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                高速加工技术在模具制作中的应用

                发布者:kefu 发布日期:2017-01-09

                20世纪30年代,德国科学家Salomon通过→对不同材料进行切削试验,发现了一个有趣的现象:随着切削速度的增加,切削温度随之增加,单位切削力▲也随之增加,而当切削速度增加到一定临界值时,如再增加,切削温度和切削力反而急剧下降。由此,提出了高速加工的概念,所谓高速加工就是指切削速度高于临界速度的切削加工。对不同的切削材料和不同的切削方式来说,高速切削定义的切削速度的范围也不同,对○于铣削铝、镁合金,切削速度大于1000m/min可称为高速加工,而对于加工铸铁或钢,切削速度大于305m/min就可以称为高速加工了。随着技术的发展,高速加工的概念也在不断变化,一般而言,高速铣削除了具有高的切削速度和主轴转速︾外,还应具有高的进给速度。如一般精铣加工可达到5000~15000mm/min 快速进给可达到20000~60000mm/min。

                与常规切削加工〗相比,高速加工有如下一些优点,

                ①由于采用高的切削速度和高的进给速度,高速加工能在单位时间内切除更多的金属材料,因而切削效率高;

                ②在高速加工的时候,可以采用较少的步距,达到提高零件表面质量的目的,采用高速加工∮技术,可以使得零件表面达到磨削的效果;

                ③由于高速ぷ加工时切削力大大降低、大部分切削热被切屑带走,因而工件的变形大大减少;

                ④高的切削速度意味着高的主轴转速,机床运转激励的振动频率能大大高于工艺系统的固有频率,因而使机床◤和工艺系统的振动小,工作平稳,这也有利于提高被加工零件的精度和表面质量;

                ⑤由于高速加工时,切削温■度较低,单位切削力∮较小,因而刀具的耐用度能拥有提高。

                由于这些优点,所以高速加工首先在航空航天制造领域拥有应用。高速加工给航空航天带来的影响有:

                ①传统非常难以加工薄壁零件、柔性材料零件的加工,可以利用高◥速加工的切削力小、切削温度低的优点,利用高速加工技术进行加工;

                ②高速加工的切削力小、切削效率高,可以采用长径比很大的刀具进行加工,因而传统的**设计为组合件的一些零件可以设计为整体件了№。如蜂窝零件、飞机的整体框梁等。由于当时高速加工属于尖端的加工技术,并且主要应用于航空航天等国防制造领域,因而发达国╳家对高速加工机床的出口实行管制政策。随着技术的进步,高速加工技术不断成熟,高速加工机床的成本也不断下降,使得高速加工技术已具有向民用制造业转移的可能性,高速加工技术在模具制造行业有广阔的应用→前景。

                根据高速加工技术的特』点,高速加工技术应用于模具制造业中主要有如下一些优点:

                ①减少加工工序,粗加工后,直接精加工,不需要半精加工;

                ②表面质量提高,减少或不需要打磨;

                ③精度提高,减少试↑模工作量;

                ④可以使用小刀具加工模具细节,减少电极制作和电加工工序;

                ⑤可以在高精度、大进给的方式完成淬火∏钢的精加工,且达到很高的模具表面质量,因而可以减少传统加工因精加工后再淬火引起模具变形。

                高速加工技术主要涉及机床、刀具、和高速加工数控编程3个方面。目前,高速加工机床和刀具技术已取得了相当进展,为大发888casino下载高速加工技『术得广泛应用奠定了基础。

                2 高速加工机床

                实施高速加工技术,首先应有高速加工机床。高速加工机床具有不同于传统数控机床的特点

                (1)高速加工机床的主轴部件,要求采用耐高温、高速、能承受大的负荷的轴承,同时主轴动平衡性能∑ 好,有良︻好的热稳定性,能够传递足够的力距和功率且能承受高的离心力。主轴的刚性好、有恒定的力矩。带有检测过热装置和冷却装置。

                (2)高速加工机床的进给系统一般采用直线电机驱动,能够实现高的进给速度,达到大的加速度。

                (3)高速加工机床采用高性能的数控系统,克服传统数控机床的运算速度低和伺服▲滞后等缺陷,从而能实现高精密伺服控制、高速数控运算和全公差控制功能。

                (4)高速加工的机床结构一般通过优化设计采用较轻的移动部件,从而能获得高的加速度特征。

                (5)为了能获得高的静态和动态刚度,适应高速旋转的需要,高速加工机床对刀ㄨ具有严格的要求,尤其是对主轴于刀柄的联结▂有特殊的々要求,广泛使用的HSK刀具一般使用1 10的小锥度,而不使用传统的大锥度刀柄。

