數控加工工藝的基礎知識

分類  >  刀具 >
tags:    時間:2014-03-12 02:51:21
數控加工工藝的基礎知識簡介
    數控加工技術的基礎知識  數控手工編程的方法及步驟  數控編程的主要內容有:分析零件圖樣確定工藝過程、數值計算、編寫加工程序、校對程序及首件試……
數控加工工藝的基礎知識正文

    數控加工技術的基礎知識  數控手工編程的方法及步驟
 數控編程的主要內容有:分析零件圖樣確定工藝過程、數值計算、編寫加工程序、校對程序及首件試切。

編程的具體步驟說明如下:

1.分析圖樣、確定工藝過程

在數控機床上加工零件,工藝人員拿到的原始資料是零件圖。根據零件圖,可以對零件的形狀、尺寸精度、表面粗糙度、工件材料、毛坯種類和熱處理狀況等進行分析,然後選擇機床、刀具,確定定位夾緊裝置、加工方法、加工順序及切削用量的大小。在確定工藝過程中,應充分考慮所用數控機床的指令功能,充分發揮機床的效能,做到加工路線合理、走刀次數少和加工工時短等。此外,還應填寫有關的工藝技術文件,如數控加工工序卡片、數控刀具卡片、走刀路線圖等。

2.計算刀具軌跡的坐標值

根據零件圖的幾何尺寸及設定的編程坐標系,計算出刀具中心的運動軌跡,得到全部刀位數據。一般數控系統具有直線插補和圓弧插補的功能,對於形狀比較簡單的平面形零件(如直線和圓弧組成的零件)的輪廓加工,只需要計算出幾何元素的起點、終點、圓弧的圓心(或圓弧的半徑)、兩幾何元素的交點或切點的坐標值。如果數控系統無刀具補償功能,則要計算刀具中心的運動軌跡坐標值。對於形狀複雜的零件(如由非圓曲線、曲面組成的零件),需要用直線段(或圓弧段)逼近實際的曲線或曲面,根據所要求的加工精度計算出其節點的坐標值。

3.編寫零件加工程序

根據加工路線計算出刀具運動軌跡數據和已確定的工藝參數及輔助動作,編程人員可以按照所用數控系統規定的功能指令及程序段格式,逐段編寫出零件的加工程序。編寫時應注意:第一,程序書寫的規範性,應便於表達和交流;第二,在對所用數控機床的性能與指令充分熟悉的基礎上,各指令使用的技巧、程序段編寫的技巧

4.將程序輸入數控機床

將加工程序輸入數控機床的方式有:光電閱讀機、鍵盤、磁碟、磁帶、存儲卡、連接上級計算機的DNC介面及網路等。目前常用的方法是通過鍵盤直接將加工程序輸入(MDI方式)到數控機床程序存儲器中或通過計算機與數控系統的通訊介面將加工程序傳送到數控機床的程序存儲器中,由機床操作者根據零件加工需要進行調用。現在一些新型數控機床已經配置大容量存儲卡存儲加工程序,當作數控機床程序存儲器使用,因此數控程序可以事先存入存儲卡中。

5.程序校驗與首件試切

數控程序必須經過校驗和試切才能正式加工。在有圖形模擬功能的數控機床上,可以進行圖形模擬加工,檢查刀具軌跡的正確性,對無此功能的數控機床可進行空運行檢驗。但這些方法只能檢驗出刀具運動軌跡是否正確,不能查出對刀誤差、由於刀具調整不當或因某些計算誤差引起的加工誤差及零件的加工精度,所以有必要經過零件加工的首件試切的這一重要步驟。當發現有加工誤差或不符合圖紙要求時,應分析誤差產生的原因,以便修改加工程序或採取刀具尺寸補償等措施,直到加工出合乎圖樣要求的零件為止。隨著數控加工技術的發展,可採用先進的數控加工模擬方法對數控加工程序進行校核。

數控加工程序指令代碼

在數控機床加工程序中,我國和國際上都廣泛使用準備功能G指令、輔助功能M指令、進給功能F指令、刀具功能T指令和主軸轉速功能S指令等5種指令代碼來描述加工工藝過程和數控機床的各種運動特徵。

