Wie führt die 5-Achsen-CNC die Bearbeitung durch?

Die CNC-Bearbeitungstechnologie mit fünfachsiger Verkettung gab es erst seit der Teilebearbeitung. Früher wurde eine dreiachsige Werkzeugmaschine eingesetzt. Diese Maschine kann die meisten Anforderungen an die Teilebearbeitung erfüllen, ist jedoch wenig effizient, die Qualität relativ schlecht und die Herstellung komplexer Teile ist schwierig.

In diesem Zusammenhang entwickelte sich im Bearbeitungsbereich schrittweise eine höhere Effizienz und Qualität der Teileverarbeitungstechnologie, d. h. fünfachsige CNC-Bearbeitung Technologie, nach langer Forschung.

Es ist jedoch zu beachten, dass die Technologie eine Drehachse verwendet, was zu plötzlichen Änderungen des Achsenvektors führt. Dadurch kann es bei Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsprozessen leicht zu Schäden am Werkzeug oder Werkstück kommen. Daher ist die Anwendung dieser Technologie noch nicht sehr weit verbreitet.

Übersicht über das Teilemodell

1. Teilegröße

In diesem Artikel wurde das S-förmige Teststück als Untersuchungsobjekt für die Forschung zur CNC-Bearbeitungstechnologie mit fünfachsiger Verknüpfung ausgewählt.

Ein S-förmiger Prüfling ist ein gängiges Werkzeug im modernen Maschinenbau. Durch die Verwendung eines S-förmigen Prüflings kann die Werkzeugmaschine auf Mängel geprüft und die Produktion von Teilen, die nicht den Spezifikationen entsprechen, vermieden werden.

Der S-förmige Prüfling ist ein komplexer aufgebautes Teil, das aus zwei Teilen besteht, einem für die S-förmige Kante der Stange, wobei die Dickenbereiche identisch sind, und dem anderen Teil, einer rechteckigen Basis für die Kante der Stangenstütze. Im oberen Teil der Basis befinden sich vier Stufenlöcher zum Festklemmen des Werkstücks.

Der obere Teil der Basis verfügt über vier Stufenbohrungen zur Werkstückspannung und zwei Positionierungsbohrungen zur Montage, Positionierung und als Messreferenz. Die Strukturparameter sind in Abb. 4 dargestellt.

Bei der Bearbeitung der S-förmigen Probe ist die Oberseite der Basis die Ebene Z=0mm, und das Positionierungsloch φ16H9 auf der linken Seite des rechteckigen Bezugspunkts wird als Mittelpunkt zum Aufbau des entsprechenden Koordinatensystems verwendet.

Die Höhe der rechteckigen Basis beträgt 30 mm und an den vier Ecken ist ein Stufenloch vorgesehen.

Montieren Sie den 3 mm dicken S-förmigen Randstreifen auf der Basis. Zwischen der Basis und dem Streifen besteht ein bestimmter Winkel, und die beiden sind nicht senkrecht.

2. Modellierungsprozess

Aufgrund der komplexen Struktur der S-förmigen Probe ist der Modellierungsprozess umständlicher. Geben Sie nach der Anmeldung bei der entsprechenden Modellierungssoftware zwei Gruppen von Datenpunkten ein, jeweils 50, also insgesamt 100, eine Gruppe in der Ebene Z = 0 mm und eine Gruppe in der Ebene Z = 40 mm.

Auf dieser Grundlage wird in jeder Ebene die entsprechende dreiteilige Spline-Kurve erstellt. Anschließend wird die Kurve als Richtlinie verwendet, um durch geradliniges Sweeping eine geradlinige Oberfläche zu konstruieren.

Anschließend wird die gerade Fläche in X-Achsenrichtung um 3 mm gedehnt, um ihre Dicke auf 3 mm zu erhöhen und so den oberen Randstreifen zu erhalten.

Schließlich wird auf der neuen Seite der Software das Basismodell gezeichnet und durch Boolesche Differenz sechs Löcher an den entsprechenden Positionen des Modells konstruiert. Vier davon dienen als Stufenlöcher und zwei als Positionierungslöcher, um die Modellierung der gesamten S-förmigen Probe abzuschließen.

CNC-Programmierung

1. Analyse des Bearbeitungsprozesses

Durch die Analyse des S-förmigen Prüflingsmodells lässt sich feststellen, dass zwischen der Kante und der Basis ein bestimmter Winkel besteht. Die beiden sind nicht senkrecht zueinander und gehören zu den nicht geraden Wandteilen, sodass ihre Bearbeitung mit dreiachsigen Werkzeugmaschinen schwierig ist.

