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NX CAM多軸粗加工

發布日期:2020/03/30

1. 前言

 

在五軸加工中,采用平底銑刀對復雜的模具加工表面保持垂直狀態,對減少加工時間有極大的幫助?;谖遢S加工中心的原理,其還適用于帶有角度的表面的側面銑削加工,可以消除由球頭銑刀加工所導致的肋骨狀紋路,使得模具的表面質量更加理想,也削減了因清理模具表面所需要增加的人工打磨以及手工作業的工作量,降低了不少成本。通過五軸加工技術,還可以讓工件在復雜角度再次定位,使需要進行多次的調試裝夾的問題得以解決,不僅僅使時間縮短了,其中所產生的誤差也大大降低,在安裝工件時需要的工裝夾具的大額費用也得到了節約,而機床也做到了對復雜零件的加工!例如復雜表面所需的鉆孔、錐度加工、型腔隱窩等,這些地方都是傳統加工方法做不到的。

 

盡管在復雜形狀的精加工中廣泛使用五軸加工,卻很少考慮使用五軸進行粗加工。但這樣的策略可以通過更大的可達性和更短的刀具長度要求來優化整個生產過程。例如在汽車模具制造的過程當中,加工深腔模具時要想應用三軸加工中心實現,則必須加長刀柄和刀具,但是利用五軸加工中心加工比較深和比較陡的型腔時,要想給模具加工創造較好的工藝條件可以通過工件或主軸頭的附加回轉和擺動,能夠使刀具長度得到適當地縮短,從而杜絕刀具同刀桿以及型腔壁之間產生碰撞現象的發生,減少加工時刀具的抖動與破損,刀具的使用壽命得到延長,模具的表面質量和加工效率也大大提高。

 

由于五軸粗加工在盡可能短的時間內去除盡可能多的材料,并確保精加工工序的加工余量均勻,與傳統策略相比,在五軸高速銑床上進行的機加工實驗表明了該方法的優勢。因此,在本文中將介紹以CAM方法來生成帶有刀軸自動傾斜的五軸粗加工路徑。

 

2. 粗加工簡介

 

由于嚴格的要求,尤其是在重量和使用壽命方面,當前為航空業設計的零件越來越復雜。因此,如(圖1)所示,這種復雜性導致在特定區域(例如底切和凹槽)中的刀具可達性問題,在使用3軸加工時導致生產率降低。在模具制造過程中,粗加工階段占模具總加工時間的50%至65%,因此五軸銑削方法將顯著縮短加工時間。實際上,在粗加工,二次粗加工,半精加工和精加工的整體過程中,通過5軸銑削實現的刀具可達性將減少或刪除二次開粗加工和半精加工的操作。

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生成粗加工刀軌通常有三個步驟。首先,按軸向對被加工區域進行分層,生成分層的中間表面(圖2)。這些構造與刀具軸向切削深度直接相關。其次,對每個軸向表面進行限制,以免產生瑣碎的局部空切削。第三,將徑向路徑策略應用于每個有限的軸向分層中間表面(圖3)。

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三軸粗加工仍然是文獻以及工業上的優先方法,這是因為編程和碰撞管理更加容易,并且通??梢愿斓貓绦?。但是,當零件的表面扭曲到足以產生底切區域時,這意味著會導致剩余的材料量很多,并且厚度過大的殘料需要額外的操作來減弱階梯效應并因此增加工藝持續時間(圖4)。為了克服這個問題,通常使用三軸和五軸的混合刀軌策略。這些策略主要是在三軸粗加工后添加3+2軸半精加工策略,但這種策略需要多道操作來完成。因此使用全五軸粗加工策略仍是 *佳的做法。五軸粗加工方法可在某些CAM軟件中使用,但是這些方法通常特定于葉輪狀零件,并限于用于球頭刀具。

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3. 五軸粗加工策略

 

