縮緊固式刀柄。熱脹冷縮緊固式刀柄有加熱系統(tǒng),刀柄一般都采用錐部與主軸端面同時(shí)接觸,其剛性較好,但是刀具可換性較差,一個(gè)刀柄只能安裝一種連接直徑的刀具。由于此類(lèi)加熱系統(tǒng)比較昂貴,在初期時(shí)采用HSK類(lèi)的刀柄系統(tǒng)即可。當(dāng)企業(yè)的高速機(jī)床數(shù)量超過(guò)3臺(tái)以上時(shí),采用熱脹冷縮緊固式刀柄比較合適。
刀具是高速切削加工中最活躍重要的因素之一,它直接影響著加工效率、制造成本和產(chǎn)品的加工精度。刀具在高速加工過(guò)程中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動(dòng)等載荷,高速切削刀具應(yīng)具有良好的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性,即具有良好的抗沖擊、耐磨損和抗熱疲勞的特性。高速切削加工的刀具技術(shù)發(fā)展速度很快,應(yīng)用較多的如金剛石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具、涂層硬質(zhì)合金、(碳)氮化鈦硬質(zhì)合金TIC(N)等。
在加工鑄鐵和合金鋼的切削刀具中,硬質(zhì)合金是最常用的刀具材料。硬質(zhì)合金刀具耐磨性好,但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。為提高硬度和表面光潔度,采用刀具涂層技術(shù),涂層材料為氮化鈦(TiN)、氮化鋁鈦(TiALN)等。涂層技術(shù)使涂層由單一涂層發(fā)展為多層、多種涂層材料的涂層,已成為提高高速切削能力的關(guān)鍵技術(shù)之一。直徑在10~40mm范圍內(nèi),且有碳氮化鈦涂層的硬質(zhì)合金刀片能夠加工洛氏硬度小于42的材料,而氮化鈦鋁涂層的刀具能夠加工洛氏硬度為42甚至更高的材料。高速切削鋼材時(shí),刀具材料應(yīng)選用熱硬性和疲勞強(qiáng)度高的P類(lèi)硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、立方氮化硼(CBN)與CBN復(fù)合刀具材料(WBN)等。切削鑄鐵,應(yīng)選用細(xì)晶粒的K類(lèi)硬質(zhì)合金進(jìn)行粗加工,選用復(fù)合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(PCNB)復(fù)合刀具進(jìn)行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時(shí),應(yīng)選用聚晶金剛石PCD或CVD金剛石涂層刀具。選擇切削參數(shù)時(shí),針對(duì)圓刀片和球頭銑刀,應(yīng)注意有效直徑的概念。高速銑削刀具應(yīng)按動(dòng)平衡設(shè)計(jì)制造。刀具的前角比常規(guī)刀具的前角要小,后角略大。主副切削刃連接處應(yīng)修圓或?qū)Ы?來(lái)增大刀尖角,防止刀尖處熱磨損。應(yīng)加大刀尖附近的切削刃長(zhǎng)度和刀具材料體積,提高刀具剛性。在保證安全和滿(mǎn)足加工要求的條件下,刀具懸伸盡可能短,刀體中央韌性要好。刀柄要比刀具直徑粗壯,連接柄呈倒錐狀,以增加其剛性。盡量在刀具及刀具系統(tǒng)中央留有冷卻液孔。球頭立銑刀要考慮有效切削長(zhǎng)度,刃口要盡量短,兩螺旋槽球頭立銑刀通常用于粗銑復(fù)雜曲面,四螺旋槽球頭立銑刀通常用于精銑復(fù)雜曲面。
四、模具高速加工工藝及策略
高速加工包括以去除余量為目的的粗加工、殘留粗加工,以及以獲取高質(zhì)量的加工表面及細(xì)微結(jié)構(gòu)為目的的半精加工、精加工和鏡面加工等。
1. 粗加工
模具粗加工的主要目標(biāo)是追求單位時(shí)間內(nèi)的材料去除率,并為半精加工準(zhǔn)備工件的幾何輪廓。高速加工中的粗加工所應(yīng)采取的工藝方案是高切削速度、高進(jìn)給率和小切削用量的組合。等高加工方式是眾多CAM軟件普遍采用的一種加工方式。應(yīng)用較多的是螺旋等高和等Z軸等高兩種方式,也就是在加工區(qū)域僅一次進(jìn)刀,在不抬刀的情況下生成連續(xù)光滑的刀具路徑,進(jìn)、退刀方式采用圓弧切入、切出。螺旋等高方式的特點(diǎn)是,沒(méi)有等高層之間的刀路移動(dòng),可避免頻繁抬刀、進(jìn)刀對(duì)零件表面質(zhì)量的影響及機(jī)械設(shè)備不必要的耗損。對(duì)陡峭和平坦區(qū)域分別處理,計(jì)算適合等高及適合使用類(lèi)似3D偏置的區(qū)域,并且可以使用螺旋方式,在很少抬刀的情況下生成優(yōu)化的刀具路徑,獲得更好的表面質(zhì)量。在高速加工中,一定要采取圓弧切入、切出連接方式,以及拐角處圓弧過(guò)渡,避免突然改變刀具進(jìn)給方向,禁止使用直接下刀的連接方式,避免將刀具埋入工件。加工模具型腔時(shí),應(yīng)避免刀具垂直插入工件,而應(yīng)采用傾斜下刀方式(常用傾斜角為20°~30°),最好采用螺旋式下刀以降低刀具載荷。加工模具型芯時(shí),應(yīng)盡量先從工件外部下刀然后水平切入工件。刀具切入、切出工件時(shí)應(yīng)盡可能采用傾斜式(或圓弧式)切入、切出,避免垂直切入、切出。采用攀爬式切削可降低切削熱,減小刀具受力和加工硬化程度,提高加工質(zhì)量。機(jī)械手真空吸盤(pán)批發(fā)哪里有?推薦伽達(dá)。
