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2016-09-01 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
模具CAD/CAE/CAM是改造傳統(tǒng)模具生產(chǎn)方式的關鍵技術,是一項高科技、高效益的系統(tǒng)工程。它以計算機軟件的形式,為企業(yè)提供一種有效的輔助工具,使工程技術人員借助于計算機對產(chǎn)品性能、模具結構、成形工藝、數(shù)控加工及生產(chǎn)管理進行設計和優(yōu)化。模具CAD/CAE/CAM技術能顯著縮短模具設計與制造周期、降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質量已成為模具界的共識。與任何新生事物一樣,模具CAD/CAE/CAM在近二十年中經(jīng)歷了從簡單到復雜,從試點到普及的過程。進入本世紀以來,模具 CAD/CAE/CAM技術發(fā)展速度更快、應用范圍更廣,為了使廣大模具工作者能進一步加深對該技術的認識,更好發(fā)揮模具CAD/CAE/CAM的作用,本文針對模具中應用最廣泛、最具有代表性的鑄造模、鍛模、級進模、汽車覆蓋件模和塑料注射模CAD/CAE/CAM的發(fā)展狀況和趨勢作概括性的介紹和分析。
鑄造模CAD/CAE/CAM的發(fā)展概況
鑄造成形過程模擬的探索性工作始于求解鑄件的溫度場分布。 1962年丹麥的Fursund用有限差分法首次對二維形狀的鑄件進行了凝固過程的傳熱計算,1965年美國通用汽車公司Henzel等對汽輪機鑄件成功進行了溫度場模擬,從此鑄件在模具型腔內的傳熱過程數(shù)值分析技術在全世界范圍內迅速開展。從上世紀70年代到80年代,美國、英國、法國、日本、丹麥等相繼在鑄件凝固模擬研究和應用上取得了顯著成果,并陸續(xù)推出一批商品化模擬軟件。進入 90年代后,我國的高等院校,如清華大學和華中科技大學在該領域也取得了矚目的成就。
單純的傳熱過程模擬并不能準確計算出鑄件的溫度變化和預測鑄造中可能產(chǎn)生的缺陷,充模過程對鑄件初始溫度場分布的影響以及凝固過程中液態(tài)金屬的流動對鑄件缺陷形成的影響都是不可忽視的。鑄件充模過程的模擬技術始于上世紀80年代,它以計算流體力學的理論和方法為基礎,經(jīng)歷十余載,從二維簡單形狀開始,逐步深化和擴展,現(xiàn)已成功實現(xiàn)了三維復雜形狀鑄件的充模過程模擬,并能將流動和傳熱過程相耦合。目前國外已有一批商品化的三維鑄造過程模擬軟件,如日本的SOLIDIA、英國的SOLSTAR、法國的SIMULOR、瑞典的NOVACAST、德國的MAGMA和美國的 AFSOLID、PROCAST 等。國內也有清華大學的鑄造之星、華中科技大學的華鑄CAE等。這些鑄造模CAE軟件已覆蓋鑄鋼、鑄鐵、鑄鋁和鑄銅等各類鑄件,大到數(shù)百噸,小至幾千克,無論是在消除縮孔和縮松,還是在優(yōu)化澆冒口設計,改進浮渣夾渣等方面都發(fā)揮了顯著的作用。
伴隨著 CAE技術在鑄造領域的成功應用,鑄造工藝及模具結構CAD的研究和應用也在不斷深入,國外已陸續(xù)推出了一些應用軟件,如美國鑄造協(xié)會的 AFS- SOFTWARE,可用于鑄鋼和鑄鐵件的澆冒口設計,英國FOSECO公司的FEEDERCALK軟件,可以計算鑄鋼件的澆冒口尺寸和選擇保溫冒口套的類型。我國華中科技大學和清華大學在鑄造工藝及模具結構CAD方面也做了許多工作,如清華大學開發(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。前一部分對掃描輸入的圖形進行消藍去污和矢量化,后一部分用來建立參數(shù)化圖形、計算鑄件的加工余量、繪制工藝卡等。 THFSCAD是在二維圖形學的基礎上開發(fā)的,采用了AUTOCAD軟件為開發(fā)平臺。隨著CAD技術的快速進步,三維CAD系統(tǒng)在鑄造生產(chǎn)領域會逐步取代二維CAD系統(tǒng)而成為主流設計系統(tǒng)。
鍛模CAD/CAE/CAM的發(fā)展概況
自上世紀70年代以來,國內外許多學術機構和公司對鍛模CAD/CAE/CAM技術進行了廣泛的研究,在鍛造工藝過程設計、鍛模結構設計和金屬流動模擬等方面均取得了顯著的成績。
軸對稱鍛件約占鍛件總數(shù)的30%左右,加上軸對稱鍛件幾何形狀簡單,易于描述和定義,所以開發(fā)鍛模CAD/ CAM系統(tǒng)時國內外大多數(shù)機構和人都是從軸對稱鍛模入手。軸對稱鍛模CAD/ CAM系統(tǒng)的主要組成部分包括鍛件設計、模鍛工藝設計、鍛模結構設計和NC編程。鍛件設計指的是設計冷鍛件圖和熱鍛件圖,包括選擇分模面、補充機加工余量、添加圓角和拔模斜度等。模鍛工藝設計決定是否采用預成形工序、怎樣采用預成形工序以及如何選擇鍛壓設備的噸位。
另一類廣泛應用的鍛件是長軸類鍛件,其成形工序設計和模具結構設計遠比軸對稱鍛模復雜,因此開發(fā)長軸類鍛模的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軟件上二次開發(fā)的長軸類鍛模的CAD/CAM系統(tǒng)僅限于特定產(chǎn)品和特定場合的應用,鍛模CAD/ CAM系統(tǒng)的發(fā)展方向是成組技術和模具標準化技術的進一步貫徹執(zhí)行以及CAE技術和人工智能技術的深入應用。
在CAE 技術方面,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,多年來已取得不少階段性的成果。1973年Lee和 Kobayashi以矩陣分析法導出了剛塑性有限元的Lagrange算法,成功分析了鍛造成形過程。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 80年代初,Oh和Altan用大型剛塑性有限元分析軟件ALPID對各類塑性變形問題進行了深入研究。90年代以后,國外一些商品化的專業(yè)有限元分析軟件,如法國的FORGE2、美國的DEFORM、ABAQUS、MSC/AutoForge等,都已成功地應用于鍛造領域。這些軟件不僅可以預測鍛件成形的全過程,而且可以定量地給出與變形有關的各種物理量,如位移、速度、應力、應變和載荷等,為獲得最優(yōu)的模具設計、最合理的工藝方案和最少的試模時間提供了技術保證。
級進模CAD/CAE/CAM的發(fā)展概況
國外級進模CAD/CAE/CAM的研究始于上世紀60年代末,70年代便有初步應用,但僅限于二維圖形的簡單沖裁級進模,其主要功能如條料排樣、凹模布置、工藝計算和NC編程等。彎曲級進模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進模系統(tǒng)等。為了能夠適應復雜模具的設計,富士通系統(tǒng)采用了自動設計和交互設計相結合的方法,在該系統(tǒng)中除毛坯展開、彎曲回彈計算和工步排序為自動處理外,其余均需要設計人員的參與。
應用三維幾何造型技術的級進模系統(tǒng)始于80年代末,如美國Auto-trol公司的Die-Design系統(tǒng),該系統(tǒng)采用三維幾何模型來描述鈑金零件,并將三維圖形技術應用于模具結構設計,顯示出三維圖形軟件在模具設計中的重要作用。