1.準備功能字G。

準備功能字的地址符是G,又稱G功能或G指令。它是建立機床或控制數控系統工作方式的一種命令,一般用來規定刀具和工件的相對運動軌跡(即插補功能)、機床坐標系、坐標平面、刀具補償和坐標偏置等多種加工操作,以及廠家自定義的多種固定循環指令和宏指令調用等。它由地址符G及其後的兩位數字或三位數字組成。一個數控系統的G代碼多少可衡量其功能的強弱。

2.主軸轉速功能字S

主軸轉速功能字的地址符是S,所以又稱S功能或S指令。它由主軸轉速地址符S及數字組成,數字錶示主軸轉數,其單位按系統說明書的規定。現在一般數控系統主軸已採用主軸控制單元,能使用直接指定方式,即可用地址符S的後續數字直接指定主軸轉數。例如,若要求1200r/min,則編程指令為S1200。

3.進給功能字F

進給功能字的地址符是F,所以又稱F功能或F指令。它由進給地址符F及數字組成,數字錶示切削時所指定的刀具中心運動的進給速度。這個數字的單位取決於每個系統所採用的進給速度的指定方式。現在一般數控系統都能使用直接指定方式,即可用地址符F的後續數字直接指定進給速度。對於車床系統,可分為每分鐘進給和主軸每轉進給兩種方式表示,一般分別用G94、G95規定;對於銑床系統,一般只用每分鐘進給方式表示。

F地址在螺紋切削程序段中還常用來指定螺紋導程。

4.刀具功能T

刀具功能字的地址符是T,所以又稱T功能或T指令。它用以指定切削時使用的刀具的刀號及刀具自動補償時編組號。其自動補償的內容有:刀具對刀后的刀位偏差、刀具長度及刀具半徑補償。

在編程中,其指令格式因數控系統不同而異,主要格式有以下兩種:

(1) 採用T指令編程

由刀具功能地址符T和數字組成。T後面的數字用來指定刀具號和刀具補償號。

(2) 採用T、D指令編程

使用T功能指令選擇刀具號,使用D功能選擇相關的刀具偏置量。

5.輔助功能(簡稱M功能)

輔助功能字的地址符是M,所以又稱M功能或M指令。它由輔助功能地址符M和兩位數字組成,主要用於表示數控程序停止、主軸啟動及順和逆、主軸停止、換刀、程序結束並返回、冷卻液開與關等功能的指令、各種進給操作時的輔助動作及其狀態。輔助功能指令也有M00~M99,共計100種,我國JB/T3208-1999標準對M指令的功能進行了定義。

需要說明的是,數控機床的指令在國際上有很多標準,並不完全一致。而隨著數控加工技術的發展、不斷改進和創新,其系統功能更加強大和使用上會更加方便。在不同數控系統之間,功能指令字也會更加豐富,程序格式上的差異也會一定存在。

數控加工工藝

機械加工工藝過程是指用材料去除方法改變毛坯的形狀、尺寸和表面質量,使其成為達到設計要求的過程。數控機床的加工工藝與普通機床的加工工藝有許多相同之處,遵循的原則基本一致。也有許多不同,最大的不同表現在切削刀具軌跡的控制方式上。同時由於數控機床本身自動化程度較高,設備費用較高,因此數控機床加工相應形成了自己的特點:

1.數控加工的工藝內容設計十分具體

在使用通用機床加工時,許多具體的工藝問題,如工藝中各工步的劃分與安排,刀具的幾何形狀,走刀路線及切削用量等,在很大程度上都是由操作工人根據自己的實踐經驗和習慣自行考慮和決定的,一般無須工藝人員在設計工藝規程時進行過多的規定。而在數控機床加工時,上述這些具體工藝問題,不僅成為數控工藝設計時必須考慮的內容,而且還必須做出正確的選擇並編入加工程序中。