2. 半精加工
模具半精加工的主要目標(biāo)是使工件輪廓形狀平整,表面精加工余量均勻,這對(duì)于工具鋼模具尤為重要,因?yàn)樗鼘⒂绊懢庸r(shí)刀具切削層面積的變化及刀具載荷的變化,從而影響切削過(guò)程的穩(wěn)定性及精加工表面質(zhì)量。
粗加工是基于體積模型,精加工則是基于面模型。以前開(kāi)發(fā)的CAD/CAM系統(tǒng)對(duì)零件的幾何描述是不連續(xù)的,由于沒(méi)有描述粗加工后、精加工前加工模型的中間信息,故粗加工表面的剩余加工余量分布及最大剩余加工余量均是未知的。因此應(yīng)對(duì)半精加工策略進(jìn)行優(yōu)化以保證半精加工后工件表面具有均勻的剩余加工余量。優(yōu)化過(guò)程包括:粗加工后輪廓的計(jì)算、最大剩余加工余量的計(jì)算、最大允許加工余量的確定、對(duì)剩余加工余量大于最大允許加工余量的型面分區(qū)(如凹槽、拐角等過(guò)渡半徑小于粗加工刀具半徑的區(qū)域)以及半精加工時(shí)刀心軌跡的計(jì)算等。
現(xiàn)有的模具高速加工C A D /CAM軟件大都具備剩余加工余量分析功能,并能根據(jù)剩余加工余量的大小及分布情況采用合理的半精加工策略。如 MasterCAM軟件提供了束狀銑削(Pencil milling)和剩余銑削(Rest milling)等方法來(lái)清除粗加工后剩余加工余量較大的角落以保證后續(xù)工序均勻的加工余量。
3. 精加工
模具的高速精加工策略取決于刀具與工件的接觸點(diǎn),而刀具與工件的接觸點(diǎn)隨著加工表面的曲面斜率和刀具有效半徑的變化而變化。對(duì)于由多個(gè)曲面組合而成的復(fù)雜曲面加工,應(yīng)盡可能在一個(gè)工序中進(jìn)行連續(xù)加工,而不是對(duì)各個(gè)曲面分別進(jìn)行加工,以減少抬刀、下刀的次數(shù)。然而,由于加工中表面斜率的變化,如果只定義加工的側(cè)吃刀量(Step over),就可能造成在斜率不同的表面上實(shí)際步距不均勻,從而影響加工質(zhì)量。
一般情況下,精加工曲面的曲率半徑應(yīng)大于刀具半徑的1.5倍,以避免進(jìn)給方向的突然轉(zhuǎn)變。在模具的高速精加工中,在每次切入、切出工件時(shí),進(jìn)給方向的改變應(yīng)盡量采用圓弧或曲線(xiàn)轉(zhuǎn)接,避免采用直線(xiàn)轉(zhuǎn)接,以保持切削過(guò)程的平穩(wěn)性。
高速精加工策略包括三維偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。這些策略可保證切削過(guò)程光順、穩(wěn)定,確保能快速切除工件上的材料,得到高精度、光滑的切削表面。精加工的基本要求是要獲得很高的精度、光滑的零件表面質(zhì)量,輕松實(shí)現(xiàn)精細(xì)區(qū)域的加工,如小的圓角、溝槽等。對(duì)許多形狀來(lái)說(shuō),精加工最有效的策略是使用三維螺旋策略。使用這種策略可避免使用平行策略和偏置精加工策略中會(huì)出現(xiàn)的頻繁的方向改變,從而提高加工速度,減少刀具磨損。這個(gè)策略可以在很少抬刀的情況下生成連續(xù)光滑的刀具路徑。這種加工技術(shù)綜合了螺旋加工和等高加工策略的優(yōu)點(diǎn),刀具負(fù)荷更穩(wěn)定,提刀次數(shù)更少,可縮短加工時(shí)間,減小刀具損壞機(jī)率。它還可以改善加工表面質(zhì)量,最大限地減小精加工后手工打磨的需要。在許多場(chǎng)合需要將陡峭區(qū)域的等高精加工和平坦區(qū)域三維等距精加工方法結(jié)合起來(lái)使用。
數(shù)控編程也要考慮幾何設(shè)計(jì)和工藝安排,在使用CAM系統(tǒng)進(jìn)行高速加工數(shù)控編程時(shí),除刀具和加工參數(shù)根據(jù)具體情況選擇外,加工方法的選擇和采用的編程策略就成為了關(guān)鍵。一名出色的使用CAD/CAM工作站的編程工程師應(yīng)該同時(shí)也是一名合格的設(shè)計(jì)與工藝師,他應(yīng)對(duì)零件的幾何結(jié)構(gòu)有一個(gè)正確的理解,具備對(duì)于理想工序安排以及合理刀具軌跡設(shè)計(jì)的知識(shí)和概念。
五、高速切削數(shù)控編程
