系統級智能化NX與高速加工

高速加工是零件加工的全新途徑,它集成多種技術,不僅僅是高速主軸和快速精密進給在機床上的簡單結合。為了應用高速加工技 術,加工廠必須把必不可少的新功能和必不可少的新技巧有機地結合起來。同時,也要改變工廠的運作方式和物質設施。就縮短產品的交付週期和降低成本而 言,HSM可以發揮作用並且很有價值。任何計劃實施HSM的工廠都應仔細考慮,重視生產現場內外可以加快生產週期的一切技術。

一、概述

高速加工的概念:高速加工(HSM或HSC)是二十世紀九十年代迅速走向實際應用的先進的加工技術。通常是指高的主軸轉速 (10,000-100,000r/min)、高的進給/快移速度(可達40m-180m/min)下的銑削加工。國際上廣泛應用於航空航天製造業、模具 製造業、汽車零部件加工、精密零件加工。具體作用:解決新材料的加工問題,適應表面質量高、精度高、形狀複雜的3D曲面加工,減少和避免費時、費錢的電火 花加工,解決薄壁零件的加工問題,高速復合加工還可以減少搬運次數、裝夾次數,避免重複定位帶來的加工誤差等。既提高了加工質量,又提高了加工效率。

由UGS公司出品的系統級智能化NX率先倡導高速加工的觀念, 是高速加工領域的先行者,早期高速加工機械廠商,均是搭配UGS NX的加工解決方案。

二、高速機床所具備的特性

1. 高穩定性的機床支撐部件

高速切削機床的床身等支撐部件應具有很好的動、靜剛度,熱剛度和最佳的阻尼特性。大部分機床都採用高質量、高剛性和高抗張性的灰鑄鐵作為支撐部件材料,有 的機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定性,這不但可保證機床精度穩定,也可防止切削時刀具振顫。採用封閉式床身設 計,整體鑄造床身,對稱床身結構並配有密佈的加強筋等也是提高機床穩定性的重要措施。一些機床公司的研發部門在設計過程中,還採用模態分析和有限元結構計 算等,優化了結構,使機床支撐部件更加穩定可靠。

2. 機床主軸

高速機床的主軸性能是實現高速切削加工的重要條件。高速切削機床主軸的轉速範圍為10000~100000m/min,主軸功率大於15kW。通過主軸壓 縮空氣或冷卻系統控制刀柄和主軸間的軸向間隙不大於0.005mm。還要求主軸具有快速升速、在指定位置快速准停的性能(即具有極高的角加減速度),因此 高速主軸常採用液體靜壓軸承式、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構形式。潤滑多採用油氣潤滑、噴射潤滑等技術。主軸冷 卻一般採用主軸內部水冷或氣冷。

3. 機床驅動系統

為滿足模具高速加工的需要,高速加工機床的驅動系統應具有下列特性:

(1) 高的進給速度。研究表明,對於小直徑刀具,提高轉速和每齒進給量有利於降低刀具磨損。目前常用的進給速度範圍為20~30m/min,如採用大導程滾珠絲槓傳動,進給速度可達60m/min;採用直線電機則可使進給速度達到120m/min。

(2) 高的加速度。對三維複雜曲面廓形的高速加工要求驅動系統具有良好的加速度特性,要求提供高速進給的驅動器(快進速度約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。

4. 數控系統

機床製造商大多採用全閉環位置伺服控制的小導程、大尺寸、高質量的滾珠絲槓或大導程多頭絲槓。隨著電機技術的發展,先進的直線電動機已經問世,並成功應用 於CNC機床。先進的直線電動機驅動使CNC機床不再有質量慣性、超前、滯後和振動等問題,加快了伺服響應速度,提高了伺服控制精度和機床加工精度。

(1) 高速的數字控制回路(Digital control loop),包括:32位或64位並行處理器及1.5Gb以上的硬盤;極短的直線電機採樣時間。

(2) 速度和加速度的前饋控制(Feed forward control);數字驅動系統的爬行控制(Jerk control)。

(3) 先進的插補方法( 基於NURBS的樣條插補),以獲得良好的表面質量、精確的尺寸和高的幾何精度。

(4) 預處理(Look-ahead)功能。要求具有大容量緩衝寄存器,可預先閱讀和檢查多個程序段(如DMG機床可多達500個程序段,Simens系統可達1000~2000個程序段),以便在被加工表面形狀(曲率)發生變化時可及時採取改變進給速度等措施以避免過切等。

(5) 誤差補償功能,包括因直線電機、主軸等發熱導致的熱誤差補償、象限誤差補償、測量系統誤差補償等功能。 此外,模具高速切削加工對數據傳輸速度的要求也很高。

(6) 傳統的數據接口, 如RS232串行口的傳輸速度為19.2kb,而許多先進的加工中心均已採用以太局域網(Ethernet)進行數據傳輸,速度可達200kb。

