Was ist die fünfachsige Ultra-Large-Chord-Finishing-Technologie?
Mit der rasanten Entwicklung der Fertigungsindustrie finden auch CNC-Werkzeugmaschinen breite Anwendung. Im komplexen Teilebereich der Hochgeschwindigkeits- und Präzisionsbearbeitung spielt die Mehrachsen-Bearbeitungstechnologie eine immer wichtigere Rolle.
Die mehrachsige Bearbeitung von Werkzeugmaschinen ist teuer. Um die Qualität der Bearbeitung zu gewährleisten, ist eine möglichst kurze Bearbeitungszeit der effektivste Weg, um die Bearbeitungskosten zu senken.
Das Schruppen komplexer Teile erfolgt üblicherweise mit einer Werkzeugmaschine mit hoher Steifigkeit, einem Werkzeug mit größerem Durchmesser und einer großen Schnittmenge (Rückzug, Schnittgeschwindigkeit, Vorschub) in kurzer Zeit, um eine große Menge an Bearbeitungszugabe zu entfernen; die Oberfläche des Teils wird normalerweise für die Endbearbeitung ausgewählt.
Bei der Endbearbeitung gekrümmter Oberflächen von Teilen wird normalerweise ein Kugelfräser verwendet, um die Anzahl der Schritte zu verringern, die zum Erreichen der erforderlichen Oberflächenrauheit der Teile erforderlich sind. Dadurch wird jedoch die Bearbeitungszeit der Teile vervielfacht.
Um den Widerspruch zwischen Bearbeitungsqualität und Zeitaufwand zu lösen, wird in diesem Dokument eine Superchord-Finishing-Technologie auf Basis einer fünfachsigen Verbindung vorgeschlagen.
Durch den Einsatz von Werkzeugen mit übergroßem Sehnenradius und größeren Bahnabständen wird die Machbarkeit der Fünf-Achsen-Verbindungsbearbeitungstechnologie untersucht, um eine geringere Restgrathöhe und eine höhere Oberflächenqualität zu erreichen.
Im Vergleich zur herkömmlichen Lösung für die Oberflächenbearbeitung kann durch die aufgeladene Bearbeitung bei größerem Bahnabstand immer noch eine bessere Oberflächenqualität erzielt werden, was sich im Hinblick auf die Bearbeitungseffizienz als vorteilhaft erweist.
Methoden zur Beurteilung und Verbesserung der Oberflächenqualität
Die geometrischen Eigenschaften der Oberfläche eines Werkstücks werden als Oberflächenstruktur bezeichnet. Die Oberfläche eines bearbeiteten Werkstücks mag glatt und eben erscheinen, doch unter dem Mikroskop sind viele winzige Erhebungen und Vertiefungen erkennbar. Dieses mikrogeometrische Merkmal, bestehend aus kleinen, weit auseinanderliegenden Erhebungen und Vertiefungen, wird als Oberflächenrauheit bezeichnet.
Der Einsatz von Schneidwerkzeugen im Bearbeitungsprozess, die Materialauswahl und die Stabilität der Werkzeugmaschine wirken sich direkt auf den Oberflächenrauheitswert aus.
Richtige Bearbeitungsmethoden sind unerlässlich, um die Montagegenauigkeit und Abdichtung der Teile zu gewährleisten und übermäßige Maßabweichungen zu vermeiden, die zu Montageschwierigkeiten oder -fehlern führen können. Bei der traditionellen Kaltbearbeitung ist der Einsatz einer hochsteifen Schneidemaschine ein Ansatz zur Gewährleistung der Präzision.
Darüber hinaus minimieren Werkzeuge mit hoher Härte, beispielsweise aus Keramik, Diamant und ultrafeinkörnigem Hartmetall, den Verschleiß und gewährleisten die Genauigkeit der Oberflächenbearbeitung bei Hochgeschwindigkeitsschneidvorgängen.
