复杂型面的数控加工
一、复杂型面的主要加工方法
复杂型面在工具和模具制造中的出现是大批量市郊率生产的产物。在汽车工业中使用的锻模和冲模在数控机床出现以前主要以手工方式制造。至70年代以后,数控机床在工具和模具制造中得到了广泛的应用,复杂型面的基本轮廓通常用铣削加工,最初使周围数控机床为三轴联动。进入80年代后,五轴联动的铣床在复杂型面加工中得到了广泛的应用,铣削后的工件轮廓已经十分接近工件的最终形状,但最后一道精整工序仍为手工操作。80年代末期,高速切削技术逐步发展成熟,它在工业生产中的应用从机床、刀具及其他相关技术方面都得到了不断的完善。由于高速切削能够成倍地提高进给速度,所以在不降低生产效率的情况下使减少进刀间距成为可能,从而为提高工件的形状精度和降低表而粗糙度提供了前提条件。目前,高速铣削加工过的工件多数已不再需要最后一道手工加工的工序,而直接可以投入使用。
新型刀具材料如氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金属陶瓷、硬质合金特别是超硬镀膜的不断发展,使硬面铣削成为可能。模具的型面可以在淬火后铣削成形,从而可避免在铣削后再淬火而引起变形。这样既简化了加工过程,又可以提高工件精度。
另外,随着精密锻造在模具制造中的应用,锻打后的模具毛坯已经具有其基本形状,所剩的加工余量与整块毛坯铣削时相比已经微不足道,在这种情况下,除铣削外,还可以通过高效磨削进行加工。与硬面铣削相比,高效磨削不但可以提高工件的形状精度,而且可以改善工件的表面粗糙度。高效磨削的方法很多,通常采用的有球面砂轮高速磨削和小直径带轮的砂带磨削。
二、复杂型面数控加工的技术关键
工具和模具中常见的三维自由曲面通常在五轴联运的加工中心上进行切削。由于工件的材料大多为合金钢或工具钢,机床的结构和数控系统必须考虑加工过程中生产率和工件精度的要求,并以此为依据进行适当的布局和优化。为了保证机床在切削各种模具材料时不发生太大的变形,在确定机床布局时,机床刚度应放在首位。较大的五轴加工中心,多半采用龙门式结构,一些中小尺寸的五轴加工中心有时也采用立柱式结构。
进入90年代以来,复杂型面在生产中几乎全部以高速切削的方式进行加工。目的是为了提高生产效率,降低产品的成本,同时提高工件的形状精度和降低表面粗糙度。为了满足高速切削的需要,机床的主轴几乎无一例外地采用电主轴。主轴转速根据所用刀具直径的不同进行无级变速,转速范围从每分钟几千转至几万转。滑台的驱动系统在高速切削时也不同于常规加工中心,常用的系统有高速丝杠螺母副驱动和直线电机驱动,最大的进给速度可以达到100m／min以上。
在加工复杂型面时,机床的数控系统也必须满足一些特殊要求。比如,复杂型面的数控加工程序一般在CAD／CAM软件上生成,一个型面的程序往往需数兆字节(Byte)的储存空间,用软盘传递数控程序已经没有可能。所以数控系统必须有与其他计算机系统联网的功能,以便直接从CAD／CAM上接收数控程序。
此外,数控系统还必须采用先进的控制技术,首先要求有前瞻(Look Ahead)的功能。也就是说,在机床加工某一轨迹前,数据系统对要加工的曲面进行预先分析,根据曲面各点的曲率以及各相邻点的衔接关系,适当调整机床的进给速度,以便在保证工件精度的前提下达到最高的生产率。
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