2.數控加工的工藝設計非常嚴密

數控機床雖然自動化程度較高,但自適應性差。它不能像通用機床加工時可以根據加工過程中出現的問題比較靈活的適時的進行人為的調整。即使現代數控機床在自適應調整方面作出了不少努力與改進,但其自由程度也不大。比如,數控機床加工螺紋孔時,它不知道孔中是否已經擠滿了切屑,是否需要退一下刀,或先清理一下切屑再進刀。所以,在數控加工的工藝設計中,必須注意加工過程中的每一個細節,計算和編程時,都要力求正確無誤。

3.數控加工的操作程序化相當嚴格

由於數控加工自動化程度高、可多軸聯動,便於工序集中安排。但數控機床價格昂貴,操作技術要求高,所加工的對象也都是一些形狀比較複雜、價值也比較高的零件,稍有不慎損壞了零件或損壞了機床、刀具,都會造成較大損失。因此對數控機床加工操作的基本步驟的程序化要求相當嚴格。從工藝設計→編寫程序→校驗程序→零件加工的每一步都不能忽視,其中程序校驗更是重要的一環。在實際工作中,由於一個小數點或一個符號的差錯而釀成重大機床事故和質量事故的例子也屢見不鮮。

4.數控加工機床的合理應用

根據數控加工的特點,正確選擇加工方法和加工對象,充分發揮數控機床加工的優點,取得良好的經濟效益是我們在進行工藝設計中必須考慮的一個重要問題。數控加工工藝的應用有很大的靈活性,對同一個加工內容,可能有多種工藝方案,必須針對具體問題進行具體分析。一方面,選擇加工方法和對象時要考慮到數控機床與系統的性能指標,能夠實現加工且能保證加工精度、滿足技術質量要求;另一方面,有時還要在基本不改變工件原有性能的前提下,對其形狀、尺寸、結構等做一些必要的、適應數控機床加工的修改。

一種零件的加工工藝過程並不是固定不變的,零件加工過程要滿足零件圖樣的技術要求,同時又受到加工批量、設備條件、工藝水平等因素的制約。從生產水平發展和數控加工技術水平提高的角度上來看,數控加工工藝的設計工作也是在不斷提高和改進。近年來,隨著數控機床加工技術的迅速發展,金屬切削加工理論也在不斷豐富和完善。例如數控高速加工技術的發展,就使得工藝路線設計理念發生了很大的變化。

近二十年來,隨著計算機技術的發展,計算機輔助設計(CAD)與計算機輔助製造(CAM)逐漸走向成熟,受到工業界的高度重視。CAD/CAM集成系統是在產品設計與製造領域引起革命性變革的系統,它的應用是現代製造業中能發揮最大效益的亮點之一。

自動編程的概念

採用計算機代替手工編製數控加工程序的過程稱為「計算機自動編程」,也稱作計算機輔助編程,簡稱「自動編程」。它是利用通用計算機和相應前置、後置處理軟體,對工件源程序或CAD圖形進行處理,以得到加工程序的一種方法。自動編程是計算機技術在機械製造業中的一個主要應用領域。

根據編程信息的輸入與計算機對信息的處理方式不同,分為以自動編程語言為基礎的自動編程方法和以計算機繪圖為基礎的自動編程方法。從自動編程的發展歷史進程來看,很早就發展了以自動編程語言為基礎的自動編程方法,以計算機繪圖為基礎的自動編程方法則相對發展較晚,這主要是由於計算機圖形技術發展相對落後。

1.APT系統

最早出現的是APT系統,使用APT系統,編程人員仍然要從事繁瑣的預編程工作。但是由於使用計算機代替程序編製人員完成了繁瑣的數值計算工作,並省去了編寫程序清單的工作量,因此可將編製數控程序的效率提高數十倍。為了國際間的交流與使用的需要,ISO組織在APT的基礎上制定了ISO4342-85《數控語言》標準,供各成員國參考使用。

2.CAD/CAM集成系統的數控編程

目前CAD/CAM系統集成技術已經很成熟,一體化集成形式的CAD/CAM系統已成為數控加工自動編程的主流,其大大減少了編程出錯率,提高了編程效率和編程可靠性。通常對於簡單的加工零件可一次調試成功。