Diese Studie nutzt die fünfachsige CNC-Bearbeitungstechnologie für die Bearbeitung von S-Typ-Proben. Zunächst wird die Prozesskarte für die S-Typ-Probenbearbeitung erstellt. Anschließend wird das CAM-System mit der UG NX-Funktion genutzt, um die entsprechende Bearbeitungsbahn zu entwerfen.

Der Vorbefehl wird durch mehrachsiges Fräsen erzeugt. Anschließend wird der fünfachsige Postprozessor vom Typ AB mit Doppelpendelkopf konstruiert. Abschließend wird die S-Typ-Probe unter der Kontrolle des Vorbefehls CNC-bearbeitet.

Unter Kontrolle der Vorabanweisung können wir den G-Code für die CNC-Bearbeitung des S-Typ-Teststücks erhalten.

Bei der Bearbeitung einer Probe vom Typ S muss die beste Bearbeitungsmethode ausgewählt und entsprechend den Materialeigenschaften der Probe angemessene Schnittparameter festgelegt werden.

Für die in dieser Studie verwendete Probe wurde die Aluminiumlegierung 7175-T7451 ausgewählt und ihr Rand ist 3 mm dick, was typisch für dünnwandige Teile ist.

Darüber hinaus besteht zwischen dem Rand und der Basis ein gewisser Winkel, der einen nicht geraden Wandteil darstellt.

Die Bearbeitungsprozesskarte kann je nach Material und Strukturmerkmalen der Probe abgerufen werden. Sie enthält hauptsächlich vier Links für die Rohlings-Schruppbearbeitung, die Kanten-Schruppbearbeitung, die Kanten-Feinbearbeitung und die Referenzlochbearbeitung, wie in Abbildung 2 dargestellt.

2. Werkzeugwegplanung

Anhand des Bearbeitungsprozesses des Teststücks können wir den Bearbeitungsinhalt jedes Glieds bestimmen, die Bearbeitungsmethode jedes Glieds entwerfen und das beste Bearbeitungswerkzeug auswählen, wie in Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1 Bearbeitungsinhalte und Werkzeugauswahl

Für die Programmierschritte von UG CAM, zuerst wird in der Software das vorgefertigte Modell geöffnet und es springt zur Programmierschnittstelle für die UG-Bearbeitung.

Anschließend wird, basierend darauf, kombiniert mit dem Bearbeitungsprozess, der Rohling eingelegt und die entsprechenden Parameter eingestellt.

2.1 Senklochbearbeitung

Die Bearbeitung von Senklöchern wird hauptsächlich durch Prozess 1 und Prozess 2 abgeschlossen.

Geben Sie im entsprechenden Dialogfeld der Schnittstelle „Bohren“ ein, um automatisch zur Bohrschnittstelle zu springen.

In dieser Schnittstelle werden jeweils drei Werkzeugmodelle erstellt:

(1) Werkzeug T1 ist ein Anbohrwerkzeug mit einem Radius von 10 mm und einer Länge von 65 mm, das als Bearbeitungswerkzeug zum Lokalisieren von Löchern verwendet wird.

(2) Werkzeug T2, ein Bohrwerkzeug mit einem Radius von 10 mm und einer Länge von 65 mm, wird als Werkzeug für die Durchgangslochbearbeitung mit φ20 verwendet.

(3) Werkzeug T3 ist ein Senkwerkzeug mit einem Radius von 16 mm und einer Länge von 50 mm, das als Bearbeitungswerkzeug für Senklöcher mit φ32 verwendet wird.

Danach beginnt der Konstruktionsprozess: Wählen Sie das Mittelloch, dann das Durchgangsloch und schließlich das Senkloch, um den Bearbeitungsprozess des Glieds abzuschließen.

2.2 Kavitätenfräsen

Der Vorgang wird hauptsächlich durch Prozess 3 abgeschlossen und läuft wie folgt ab:

Konstruieren Sie in der Hohlraumfrässchnittstelle ein Schaftfräsermodell mit einem Radius von 16 mm und einem Eckradius von 3 mm.

Legen Sie dann die Parameter des Teils, des Rohlings usw. fest.