進入90年代,國際著名商品化三維CAD/CAM系統(tǒng),如美國的Pro/E、UG-II、 CADD5、Solidworks、MDT等均陸續(xù)在模具界得到應用。美國PTC公司基于Pro/E系統(tǒng)開發(fā)了鈑金零件造型模塊Pro/Sheet Metal。UG Solution公司在UG-II的基礎上開發(fā)了同類型的模塊UG/Sheet Metal。以上兩個系統(tǒng)都缺乏面向級進成形工藝及模具結構設計的專用模塊,但這方面的工作進展很快,有的已經(jīng)初見成效。
如美國Computer Design公司開發(fā)的級進模軟件Striker Systems是銷售量較大的商業(yè)化CAD/CAM系統(tǒng),包括鈑金零件造型(SS-DESIGN)、毛坯展開(SS-UNFOLD)、毛坯排樣(SS- STRIP DESIGN),模具設計(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,雖已具有某些自動化設計的功能,但其設計過程仍以交互操作為主,目前只適用于彎曲沖裁級進模的設計。
本世紀之初,美國UGS公司與我國華中科技大學合作在UG-II (現(xiàn)為NX)軟件平臺上開發(fā)出基于三維幾何模型的級進模CAD/CAM軟件NX- PDW。該軟件包括工程初始化、工藝預定義、毛坯展開、毛坯排樣、廢料設計、條料排樣、壓力計算和模具結構設計等模塊。具有特徵識別與重構、全三維結構關聯(lián)等顯著特色,已在2003年作為商品化產(chǎn)品投入巿場。我國從上世紀90 年代開始,華中科技大學、上海交通大學、西安交通大學和北京機電研究院等相繼開展了級進模CAD/CAM系統(tǒng)的研究和開發(fā)。如華中科技大學模具技術國家重點實驗室在AutoCAD軟件平臺上開發(fā)出基于特徵的級進模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計、模具結構設計、標準件及典型結構建庫工具和線切割自動編程五個模塊。上海交通大學為瑞士法因托(Finetool)精沖公司開發(fā)成功精密沖裁級進模CAD/CAM系統(tǒng)。西安交通大學開發(fā)出多工位彎曲級進模CAD系統(tǒng)等。近年來,國內一些軟件公司也競相加入了級進模CAD/CAM系統(tǒng)的開發(fā)行列,如深圳雅明軟件制作室開發(fā)的級進模系統(tǒng)CmCAD、富士康公司開發(fā)的用于單沖模與復合模的CAD系統(tǒng) Fox-cad等。
汽車覆蓋件模CAD/CAE/CAM的發(fā)展概況
國際上最早開展汽車覆蓋件模CAD/CAM系統(tǒng)研究與開發(fā)的是各個大汽車制造公司。早在1965年日本豐田汽車公司已將數(shù)控技術用于汽車覆蓋件的模具加工,取得了很好的經(jīng)濟效果。上世紀80年代豐田汽車公司所采用的汽車覆蓋件CAD/CAM系統(tǒng)包括了NTDFB和CADETT兩個設計軟件及加工凸、凹模的 TINCA軟件,可完成車身外形設計、車身結構設計、沖模CAD、主模型與沖模加工和夾具加工等任務。據(jù)報道,該系統(tǒng)投入使用后可使豐田公司的汽車覆蓋件成形模設計與制造時間減少50%,本世紀之初豐田汽車公司又采用了美國PDC公司基于Pro/E軟件平臺開發(fā)的面向拉延模設計的專業(yè)化軟件 Pro/Dieface。
美國通用汽車公司依托美國UGS公司在UG-II軟件平臺上也開發(fā)了用于汽車覆蓋件模具設計的專用模塊,如鈑金件設計、車身設計、復蓋件沖壓工藝設計(包括沖壓方向選擇、工藝余量補充、壓邊面形狀設計和修邊線確定)和模具結構設計等,目前該系統(tǒng)正處于試運行階段。與此同時,美國福特汽車公司、英國 PSF公司、日本獲原鐵工所、富士鐵工所等國外生產(chǎn)汽車覆蓋件模具的公司也開發(fā)了各自公司專用的汽車覆蓋件模 CAD/CAM系統(tǒng)。目前這些系統(tǒng)尚不對外出售。
國內如湖南大學、吉林大學和華中科技大學等單位近幾年來對汽車覆蓋件模CAD/CAE/CAM技術進行了系統(tǒng)而深入的研究,取得了許多可喜的成果。
如湖南大學以先進沖壓CAE技術為突破口,開發(fā)出一套包括沖壓工藝設計和汽車覆蓋件模具設計和制造的系列化軟件。其沖壓仿真CAE自動建模系統(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,對于汽車覆蓋件成形,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采用先進的理論和算法,在保證沖壓件大變形計算精度的前提下顯著地提高了分析速度。沖壓工藝分析與設計系統(tǒng) CADEM-III采用殼體失穩(wěn)理論預測覆蓋件成形中的起皺趨勢,采用基于仿真的毛坯反算技術,實現(xiàn)了復雜零件的毛坯形狀和尺寸的迭代反求。
又如華中科技大學模具技術國家重點實驗室最新推出的汽車覆蓋件沖壓成形快速分析軟件FASTAMP,基于改進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)品設計、材料選擇和工藝設計緊密聯(lián)系起來,能夠快速模擬汽車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充面的合理性、提供最優(yōu)的毛坯形狀,從而可以為汽車覆蓋件工藝設計和模具設計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是伴隨著通用機械CAD/CAM技術發(fā)展而不斷深化的。從上世紀60年代基于線框模型的CAD系統(tǒng)開始, 到70年代以曲面造型為核心的CAD/CAM系統(tǒng),80年代實體造型技術的成功應用,90年代基于特徵的參數(shù)化實體/曲面造型技術的完善,為塑料注射模采用 CAD/CAE/CAM技術提供了可靠的保證。目前在國內外巿場已涌現(xiàn)出一批成功應用于塑料注射模的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)。
現(xiàn)在國外一些著名的商品化三維造型軟件都帶有獨立的注射模設計模塊,如美國PTC公司的Pro/E、UGS公司的UG-II、SDRC公司的I- DEAS系統(tǒng)。這三個CAD/CAM系統(tǒng)目前在塑料模具工業(yè)中的應用最為廣泛。此外還有美國CV公司的CADDS系統(tǒng)、法國MATRA公司的 EUCLID 系統(tǒng)、法國 DASSAULT公司的CATIA系統(tǒng)、英國DELCAM公司的DUCT系統(tǒng)、日本造船信息系統(tǒng)株式會社的Space-E系統(tǒng)和日本UNISYS株式會社的CADCEUS系統(tǒng)等都各具特色,擁有各自的用戶群。
塑料注射模CAE技術的發(fā)展也十分迅速,從上世紀60年代的一維流動和冷卻分析到70年代的二維流動和冷卻分析再到90年代的準三維流動和冷卻分析,其應用范圍已擴展到保壓分析、纖維分子取向和翹曲預測等領域并且成效卓著。