自動編程所用的零件圖,是由設計者根據使用要求而設計的。在CAD/CAM集成系統中,它可由CAD軟體產生,可以採用人機交互方式對零件的幾何模型進行繪製、編輯和修改,從而得到零件的幾何模型,不需要數控編程者再次進行幾何造型。然後對機床和刀具進行定義和選擇,確定刀具相對於零件表面的運動方式、切削加工參數,便能生成刀具軌跡。CAD/CAM系統的自動編程還具有加工軌跡的模擬功能,以用於驗證走刀軌跡和加工程序的正確性。使用這類軟體對加工程序的生成和修改都非常方便,大大提高了編程效率。對於大型的較為複雜的零件的編程時間,大約為APT編程的幾分之一,經濟效益十分明顯。現在的自動編程方法一般是指CAD/CAM系統的自動編程。狹義的CAM就是指這種自動編程。

自動編程技術優於手工編程,這是不容置疑的。但是,並不等於說凡是數控加工編程必選自動編程。數控編程方法的選擇,必須考慮被加工零件形狀的複雜程度、數值計算的難度和工作量的大小、現有設備條件(計算機、編程系統等)以及時間和費用等諸多因素。一般說來,加工形狀簡單的零件,例如點位加工或直線切削零件,用手工編程所需的時間和費用與計算機自動編程所需的時間和費用相差不大,這時採用手工編程比較合適。否則,不妨考慮選擇自動編程。

3.CAD/CAM集成系統自動編程的主要特點

與手工編程相比,自動編程具有以下主要特點:

(1) 數學處理能力強

對輪廓形狀不是由簡單的直線、圓弧組成的複雜零件,特別是空間曲面零件,以及幾何要素雖不複雜,但程序量很大的零件,計算工作相當繁瑣,採用手工編製程序的方法是難以完成的。例如,對一般二次曲線廓形,手工編程必須採取直線或圓弧逼近的方法,算出各節點的坐標值,其中列算式、解方程,雖說能藉助計算器進行計算,但工作量之大是難以想象的。而自動編程藉助於系統軟體強大的數學處理能力,計算機能自動計算出加工該曲線的刀具軌跡,快速而又準確。自動編程系統還能處理手工編程難以勝任的二次曲面和特殊曲面。

(2) 快速、自動生成數控程序

對非圓曲線的輪廓加工,手工編程即使解決了節點坐標的計算,也往往因為節點數過多,程序段很大而使編程工作又慢又容易出錯。自動編程的優點之一,就是在完成計算刀具運動軌跡之後,後置處理程序能在極短的時間內自動生成數控加工程序,且該數控加工程序不會出現語法錯誤。當然自動生成數控加工程序的速度還取決於計算機硬體的檔次,檔次越高,速度越快。

(3) 後置處理程序靈活多變

由於數控系統的指令形式不盡相同,機床的輔助功能也不一樣,伺服系統的特性也有差別。因此,同一個零件在不同的數控機床上加工,數控加工程序也應該是不一樣的。但在前置處理過程中,大量的數學處理,軌跡計算卻是一致的。這就是說,前置處理可以通用化,只要稍微改變一下後置處理程序,就能自動生成適用於不同數控機床的數控程序來。後置處理相比前置處理,工作量要小得多,程序簡單得多,因而它靈活多變。對於不同的數控機床,取用不同的後置處理程序,等於完成了一個新的自動編程系統,極大地擴展了自動編程系統的使用範圍。

(4) 程序自檢、糾錯能力強

複雜零件的數控加工程序往往很長,要一次編程成功,不出一點錯誤是不現實的。手工編程時,可能出現書寫有錯誤,算式有問題,也可能程序格式出錯,靠人工檢查一個個的錯誤是困難的,費時又費力。採用自動編程,程序有錯主要是原始數據不正確而導致刀具運動軌跡有誤,或刀具與工件干涉,或刀具與機床相撞,等等。自動編程能夠通過系統先進的、完善的診斷功能,在計算機屏幕上對數控加工程序進行動態模擬,連續、逼真地顯示刀具加工軌跡和零件加工輪廓,發現問題能及時對數控加工程序中產生錯誤的位置及類型進行修改,快速又方便。現在,往往在前置處理階段計算出刀具運動軌跡以後立即進行動態模擬檢查,確定無誤以後再進入後置處理階段,生成正確的數控加工程序來。