Entwerfen Sie die Werkzeugbahn entsprechend den strukturellen Eigenschaften des Teils und legen Sie die Schneidmethode fest, d. h. „der Peripherie folgen“.

Fügen Sie Schnittparameter hinzu, von denen Sie die Toleranz für die Unterseite auf 0.5 mm und die Toleranz für die Seitenwände auf 2 mm einstellen.

Fügen Sie den Vorschubparameter hinzu, legen Sie die Laufgeschwindigkeit fest und klicken Sie auf „OK“, um die Werkzeugspursteuerung automatisch zu erhalten.

2.3 S-Flächen-Finishbearbeitung

Diese Verbindung steht im Mittelpunkt der gesamten S-förmigen Probenverarbeitung und steht in direktem Zusammenhang mit der Verarbeitungsqualität der gesamten Probe.

Zur Verbesserung der Struktureigenschaften von S-förmigen Proben können verschiedene Nachbearbeitungsverfahren eingesetzt werden. Die folgenden vier sind gängige Verfahren.

(1) Sequentielles Fräsen.

Klicken Sie auf die Option „Erstellen“, klicken Sie in der Spalte „Mehrachsfräsen“ auf „Sequenzielles Fräsen“ und springen Sie dann zur entsprechenden Programmieroberfläche.

Erstellen Sie in dieser Schnittstelle ein Modell eines Schaftfräsers mit einem Radius von 10 mm.

Bauen Sie das Sicherheitsflugzeug;

Im Punkt „Vorschubeinstellung“ legen Sie den Vorschubmodus fest, setzen den entsprechenden Referenzpunkt und wählen die passende Geometrie aus;

Konstruieren Sie im Element „Werkzeugwegbewegung“ die Prüf- und Antriebsflächen sowie die Oberflächen der Teile.

Drücken Sie das Werkzeug weiter hinein.

(2) Profilfräsen.

Klicken Sie in der Spalte Mehrachsfräsen auf „Konturfräsen“, um zur entsprechenden Programmieroberfläche zu springen.

Erstellen Sie in dieser Schnittstelle das Fräsermodell und konstruieren Sie die Geometrie gemäß der ersten Methode.

Anschließend verwenden Sie die Oberseite des Sockels als Bodenfläche und die Randfläche als Seitenwand.

Wählen Sie im Punkt „Antriebsmethode“ „Profilfräsen“ aus;

Wählen Sie im Punkt „Werkzeugachseneinstellung“ den Automatikmodus aus;

Klicken Sie unter „Bearbeitungsmethode“ auf die Option „Finishing“.

(3) Schichtweises Konturfräsen.

Basierend auf der zweiten Methode wählen Sie jeweils die acht Hilfsflächen aus und bearbeiten den Randstreifen durch Schichtung weiter.

(4) Schichtweises variables Konturfräsen.

Klicken Sie in der Spalte „Mehrachsenfräsen“ auf „Variables Konturfräsen“;

Behandeln Sie die Oberfläche des Randstreifens als Fahrfläche, wählen Sie im Punkt „Schneidemodus“ die Option „Einzelphase“ und stellen Sie den Schrittabstand auf 6 ein.

Klicken Sie im Element „Projektionsvektor“ auf „Dem Fahrer zugewandt“.

Klicken Sie im Element „Werkzeugachsenmodus“ auf Seitenkantentreiber.

Andere Vorgänge und Einstellungen sind dieselben wie bei der ersten Methode.

2.4 Bearbeitung der Grundfläche und der Mittelbohrung

Es wird hauptsächlich durch Prozess 5 und Prozess 6 abgeschlossen, die zur Messung der Bearbeitungsgenauigkeit der gesamten Probe verwendet werden.

Rufen Sie die Schnittstelle zur Prozesserstellung auf, klicken Sie in der Spalte „Bohrmodus“ auf „Standardbohren“, um zur Schnittstelle zur Lochverarbeitung zu springen; konstruieren Sie einen Bohrer mit einem Radius von 8 mm für das Modell;

Setzen Sie das Referenzloch;

Stellen Sie den Sicherheitsabstand Talwert auf 80 mm ein;

Wählen Sie im Punkt „Zyklustyp“ „Standardbohrer“ aus.

3. 5-Achsen-Nachbearbeitung

Das Erkennen der Werkzeugwegdaten ist bei CNC-Werkzeugmaschinen in der Regel schwierig und eine direkte Anwendung auf die S-förmige Prüfstückbearbeitung ist nicht möglich.