塑料注射成型CAE商品化軟件中應用最廣泛的當數(shù)美國Moldflow公司的模擬軟件MF,該軟件主要包括流動模擬(MF/FLOW)、冷卻分析(MF/COOL)、翹曲分析(MF/WARP)、氣輔分析(MF/GAS)和應力分析(MF/STRESS)等。該公司于1998年推出準三維的雙面流軟件(Part Adviser),2002年推出真三維的實體流軟件模塊,目前該公司在世界上擁有較大的用戶群。
近十余年來,我國對塑料注射成型CAE技術也開展了系統(tǒng)而深入的研究。華中科技大學、上海交通大學、鄭州大學和南昌大學等都相繼取得了可喜的成果。如華中科技大學模具技術國家重點實驗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,從實用化到商品化,從局部試點到大面積推廣應用的進程,已成為塑料制品設計、模具結構優(yōu)化和工程師培訓的有力工具,HSCAE仿真系統(tǒng)目前已在國內80多家工廠和學校推廣應用。
模具CAD/CAE/CAM的發(fā)展趨勢
本世紀的科學技術正處于日新月異的變革之中,通過與計算機技術的緊密結合,人工智能技術、并行工程、面向裝配、參數(shù)化特徵建模以及關聯(lián)設計等一系列與模具工業(yè)相關的技術發(fā)展之快、學科領域交叉之廣前所未見。今后十年新一代模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)必然是當今最好的設計理念、最新的成形理論和最高水平的制造方法相結合的產(chǎn)物,其特點將反映在專業(yè)化、網(wǎng)絡化、集成化和智能化四個方面。
隨著模具工業(yè)的快速發(fā)展,近幾年來世界各國的軟件開發(fā)商投入了巨大的人力和物力,針對各類模具的特點,將通用的CAD/CAM系統(tǒng)改造為模具行業(yè)專用的系統(tǒng),取得了較大成效。已投入使用的有美國UGS公司的級進模設計系統(tǒng)NX -PDW、塑料注射模設計系統(tǒng)Mold Wizard、以色列 Cimatron公司的模具設計和制造系統(tǒng)Quick、英國DELCAM公司的塑料模設計和制造系統(tǒng)PS-Moldmaker、法國 Misslel software公司的注射模專用軟件Top Mold和級進模專用軟件 Top Progress、日本UNISYS株式會社的塑料模設計和制造系統(tǒng)CADCEUS等。這些軟件的技術特點是能在統(tǒng)一的系統(tǒng)環(huán)境下,使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫,完成特定模具的設計。NX-PDW初步實現(xiàn)了模具零件的結構關聯(lián), CADCEUS的特色在于三維設計與二維視圖的聯(lián)動,PS-Moldmaker 做到了加工信息的自動封裝,這些特點使得專業(yè)軟件更加宜人化。
目前,國外一些軟件開發(fā)商已能按實際生產(chǎn)過程中的功能劃分產(chǎn)品系列,在網(wǎng)絡系統(tǒng)下實現(xiàn)CAD/CAE/CAM的一體化,解決傳統(tǒng)混合型 CAD/CAM系統(tǒng)無法滿足實際生產(chǎn)過程分工協(xié)作的要求。例如英國DELCAM公司在原有軟件DUCT5的基礎上,為適應最新軟件發(fā)展及工業(yè)生產(chǎn)實際推出了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)設計、工程制圖、仿真分析、快速原型、數(shù)據(jù)編程、測量分析等各個領域。系統(tǒng)的每個功能模塊既可獨立運行,又可通過數(shù)據(jù)接口與其它系統(tǒng)相兼容,并能按使用要求進行組合,以便形成專業(yè)化的 CAD/CAE/CAM系統(tǒng),做到開放性、兼容性和專業(yè)化的統(tǒng)一?？梢灶A計,模具 CAD/CAE/CAM系統(tǒng)在今后幾年內將會逐步發(fā)展為支持從設計、分析、管理到加工全過程的產(chǎn)品信息管理的集成化系統(tǒng)。
現(xiàn)階段,模具設計和制造在很大程度上仍然依靠著模具工作者的經(jīng)驗,僅憑計算機的數(shù)值計算功能去完成諸如模具設計方案的選擇、工藝參數(shù)與模具結構的優(yōu)化、成型缺陷的診斷以及模具成形性能的評價是不現(xiàn)實的。新一代模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)正在利用KBE(基于知識的工程)技術進行脫胎換骨的改造。如UG-II中所提供的人工智能模塊KF(Knowledge Fusion)。利用KF可將設計知識融入系統(tǒng)之中,以便進行圖形識別與推理。
數(shù)值計算和人工智能技術的結合將是今后相當長時間內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式計算工具,分析前需要用戶事先設計成形方案和確定工藝參數(shù),分析結果常常難于直接用來指導生產(chǎn),這在很大程度上影響了模擬軟件的推廣和普及,華中科技大學模具技術國家重點實驗室在國產(chǎn)注塑成型模擬軟件HSCAE6.10中成功地引入了人工智能技術。對于注射時間、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)絡進行優(yōu)化,對于分析結果的解釋和評價則采用基于規(guī)則推理的方法來處理。HSCAE6.10的專家系統(tǒng)規(guī)則庫以專家知識為基礎,涵蓋了有關短射、流動平衡、熔體降解、溫差控制、保壓時間、許可剪切應力、剪切速率和鎖模力等方面的領域知識,在對分析結果進行綜合和提煉的基礎上驅動專家系統(tǒng)進行推理,對成型方案進行評價并在分析報告中輸出具體的改進建議,其目標是將模擬軟件由傳統(tǒng)的“被動式”計算工具提升為新一代的“主動式”優(yōu)化系統(tǒng)。
模具高速銑削加工技術
在現(xiàn)代模具生產(chǎn)中,隨著對塑件的美觀度及功能要求得越來越高,塑件內部結構設計得越來越復雜,模具的外形設計也日趨復雜,自由曲面所占比例不斷增加,相應的模具結構也設計得越來越復雜。這些都對模具加工技術提出了更高要求,不僅應保證高的制造精度和表面質量,而且要追求加工表面的美觀。隨著對高速加工技術研究的不斷深入,尤其在加工機床、數(shù)控系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、CAD/CAM軟件等相關技術不斷發(fā)展的推動下,高速加工技術已越來越多地應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先進制造技術,是集高效、優(yōu)質、低耗于一身的先進制造技術。相對于傳統(tǒng)的切削加工,其切削速度、進給速度有了很大的提高,而且切削機理也不相同。高速切削使切削加工發(fā)生了本質性的飛躍,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,低階切削振動幾乎消失。隨著切削速度的提高,單位時間毛坯材料的去除率增加了,切削時間減少了,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)品的市場競爭力。同時,高速加工的小量快進使切削力減少了,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,轉速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠離機床的低階固有頻率,而工件的表面粗糙度對低階頻率最為敏感,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時的電加工,大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量。對于一些市場上越來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。