Beim Schneiden berühren sich Werkzeug und Werkstück und erzeugen eine Relativbewegung. Dies führt bei längeren Bearbeitungszeiten zu erheblicher Reibung und Hitzeentwicklung. Um Materialverformungen durch hohe Temperaturen zu vermeiden, wird Kühlflüssigkeit eingesetzt, um die Kontaktflächen ausreichend zu kühlen.
Darüber hinaus sorgt Schneidflüssigkeit für Schmierung, wodurch die Reibung verringert und die Bearbeitungsleistung verbessert wird.
Schneidflüssigkeit hat eine gewisse Schmierwirkung und verbessert indirekt die Bearbeitungsqualität der Oberfläche. Daher müssen Werkzeugverschleiß, instabile Werkzeugmaschinenbewegungen, abnormale Werkstückformen und andere Probleme behoben werden, um die Präzision der CNC-Bearbeitung mechanischer Teile effektiv zu verbessern.
Neben den oben genannten Möglichkeiten zur Verbesserung der Qualität der Oberflächenbearbeitung ist die Reduzierung des Werkzeugschritts zur Reduzierung der Höhe des Restgrats die einfachste und effektivste Methode, wenn die tatsächlichen Arbeitsbedingungen und äußeren Einflüsse gleich sind.
Beim Einsatz eines Kugelfräsers zur Oberflächenbearbeitung muss aufgrund der halbkugelförmigen Unterkante des Fräsers der Eingriffswinkel zwischen der Form der Fräserspitze und der Form der Werkstückoberfläche nicht berücksichtigt werden. Unabhängig vom verwendeten Winkel ist die Form des Kontaktpunkts der Fräserspitze immer rund.
Nach dem Kontakt zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückmaterial entsteht jedoch zwischen den beiden Werkzeugbahnen ein kleiner „kegelförmiger Hügel“. Der erhabene Teil des Restmaterials wird als Restgrat bezeichnet, und der höchste Punkt des Restgrats und der vertikale Abstand zwischen der Bearbeitungsfläche werden als Höhe des Restgrats bezeichnet.
Die Grathöhe ist der höchste Punkt des Restgrats und sein vertikaler Abstand von der bearbeiteten Oberfläche.
Bei unveränderter Bearbeitungsfläche führt ein größerer Werkzeugbahnabstand zu einer Erhöhung der Grathöhe und damit zu einer raueren Endoberflächenqualität. Bahnabstand und Grathöhe sind in Abb. 1 dargestellt.
Einfluss der Restgrathöhe auf die Oberflächenbearbeitung
Durch die Reduzierung des Pfadabstands wird die Oberflächenqualität bei der Teileverarbeitung verbessert. Der Wert der verbleibenden Grathöhe und die Parametereinstellungen für den Pfadabstand stehen in direktem Zusammenhang mit Abb. 2. Als Beispiel werden die Kegeltischteile und die Verwendung eines D6R3-Kugelfräsers auf der Außenseite des Kegeltischs zur Erstellung des Endbearbeitungswerkzeugpfads mit fünfachsiger Verbindung gezeigt.
Mithilfe der Software MasterCAM wird zur Simulationsüberprüfung die Schnitttoleranz auf 0.025 mm eingestellt. Bei einem Pfadabstand von 0.1 mm beträgt die Höhe des Restgrats 0.004 1 mm. Bei einem Pfadabstand von 0.3 mm beträgt die Höhe des Restgrats 0.037 mm. Dies zeigt, dass sich die Höhe des Restgrats um das 3-fache erhöht, wenn der Pfadabstand um das Dreifache erhöht wird.
Um den Zusammenhang zwischen der Restgrathöhe und dem Bahnabstand weiter zu belegen, wurde der Werkzeugdurchmesser auf 10, 20 und 30 mm erhöht und der Bahnabstand zur Parametrierung auf 0.1, 0.5, 1.0 und 1.5 mm eingestellt. Der numerische Wert der Restgrathöhe wurde mit der MasterCAM-Software anhand verschiedener Parameter überprüft, die in Tabelle 1 dargestellt sind.
Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, führt eine Vergrößerung des Bahnabstands bei unverändertem Werkzeugdurchmesser zu einer Vergrößerung der Restgrathöhe, was zu einer raueren bearbeiteten Oberfläche führt.
