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数控系统与高速模具加工

来源:国际模具网 时间:2009/6/15 8:13:28

引言

高速加工(HSM或HSC)是二十世纪九十年代迅速发展应用的先进加工技术。通常是指高的主轴转速(10,000-100,000r/min)、高的进给速度(40m-180m/min)下的铣削加工。高速加工在实际应用中能解决新材料的加工问题,适应表面质量高、精度高、形状复杂的三维曲面加工,减少和避免效率低的电火花加工,解决薄壁零件的加工问题,数控高速复合加工还可以减少搬运与装夹次数,避免重复定位带来的加工误差等,既提高了加工质量,又提高了加工效率。高速加工技术逐渐应用于加工铸铁和硬铝合金,尤其是加工大型覆盖件冲压模、锻模、压铸模和注射模。目前国际上高速切削加工技术主要应用于模具、航空航天和汽车工业等复杂曲面的加工领域。国内高速切削加工技术的研究与应用始于20世纪90年代,也是主要应用于模具、航空航天和汽车工业,但采用的高速切削CNC机床、高速切削刀具和CAD/CAM软件等以进口为主。

高速加工一般采用高的铣削速度和快速多次走刀来提高效率,小直径刀具,适当的进给量,小的径向和轴向切削深度,即切削体积。随着铣削速度的提高,加工时间大幅度缩短,并且切削力下降、振动小,尤其是径向切削力大幅度降低,零件变形小,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。由于高速铣削的的上述特点,高速加工相对常规加工具有突出优点:高生产率、工作平稳、加工表面质量很高,无需再进行其它表面处理工序、有利于加工薄壁零件和高强度、高硬度脆性材料、可缩短交货期、减少设备台数及车间面积、减少工人数量。尽管在初期的设备投资费用增加,但高速铣削工艺的综合效益仍有显著提高。

1  高速加工与模具制造

目前塑料模具越来越精巧、结构越来越复杂,要求的合模次数接近和超过80万次,采用的模具钢材的硬度越来越高,有的甚至超过HRC 64以上,而模具的交货期却要求越来越短。这些市场特点给模具制造商带来了极大的压力。高速加工技术的出现为模具制造带来了新的发展机会,尤其在中小型精密塑料模具加工中显示了巨大的优势。

大多数模具材料都是高硬度、耐磨性能好,其加工难度大。传统工艺广泛采用电火花(EDM)微切削加工成形,生产效率极低。高速加工技术对模具加工工艺产生了巨大影响,它改变了传统模具加工所采用的“电火花→抛光”等复杂冗长的工艺流程,甚至可用高速切削加工替代原来的全部工序。在模具的高淬硬钢件(HRC45~65)的加工过程中,采用高速切削可以取代电加工和磨削抛光的工序,避免了电极的制造和费时的电加工时间,高速加工技术除可应用于淬硬模具型腔的直接加工(尤其是半精加工和精加工)外,在EDM电极加工、快速样件制造等方面也得到了广泛应用。大量生产实践表明,应用高速切削技术可节省模具后续加工中约60%-100%的手工抛光时间、也可减少EDM的工序与时间、节约加工成本费用近30%、刀具切削效率可提高1倍,这种节约已经在许多国外模具厂商得到了真实反映。

用高速铣削加工模具,不仅可用高转速,大进给,且粗、精加工一次完成,大大提高了生产效率。采用高速切削加工淬硬钢模具,硬度60HRC以上,表面粗糙度Ra0.6μm,达到了磨削加工的水平,效率比电加工高数倍,不仅节省了大量的修光时间,还可代替绝大部分的电加工工序。

2  高速加工对CNC系统的要求

高速加工是一项先进的、复杂的系统工程技术,与传统加工工艺技术相比,它对机床、刀具、刀柄、加工工艺、控制系统、CAD/CAM软件等多项指标都有较高要求。由于模具加工的特殊性以及高速加工技术的自身特点,对模具高速加工工艺系统(加工机床、数控系统、刀具等)提出了比传统模具加工更高的要求。

先进的数控系统是保证模具复杂曲面高速加工质量和效率的关键因素,其特性体现在加减预差补,前馈控制,精确矢量补偿,最佳拐角减速、安全防护与实时监控等方面。模具高速切削加工对数控系统的基本要求为:

高速的数字控制回路,如采用64位并行处理器、极短的直线电机采样时间。

速度和加速度的前馈控制、数字驱动系统的爬行控制。

先进的基于NURBS的样条插补计算方法,以获得良好的表面质量、精确的尺寸和高的几何精度。

预处理功能。要求CNC具有大容量缓冲寄存器,可预先阅读和检查多个程序段(如1000~2000个程序段),以便在被加工表面形状(曲率)发生变化时可及时采取改变进给速度等措施以避免过切等。

误差补偿功能,包括因直线电机、主轴等发热导致的热误差补偿、象限误差补偿、测量系统误差补偿等功能。

此外,模具高速切削加工对数据传输速度的要求也很高。传统的数据接口,如RS232串行口的传输速度为19.2kb,而高速加工中心均已采用以太局域网(Ethernet)进行数据传输,速度可达200kb。