高速加工技術對模具加工工藝產(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”等復雜冗長的工藝流程,甚至可用高速切削加工替代原來的全部工序。高速加工技術除可應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用。大量生產(chǎn)實踐表明,應用高速切削技術可節(jié)省模具后續(xù)加工中約80%的手工研磨時間,節(jié)約加工成本費用近30%,模具表面加工精度可達1 m,刀具切削效率可提高1倍。
二、高速銑削加工機床
高速切削技術是切削加工技術的主要發(fā)展方向之一,它隨著CNC技術、微電子技術、新材料和新結構等基礎技術的發(fā)展而邁上更高的臺階。由于模具加工的特殊性以及高速加工技術的自身特點,對模具高速加工的相關技術及工藝系統(tǒng)(加工機床、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。
http://www.qipashuoo.com/qushi/
1. 高穩(wěn)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。大部分機床都采用高質量、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(wěn)定性,這不但可保證機床精度穩(wěn)定,也可防止切削時刀具振顫。采用封閉式床身設計,整體鑄造床身,對稱床身結構并配有密布的加強筋等也是提高機床穩(wěn)定性的重要措施。一些機床公司的研發(fā)部門在設計過程中,還采用模態(tài)分析和有限元結構計算等,優(yōu)化了結構,使機床支撐部件更加穩(wěn)定可靠。
2. 機床主軸
高速機床的主軸性能是實現(xiàn)高速切削加工的重要條件。高速切削機床主軸的轉速范圍為10000~100000m/min,主軸功率大于15kW。通過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構形式。潤滑多采用油氣潤滑、噴射潤滑等技術。主軸冷卻一般采用主軸內部水冷或氣冷。
3. 機床驅動系統(tǒng)
為滿足模具高速加工的需要,高速加工機床的驅動系統(tǒng)應具有下列特性:
(1) 高的進給速度。研究表明,對于小直徑刀具,提高轉速和每齒進給量有利于降低刀具磨損。目前常用的進給速度范圍為20~30m/min,如采用大導程滾珠絲杠傳動,進給速度可達60m/min;采用直線電機則可使進給速度達到120m/min。 http://www.qipashuoo.com/ribao/
( 2)高的加速度。對三維復雜曲面廓形的高速加工要求驅動系統(tǒng)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。
機床制造商大多采用全閉環(huán)位置伺服控制的小導程、大尺寸、高質量的滾珠絲杠或大導程多頭絲杠。隨著電機技術的發(fā)展,先進的直線電動機已經(jīng)問世,并成功應用于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、滯后和振動等問題,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。
4. 數(shù)控系統(tǒng)
先進的數(shù)控系統(tǒng)是保證模具復雜曲面高速加工質量和效率的關鍵因素,模具高速切削加工對數(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;極短的直線電機采樣時間。
(2)速度和加速度的前饋控制(Feed forward control);數(shù)字驅動系統(tǒng)的爬行控制(Jerk control)。
(3) 先進的插補方法( 基于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。要求具有大容量緩沖寄存器,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(tǒng)可達1000~2000個程序段),以便在被加工表面形狀(曲率)發(fā)生變化時可及時采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(fā)熱導致的熱誤差補償、象限誤差補償、測量系統(tǒng)誤差補償?shù)裙δ?。奇葩說此外,模具高速切削加工對數(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,而許多先進的加工中心均已采用以太局域網(wǎng)(Ethernet)進行數(shù)據(jù)傳輸,速度可達200kb。
5. 冷卻潤滑
高速加工采用帶涂層的硬質合金刀具,在高速、高溫的情況下不用切削液,切削效率更高。這是因為:銑削主軸高速旋轉,切削液若要達到切削區(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有;同時切削液會使刀具刃部的溫度激烈變化,容易導致裂紋的產(chǎn)生,所以要采用油/氣冷卻潤滑的干式切削方式。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,同時經(jīng)霧化的潤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膜,可有效地延長刀具壽命并提高零件的表面質量。
三、高速切削加工的刀柄和刀具
由于高速切削加工時離心力和振動的影響,要求刀具具有很高的幾何精度和裝夾重復定位精度以及很高的剛度和高速動平衡的安全可靠性。由于高速切削加工時較大的離心力和振動等特點,傳統(tǒng)的7:24錐度刀柄系統(tǒng)在進行高速切削時表現(xiàn)出明顯的剛性不足、重復定位精度不高、軸向尺寸不穩(wěn)定等缺陷,主軸的膨脹引起刀具及夾緊機構質心的偏離,影響刀具的動平衡能力。目前應用較多的是HSK高速刀柄和國外現(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接觸,其剛性較好,但是刀具可換性較差,一個刀柄只能安裝一種連接直徑的刀具。由于此類加熱系統(tǒng)比較昂貴,在初期時采用HSK類的刀柄系統(tǒng)即可。當企業(yè)的高速機床數(shù)量超過3臺以上時,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。刀具在高速加工過程中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動等載荷,高速切削刀具應具有良好的機械性能和熱穩(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發(fā)展速度很快,應用較多的如金剛石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具、涂層硬質合金、(碳)氮化鈦硬質合金TIC(N)等。