三、高速加工的技術優勢

高速銑削一般採用高的銑削速度,適當的進給量,小的徑向和軸向切削深度,即切削體積。由於在切削時大量的切削熱被切屑帶 走,工件表面溫度較低。而且隨著銑削速度的提高,切削力略有下降,表面質量提高,加工生產率也隨之提高。由於高速銑削的的上述特點,高速銑削工藝相對常規 加工具有很多優點:
* 提高生產率
* 改善工件的加工精度和表面質量
* 實現整體結構零件的加工
* 有利於使用較小的刀具加工
* 有利於加工薄壁零件和高強度、高硬度脆性材料

薄壁件加工實例

由於上述優點,綜合效率提高、質量提高、工序簡化,儘管機床投資和刀具投資以及維護費用增加,但高速銑削工藝的綜合效益仍有顯著提高。
四、高速加工編程時主要關心的問題
高速銑削是一項複雜的系統工程技術,是機床、刀具、刀柄結構、加工工藝技術、控制系統、CAD/CAM軟件等多種因素綜合 作用的結果。與傳統加工工藝技術相比,對其中的每一項指標都有較高要求。除了機床、刀具等硬件滿足高速加工的前提和基礎,高速加工對數控編程也提出了與普 通加工更高的要求。本篇重點闡述UGS NX軟件在高速加工中的應用及技巧。

使用CAM系統進行數控編程時,刀具選擇、切削用量以及選擇合適的加工參數可以根據具體情況設置外,加工方法的選擇就成為高速加工數控編程的關鍵。如何選擇合適的加工方法來較為合理、有效地進行高速加工的數控編程,需要考慮的問題主要與以下幾個方面相關:
1、由於高速加工中心具有前視或預覽功能,在刀具需要進行急速轉彎時,加工中心會提前進行預減速,在完成轉彎後再提高 運動速度。機床的這一功能主要是為了避免慣性衝擊過大,從而導致慣性過切或損壞機床主軸而設置的。有些高速加工中心儘管沒有這一功能也能較好地承受慣性衝 擊,但該情況對於機床的主軸也是不利的,會影響主軸等零件的壽命。在使用CAM進行數控編程時,要盡一切可能保證刀具運動軌跡的光滑與平穩。

2、由於高速加工中,刀具的運動速度很高,而高速加工中採用的刀具通常又很小,這就要求在加工過程中保持固定的刀具載荷,避免刀具過載。因為刀具載荷的均勻與否會直接影響刀具的壽命、對機床主軸等也有直接影響,在刀具載荷過大的情況下還會導致斷刀。

3、採用更加安全和有效的加工方法與迅速進行安全檢查校驗與分析,刀柄、夾頭干涉檢查,保證刀路軌跡的安全

五、使用NX為高速加工採用的編程策略

1、採用光滑的進、退刀方式

在NX系統中,有多種多樣的進、退刀方式,如在走輪廓時,有輪廓的法向進、 退刀,輪廓的切向進、退刀和相鄰輪廓的角分線進、退刀等。針對高速加工時應儘量採用輪廓的切向進、退刀方式以保證刀路軌跡的平滑。在對曲面進行加工時,刀 具可以是Z向垂直進、退刀,曲面法向的進、退刀,曲面正向與反向的進、退刀和斜向或螺旋式進、退刀等。在實際加工中,用戶可以採用曲面的切向進刀或更好的 螺旋式進刀。而且螺旋式進刀切入材料時,如果加工區域是上大下小,螺旋半徑會隨之減小以進刀到指定深度,有些CAM系統具有基於知識的加工,在檢查刀具信 息後發現刀具具有盲區時,螺旋加工半徑不會無限制減小,以避免撞刀(參見圖示)。這些對程序的安全性提供了周全的保障。

2、採用光滑的移刀方式

這裡所說的移刀方式主要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。普通CAM軟件中的移刀大多不適合高速加工的要求。如在行切移刀時,刀具多是直接垂直於原來行切方向的法向移刀,致使刀具路徑中存在尖 角;在環切的情況下,環間移刀也是從原來軌跡的法向直接移刀,也致使刀路軌跡存在不平滑情況;在等高線加工中的層間移刀時,也存在移刀尖角。這些會導致加 工中心頻繁的預覽減速影響了加工的效率甚至使高速加工不成為高速加工。

高速加工中,採用的切削用量都很小(側向切削用量和深度切削用量很小),移刀運動量也會急劇增加。因此必須要求CAM產生的刀路軌跡中的移刀平滑。在支持高速加工的UG系統軟件中,則提供了非常豐富的移刀策略。