                (6)高速加工具有数控代码预览功能,即高速加工机床的数控系统在进行切削加工的过程中,其读取的加工代码可以有一定量的超前,以便于机床调整进给速度以适应刀具轨迹变化的需要。

                3 面向高速加工的数控编程基本原则

                高速加工对加工工艺走刀方式有着特殊的◣要求,高速加工的数控编程是一项非常复杂的技术,NC代码的编程员**了解高速加工的工艺过程,再编制数控加工程序时,将这些加工工艺考虑进去,一般来说,在利用高速加工技术进行模具加工时,应注意如下一些原则:

                (1)高速加工时,由于进给速度◥和切削速度很高,应当避免刀具突然切入和切出工件,避免切削力的突然变化减少冲击。因而,编程者应当能够充分预见刀具是如何切入☆工件,如何切出工件,尽量采用平稳的切入切出方式,下刀或行间、层间的过渡部分**采用斜式下刀或圆弧下刀,避免垂直下刀直接接近工件材料。

                (2)在进行高速加工时遇到加工方向改变时,机床√为了保证加工的精度,避免过切,通过◥其预览功能,在加工方向进行改变时一般会自动进行进给速度的调整。但是,当加工方向突然改变时,由于机床的加速度是有限制的,因而,有可能做不到及时的速度调整,造成过切或(欠切),严重的将造成刀具断裂。同时,不断地调整进给速度会严重⌒ 降低效率。因而,编写高速加工数控加工程序时,应尽量避免加工方向的突然改变。行切的端点采用圆弧连接,避免直线连接、层间应采用螺旋式连接,避免直线连接。

                (3)要尽可能维持恒定切削负载,切削深度、进给量和切削线速度一定要协调好。当遇到某处切削【深度有可能增加时,应降低进给速度,以保持恒定的负载。编写高速加工▽的数控程序时,应能充分考虑残留余量的效应,**编程软件有残留余量的分析功能,做基于残留余量的刀具轨迹计算。同时,要注意刀具的实际切削位置,避免切削线速度减低的现象发生,确实处于正常的高速加工切削速度范围,应尽量使用多坐标编程,通过刀轴旋转来维持恒定的切触点位置,维持恒定◢的切削速度。

                (4)刀具路径越简单越好,应尽量采用圆弧、曲线等插补功能,传统的加工模具时采用的密集点数据刀具路★径,不太适合于高速加工,一方面数据量太大,加□ 重数控系统的数据处理负担,造成进给速度要适应数控系统的处理速度而减低。另一方面,密集的直线段之间,是C0连续的,因而△数控系统要不断地调整进给速度,造成进给速度升不上去,严重影响加工效率。

                (5)在进行高速加工编程时,大发888casino下载无论从加工精度还是加工**性考虑,都应该进行充分的干涉检查和加工过程仿真。

                (6)注意进行多种加工方案的对比分析,选取**的切削方案。

                4 高速加工对NCP系统的要求▂

                为了能适应高速加工数控编程的要求,针对高速加工的数控编程系统应该满足相应的特殊要求。

                (1)NCP系统应该具有高的计算编程速度,在高速加工中,一般可采用非常小的进给量和切削深度,因而计算量较传统的数控编程大得多。同时,由于高速加工对工艺的严格要求一般需要不同方案的】对比分析,这更加大了编程工作量,所以要求编程系统应该具有高的编程计算速度。

                (2)NCP系统应该具有全程自动防∩过切能力和自动的干涉检查能力。高速加工以高出传统数控加工近10倍的切削速度和进给速度,一旦发生过切或干涉,其后果将十分严重。传统的模具数控加工编程系统一般采用面向曲面的局部加工,比较容易◥发生过切现象,一般都是靠人工选择干预的方式来防止,很难保证过切防护的**性。另外,高速加工在模具的加工制造中经常用于模具细节部分的加工,以取代传统的电极加工,这是,比较容易发生刀柄的干涉,这就要求NCP编程系统能自动检查报告。