在加工鑄鐵和合金鋼的切削刀具中,硬質合金是最常用的刀具材料。硬質合金刀具耐磨性好,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,涂層材料為氮化鈦(TiN)、氮化鋁鈦(TiALN)等。涂層技術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鍵技術之一。直徑在10~40mm范圍內,且有碳氮化鈦涂層的硬質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,刀具材料應選用熱硬性和疲勞強度高的P類硬質合金、涂層硬質合金、立方氮化硼(CBN)與CBN復合刀具材料(WBN)等。切削鑄鐵,應選用細晶粒的K類硬質合金進行粗加工,選用復合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(PCNB)復合刀具進行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時,應選用聚晶金剛石PCD或CVD金剛石涂層刀具。選擇切削參數(shù)時,針對圓刀片和球頭銑刀,應注意有效直徑的概念。高速銑削刀具應按動平衡設計制造。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修圓或導角,來增大刀尖角,防止刀尖處熱磨損。應加大刀尖附近的切削刃長度和刀具材料體積,提高刀具剛性。在保證安全和滿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度,刃口要盡量短,兩螺旋槽球頭立銑刀通常用于粗銑復雜曲面,四螺旋槽球頭立銑刀通常用于精銑復雜曲面。
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,以及以獲取高質量的加工表面及細微結構為目的的半精加工、精加工和鏡面加工等。
1. 粗加工
模具粗加工的主要目標是追求單位時間內的材料去除率,并為半精加工準備工件的幾何輪廓。高速加工中的粗加工所應采取的工藝方案是高切削速度、高進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)域僅一次進刀,在不抬刀的情況下生成連續(xù)光滑的刀具路徑,進、退刀方式采用圓弧切入、切出。螺旋等高方式的特點是,沒有等高層之間的刀路移動,可避免頻繁抬刀、進刀對零件表面質量的影響及機械設備不必要的耗損。對陡峭和平坦區(qū)域分別處理,計算適合等高及適合使用類似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,以及拐角處圓弧過渡,避免突然改變刀具進給方向,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,應避免刀具垂直插入工件,而應采用傾斜下刀方式(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,應盡量先從工件外部下刀然后水平切入工件。刀具切入、切出工件時應盡可能采用傾斜式(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,提高加工質量。機械手真空吸盤批發(fā)哪里有?推薦伽達。
2. 半精加工
模具半精加工的主要目標是使工件輪廓形狀平整,表面精加工余量均勻,這對于工具鋼模具尤為重要,因為它將影響精加工時刀具切削層面積的變化及刀具載荷的變化,從而影響切削過程的穩(wěn)定性及精加工表面質量。
粗加工是基于體積模型,精加工則是基于面模型。以前開發(fā)的CAD/CAM系統(tǒng)對零件的幾何描述是不連續(xù)的,由于沒有描述粗加工后、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。因此應對半精加工策略進行優(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)化過程包括:粗加工后輪廓的計算、最大剩余加工余量的計算、最大允許加工余量的確定、對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、拐角等過渡半徑小于粗加工刀具半徑的區(qū)域)以及半精加工時刀心軌跡的計算等。
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,而刀具與工件的接觸點隨著加工表面的曲面斜率和刀具有效半徑的變化而變化。對于由多個曲面組合而成的復雜曲面加工,應盡可能在一個工序中進行連續(xù)加工,而不是對各個曲面分別進行加工,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吃刀量(Step over),就可能造成在斜率不同的表面上實際步距不均勻,從而影響加工質量。
一般情況下,精加工曲面的曲率半徑應大于刀具半徑的1.5倍,以避免進給方向的突然轉變。在模具的高速精加工中,在每次切入、切出工件時,進給方向的改變應盡量采用圓弧或曲線轉接,避免采用直線轉接,以保持切削過程的平穩(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、光滑的零件表面質量,輕松實現(xiàn)精細區(qū)域的加工,如小的圓角、溝槽等。對許多形狀來說,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。這種加工技術綜合了螺旋加工和等高加工策略的優(yōu)點,刀具負荷更穩(wěn)定,提刀次數(shù)更少,可縮短加工時間,減小刀具損壞機率。它還可以改善加工表面質量,最大限地減小精加工后手工打磨的需要。在許多場合需要將陡峭區(qū)域的等高精加工和平坦區(qū)域三維等距精加工方法結合起來使用。
數(shù)控編程也要考慮幾何設計和工藝安排,在使用CAM系統(tǒng)進行高速加工數(shù)控編程時,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鍵。一名出色的使用CAD/CAM工作站的編程工程師應該同時也是一名合格的設計與工藝師,他應對零件的幾何結構有一個正確的理解,具備對于理想工序安排以及合理刀具軌跡設計的知識和概念。
五、高速切削數(shù)控編程