高速銑削加工對(duì)數(shù)控編程系統(tǒng)的要求越來(lái)越高,價(jià)格昂貴的高速加工設(shè)備對(duì)軟件提出了更高的安全性和有效性要求。高速切削有著比傳統(tǒng)切削特殊的工藝要求,除了要有高速切削機(jī)床和高速切削刀具外,具有合適的CAM編程軟件也是至關(guān)重要的。數(shù)控加工的數(shù)控指令包含了所有的工藝過(guò)程,一個(gè)優(yōu)秀的高速加工 CAM編程系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計(jì)算速度、較強(qiáng)的插補(bǔ)功能、全程自動(dòng)過(guò)切檢查及處理能力、自動(dòng)刀柄與夾具干涉檢查、進(jìn)給率優(yōu)化處理功能、待加工軌跡監(jiān)控功能、刀具軌跡編輯優(yōu)化功能和加工殘余分析功能等。高速切削編程首先要注意加工方法的安全性和有效性;其次,要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩(wěn),這會(huì)直接影響加工質(zhì)量和機(jī)床主軸等零件的壽命;最后,要盡量使刀具載荷均勻,這會(huì)直接影響刀具的壽命。
1. CAM系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計(jì)算編程速度
高速加工中采用非常小的進(jìn)給量與切深,其N(xiāo)C程序比對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控加工程序要大得多,因而要求軟件計(jì)算速度要快,以節(jié)省刀具軌跡編輯和優(yōu)化編程的時(shí)間。
2. 全程自動(dòng)防過(guò)切處理能力及自動(dòng)刀柄干涉檢查能力
高速加工以傳統(tǒng)加工近10倍的切削速度進(jìn)行加工,一旦發(fā)生過(guò)切對(duì)機(jī)床、產(chǎn)品和刀具將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果,所以要求其CAM系統(tǒng)必須具有全程自動(dòng)防過(guò)切處理的能力及自動(dòng)刀柄與夾具干涉檢查、繞避功能。系統(tǒng)能夠自動(dòng)提示最短夾持刀具長(zhǎng)度,并自動(dòng)進(jìn)行刀具干涉檢查。
3. 豐富的高速切削刀具軌跡策略
高速加工對(duì)加工工藝走刀方式比傳統(tǒng)方式有著特殊要求,為了能夠確保最大的切削效率,又保證在高速切削時(shí)加工的安全性,CAM系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)加工瞬時(shí)余量的大小自動(dòng)對(duì)進(jìn)給率進(jìn)行優(yōu)化處理,能自動(dòng)進(jìn)行刀具軌跡編輯優(yōu)化、加工殘余分析并對(duì)待加工軌跡監(jiān)控,以確保高速加工刀具受力狀態(tài)的平穩(wěn)性,提高刀具的使用壽命。
機(jī)械手治具配件廠(chǎng)家采用高速加工設(shè)備之后,對(duì)編程人員的需求量將會(huì)增加,因高速加工工藝要求嚴(yán)格,過(guò)切保護(hù)更加重要,故需花多的時(shí)間對(duì)NC指令進(jìn)行仿真檢驗(yàn)。一般情況下,高速加工編程時(shí)間比一般加工編程時(shí)間要長(zhǎng)得多。為了保證高速加工設(shè)備足夠的使用率,需配置更多的CAM人員。現(xiàn)有的CAM軟件,如 PowerMILL、MasterCAM、UnigraphicsNX、Cimatron等都提供了相關(guān)功能的高速銑削刀具軌跡策略。
六、結(jié)束語(yǔ)
高速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一,目前主要應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)和模具行業(yè),尤其是在加工復(fù)雜曲面的領(lǐng)域、工件本身或刀具系統(tǒng)剛性要求較高的加工領(lǐng)域等,是多種先進(jìn)加工技術(shù)的集成,其高效、高質(zhì)量為人們所推崇。它不僅涉及到高速加工工藝,而且還包括高速加工機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、高速切削刀具及 CAD/CAM技術(shù)等。模具高速加工技術(shù)目前已在發(fā)達(dá)國(guó)家的模具制造業(yè)中普遍應(yīng)用,而在我國(guó)的應(yīng)用范圍及應(yīng)用水平仍有待提高,由于其具有傳統(tǒng)加工無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),仍將是今后加工技術(shù)必然的發(fā)展方向。
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