就业指导/Solution
实用的模具高速加工技巧

在模具加工生产中,编程员可以使HSM工艺的效率大大提高。

为了成功地达到高速加工的目的,提高主轴转速、降低切屑负荷、减少刀具路径的转弯角度使其过渡更加圆滑等,这些都是需要重点考虑的问题。然而,NC编程员和机械师们如果只停留在这些问题上,那么他们就会发现,不但会经常引起刀具断裂,还会在某些参数问题上出现问题,如跨距、进给率和切削深度等。

凡是成功的机械师和编程员都会认识到,高速加工是一种本质上完全不同的加工方法。

保持材料的恒定切削

在一个经过优化的系统中,所有的操作元素,只要求比它们所能发挥的峰值能力低一点儿,没有一项需要超负荷发挥,这就是我们在高速加工中应该努力达到的目标。为了避免刀具在加工过程中的损坏,加工速度和进给率都应保持在刀具路径所能承受的峰值负荷之内。然而,在所有的非峰值负荷操作期间,速度和进给率应该以这样的方式设定:让刀具的速度低于其可能达到的极限速度。在整个切削过程中,我们希望刀具在其阈值的边缘范围内工作。也就是说,我们希望材料的切削保持恒定不变的状态或保持恒定的切屑负荷。如果切屑负荷不稳定,那么可能会发生以下两种情况:要么是该工艺损坏了刀具,要么是该工艺运行速度太慢。

在CAM编程过程中,优化粗加工的金属切削速度是最重要的一个步骤。根据刀具和材料的某一特定组合情况,加工工作台所推荐的切削深度和跨距是假定您在整个的刀具路径中采用同样的跨距进行粗加工切削的。然而,如果您的路径涉及到开槽移动,或无意中陷入到圆角之中,那么刀具可能会碰到比预期更多的材料。

只有当需要切削的材料各个面都是开放式的时候,采用简单的偏置加工模式才是最理想的。如果需要加工的壁面与您准备进行粗加工的区域相邻,那么这一加工模式可能会造成刀具在整个材料上开槽(图1)。更好的办法是选用零件随同偏置模式。这种加工模式是从零件的壁面开始的,逐渐向内加工,这样可避免开槽。即使这一刀具路径包括许多快速的切削运动,但由于这一模式允许增加跨距,整体的加工时间也可以随之减少。最好的办法是采用摆线加工模式,它可监控刀具的切削量,保持稳定的阈值。



图1 采用普通的加工模式(上),刀具需花费一定时间开槽;采用零件随同加工模式(中),可提高工艺的加工效率,避免开槽;采用摆线加工模式(下),可进一步使工艺的效率提高,防止刀具陷入其中

坚持Z水平操作

在大多数情况下,与预计的精加工操作相比,通过Z水平操作(也称作“水平线”或“Z常数”加工)对3D表面进行精加工,可提供更好的材料接触性能和更稳定的表面粗糙度。在固定的轴向切削深度和从上向下的切削过程中,采用Z水平操作可保证稳定的材料切削速度和稳定的刀具适应能力。相反,预计的光栅操作需根据零件的几何形状上下爬坡,当它们在攀爬陡坡时,以及在轴向接触的过程中会受到大量波峰的影响。如果这些峰值负荷区没有使刀具损坏,那么该工艺中的非陡坡零件切削速度也会变得太慢。

了解控制系统

某些控制系统具有高速处理的模式,在粗加工操作过程中,亚微米级精度会受到过度的影响,但它可为加速性能和减速性能提供有利的条件。例如,在Makino机床上采用Fanuc控制系统,在进行粗加工周期前,只要以简单的M251代码进行车削加工,就可使粗加工时间减少30%。西门子的Sinumerik 840D控制系统也具有同样的高速周期性能(832周期),这可以允许用户设定各种不同速度的最佳模式。来自UGS公司NX类的先进CAM系统可以提供专用的操作样板,一旦其设置值确定以后,就可用来自动操作。

较短的刀具更为理想

刀具是采用悬臂安装的,刀具的作用力集中在自由臂上。根据物理公式证明,刀具的偏差是与刀具的长度成正比的。例如,一把直径6 mm、长度24 mm的刀具与一把长度20 mm的同样刀具相比,其偏差要比后者高50%(图2)。



图2 刀具长度增加20%会使刀具加工偏差增加50%

刀刃上的偏差主要来自于刀具的各种负面效应,如刀具的颤振、摆动和冲击负荷。因此应尽量将这些偏差降低到最低限度,这一点是非常重要的。降低刀具的长度是控制刀具偏差的最好办法,而且仍然能保持其材料的高切削速度。在UGS公司的NX加工中,刀具长度顾问向用户提出了刀具的最低长度要求,确保其以足够的长度来加工某一特定的几何形状。

不要直接攀越陡坡



图3 上边的刀具路径可使刀具轻松地攀越陡坡。将刀具的路径角度改变45°以后(下)有利于降低刀具上的负荷

徒步旅行者可以告诉你,在爬山时,需要保持一定的角度才能更有效、更容易地攀越山坡。对于立铣刀来说,要攀越陡坡也是非常困难的,因为在攀坡过程中,刀具将会碰到更多的材料。当坡度越来越陡时(如在大部分的模具型腔和型芯的吃刀面上),刀具的轴向阻力会大大增加。这一阻力可能会使刀具折断。

有两种技术可以降低刀具在爬坡过程中产生的巨大阻力。一种是采用曲折的路径来改变爬坡角度,使刀具接近坡壁的角度为45 ,而不是让刀具直接往坡度里拱动前进。总之,以一定的角度爬坡有利于降低其有效的坡度,以免刀具超过负荷(图3)。采用45 切削的另一个好处是,在0 ~90 的圆角运行在每一次走刀过程中只是暂时性的接触,这样,可使刀具有一段恢复的时间。在经过几道走刀以后,与这些圆角平行的切削将会增加刀具的负荷,可能会使刀尖的温度上升,削弱刀具的强度。

为避免刀具在切削坡壁时发生过载现象,还可以采用另一种技术,即采用Z水平操作方法,预先加工这些坡壁。然后再进行整个零件上曲折区域的铣削加工,而这些坡壁的预加工意味着刀具在碰到这些坡壁时,其之字形曲折铣削可避免刀具增加不必要的负荷。

加强与刀具设计者的互动



图4 增加此处的闭合圆角半径可使零件的加工时间减少20%

与其他的特点相比,某些特点需要更仔细的编程和加工。例如,在模具零件的加工中,经常会碰到一些较小的凹面圆角半径和狭窄的槽缝。因此,应该让你的刀具设计人员了解这类潜在的、具有挑战性的加工实例,它们会使你们的加工变得更加容易。例如,大部分闭合模具的表面不需要精密的垂直圆角和槽缝。这些是很容易修正的,从而使零件的加工更加容易和更加快速(图4)。总之,有效的高速加工不仅仅涉及到主轴的转速、进给速度和刀具路径的圆滑程度,而且还要注意到刀具路径本身的性质,甚至还涉及到更广泛的交流和联系。

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