高速銑削加工對數(shù)控編程系統(tǒng)的要求越來越高,價格昂貴的高速加工設備對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床和高速切削刀具外,具有合適的CAM編程軟件也是至關重要的。數(shù)控加工的數(shù)控指令包含了所有的工藝過程,一個優(yōu)秀的高速加工 CAM編程系統(tǒng)應具有很高的計算速度、較強的插補功能、全程自動過切檢查及處理能力、自動刀柄與夾具干涉檢查、進給率優(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),這會直接影響加工質量和機床主軸等零件的壽命;最后,要盡量使刀具載荷均勻,這會直接影響刀具的壽命。
1. CAM系統(tǒng)應具有很高的計算編程速度
高速加工中采用非常小的進給量與切深,其NC程序比對傳統(tǒng)數(shù)控加工程序要大得多,因而要求軟件計算速度要快,以節(jié)省刀具軌跡編輯和優(yōu)化編程的時間。
2. 全程自動防過切處理能力及自動刀柄干涉檢查能力
高速加工以傳統(tǒng)加工近10倍的切削速度進行加工,一旦發(fā)生過切對機床、產(chǎn)品和刀具將產(chǎn)生災難性的后果,所以要求其CAM系統(tǒng)必須具有全程自動防過切處理的能力及自動刀柄與夾具干涉檢查、繞避功能。系統(tǒng)能夠自動提示最短夾持刀具長度,并自動進行刀具干涉檢查。
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加工的安全性,CAM系統(tǒng)應能根據(jù)加工瞬時余量的大小自動對進給率進行優(yōu)化處理,能自動進行刀具軌跡編輯優(yōu)化、加工殘余分析并對待加工軌跡監(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。
機械手治具配件廠家采用高速加工設備之后,對編程人員的需求量將會增加,因高速加工工藝要求嚴格,過切保護更加重要,故需花多的時間對NC指令進行仿真檢驗。一般情況下,高速加工編程時間比一般加工編程時間要長得多。為了保證高速加工設備足夠的使用率,需配置更多的CAM人員?，F(xiàn)有的CAM軟件,如 PowerMILL、MasterCAM、UnigraphicsNX、Cimatron等都提供了相關功能的高速銑削刀具軌跡策略。
六、結束語
高速切削技術是切削加工技術的主要發(fā)展方向之一,目前主要應用于汽車工業(yè)和模具行業(yè),尤其是在加工復雜曲面的領域、工件本身或刀具系統(tǒng)剛性要求較高的加工領域等,是多種先進加工技術的集成,其高效、高質量為人們所推崇。它不僅涉及到高速加工工藝,而且還包括高速加工機床、數(shù)控系統(tǒng)、高速切削刀具及 CAD/CAM技術等。模具高速加工技術目前已在發(fā)達國家的模具制造業(yè)中普遍應用,而在我國的應用范圍及應用水平仍有待提高,由于其具有傳統(tǒng)加工無可比擬的優(yōu)勢,仍將是今后加工技術必然的發(fā)展方向。
在現(xiàn)代模具生產(chǎn)中,隨著對塑件的美觀度及功能要求得越來越高,塑件內部結構設計得越來越復雜,模具的外形設計也日趨復雜,自由曲面所占比例不斷增加,相應的模具結構也設計得越來越復雜。這些都對模具加工技術提出了更高要求,不僅應保證高的制造精度和表面質量,而且要追求加工表面的美觀。隨著對高速加工技術研究的不斷深入,尤其在加工機床、數(shù)控系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、CAD/CAM軟件等相關技術不斷發(fā)展的推動下,高速加工技術已越來越多地應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先進制造技術,是集高效、優(yōu)質、低耗于一身的先進制造技術。相對于傳統(tǒng)的切削加工,其切削速度、進給速度有了很大的提高,而且切削機理也不相同。高速切削使切削加工發(fā)生了本質性的飛躍,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,低階切削振動幾乎消失。隨著切削速度的提高,單位時間毛坯材料的去除率增加了,切削時間減少了,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)品的市場競爭力。同時,高速加工的小量快進使切削力減少了,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,轉速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠離機床的低階固有頻率,而工件的表面粗糙度對低階頻率最為敏感,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時的電加工,大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量。對于一些市場上越來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。
高速加工技術對模具加工工藝產(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”等復雜冗長的工藝流程,甚至可用高速切削加工替代原來的全部工序。高速加工技術除可應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用。大量生產(chǎn)實踐表明,應用高速切削技術可節(jié)省模具后續(xù)加工中約80%的手工研磨時間,節(jié)約加工成本費用近30%,模具表面加工精度可達1 m,刀具切削效率可提高1倍。
二、高速銑削加工機床
高速切削技術是切削加工技術的主要發(fā)展方向之一,它隨著CNC技術、微電子技術、新材料和新結構等基礎技術的發(fā)展而邁上更高的臺階。由于模具加工的特殊性以及高速加工技術的自身特點,對模具高速加工的相關技術及工藝系統(tǒng)(加工機床、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。
http://www.qipashuoo.com/qushi/
1. 高穩(wěn)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。大部分機床都采用高質量、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(wěn)定性,這不但可保證機床精度穩(wěn)定,也可防止切削時刀具振顫。采用封閉式床身設計,整體鑄造床身,對稱床身結構并配有密布的加強筋等也是提高機床穩(wěn)定性的重要措施。一些機床公司的研發(fā)部門在設計過程中,還采用模態(tài)分析和有限元結構計算等,優(yōu)化了結構,使機床支撐部件更加穩(wěn)定可靠。
2. 機床主軸
高速機床的主軸性能是實現(xiàn)高速切削加工的重要條件。高速切削機床主軸的轉速范圍為10000~100000m/min,主軸功率大于15kW。通過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構形式。潤滑多采用油氣潤滑、噴射潤滑等技術。主軸冷卻一般采用主軸內部水冷或氣冷。