Umgekehrt vergrößert sich bei festem Bahnabstand und zunehmendem Werkzeugdurchmesser der Kontaktbogen zwischen Werkzeug und Werkstück, wodurch die verbleibende Grathöhe proportional reduziert und die Oberflächenrauheit verbessert wird.
Die obige Analyse zeigt: Bei unverändertem Werkzeugdurchmesser ist die verbleibende Grathöhe proportional zum Pfadabstand; bei unverändertem Pfadabstand ist die verbleibende Grathöhe umgekehrt proportional zum Werkzeugdurchmesser.
Um die hohen Geschwindigkeits- und Präzisionsanforderungen des Fünf-Achsen-Bearbeitungsprozesses an die Werkzeugmaschine zu erfüllen, können Sie in der tatsächlichen Produktion einen größeren Werkzeugdurchmesser zum Schneiden in kurzer Zeit verwenden, um die erforderliche Oberflächengenauigkeit zu erreichen und ein effizientes Oberflächenbearbeitungsprogramm zu erstellen.
Derzeit treten in der Luft- und Raumfahrt, im Formenbau und bei der Herstellung und Verarbeitung nicht standardisierter Teile häufig komplexe Hohlräume und kleine Teile auf. Werkzeuge mit großem Durchmesser verursachen in großen Bereichen Hinterschneidungsphänomene. Die Wirkung auf die Effizienz ist bei der Verwendung von Kugelkopffräsern mit großem Durchmesser für die Oberflächenbearbeitung nicht offensichtlich.
Mit der kontinuierlichen Innovation und Weiterentwicklung der CNC-Bearbeitungstechnologie wird das Oberflächenbearbeitungsprogramm für sehr große Sehnen unter Verwendung von Werkzeugen für sehr große Sehnen allmählich ausgereifter, um die Mängel dieses eigentlichen Prozesses zu optimieren und auszugleichen.
Prinzip der Endbearbeitung von Ultra-Large-Chords und der Werkzeuge für Ultra-Large-Chords
Basierend auf der Fünf-Achsen-Verbindungstechnologie ändert das CNC-System den Werkzeugachsenwinkel während der Bearbeitung flexibel, sodass der Werkzeugpfad an den entsprechenden Winkel angepasst werden kann und sich genau an die Kontur des Werkstücks anpasst.
Dadurch wird die Oberflächenqualität sichergestellt und gleichzeitig die Bearbeitungszykluszeit erheblich verkürzt. Dies ist das Kernprinzip der Technologie zur Endbearbeitung ultragroßer Sehnen.
Ein Vergleich der Oberflächenbearbeitung eines gewöhnlichen Kugelfräsers und eines Super-String-Finishing-Programms ist in Abb. 3 dargestellt.
Der Kern der Feinbearbeitung von ultragroßen Sehnen besteht darin, den Kontaktbogen zwischen Werkzeug und Teil zu maximieren und einen größeren Bahnabstand zu verwenden, um die Bearbeitungszykluszeit bei gleicher Oberflächengenauigkeit zu verkürzen.
Angesichts des Problems von Überschnitten und Störungen im engen Bereich des Teils werden auf dem Markt kundenspezifische Werkzeuge vom Typ Superchord angeboten, hauptsächlich in Tonnenform, Ovalform, Kegelform und Linsenform.
Ovale Werkzeuge zeichnen sich durch eine große abgerundete Seitenkante und eine kleine abgerundete Unterkante aus, die tangential zum Seitenkantenübergang verläuft, und werden üblicherweise zum Bearbeiten offener, steiler Seitenwandflächen verwendet.
Linsenartige Werkzeuge zeichnen sich durch einen großen Bogenradius an der Unterkante aus, der es ihnen ermöglicht, bei der Bearbeitung offener oder geschlossener flacher Bereiche einen größeren Bahnabstand zu verwenden, wodurch die Bearbeitungseffizienz exponentiell verbessert wird und gleichzeitig eine hohe Oberflächenqualität erreicht wird.