(5) 便於實現與數控系統的通訊

自動編程系統可以利用計算機和數控系統的通訊介面,實現自動編程系統和數控系統間的通訊。自動編程系統生成的數控加工程序,可直接輸入數控系統,控制數控機床進行加工。如果數控程序很長,而數控系統的程序存儲器容量有限,不足以一次容納整個數控加工程序,編程系統可以做到邊輸入,邊加工。自動編程系統的通訊功能進一步提高了編程效率,縮短了生產周期。

CAD/CAM集成系統

目前,國內外CAD/CAM集成系統軟體種類很多,其軟體功能、面向用戶的介面方式有所不同,所以編程的具體過程及編程過程中所使用的指令也不盡相同。但從總體上講,其編程的基本原理及基本步驟大體上是一樣的。

20世紀90年代中期以後,CAD/CAM集成系統向集成化(integration)、智能化(intelligence)、網路化(network)、并行化(concurrent)和虛擬化(virtual)方向迅速發展,我國的數控加工編程同時經歷了從手工編程到使用CAD/CAM集成系統自動編程的過程。

CAD/CAM集成系統軟體是實現數控自動編程必不可少的應用軟體,目前,在國內市場上銷售比較成熟的這類軟體有十幾種,既有國外的也由國內自主開發的,這些軟體在功能、價格、適用範圍等方面有很大差別。下面列舉一些典型的CAD/CAM集成系統軟體:

(1).UG系統

UG系統是美國UGS(Unigraphics Solutions)公司推出的軟體。它最早由美國麥道航空公司研製開發,從二維繪圖、數控加工編程、曲面造型等功能發展起來。經過多年發展,該系統本身以複雜曲面造型和數控加工功能見長,還具有管理複雜產品裝配,進行多種設計方案的對比分析和優化等功能。其龐大的模塊群為企業提供了從產品設計、產品分析、加工裝配、檢驗,到過程管理、虛擬運作等全系列的技術支持。目前,該軟體在國際CAD/CAM/CAE市場上佔有較大的份額,是目前市場上數控加工編程能力最強的CAD/CAM集成系統之一。

(2).Pro/Engineer 系統

Pro/Engineer是美國PTC公司研製和開發的軟體,它開創了三維CAD/CAM參數化的先河。該軟體具有基於特徵、全參數、全相關和單一資料庫的特點,可用於設計和加工複雜零件。另外,它還具有零件裝配、機構模擬、有限元分析、逆向工程、同步工程等功能。Pro/Engineer廣泛應用於模具、工業設計、汽車、航天、玩具等行業,並在國際CAD/CAM/CAE市場上佔有較大的份額。

(3).CATIA系統

CATIA系統是IBM公司推出的產品,是最早實現曲面造型的軟體,它開創了三維設計的新時代。它的出現,首次實現了計算機完整描述產品零件的主要信息,使CAM技術的開發有了現實的基礎。目前,CATIA系統已發展成從產品設計、產品分析、加工、裝配和檢驗,到過程管理、虛擬運作等眾多功能的大型CAD/CAM/CAE軟體。該系統主要編程功能與APT-IV/SS相同,並在很多方面突破了APT-IV/SS的限制,有了較大的改進。

(4).CIMATRON 系統

CIMATRON系統是以色列Cimatron公司提供的CAD/CAM軟體,是較早在微機平台上實現三維CAD/CAM的全功能系統。它具有三維造型、生成工程圖、數控加工等功能,具有各種通用和專用的數據介面及產品數據管理(PDM)功能。該軟體較早在我國得到全面漢化,已積累了一定的應用經驗。

(5).MasterCAM

MasterCAM是由美國CNC software公司推出的基於PC平台上的CAD/CAM軟體,它具有很強的加工功能,尤其在對複雜曲面自動生成加工代碼方面,具有獨到的優勢。由於MasterCAM主要針對數控加工,零件設計造型功能不強,但對計算機硬體的要求不高,且操作靈活、易學易用、價格較低,受到中小企業的歡迎。