3. 機床驅動系統(tǒng)
為滿足模具高速加工的需要,高速加工機床的驅動系統(tǒng)應具有下列特性:
(1) 高的進給速度。研究表明,對于小直徑刀具,提高轉速和每齒進給量有利于降低刀具磨損。目前常用的進給速度范圍為20~30m/min,如采用大導程滾珠絲杠傳動,進給速度可達60m/min;采用直線電機則可使進給速度達到120m/min。 http://www.qipashuoo.com/ribao/
( 2)高的加速度。對三維復雜曲面廓形的高速加工要求驅動系統(tǒng)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。
機床制造商大多采用全閉環(huán)位置伺服控制的小導程、大尺寸、高質量的滾珠絲杠或大導程多頭絲杠。隨著電機技術的發(fā)展,先進的直線電動機已經(jīng)問世,并成功應用于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、滯后和振動等問題,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。
4. 數(shù)控系統(tǒng)
先進的數(shù)控系統(tǒng)是保證模具復雜曲面高速加工質量和效率的關鍵因素,模具高速切削加工對數(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;極短的直線電機采樣時間。
(2)速度和加速度的前饋控制(Feed forward control);數(shù)字驅動系統(tǒng)的爬行控制(Jerk control)。
(3) 先進的插補方法( 基于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。要求具有大容量緩沖寄存器,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(tǒng)可達1000~2000個程序段),以便在被加工表面形狀(曲率)發(fā)生變化時可及時采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(fā)熱導致的熱誤差補償、象限誤差補償、測量系統(tǒng)誤差補償?shù)裙δ?。奇葩說此外,模具高速切削加工對數(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,而許多先進的加工中心均已采用以太局域網(wǎng)(Ethernet)進行數(shù)據(jù)傳輸,速度可達200kb。
5. 冷卻潤滑
高速加工采用帶涂層的硬質合金刀具,在高速、高溫的情況下不用切削液,切削效率更高。這是因為:銑削主軸高速旋轉,切削液若要達到切削區(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有;同時切削液會使刀具刃部的溫度激烈變化,容易導致裂紋的產(chǎn)生,所以要采用油/氣冷卻潤滑的干式切削方式。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,同時經(jīng)霧化的潤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膜,可有效地延長刀具壽命并提高零件的表面質量。
三、高速切削加工的刀柄和刀具
由于高速切削加工時離心力和振動的影響,要求刀具具有很高的幾何精度和裝夾重復定位精度以及很高的剛度和高速動平衡的安全可靠性。由于高速切削加工時較大的離心力和振動等特點,傳統(tǒng)的7:24錐度刀柄系統(tǒng)在進行高速切削時表現(xiàn)出明顯的剛性不足、重復定位精度不高、軸向尺寸不穩(wěn)定等缺陷,主軸的膨脹引起刀具及夾緊機構質心的偏離,影響刀具的動平衡能力。目前應用較多的是HSK高速刀柄和國外現(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接觸,其剛性較好,但是刀具可換性較差,一個刀柄只能安裝一種連接直徑的刀具。由于此類加熱系統(tǒng)比較昂貴,在初期時采用HSK類的刀柄系統(tǒng)即可。當企業(yè)的高速機床數(shù)量超過3臺以上時,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。刀具在高速加工過程中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動等載荷,高速切削刀具應具有良好的機械性能和熱穩(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發(fā)展速度很快,應用較多的如金剛石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具、涂層硬質合金、(碳)氮化鈦硬質合金TIC(N)等。
在加工鑄鐵和合金鋼的切削刀具中,硬質合金是最常用的刀具材料。硬質合金刀具耐磨性好,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,涂層材料為氮化鈦(TiN)、氮化鋁鈦(TiALN)等。涂層技術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鍵技術之一。直徑在10~40mm范圍內,且有碳氮化鈦涂層的硬質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,刀具材料應選用熱硬性和疲勞強度高的P類硬質合金、涂層硬質合金、立方氮化硼(CBN)與CBN復合刀具材料(WBN)等。切削鑄鐵,應選用細晶粒的K類硬質合金進行粗加工,選用復合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(PCNB)復合刀具進行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時,應選用聚晶金剛石PCD或CVD金剛石涂層刀具。選擇切削參數(shù)時,針對圓刀片和球頭銑刀,應注意有效直徑的概念。高速銑削刀具應按動平衡設計制造。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修圓或導角,來增大刀尖角,防止刀尖處熱磨損。應加大刀尖附近的切削刃長度和刀具材料體積,提高刀具剛性。在保證安全和滿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度,刃口要盡量短,兩螺旋槽球頭立銑刀通常用于粗銑復雜曲面,四螺旋槽球頭立銑刀通常用于精銑復雜曲面。
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,以及以獲取高質量的加工表面及細微結構為目的的半精加工、精加工和鏡面加工等。
1. 粗加工