Die besten Ergebnisse werden durch den Einsatz von Tonnenfräsern für geschlossene, steile Flächen erzielt, wie sie häufig in der Formenbearbeitung vorkommen.
Je nach Werkzeugform nutzt das CNC-System mithilfe spezieller Werkzeugpfadalgorithmen der CAM-Software für den Bearbeitungsprozess der Werkzeugkontaktpunkte zur dynamischen Kompensation die Form des Bogenwerkzeugs voll aus, um eine hochpräzise und hocheffiziente Oberflächenbearbeitung zu erreichen.
Seit der Einführung der Technologie zur Endbearbeitung von extrem großen Sehnen haben die großen Werkzeughersteller die Massenproduktion von Werkzeugen für extrem große Sehnen realisiert.
So hat beispielsweise die Hoffmann Group in Zusammenarbeit mit MasterCAM Software, hat die Garant Parabolfräser-Serie mit einem maximalen Radius von 1,000 mm und DLC- und TiAIN-Beschichtungen für die Bearbeitung von Materialien wie Aluminium, Titan und Edelstahl entwickelt.
Der beschichtete elliptische Fräser mit Überradius wird verwendet, um die Außenwand eines Teils in großen Schritten effizient fertigzustellen, wie in Abbildung 4 dargestellt.
gezeigt in 4.
Programmieranwendung der Super-String-Bearbeitung
MasterCAM wird häufig in der zerspanenden Fertigung als CAD/CAM-Software eingesetzt. Die Software kann die Bearbeitung simulieren und automatisch NC-Steuerungscodes generieren, die direkt in der CNC-Bearbeitung verwendet werden können.
Als eine der am häufigsten eingesetzten Hochgeschwindigkeitsbearbeitungssoftwares erfüllt MasterCAM mit seinen Funktionen die Anforderungen der meisten Werkstücke. Seit seiner Veröffentlichung im Jahr 1984 ist MasterCAM für seine leistungsstarken Bearbeitungsmöglichkeiten bekannt und wird von Industrie und Schulen weithin eingesetzt.
Um der Technologie der Bearbeitung extrem großer Sehnen gerecht zu werden, wurde die Software in den vielen Versionen von MasterCAM 2018–2024 um die Werkzeugtypen der AcceleratedFinishing-Reihe von Werkzeugen für extrem große Sehnen erweitert, die je nach der tatsächlichen Situation des Benutzers ausgewählt und eingerichtet werden können.
Die Klassifizierung der Werkzeuge für ultragroße Akkorde in MasterCAM ist in Abbildung 5 dargestellt. Die Klassifizierung der Werkzeuge für ultragroße Akkorde in der MasterCAM-Software ist in Abbildung 5 dargestellt.
Abbildung 2 zeigt eine Fallstudie zur Programmierung eines Kegeltischteils, wobei der Schwerpunkt auf der Erstellung von Werkzeugwegen zur Schlichtbearbeitung extrem großer Sehnen für die äußeren Seitenwandflächen des Kegeltisches liegt.
Das Teil besteht aus einer Aluminiumlegierung 7075 und hat eine Oberflächenrauheit von Ra3.2. Die maximalen Außenmaße des Teils betragen gemäß Zeichnung 167.3 mm × 127.3 mm × 50 mm. Um ausreichend Bearbeitungsspielraum zu gewährleisten, beträgt die Rohlingsgröße vor der Bearbeitung 175 mm × 135 mm × 55 mm.
Die Schwalbenschwanznut wird vorab an der Rohlingspannposition bearbeitet, sodass der 5-achsige selbstzentrierende Schraubstock die Spannstabilität im kleinsten Spannbereich gewährleisten kann.
Unter Verwendung der Software MasterCAM2022 und unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften und Bearbeitungsanforderungen des Teils wurde zum Schruppen ein dreischneidiger integrierter Flachbodenfräser mit einem Durchmesser von 12 mm, einer Gesamtlänge von 100 mm, einer Schneidkantenlänge von 45 mm und einem Steigungswinkel der Spirale von 40° ausgewählt.