為高速加工提供豐富的走刀路徑

(1)光滑移刀
a. 行切的移刀直接採用切圓弧連接。該種方法在行切切削用量(行間距)較大的情況下處理得很好,在行切切削用量(行間距)較小的情況下會由於圓弧半徑過小而導致圓弧接近一點,即近似為行間的直接直線移刀,從而也導致機床預覽減速,影響加工的效率,對加工中心也不利。

b.行切的移刀採用內側或外側圓弧過渡移刀。該種方法在一定程度上會解決在前面採用切圓弧移刀的不足。但是在使用非常小的 刀子(0.6mm直徑的球頭刀)進行精加工時,由於刀路軌跡間距非常的小(側向切削用量為0.2mm),使得該方法也不夠理想。這時用戶可以考慮採用下面 更為高級的移刀方式

(2)環切的光滑移刀

環切的移刀採用環間的圓弧切出與切入連接。這種方法的弊端是在加工3D複雜零件時,由於移刀軌跡直接在兩個刀路軌跡之間進行生成圓弧,在間距較大的情況下,會產生過切。因此該方法一般多用於2 .5軸的加工,在加工中所有的加工都在一個平面內。

(3)層間的空間螺旋移刀,在進行等高加工時,用戶要採用螺旋式等高線間的移刀。

層間的空間螺旋移刀

3、 應採用光滑的轉彎走刀

採用光滑的轉彎走刀與進行光滑的移刀一樣,對保證高速加工的平穩與效率同樣重要。
(1)圓角走刀;該種走刀方式並不是什麼新的走拐角方式,一般CAM系統都有提供。該方式較適合高速加工,用戶應予以採用。

(2)圓環走刀;該種方法是較為高級的走拐角方式,就像駕駛高速跑車在高速公路上跑時,要想在不損失速率的情況下轉彎和保證轉彎更平穩,沿著立交環島來轉彎一樣。這種方法在走銳角彎路時效果特別明顯。

4、應採用更適合高速加工的加工方法。

UG先進的CAM系統提供了許多更適合高速加工的加工方法。如在輪廓加工中,用戶 可以使用螺旋式三軸連動的加工方法。使用該種方法進行輪廓加工時,刀具一 邊沿輪廓切削,一邊在縱向進刀,這保證了刀具載荷的穩定,刀路軌跡也自然平滑。採用擺線式加工:擺線試加工是利用刀具沿一滾動圓的運動來逐次對零件表面進 行高速與小切量的切削。採用該種方法可以有效地進行零件上窄槽和輪廓的高速小切量切削,對刀具具有很好的保護作用。在進行零件的精加工時,在加工中心支持 Nurbs代碼的情況下,應採用Nurbs編程。這樣產生的刀路軌跡的數據量不僅少,而且刀具運動也更光滑平穩高效。

5、利用CAM內在的優秀功能

在UG在CAM模塊中有很多高級的加工能力,充分利用和挖掘這些能力加工極大地改善加工的效果。

粗切時使用具有層間二次粗加工優化的功能。在等高線粗切中,由於零件上存在斜面,在斜面上會留有台階,導致殘留余量不盡均勻。這樣對後續的加工不利,如刀 具載荷不均勻。儘管系統具有載荷的分析與優化,但畢竟將影響加工的效率和質量。因此在進行粗切時,用戶應選擇具有優秀的層間二次粗加工功能,在粗切時就得 到了余量均勻的結果,為後續加工提供更有利的條件,也提高了加工的效率。

在最後階段對零件進行清根時,利用具有斜率分析的清根算法,對陡峭拐角和平坦拐角區別對待,即對陡峭拐角的清根使用等高線一層一層清根,對平坦區域採用沿輪廓清根,可以更好地保護刀具,獲得更好的表面質量。

在等高線精加工時,應使用螺旋式改變進刀位置的方式,以避免在固定位置留有進刀痕跡,保證加工結果的整體優良。

在編程過程中,應利用有效的刀柄干涉檢查的功能,確保刀具的安全性。要選擇具有毛坯殘留知識加工的系統。這種系統的干涉檢查更為合理,因為系統是把刀具信息與上次加工的殘留毛坯進行校驗。

六、結語

高速機床是實現高速加工的前提和基礎。10000~20000r/min越來越普及,100000~200000r /min的高速主軸正在研製開發中,高速和高加(減)速的切削進給機構(進給/快移速度可達40~180m/min,加速度現多為1g~2g)、高速 CNC控制系統(加減預差補,前饋控制,精確矢量補償,最佳拐角減速等)、高速切削機床的安全防護與實時監控系統。隨著高速銑削技術的不斷普及,越來越多 的企業已經在生產實踐中開始應用該技術,而高速銑削加工是一項綜合技術的應用,編程是其中的一項關鍵性工作,也是一項創造性的工作。理想的產品來自於技術 與經驗的有效結合和在實踐中的不斷探索。對於開始採用高速加工技術的企業來說,要有一個適應、探索、總結和提高的過程。


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