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数控编程在高速加工中的应用
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尺寸:80×80×40
技术参数
转速:42,000r/min
进给速度:15,000mm/min
壁厚:最小可至0.5mm
壁高:20mm
加工时间:7.5min
图1 薄壁件加工实例
概述
高速加工的概念:高速加工(hsm或hsc)是二十世纪迅速走向实际应用的先进加工技术。通常是指高的主轴转速(10,000-100,000r/min)、高的进给/快移速度(可达40m-180m/min)下的铣削加工。国际上广泛应用于航空航天制造业、模具制造业、汽车零部件加工、精密零件加工。具体作用:解决新材料的加工问题,适应表面质量高、精度高、形状复杂的3d曲面加工,减少和避免费时、费钱的电火花加工,解决薄壁零件的加工问题,高速复合加工还可以减少搬运次数、装夹次数,避免重复定位带来的加工误差等,提高了加工质量及加工效率。
高速铣削的一般特征
高速铣削一般采用高的铣削速度,适当的进给量,小的径向和轴向切削深度,即切削体积。由于在切削时大量的切削热被切屑带走,工件表面温度较低。而且随着铣削速度的提高,切削力略有下降,表面质量提高,加工生产率也随之提高。由于高速铣削的的上述特点,高速铣削工艺相对常规加工具有很多优点:
提高生产率
改善工件的加工精度和表面质量
实现整体结构零件的加工
有利于使用较小的刀具加工
有利于加工薄壁零件和高强度、高硬度脆性材料
由于上述优点,综合效率提高、质量提高、工序简化,尽管机床投资和刀具投资以及维护费用增加,但高速铣削工艺的综合效益仍有显着提高。
高速铣削是一项复杂的系统工程技术,是机床、刀具、刀柄结构、加工工艺技术、控制系统、cad/cam软件等多种因素综合作用的结果。与传统加工工艺技术相比,对其中的每一项指标都有较高要求。
高速机床是实现高速加工的前提和基础。符合高速加工要求的机床应具备的必要条件有:高的主轴转速(10,000~20,000r/min越来越普及,100,000~200,000r/min的高速主轴正在研制开发中)、高速和高加(减)速的切削进给机构(进给/快移速度可达40~180m/min,加速度现多为1g~2g)、高速cnc控制系统(加减预差补,前馈控制,精确矢量补偿,最佳拐角减速等)、高速切削机床的安全防护与实时监控系统。对刀具而言,高速铣削必须具备安全性和高的耐磨度。从而要从以下几个方面考虑:刀具材料,刀具结构,刀杆结构,刀具的动平衡等。
除了机床、刀具等硬件满足高速加工的前提和基础,高速加工对数控编程也提出了与普通加工更高的要求。本篇重点阐述cad/cam软件在高速加工中的应用。
高速加工编程时主要关心的问题
采用高速铣削加工编程的原则主要与数控伺服系统,加工材料,所用刀具等方面有关。使用cam系统进行数控编程时,刀具选择、切削用量以及选择合适的加工参数可以根据具体情况设置外,加工方法的选择就成为高速加工数控编程的关键。如何选择合适的加工方法来较为合理、有效地进行高速加工的数控编程,需要考虑的问题主要有以下几个方面相关:
由于高速加工中心具有前视或预览功能,在刀具需要进行急速转弯时加工中心会提前进行预减速,在完成转弯后再提高运动速度。机床的这一功能主要是为了避免惯性冲击过大,从而导致惯性过切或损坏机床主轴而设置的。有些高速加工中心尽管没有这一功能也能较好地承受惯性冲击,但该情况对于机床的主轴也是不利的,会影响主轴等零件的寿命。在使用cam进行数控编程时,要尽一切可能保证刀具运动轨迹的光滑与平稳。
 
图2 曲面3维等步距加工示意图
 由于高速加工中,刀具的运动速度很高,而高速加工中采用的刀具通常又很小,这就要求在加工过程中保持固定的刀具载荷,避免刀具过载。因为刀具载荷的均匀与否会直接影响刀具的寿命、对机床主轴等也有直接影响,在刀具载荷过大的情况下还会导致断刀。
采用更加安全和有效的加工方法与迅速进行安全检查校验与分析。举例如下:
刀柄、夹头干涉检查,保证刀路轨迹的安全
re-execution will be due to procedure being suspended
* procedure execution start time :08/10/2004.13:59:30
* see set : nc special approx. faces
* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *
* entry point: x = -65.30 y = 2.20 z = 20.00
* entry point: x = -33.64 y = 56.20 z = 15.00
* entry point: x = -38.17 y = 56.20 z = 10.00
* entry point: x = -38.23 y = 56.20 z = 5.00
* entry point: x = 0.00008 y = -51.80 z = 0.00000
* proc. optimization start time:08/10/2004.13:59:31
* the current set of holders gouges the stock
* holder 1 should be raised to 34.88 above the cutter tip
(刀柄1应高出刀尖34.88mm)
* existing cutters cannot avoid gouging
(当前刀具无法避免干涉)
* proc. optimization end time :08/10/2004.13:59:41
* procedure execution end time:08/10/2004.13:59:41
高速加工编程采用的编程策略
  
图3 为高速加工提供丰富的走刀路径
  采用光滑的进、退刀方式
在cimatron系统中,有多种多样的进、退刀方式,如在走轮廓时,有轮廓的法向进、退刀,轮廓的切向进、退刀和相邻轮廓的角分线进、退刀等。针对高速加工时应尽量采用轮廓的切向进、退刀方式以保证刀路轨迹的平滑。在对曲面进行加工时,刀具可以是z 向垂直进、退刀,曲面法向的进、退刀,曲面正向与反向的进、退刀和斜向或螺旋式进、退刀等。在实际加工中,用户可以采用曲面的切向进刀或更好的螺旋式进刀。而且螺旋式进刀切入材料时,如果加工区域是上大下小,螺旋半径会随之减小以进刀到指定深度,有些cam系统具有基于知识的加工,在检查刀具信息后发现刀具具有盲区时,螺旋加工半径不会无限制减小,以避免撞刀(参见图示)。这些对程序的安全性提供了周全的保障。
   
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