Die Bearbeitungsstrategie nutzte die 3D-optimierte dynamische Schruppstrategie von MasterCAM, die die Schneidkantenlänge voll ausnutzt, um überschüssiges Material schnell zu entfernen.
Tabelle 2 zeigt die spezifischen Prozessparameter und Abb. 6 zeigt, wie die Schrupptrajektorien erzeugt werden.
Um sicherzustellen, dass die 5-Achsen-Maschine in einem Hochgeschwindigkeits-Schneidzustand sein kann, wird der leistungsstarke Werkzeughalter BT40ER32 verwendet, um eine große Haltekraft für das Werkzeug bereitzustellen, und die Festachsenbearbeitung Um die Stabilität des Schneidprozesses zu gewährleisten, wird diese Methode verwendet.
Die Schruppstrategie kann auch schichtweise mit der 3D-Flächenschruppstrategie durchgeführt werden.
Der erste Schritt bei der Oberflächenbearbeitung besteht in der Verwendung einer einheitlichen Mehrachsenstrategie mit einem 6 mm großen, zweischneidigen Hartmetall-Kugelfräser.
Der Bahnabstand sollte auf weniger als 0.27 mm eingestellt werden, um sicherzustellen, dass die Rauheit der bearbeiteten Oberfläche unter Ra3.2 liegt (die Höhe des verbleibenden Grates beträgt 0.003 mm). Das Spiralschneidverfahren wird verwendet, um die Entstehung eines Verbindungsmusters auf der Oberfläche während des Übergangs des Fräserpfads zu vermeiden und so den Oberflächenbearbeitungseffekt zu optimieren.
Die Werkzeugdrehzahl beträgt 6,000 U/min, der Vorschub 1,200 mm/min. Die Software erstellt die Bearbeitungsbahn durch Erstellen und Bearbeiten der oben genannten Werkzeugwegparameter. Die Bearbeitungszeit für diesen Vorgang wird auf 64 Minuten geschätzt.
Um die Vorteile der Kompressorbearbeitung im Schlichtprozess zu vergleichen, wird zur Erstellung des Werkzeugwegs ein tonnenförmiges Kompressorwerkzeug mit einem Werkzeugdurchmesser von 12 mm und einem Seitenflankenradius von 100 mm verwendet.
Um die Konsistenz der Bearbeitungsumgebung sicherzustellen, wird ein fünfachsiger Schlichtwerkzeugweg für die Seitenwand des konischen Tisches mithilfe einer einheitlichen Mehrachsenstrategie mit Gradientenbearbeitung zwischen den Kurven erstellt, wobei der Wegabstandswert als Referenzvariable verwendet wird.
Die Spindeldrehzahl beträgt 6,000 U/min, der Vorschub 1,200 mm/min und die Werkzeugbahnabstände 1, 1.2, 1.5, 2 und 2.5 mm. Dies führt zu unterschiedlichen Werten für die Restgrathöhe, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Werte für die Restgrathöhe sind in Tabelle 3 zusammengefasst.
Tabelle 3 zeigt, dass bei Verwendung von R100-Werkzeugen mit extrem großer Sehne zur Seitenwandbearbeitung mit einem Werkzeugweg von 1.5 mm die verbleibende Grathöhe 0.0028 mm beträgt und damit unter dem in der Zeichnung geforderten Rauheitswert liegt. Eine Vergrößerung des Bahnabstands könnte die Bearbeitungseffizienz grundsätzlich noch verbessern.
Unter Berücksichtigung externer Faktoren wie Werkzeugmaschinenvibrationen und Werkzeugverschleiß fällt die endgültige Entscheidung jedoch auf einen Bahnabstand von 1.5 mm als Programmierparameter.
Es ist zu beachten, dass wir zur Vermeidung von Interferenzen zwischen dem Werkzeugschaft und der Werkstückhalterung im Prozess der Mehrachsenkopplung der Werkzeugmaschine und zur Gewährleistung der Verwendung der bogenseitigen Schneidkante zum Schneiden die geneigte Oberfläche der Fräserachsensteuerungsmethode verwenden und einen angemessenen Seitenneigungswinkel ermöglichen. Die endgültige Grafik des Fräserpfads ist in Abbildung 7 dargestellt.