(6).CAXA製造工程師

CAXA製造工程師是由我國北航海爾軟體有限公司自主研製開發的基於微機平台,面向機械製造業的全中文三維CAD/CAM軟體。它採用原創Windows菜單和交互方式,全中文界面,便於輕鬆地學習和操作。它即具有線框造型、曲面造型和實體造型的設計功能,較強的三維曲面擬合能力,又具有生成2~5軸的加工代碼的數控加工功能,可用於加工具有複雜三維曲面的零件。其特點是易學易用,價格較低,已在國內眾多企業和大專院校得到廣泛的應用。

CAD/CAM技術是科技領域中的前沿課題之一,也是當今的尖端技術??集成化製造系統核心技術的基礎。它具有高智能、高效益、知識密集、更新速度快、綜合性強等特點。近幾年來,上述CAD/CAM系統的版本升級速度非常快,CAD/CAM技術的發展和應用水平已成為衡量一個國家科技和工業現代水平的重要標誌之一。

1931年德國物理學家薩羅蒙最早提出了高速切削的理論。該理論提出:在常規切削速度範圍內,切削溫度隨著切削速度的提高而升高,但切削速度提高到一定值后,切削溫度不但不會升高反而會降低,且該切削速度與工件材料的種類有關。對於每一種工件材料都存在一個速度範圍,在該速度範圍內,由於切削溫度過高,刀具材料無法承受,切削加工不可能進行,要是能越過這個速度範圍,高速切削將成為可能,從而大幅度地提高生產效率。

高速切削加工技術

自20世紀60年代起,人們對高速加工的機理研究和應用方面做了許多探索。高速切削加工技術歷經了理論探索、應用探索、初步應用和較成熟應用等四個階段。近幾年隨著高強度、高熔點、高耐磨性刀具材料的推出和超高速電主軸的成功應用,為高速切削加工技術的推廣創造了條件。它以高效率、高精度和高表面質量為基本特徵,在汽車工業、航空航天、模具製造和儀器儀錶等行業中獲得越來越廣泛的使用,並以取得了重大的技術經濟效益。有資料統計,高速切削加工與常規切削加工相比:加工時間可減少約60%,切削速度是常規切削速度的5~10倍,材料去除率提高3~5倍,刀具耐用度提高70%。

目前高速切削加工技術逐步在製造業推廣應用,但要給高速切削下一個確切的定義還比較困難,高速切削加工的切削速度範圍較難給出。高速切削加工是一個相對的概念,它與加工材料、加工方式、刀具、切削參數等有很大的關係。

高速切削加工的優勢

高速切削加工之所以得到製造業越來越廣泛的應用,是因為它相對於傳統加工方式具有顯著的優越性,具體說來有以下特點:

1.提高生產率

高速切削加工中主軸轉速和進給速度的提高,可以提高材料的去除率。與傳統加工技術相比,高速切削加工主軸轉速高,切削進給速度高,切削量小,但在單位時間內的材料切除量卻增加了數倍。同時,高速切削加工可加工淬硬零件,許多零件一次裝夾可完成粗、半精和精加工等全部工序,對複雜型面加工也可以直接達到零件表面質量要求,進而大大提高加工生產率。

2.改善加工精度和表面質量

高速切削加工的精度很高。高速切削加工機床必須具備高剛性和高精度等性能,同時由於切削力低,工件熱變形小,切削深度小,而進給速度較快,加工表面粗糙度很小,切削鋁合金時可達Ra0.4~0.6,切削鋼件時可達Ra0.2~0.4。

3.減少切削產生的熱量

在高速切削加工中,切削過程產生的熱量大部分被切屑帶走,而不是傳到工件中去,因此,工件溫升低,熱變形、熱膨脹小,可以有效的減少工件的熱變形。

4.減小切削力

由於高速切削採用較淺的切削深度和較窄的切削寬度,因此與常規切削相比切削力可至少減小30%以上。這對於加工剛性較差的零件來說可減少加工變形,使一些薄壁類精細零件的切削加工成為可能。