如前所述,粗加工方法僅在需要時才傾向于使用五軸。但是這些方法導致在腔槽側面附近增加了5軸刀軌,類似于二次粗加工策略。(圖5)說明了這種現象。注意,在(圖5)和(圖6)中,每條直線代表一條徑向路徑的刀軸,而不是沿一個路徑的連續刀具軸。此外,在增加的五軸路徑漫游期間,刀具的徑向切入深度可能會有意義地增加,或者至少要承受兩個連續的徑向路徑之間的變化。實際上,刀具的傾斜從根本上改變了刀具在材料中的接合。刀具的一部分可能會出現在已經移走材料的區域,而另一部分會在材料中產生巨大的接合。因此,刀軌生成方法必須專用于連續的徑向刀軌之間沿刀軸的刀具徑向切削深度的連續變化。這種生成方法將通過減少粗加工后要去除的材料來改善粗加工工藝。

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如果能夠確定刀具軸的方向,則可以消除(圖5)紅色刀軸顯示的現象。(圖6)示出了預測刀軸取向以適合側面期望取向的情況。這樣,兩個徑向路徑之間的傾斜就更平滑了,并且材料的重新分配沿刀具軸的分布更好??赡軙诓煌膹较蚵窂街g達到更恒定的去除物料體積。


為了獲得類似于(圖6)的刀軸傾斜變化,每個徑向路徑使用2條引導曲線。 “路徑曲線可以引導刀具末端,而傾斜曲線可以限制刀軸方向。然后在曲線計算中報告確定刀軸傾斜度的復雜性。


如果要加工的體積超過軸向切削深度,則必須將其修平以固定該切削深度。該平整是通過底面偏移實現的,以避免在側面產生階梯效應,并確保每個軸向水平的切削深度為準恒定。


傾斜曲線和路徑曲線必須相對于 *大刀具徑向切削深度生成。然后,通過 *大徑向切入深度來固定2條路徑曲線或2條傾斜曲線之間的 *大距離。


為了實現上述刀軸傾斜度的改變,刀具傾斜于針對每個徑向路徑評估的2條引導曲線,即,計算刀軸以使其與傾斜曲線和路徑曲線都保持在刀具半徑距離處。后一種情況避免了在 *后的徑向路徑上進行瑣碎的局部空切削,從而允許加工型腔側面。一旦計算出刀軸,就可以通過沿計算出的軸滑動刀具直到刀具停在底面上來調整刀具位置(圖7)。

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4. 比較三軸和五軸粗加工

 

NX CAM五軸粗加工使用上面所描述的方法,對于帶有底切的封閉型腔(圖8)進行了加工仿真以分析諸如剩余材料量之類的參數,并將加工時間與三軸粗加工進行比較。

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為了使用所提出的算法生成刀軌,用戶必須提供一些信息,例如刀具幾何形狀,型腔的底部,側面和頂部表面,以及側面和地板表面上的余量,包括刀具的 *大軸向和徑向步距。在此測試中,選擇的刀具是圓角刀(直徑=10 mm,圓角半徑=1.5mm,切削長度=11mm,齒數=2)。 *大的軸向和徑向切削深度分別設置為4 mm4.5 mm。原材料是100*100*35 mm3的平行六面體。


(圖9)顯示了粗加工策略的仿真結果。每個加工零件和成品零件之間的過程毛坯(IPW)可以估算剩余的材料體積。這些值如(表1)所示。

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表1:三軸和五軸粗加工的比較


五軸粗加工

三軸粗加工

剩余量(%)

1.9

11.8

*小刀具長度(mm)

35

44

*大殘料高度(mm)

1.6

5.1

殘料高度的標準偏差(mm)

0.24

0.93

 

借助五軸策略,實現無碰撞的加工所需的 *小刀具長度有望縮短,從而改善了刀具的可觸及性。從(表1)得知,與三軸粗加工相比,使用五根軸可提供更高的刀具可觸及性,使刀具更有效地到達底切區域。此外, *大殘料高度以及殘料高度的標準偏差反映了底面上剩余體積的均勻分配。

 