Die endgültige Oberflächenbearbeitungszeit beträgt ca. 14 Minuten.
Ein Vergleich der beiden oben genannten Bearbeitungsprogramme zeigt, dass Spindeldrehzahl und Vorschubgeschwindigkeit identisch sind. Bei der Bearbeitung einer Oberflächenrauheit von Ra3.2 gemäß den Bearbeitungsanforderungen muss bei der Verwendung eines herkömmlichen Kugelfräsers ein Bahnabstand von 0.27 mm eingehalten und die Bearbeitung 64 Minuten lang fortgesetzt werden. Bei der Verwendung eines tonnenförmigen Werkzeugs mit sehr großer Sehne muss der Bahnabstand von 0.27 mm eingehalten werden.
Mit dem tonnenförmigen Super-Chord-Fräser ist zum Erreichen der gewünschten Oberfläche nur ein Bahnabstand von 1.5 mm erforderlich und die Fräszeit beträgt lediglich 14 min.
Daher ist die Bearbeitungseffizienz der Superchord-Bearbeitungstechnologie 4.57-mal höher als die der herkömmlichen Lösung bei gleicher Bearbeitungsqualität.
Fazit
( 1) Beim Fräsen bewegt sich das Schneidwerkzeug relativ zum Material, um Material abzutragen und die gewünschte Form zu erzeugen. Ein größerer Bahnabstand führt jedoch zu deutlicheren Restkanten auf der Oberfläche, was zu einer raueren Oberfläche und schlechteren Bearbeitungsergebnissen führt.
In diesem Artikel wurde eine quantitative Analyse mit MasterCAM durchgeführt, um die Beziehung zwischen Werkzeugdurchmesser und Restgrathöhe zu untersuchen.
Die Ergebnisse zeigen, dass bei unverändertem Werkzeugdurchmesser die verbleibende Grathöhe direkt proportional zum Bahnabstand ist. Im Gegensatz dazu ist die verbleibende Grathöhe bei unverändertem Bahnabstand umgekehrt proportional zum Werkzeugdurchmesser.
(2) Bei der Feinbearbeitung ultragroßer Sehnen werden Funktionen der Fünf-Achsen-Verbindungsbearbeitungstechnologie verwendet, um den Kontaktbogen des Werkzeugs mit dem Teil so weit wie möglich zu vergrößern und die gleiche Oberflächengenauigkeit zu erzielen, unter der Voraussetzung, dass durch die Verwendung eines größeren Pfadabstands der Verarbeitungszyklus verkürzt wird.
In diesem Dokument bietet die Verwendung der MasterCAM-Software zur Anwendungsanalyse von Programmierbeispielen einen größeren Vorteil gegenüber herkömmlichen Bearbeitungsprogrammen hinsichtlich der Effizienz der Oberflächenbearbeitung. Unter der Prämisse, die gleiche Oberflächenqualität zu erzielen, bietet die Technologie zur Bearbeitung ultragroßer Sehnen einen größeren Vorteil.
(3) Die Schlichttechnologie für ultragroße Sehnen nutzt auf innovative Weise die spezielle Struktur eines Werkzeugs mit großem Bogenradius und ultragroßen Sehnen. Sie nutzt die mehrachsigen Bearbeitungseigenschaften des Werkzeugs und gleicht den Materialkontaktpunkt dynamisch aus. Dies ermöglicht einen großen Schrittabstand bei gleichzeitig geringerer Restgrathöhe und höherer Oberflächenqualität.
Diese Technologie löst den Widerspruch zwischen Oberflächenbearbeitungsqualität und Zeitaufwand. Sie ist besonders effektiv in der Luft- und Raumfahrt sowie im Formenbau für tiefe Hohlräume und anisotrope Teile.
Es bietet eine neuartige Bearbeitungsidee zur Verbesserung der Effizienz der Oberflächenbearbeitung in diesen Branchen.