5.部分代替某些工藝

常規切削加工不能加工淬火后的材料,淬火變形必須進行人工修整或通過放電加工解決。高速切削加工則可以直接加工淬火后的材料,在很多情況下可完全省去電火花加工、手工磨削等工序,消除了放電加工所帶來的表面硬化問題,減少或免除了人工光整加工,縮短工藝路線。

高速切削加工實現的要求

高速切削加工主要由兩個特點:一是主軸轉速較高,一般情況下主軸轉速在10 000~60 000 r/min;二是高速進給,進給速度一般在每分鐘幾米甚至幾十米以上。由於進給速度很大,機床主軸的慣性就成為高速加工時最不能忽視的要素,在機床和控制系統的選配過程中都要予以充分的考慮,否則,使用不當不僅會縮短設備的使用壽命,而且會影響加工質量。因此,高速切削加工技術對機床、刀具、控制系統、編程、工藝流程、設計系統等都提出了更高的要求,所以不能沿用老一套數控加工的思路。

1.高速加工對機床的要求

由於高速加工的特點,高速加工機床必須滿足以下幾個條件:首先,機床的功率必須足夠大,以滿足在加工時對機床功率速度變化的需求;其次,是必須配給結構緊湊的高速主軸,高速進給絲杠;再次,機床必須配備實心的台架、剛性的龍門框架且基體材料應對機床的結構振動衰減作用較大,這種結構對機床的結構振動衰減作用可有效消除加工中的振動,提高機床的穩定性;最後,是對伺服電機的要求,採用直接驅動的線性馬達可提高加工質量並極大簡化了結構,而且很容易達到高的線速度且能提供恆定的速率,使速度的變化不超過0.01%,從而使工件獲得最佳的表面質量和更長的刀具壽命。

2.高速加工對數控系統的要求

對於高速切削加工的數控系統,必須有高速、高精度的插補系統、快速響應數控系統和高精度的伺服系統;必須具備程序預讀、轉角自動減速、優化插補、可適用於通用計算機平台等功能。

3.高速加工對主軸的要求

由於主軸的轉速較高,為減少主軸的軸向竄動和徑向圓跳動,對主軸的結構和軸承提出了較高的要求,整體製造法可以極大的減少主軸在高速迴轉時產生的誤差。通過選用高精度的軸承,可有效提高主軸的動平衡性,從而減少工件的加工誤差。近年來,超高速電主軸製造技術的突破,對高速切削加工的應用起到了重要的作用。

4.高速加工對刀具的要求

高速切削加工中刀具的選擇非常重要,選擇刀具主要從兩個方面考慮,一是高速旋轉狀態下的刀具動平衡狀態,另一個是如何確保刀具的壽命。為保證高速旋轉狀態下刀具能夠繞軸線穩定旋轉,目前採用兩種辦法:一是採用帶有動平衡裝置的刀具,此類刀具在刀套裡面安裝了機械滑塊或採用流體動平衡設計;另一種就是採用整體刀具,刀套與刀體合為一體,以確保刀體與刀套安裝過程中間隙最小。從整體使用性能來看,整體刀具在這一方面是最理想的。但是,由於刀套與刀體是一體的,一旦刀體報廢,刀套也就一起報廢了,因此費用較高。

高速加工對刀具的總體要求是平衡、材料先進、製造精度高、安全、易排屑和多用途。

5.高速加工對切削參數的要求

高速切削加工中,在主軸轉速一定的情況下,首先要注意對切削深度的控制,包括刀具的軸向切削深度和刀具的徑向切削深度。切削深度的控制對於能否加工出一個合格零件以及延長刀具的使用壽命起到非常關鍵的作用,因此應保持穩定的切深和比較小波動範圍的切寬。一般情況下,高速加工的切削參數宜採用更高的切削速度,精加工時更少的加工余量,更密的刀位軌跡及更小的切深,以求得到高精度和降低零件表面的粗糙度值。

