微量铣削中CAD/CAM要考虑的问题

   在设计机床切削刀具和夹具的过程中,高效地铣削微型模型和微型零件的各个部位时所面临的挑战,令人胆怯。为一把刀具找到最佳的刀具路径,可以说也同样令人感到困难,因为机床操作者或许根本看不到或听不到它在进行切削。与一般的铣削操作不同,操作者没办法说出在切削中刀具的表现如何,以便做出所需的改变,把这道工序最佳化。此外,可能适合于 “ 典型 ” 铣削工件刀具路径策略,并不能总是可以精致地、按比例缩小以便用于微量铣削。

     另外,医疗电子和光学零件的小零件加工有更高的要求。鉴于这个趋势,位于德国 Aachen 市的 Frauhofer 生产技术研究所 (IPT) 最近发起了一个微量铣削研究项目,与机床设备制造商和模具制造商联合,目标是开发出高效微型模具制造的策略和加工方法。在开发微量铣削 NC 软件方面,他们已能高效地计算出公差为 0.1 微米的刀具运动。位于美国密执安州 Novi 市的 Cimatron 公司是一家软件公司,它也参加了 IPT 项目。参与的结果是通过加入微量铣削工作的各种功能,提高了 Cimatron E NC 软件的性能。

   Uri Shakked 是 Cimatron 的一位产品经理,擅长于微量铣削。他提供了生成微量铣削刀具路径时所要考虑的以下 5 个问题:

     1) 开发适合于微量铣削的加工策略。高速加工与微量铣削之间确实存在相似之处,例如避免尖锐的刀具运动。当趋近角落时,刀具的路径应该是圆形的,圆度的大小取决于机床和进给率。当进行微量铣削时,在低于某一个值的情况下,弄成圆形实际上没有用。例如, 0.2 毫米的圆角就太大了,因为典型微量加工的跨度都特别小(接近 0.01 毫米)。在这个例子中,圆度值是跨距值的 20 倍,这意味着接续的工序之间会产生宽沟,形成明显的凹凸纹路和很差的表面质量。

     Cimatron 开发的零重迭旋轮线法提供了清除这种切纹的方法。该方法用旋轮线的形式加工所有相关的区域,但为了防止双重加工,刀具回程运动时从工件表面在 Z 轴方向提升。然后,在后续的正向运动中,刀具会以与刀具路径相切的方向进入。

     高速加工使用高的进给量,允许切屑排掉由切削导致的热量;高的主轴速度产生高的切削进给量;高进给率减少了加工时间,允许用小的步距值进行切削。虽然进给率受到刀具切削刃最大切屑尺寸的限制。但因为微量铣削刀具直径很小,主轴速度通常太慢,不能产生高的切削进给,从而限制了可得到的最大进给率。例如,为了使 10mm 的刀具达到 100 米 / 分的切削进给率,主轴速度应该大约为 3200 转 / 分。对于 0.1mm 的刀具,主轴转速必须为 320 000 转 / 分。这样高的主轴转速目前是没有的。 0.1mm 的刀具最大可能的进给率大约为 15 米 / 分,距公认的高速切削相差很远。

  用 0.1mm 直径的切削刀具铣刺,如这图所示的情况,在设备和编程软件方面都有很大的困难。
 
     2 )逆铣通常比顺铣效率更高。对于微量铣削,决定用逆铣还是顺铣主要取决于被加工零件的特性。考虑到微型模具和微型零件上通常具备的精密特性,通常选择逆铣方法。

     当刀具较长或工件壁很薄时,微量铣削最适合用逆铣。当切削刃切入材料时,产生切削力,切削刃倾向于拉入工件,这就提供了一个稳定的切削条件,很适合于软材料和精致的零件。

     然而,逆铣会对刀具的切削刃造成潜在的损坏。当切削刃完成切削时,它会被切削件退出。当转回进入下一次切削时,它会钻挖进被切削件。这就导致切削刃上的力迅速改变方向,从而缩短刀具寿命。
 
     在顺铣中,刀具以最大的切屑尺寸咬合被切削件,刀具和零件倾向于互相推开。机床、工件和切削刀具必须有足够的刚性以避免振动。否则,刀具寿命会缩短,表面质量较差。

     3 )可能需要结合粗 / 精铣工序。粗精铣工序通常是分别进行的,采用不同的主轴速度、进给率和切深。但在微量铣削时,可能无法实现,特别是当加工小型零件上高的、薄的壁或轮毂、轴套时。粗铣后的壁厚将不足以支持精铣操作,造成精铣的振动或可能断裂,至少壁表面的光洁度很差。

  当微量铣削时,薄壁铣削、粗、精铣削应合成一个工序。在壁的两侧,在 Z 轴方向一层一层地切下。刀具应该倾斜,离开被加工的壁,以保证刀具与壁之间有一个接触点。
 

  铣削精密区域时留下的纹,能用零重迭旋轮线加以清除。用这方法,刀具反向运动在 Z 轴方向从工件提升起来,然后刀具在切于相继正向运动刀具路径的方向切入,产生较好的表面光洁度。

     4) 应保持恒定的刀具载荷。在一般的模具制造应用中,机床操作者常常手动调整进给率,如需要时换刀或手动编辑刀具路径,以使效率更高。由于在微量铣削中零件和使用的刀具微小,在加工过程中,操作者没有实际方法看到或听到发生什么情况。这就是为什么微量铣削软件在整个切削过程中必须能精确保持恒定切屑载荷的缘故。

     Cimatron 软件能识别在整个过程中实际余留的裕量,并用这个数据来进行取决于刀具载荷的调整。这就能加快加工时间,同时保护精致的微量铣削刀具不会断裂。在主要改变工件几何形状的粗切过程中,该软件仿真每层后遗留的裕量。这样能使刀具进入以前各层清除过的位置,从而能使用较短的刀具切入较深的区域。

     在清除工序中,该系统能检测出过多的材料,并自动加上再粗铣工序。再粗铣运动可以防止刀具断裂、保持恒定的刀具载荷和提高表面质量。该软件可根据要切除多少材料,自动改变进给率或把刀具路径分成若干下游工步。

     5 )当心 CAD/CAM 数据转换问题。在单独的 CAD 和 CAM 软件包之间的数据转换误差,对加工精度有负面影响。当微量铣削时,这些不精确性会更加严重。集成的 CAD/CAM 软件包消除了这样的数据转换问题。例如,在一个相当大的零件上的两表面之间 0.005mm 的凹陷的转换误差可能不成问题,因为零件可以抛光。但在微型模具或微型零件上抛光常常是不可能的,因而微型铣削的零件表面上,可以清楚看到同样尺寸的凹陷。

     几乎任何 CAM 编程工作都需要一些几何修补过程,这意味着 CAM 软件应该包括内部 CAD 能力。当制作模型时,冷却和排出孔通常都盖住,以防止切削刀具加工到这些部位。另外,表面必须扩展到在另一调整中将要加工的保护区。能不能产生或修改零件的几何形状,影响刀具路径的编程方法。

  工艺装备的 CAD 应该由了解工艺过程需要的工具制造者来完成,诸如 NC 编程员。在许多情况下,只有在编程过程中,才能清楚需要某种几何修正。

 


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