                (3)适合高速加工的NCP系统,应该能自█动进行进给速率和切削速度的优化处理,从而保证在高速加工时的**的切削效率、**的切削条◣件和切削加工的**性。

                (4)高速加工编程系统应有刀具轨迹的编辑优化功能,避免多余的空刀和通过对刀具轨迹的镜向、复制、移动、旋转等操作避免重复计算,提高编程效率。

                (5)高速加工编程系统应该有NURBS曲线插补的编程功能,通过使用NURBS插补编程,减少程序长度。

                (6)适合高速加工编程的系统应该有≡符合高速加工工艺要求的加工策略。如丰富的行间、层间连接方法,丰富的进刀和退刀方法,基于残留余量的刀具轨迹计算方法。

                (7)适合高速加工变编程系统,**能引入工艺系统的参数、材料的**切削条件、机床的允许加速∮度等参数,能够自动确定允许的加工方向变化的程度(即确定不同曲率半径的圆弧段允许的进给速度的变化程度),轨迹上*小的曲率半径与进给速度的关√系,能够满足ζ高速加工对切削线速度的自动的调整。5 具有高速加工编程能力的NCP系统简介

                目前有关适合高速加工编程的NCP(CAM)系统的研究引起了较为广泛的重视,在许多商用CAD/CAM系统,如英国Delcom公司的PowerMill、以色列的Cimatron、美国的Unigraphics PTC公司的Pro/Engineering,CNC公司的MasterCAM等在传统的NCP模块中添加了适合于高速加工编程的工艺●策略。

                大发888casino下载概括起来主要有如下一些方法:

                (1)采用光滑的进刀、退刀方式。

                在传统切削轮廓的加工过程ω 中,有法向进、退刀,切向进退刀和相邻轮廓的角分线进退刀等。而在高速切削加工轮廓的过程中,应尽量采取轮廓的切向进退刀方式以保证╳刀具轨迹的平滑。在对曲面进行加工时,传统的数控加工方法一般采用Z向垂直进、退刀,曲面正向与反向的进、退刀等ξ方式,而在采用高速切削的方法进行曲面加工时,可采用斜向或螺旋式的进刀方式。同时,CAM系统应该采用基于知识的加工方法,这样当螺旋式进刀切入材料时,系统会自动检查刀具信息,如果发现刀具具有盲区时,螺旋加工半径就不会无限制减小,从而避免撞刀。这就♂对加工过程的**性提供了周全的保障。

                (2)采用光滑的移刀方式。

                这里所说的移刀方式指的是行切中的行间移刀,环切中的环间移刀,等高加工的层间移刀等。应用于传统切削加工方式的CAM软件中的移刀方式大多不适合高速加工的要▓求。如在行间移刀时,刀具大多是直接垂直于原来行切方向的法向移刀,导致刀『具路径中存在尖角;在环切的情况下,环间移刀也是从原来切削轨迹的法向直接移刀,也会导致刀具轨迹出现不平滑的情况;在等高线加工的层间移刀时,也存在移刀尖角。这些导致加工中心频繁的预览减速影响了加工的效↘率,从而使高速加工不能**达到高速加工的目的。

                在行间切削用量(行间距)较大的情况下,可以采用切圆弧连接的方法进行移刀。但是当行间距较小时,会由于半径过小而使圆弧近似地成为一点,进而导致行间的移刀变为直线移刀,从而也导致㊣机床预览减速,影响加工的效率。在这种情况下,应该采用高尔夫球竿头式移刀方式。

                环切的移刀通常「有两种方式,一种是圆弧切出与切入连接。这种方法的缺点是在加工 3D复杂零件时,由于移刀轨迹直接在两个刀具路径之间生成圆弧,在间距较大的情况下,会产生过切,因此该方法一般多用于在加工中所有的刀具路径都〓在一个平面内的2.5轴加工;另一种是空间螺线式移刀。这种方法由于移刀在空间完成,所以避免了上面方法的缺点。