模具粗加工的主要目標是追求單位時間內的材料去除率,并為半精加工準備工件的幾何輪廓。高速加工中的粗加工所應采取的工藝方案是高切削速度、高進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)域僅一次進刀,在不抬刀的情況下生成連續(xù)光滑的刀具路徑,進、退刀方式采用圓弧切入、切出。螺旋等高方式的特點是,沒有等高層之間的刀路移動,可避免頻繁抬刀、進刀對零件表面質量的影響及機械設備不必要的耗損。對陡峭和平坦區(qū)域分別處理,計算適合等高及適合使用類似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,以及拐角處圓弧過渡,避免突然改變刀具進給方向,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,應避免刀具垂直插入工件,而應采用傾斜下刀方式(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,應盡量先從工件外部下刀然后水平切入工件。刀具切入、切出工件時應盡可能采用傾斜式(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,提高加工質量。機械手真空吸盤批發(fā)哪里有?推薦伽達。
2. 半精加工
模具半精加工的主要目標是使工件輪廓形狀平整,表面精加工余量均勻,這對于工具鋼模具尤為重要,因為它將影響精加工時刀具切削層面積的變化及刀具載荷的變化,從而影響切削過程的穩(wěn)定性及精加工表面質量。
粗加工是基于體積模型,精加工則是基于面模型。以前開發(fā)的CAD/CAM系統(tǒng)對零件的幾何描述是不連續(xù)的,由于沒有描述粗加工后、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。因此應對半精加工策略進行優(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)化過程包括:粗加工后輪廓的計算、最大剩余加工余量的計算、最大允許加工余量的確定、對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、拐角等過渡半徑小于粗加工刀具半徑的區(qū)域)以及半精加工時刀心軌跡的計算等。
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,而刀具與工件的接觸點隨著加工表面的曲面斜率和刀具有效半徑的變化而變化。對于由多個曲面組合而成的復雜曲面加工,應盡可能在一個工序中進行連續(xù)加工,而不是對各個曲面分別進行加工,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吃刀量(Step over),就可能造成在斜率不同的表面上實際步距不均勻,從而影響加工質量。
一般情況下,精加工曲面的曲率半徑應大于刀具半徑的1.5倍,以避免進給方向的突然轉變。在模具的高速精加工中,在每次切入、切出工件時,進給方向的改變應盡量采用圓弧或曲線轉接,避免采用直線轉接,以保持切削過程的平穩(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、光滑的零件表面質量,輕松實現(xiàn)精細區(qū)域的加工,如小的圓角、溝槽等。對許多形狀來說,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。這種加工技術綜合了螺旋加工和等高加工策略的優(yōu)點,刀具負荷更穩(wěn)定,提刀次數(shù)更少,可縮短加工時間,減小刀具損壞機率。它還可以改善加工表面質量,最大限地減小精加工后手工打磨的需要。在許多場合需要將陡峭區(qū)域的等高精加工和平坦區(qū)域三維等距精加工方法結合起來使用。
數(shù)控編程也要考慮幾何設計和工藝安排,在使用CAM系統(tǒng)進行高速加工數(shù)控編程時,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鍵。一名出色的使用CAD/CAM工作站的編程工程師應該同時也是一名合格的設計與工藝師,他應對零件的幾何結構有一個正確的理解,具備對于理想工序安排以及合理刀具軌跡設計的知識和概念。
五、高速切削數(shù)控編程
高速銑削加工對數(shù)控編程系統(tǒng)的要求越來越高,價格昂貴的高速加工設備對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床和高速切削刀具外,具有合適的CAM編程軟件也是至關重要的。數(shù)控加工的數(shù)控指令包含了所有的工藝過程,一個優(yōu)秀的高速加工 CAM編程系統(tǒng)應具有很高的計算速度、較強的插補功能、全程自動過切檢查及處理能力、自動刀柄與夾具干涉檢查、進給率優(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),這會直接影響加工質量和機床主軸等零件的壽命;最后,要盡量使刀具載荷均勻,這會直接影響刀具的壽命。
1. CAM系統(tǒng)應具有很高的計算編程速度
高速加工中采用非常小的進給量與切深,其NC程序比對傳統(tǒng)數(shù)控加工程序要大得多,因而要求軟件計算速度要快,以節(jié)省刀具軌跡編輯和優(yōu)化編程的時間。
2. 全程自動防過切處理能力及自動刀柄干涉檢查能力
高速加工以傳統(tǒng)加工近10倍的切削速度進行加工,一旦發(fā)生過切對機床、產(chǎn)品和刀具將產(chǎn)生災難性的后果,所以要求其CAM系統(tǒng)必須具有全程自動防過切處理的能力及自動刀柄與夾具干涉檢查、繞避功能。系統(tǒng)能夠自動提示最短夾持刀具長度,并自動進行刀具干涉檢查。
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加工的安全性,CAM系統(tǒng)應能根據(jù)加工瞬時余量的大小自動對進給率進行優(yōu)化處理,能自動進行刀具軌跡編輯優(yōu)化、加工殘余分析并對待加工軌跡監(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。
機械手治具配件廠家采用高速加工設備之后,對編程人員的需求量將會增加,因高速加工工藝要求嚴格,過切保護更加重要,故需花多的時間對NC指令進行仿真檢驗。一般情況下,高速加工編程時間比一般加工編程時間要長得多。為了保證高速加工設備足夠的使用率,需配置更多的CAM人員?，F(xiàn)有的CAM軟件,如 PowerMILL、MasterCAM、UnigraphicsNX、Cimatron等都提供了相關功能的高速銑削刀具軌跡策略。
六、結束語
高速切削技術是切削加工技術的主要發(fā)展方向之一,目前主要應用于汽車工業(yè)和模具行業(yè),尤其是在加工復雜曲面的領域、工件本身或刀具系統(tǒng)剛性要求較高的加工領域等,是多種先進加工技術的集成,其高效、高質量為人們所推崇。它不僅涉及到高速加工工藝,而且還包括高速加工機床、數(shù)控系統(tǒng)、高速切削刀具及 CAD/CAM技術等。模具高速加工技術目前已在發(fā)達國家的模具制造業(yè)中普遍應用,而在我國的應用范圍及應用水平仍有待提高,由于其具有傳統(tǒng)加工無可比擬的優(yōu)勢,仍將是今后加工技術必然的發(fā)展方向。
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