3  Heidenhain iTNC 530数控系统

海德汉公司是一家拥有100多年历史的专门生产高精密测量元件和数控系统的跨国集团公司。所生产的高性能数控系统和测量反馈元件在模具加工和高精密加工领域中得到了广泛的应用。

Heidenhain的iTNC 530控制系统是适合铣床、加工中心或需要优化刀具轨迹控制之加工过程的通用性控制系统。该系统的数据处理时间比以前的TNC系列产品快8倍,所配备的“快速以太网”通讯接口能以100Mbit/s的速率传输程序数据,比以前快了10倍,新型程序编辑器具有大型程序编辑能力,可以快速插入和编辑信息程序段。在新系统中,该公司首次将NC主控计算机与驱动控制单元分开,并装了英特尔处理器。该机采用15英寸高分辨率XGA显示器(1025×768)或10.4英寸(640×480)VGA显示器显示。任何熟悉TNC系统的操作者很快便可以掌握这种新系统的操作。机械师不必记忆G代码,只需要用组合键按键就可以编制线段、弧段、循环程序。

针对模具加工的复杂曲面,如果要实现高速、高精和高表面质量加工,必须具备好的硬件基础、良好的伺服性能及高速控制能力。

高速3D控制器Heidenhain iTNC530主要特点是采用了速度更快的400 MHz的AMD处理器,iTNC530所有的实时任务均在自己开发的实时操作系统(HEROS)下完成,而且也可提供带双处理器的主计算机,一个用来运行Heidenhain操作系统,即CNC的核心“New Heros”,另一个用来运行MS Windows 2000操作系统。它既可以保证系统的实时计算和稳定性能,同时又能满足用户对Windows应用程序的需求。

Heidenhain iTNC530程序段的处理时间是0.5ms。几何形状越复杂、公差要求越严格,点的密度将越高。用高速进给加工时,必须更快地处理相应的NC编码,以免发生所谓的数据饥饿限制进给速度。当被处理的NC程序段的缓存中没有数据时,由于缺少定位指令,运动将停止或突变。HSM的CNC的特点是程序段的处理时间要短到1ms甚至更短的时间。iTNC530完全能胜任高速加工(HSM)要求的CNC系统。

高速加工应用中的数控加工NC程序是在外部的CAM系统上生成的。通常,NC程序只有几百千字节,也常常有高达数百兆字节的程序。因此,HSM使用的CNC系统的重要特点是,要具有高速数据传输能力的快速以太网接口。以太网接口的传输速度是100 MBit/s,这是现今常规网络的标准速度。新型的Heidenhain CNC系统主机单元带有各类数据通信接口(Ethernet/RS232/RS422/USB等),所配备的快速以太网通信接口能以100Mb/s的速率传输程序数据。

iTNC 530系统采用限制加加速值并利用过滤器对加加速度进行了光滑处理。高速进给时,如果任何一个轴突然换向会导致过高加速度和加加速,将造成机床结构产生振动。通过CNC实现速度、加速度和加加速平滑方案是降低或消除该影响的好方法。

Heidenhain iTNC 530支持姊妹刀具的自动更换功能。为了自动处理刀具磨损或断裂需要用同尺寸的铣刀进行更换的情况,而且如果CNC支持该功能的话,操作人员可加载多个相同铣刀的换刀装置,将这些相同的铣刀标识为姊妹刀具用于NC程序的调用。CNC将自动用这些特定的姊妹刀具更换磨损或断裂的铣刀,继续完成NC程序。

Heidenhain iTNC 530的“预读”功能为256行。所谓“预读”功能预先计算每一个程序段所应采用的正确速度和加速度,并生成速度和加速度配置方案以便满足编程的刀具路径要求。预先计算的信息被读入到CNC系统内的缓存中,并按加工中的程序要求从缓存中调用。一旦缓存中没有数据,由于CNC系统的计算速度无法跟上进刀速度,机床将停止运动直到达到下一个预先计算行为止。这种问题被称为数据饥饿。现代CNC系统的程序段处理时间越来越短,为避免发生数据饥饿需要数控系统预读的行数也越来越少。

在强大硬件的支持下,iTNC 530采用了全数字化驱动技术。其位置控制器、速度控制器和电流控制器全部实现数字控制。数字电机控制技术能获得非常高的进给速率。iTNC 530在同时插补多达5轴时,还能使转速高达40000r/min的数控主轴达到要求的切削速度。

该系统通用性好并适合五坐标控制,在需要优化刀具轨迹控制的情况下,其强大的控制能力可计算实际坐标系,因而简化了加工循环的编程。在脱线编制3D形状程序时,该系统可计算单台机床的几何结构,所以同一程序可用于不同的机床。

4  结语

模具高速加工技术目前已在发达国家的模具制造业中普遍应用,而在我国的应用范围及应用水平仍有待提高,随着我国模具工业的发展,采用高速切削生产模具已经成为模具制造的大趋势,高速切削逐渐取代电火花精加工模具在国外的模具制造企业已经普遍采用,高速切削生产模具已经成为逐渐模具制造的大趋势,大大提高了模具生产效率和质量。在德国用HSC技术生产模具以来,实现了生产成本和加工时间的大幅下降,相对以前用的电火花方法,生产锻模的成本下降了50到60%,而加工时间下降了约70%,已经显示了其为模具制造企业带来的巨大利益。
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