6.高速加工對加工編程的要求

為了避免高速加工過程中機床慣性的影響,理論上只要在切削過程中不改變進給方向就可以了,但是實際上這是不可能實現的,改變進給方向不可避免的經常使用,這就給編寫加工程序出了一個難題。因此,需要選擇合適的走刀方法來解決這一問題,以生成安全、有效和精確的刀具路徑和理想的曲面精度。一般是盡量在空走刀的時候換向,在改變進給方向之前降低進給速度。另外,只要有可能盡量保持切削條件的恆定性也是非常重要的。因為,不同刀具載荷能夠引起刀具產生偏差,這會降低工件精度,曲面精度和刀具壽命。

7.高速加工對CAM軟體的要求

在高速加工中,加工程序的編製往往需要藉助於CAM軟體來實現的。高速加工的一些理念也許容易被人們接受,但是如何在CAM軟體環境下,把這些理念落實到編程過程中,不僅需要掌握CAM軟體常用的功能,同時需要注意軟體中的一些特殊參數的設置。當前流行的很多CAM軟體並不是專門為高速切削加工定製的,在實現某些工藝要求時,需要了解所用的CAM軟體的功能。一般認為,CAM系統除應當具有對高速切削加工過程的分析功能外,還應有自動特徵識別功能、具有很高的計算編程速度、能夠對刀具干涉進行檢驗、具有進給速率優化處理功能、具有符合加工要求的豐富的加工策略、應能保持刀具軌跡的平穩、具有自動識別粗加工剩餘材料的功能和具有高速、精確的模擬加工等功能。

高速切削加工工藝規劃

安全、高效和高質量是高速切削的主要目標。高速加工按目的分為兩種情況:以實現單位時間最大去除量為目的的高速加工和以實現單位時間最大加工表面為目的的高速加工。前者用於粗加工,後者用於精加工。以銑削加工為例,對於一個高速銑削加工任務來說,要把粗加工、半精加工和精加工作為一個整體考慮,設計出一個合理的加工方案。從總體上達到高效率和高質量的要求,充分發揮高速銑削的優勢,這就是高速銑削工藝設計的原則。

1.粗加工

粗加工的目標是追求單位時間的最大切除量,表面質量和輪廓精度要求不高,重要的是讓機床平穩的工作,避免切削方向和載荷急劇變化。

為了防止切削時速度矢量方向的突然改變,在刀具軌跡拐角處需要增加圓弧過渡,避免出現尖銳拐角。所有進刀、退刀、步距和非切削運動的過渡也都儘可能圓滑。如在平面銑削時,可採用螺旋或傾斜方式的垂直進退刀運動、圓弧方式的水平進退刀運動;而在曲面輪廓銑削中,使用切圓弧的進退刀運動等。

2.半精加工

半精加工的目的是把前道工序加工后的殘留加工面變得平滑,同時去除拐角處的多餘材料,在工件加工表面上留下一層比較均勻的余量,為精加工的高速切削做準備。半精加工應沿著粗加工后的棱狀輪廓進行銑削,以便使切入過程穩定,並減少切削力波動對刀具的不利影響。另外,半精加工時刀具的切削應盡量連續,避免頻繁的進退刀。

3.精加工

精加工的目的是按照零件的設計要求,達到較好的表面質量和輪廓精度。精加工的刀位軌跡緊貼零件表面,要求平穩、圓滑,沒有劇烈的方向改變。同時,精加工中需要對工藝參數進行優化。

高速切削加工是當今製造業中一項快速發展的技術,高速切削加工正成為一種新的切削加工理念,被認為是21世紀機械加工工藝中最重要的手段。高速切削加工雖然具備很多優點,但其加工成本較高的缺點也是顯而易見的。為了降低成本,就需要對工件的整個加工流程進行合理的安排。在高速切削加工中,機床、夾具、刀具、數控系統及軟體等只是必要裝備,加工工藝方法及參數設定等因素才是直接影響加工是否成功的重要因素。這些因素需要經驗的積累及反覆實踐和總結,才能真正發揮出高速切削加工的優勢。

Bookmark the permalink ,來源:
One thought on “數控加工工藝的基礎知識