為了真正比較這兩種切削策略,應該統計產生相同的剩余材料體積的加工時間。通過模擬估算這兩種策略的實際粗加工時間,顯然,五軸粗加工方法可顯著提高材料體積去除率,但由于五軸路徑在旋轉軸上具有運動約束,因此三軸粗加工時間比五軸粗加工時間短得多。但是,三軸粗加工在底面上產生的臺階會導致更高的殘料高度,并且由于刀具可及性,在CAM模擬中計算出的剩余材料體積在3軸粗加工中也明顯更高。因此,為了滿足相同的剩余材料體積,三軸粗加工必須加入后續的二次粗加工時間。反觀,在五軸粗加工中的殘料較少,可以避免二次粗加工。因此,經過優化的三軸操作包括一次粗加工定位和四次粗加工定位,(表2)總結此結果。

 

表2:五軸粗加工和三軸優化粗加工之間的比較


五軸粗加工

三軸粗加工

三軸粗加工(優化)

加工時間

9 min 35 s

5 min 44 s

20 min 04  s

剩余量(%)

1.9

11.8

3.8

材料去除率(%/秒)

0.17

0.26

0.08

 

由于刀具在三軸策略中的可觸及性,因此無法減少剩余的材料量以達到五軸粗加工值。由于要達到 *大去除量需要進行大量的粗加工作業,因此在三軸刀軌下的粗加工時間也大大延長。很顯然的,以三軸和五軸粗加工在結束時獲得相同的質量為目標,使用五軸粗加工確實可以顯著縮短加工時間。

 

5. NX CAM多軸粗加工法介紹

 

五軸粗加工可通過 *少的設置/粗加工操作幫助客戶接近半成品形狀。使用傳統的粗加工,客戶可能需要在不同的設置上進行幾次粗加工,以達到相同的半成品形狀。這也可以幫助客戶顯著減少精加工周期時間??偟膩碚f,節省加工時間是很重要的。

 

NX CAM多軸粗加工是一種新的操作類型,允許客戶在五軸環境中創建優化的粗加工路徑,可用于在多個切削層中使用可變軸刀具路徑對零件進行粗加工的方法,客戶可以在多軸粗加工中使用球頭,牛鼻或平底銑刀,切削層遵循驅動底面,驅動頂面或兩者之間的插值的偏移量(圖10)。在整體刀具路徑中,刀軸始終保持垂直于驅動面,客戶也可以使用自下而上的切削策略來去除切削層之間殘留在側壁上的材料。

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切削模式支持「自適應」和「跟隨零件」兩種模式,自適應銑削是用于粗加工的高速粗加工方法(圖11)。該功能使客戶可以增加軸向切削深度,同時將步距減小到小于刀具直徑的25%。以較小的切屑厚度進行切削,可以提高進給速度。


自適應銑削可以實現輕便,快速的切削動作,從而使金屬去除率高達60%。這種先進的粗加工策略可減少切削區域中的熱量產生和振動,從而減少切削工具的磨損,延長刀具壽命。

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使用NX CAM多軸粗加工可獲得以下利益:


  • 免除在多任務的情況下完成多軸粗加工(如多個3+2軸型腔銑)

  • 一次粗加工即可更接近零件的 *終形狀,同時減少精加工時間

  • 機床以高進給率使用深切削

  • 使用較小的徑向深度實現一致的切屑厚度

  • *大限度地減少刀具振動和發熱

  • 提高材料去除率,減少設置并 *大程度減少精加工,同時延長刀具壽命

  • 高性能切削(HPC)和高動態切削(HDC)在一次操作中完成

  • 節省加工時間,滿足高質量的均勻表面殘料

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6. 結束語

 

本文討論了NX CAM針對復雜封閉型腔的多軸粗加工策略,NX CAM多軸粗加工具有自動刀軸傾斜計算刀軌生成算法,該策略基于連續生成的導向曲線,這些曲線是根據原材料的形狀和所需的切削條件自動計算出來的。與傳統的三軸粗加工技術相比,NX CAM模擬和實際加工在去除材料量以及完成精加工之前所需的加工時間方面都比傳統的三軸粗加工技術更具優勢。應用于多型腔的航空零件時,這種五軸粗加工策略將消除二次粗加工和半精加工作業,從而顯著縮短整體加工過程的時間。

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