                在进行等高加工时,切削层之间应采用多种螺旋式的移刀方式。

                (3)加工残余分析功能。

                高速加工过程中,为了●延长刀具的使用寿命和保证加工零件的表面质量,应尽可能保持稳定的切削参数,包括保持切削厚度、进给╲量和切削线速度的稳定性。当遇到某处切削深度有可能增加时,应该降低进给速度,因为负载的变化会引起刀具的偏斜,从而降低加工精度、表面质量和缩短刀具寿命。所以,在很多情况下有必要对工件轮廓的某些复杂部分进行预处理,以使高速运行的精加工小直径刀具不∞会因为前道工序使用的大直径刀具留下的“加工残余”而导致切削负载的突然加大。因此,许多软件提供了适用于高速加工的 “加工残余分析”的功能,这一功↑能使得CAM系统能够准确地知道每次切削后加工残余所在的位置。这既是保持刀具负载不变的关键,更是关系到高速加工成☆败的关键。

                (4)具有全程自动过切处理及自动刀柄干涉检查功能。

                高速加工的切削速度比传统的加工方法高出大』约10倍多,一旦发生过切或干涉,其后果不堪设想。在高速加工中,一个提高加工效率的重要手段是采用残余量加工或清根加工,也就是采用多次加工或采用系列刀具从大到小分次加工,直至达到所需尺寸,而避免用小※刀一次加工完成。这就要求系统能够自动提示*小刀具直径以及*短夹刀长度,并能自动进行刀具干涉检查。此外,在进行数控加工◥之前,为了能够让用户直观地判断加工过程是否发生过切或刀柄的干涉,CAM系统应该提供加工过程的动态仿真验证,即把加工↘过程中的零件模型、刀具实体、切削加工过程及加工结果,采用不同的颜色一起动态显示出来,模拟零件的实际加工过程,不仅可以∏观察加工过程,而且可以检验刀具与约束面是否存在干涉或加工过切的情形;更为先进的方法是将机床模型与加工过程仿真结合在一起,还可以观察刀具是否与加工零件以外的其它部件(如夹具)发生干涉碰撞。

                (5)采用新的加工方法Ψ 。

                a.基于毛坯残留知识的加工。

                近年来,许多软件为了适应高速加工的需要,引入了“二次粗加工”的思想,该思想正是“毛坯残留知识”算法的核心。基于毛坯残留知识的加工,简单地讲就是基于残留毛坯的加工。在目前使用的许多粗加工方法★中,这种方法已经拥有大家的一致认可。它的工作过程是:先执行首次粗加工,然后将加工】拥有的形状作为生成下次粗加工刀位轨迹的新毛坯。然后根据新毛坯,使用各种走刀方式(如行切,环切等)进行粗加工。其实整个过程的思想就是始终保持刀具切到材料,减少空走刀,以达到提高加工效〓率的目的。在具有这一加工方式○的CAM 软件中,一旦你指定初始毛坯,并设定之后的加工为基于残余毛坯的方式,系统在计算下一步刀位时总是基于上一步加工后的残余毛坯↓。因为有了当前毛坯信息,所以随后产生的刀具轨迹就可以做到比较优化、合理。

                b.摆线加工。

                为了提ζ 高切削速度,人们提出一种被称为“摆线”加工的刀位轨迹计算新方法。这种加工方式是使用切削刀具的侧刃来切削被加【工材料。“摆线”是圆上一固定点随着〗圆沿直线滚动时生成的轨迹。一般来说,摆线是这样一种曲线:假如曲线A上有一固定点,当A沿另一曲线B进行无滑动的滚动时,固定点的轨迹就是摆线。“摆线”加工非常适合高速铣削,因为切削◇的刀具总是沿着一条具有固定半径的曲线运动。在整个加工过程中,它使刀具运动总能保持一致的进给率。

                (6)提供NURBS插补指令生成技术。

                传统的模具型面数控加工时经常采用直线插补和圆弧插补技术,在高速加工中已不太适用,一则是因为数据量▓大,增加机床数控处理时间,一则是不便机床进行进给速度控制,影响加速加工的效率。许多软〖件和机床提供NURBS曲线■插补技术 一方面大大降低了数控程序的数据量,一方面光滑了数控加工刀具轨迹。

                5 结束语

                高速加工技术在大发888casino下载有广泛的应用前景,高速加工机床和数控技术日趋成熟。面向高速加工技术的数控编程技术的发展显得相对落后,成了制约高速加工技术在模具※制造中广泛应用的瓶颈。值得高兴的是,目前众多的CAM技术研究者和各大CAD/CAM软件开发商正在对高速加工的数控编程技术进行广泛而深入的研究,相信在不远的将来,完全适合模具的高速加工的数控编程系统就▅会出现。

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