Gleichzeitig ist der interne Aufbau verschiedener Werkzeugmaschinen unterschiedlich und auch die angeschlossenen CNC-Systeme sind nicht gleich.

Daher müssen die Daten zur Werkzeugpositionsbahn nach dem Erhalt entsprechend verarbeitet werden, damit sie in die entsprechende, von der CNC-Werkzeugmaschine erkannte Programmdarstellung umgewandelt werden können. Dieser Vorgang wird als Nachbearbeitung bezeichnet.

Diese Studie verwendet ein dediziertes Nachbearbeitungselement, in dem UG/Post Builder als Entwicklungstool verwendet wird.

Im Postprocessing-Element werden die Parameter für Maschinentyp und -eigenschaften eingestellt.

Auf dieser Basis werden die Werkzeugwegdaten an das Postprocessing-Element übergeben und automatisch in die entsprechenden Post-Befehle umgewandelt.

Virtuelle Bearbeitungssimulation

1. Aufbau der Simulationsplattform

Das VERICUT-System wird für CNC-Simulationssoftware verwendet.

Das System erstellt die entsprechende Topologie des Werkzeugmaschinenmodells basierend auf den Betriebseigenschaften der Werkzeugmaschine und der Einstellung der relevanten Parameter.

In der UG-Schnittstelle wird das dreidimensionale Modell jeder Werkzeugmaschine gezeichnet.

Darauf aufbauend wird jeder Block kontinuierlich exportiert. Anschließend wird er unter Berücksichtigung der topologischen Strukturmerkmale an das VERICUT-System übertragen und die relevanten Parameter der Komponenten werden eingestellt, um das Modell der AB Double Pendulum 5-Achs-Linkage-CNC-Werkzeugmaschine zu erhalten.

Nach dem Erhalt des Maschinenmodells sollten der Positions- und Bewegungsmodus initialisiert werden, um das Maschinenmodell im Ausgangszustand zu halten.

Abschließend wird das entsprechende Steuerungssystem im Modell erfasst, das für die Automatisierungssteuerung während der Teilebearbeitung verwendet werden soll. In dieser Studie wurde die CNC-Software 840D ausgewählt.

2. NC-Nachprogrammprüfung

Wählen Sie in der Spalte „Projektbaum“ „Koordinatensystem“ aus, um ein neues Koordinatensystem zu erstellen. Klicken Sie im Koordinatensystem auf „Stock (0,0,0)“, wählen Sie einen rechteckigen Block mit den Maßen 400 × 200 × 40 mm aus und erhalten Sie das Rohmodell. Klicken Sie im Koordinatensystem auf „Stock (0,0,0)“ und wählen Sie einen rechteckigen Block mit den Maßen 400 × 200 × 40 mm aus, um das Rohmodell zu erhalten.

Klicken Sie auf „Design (0,0,0)“, um das Modell des Teststücks zu importieren.

Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das „Bearbeitungswerkzeug“, wählen Sie „Werkzeug-Manager“ und klicken Sie dann auf „Hinzufügen“ -> „Werkzeug“ -> „Neu“ -> „Fräsen“, um 6 Werkzeuge zu erstellen.

Klicken Sie auf „Programm“, um die konvertierte Postanweisung zu laden.

Klicken Sie in der Spalte „Element oben“ auf „Position: 1“, wählen Sie „G-Code“, um zur Liste „Radiale Werkzeugkompensation“ zu springen, und richten Sie die Liste „Radiale Werkzeugkompensation“ ein. Wählen Sie „G-Code“, um zur Liste „Radiale Werkzeugkompensation“ zu springen und die entsprechenden Parameter einzustellen.

Wählen Sie „G-Code-Offset“, um das Koordinatensystem einzustellen.

Klicken Sie anschließend auf „Speichern“ und wählen Sie „Start“. Die Maschine führt den Bearbeitungsvorgang für die S-förmige Probe automatisch durch.

3. Modellfehlervergleich

Bei der Bearbeitung der S-förmigen Probe auf diese Weise gibt es kein Problem des Über- oder Unterschneidens und es kommt während des gesamten Bearbeitungsprozesses zu keiner Kollision, was zeigt, dass die Bearbeitungstechnologie einen besseren Anwendungseffekt hat.

In diesem Dokument werden außerdem die oben genannten vier Methoden in die Simulationssoftware eingeführt und die Analyse der Probensimulationsverarbeitung zerlegt, um die Genauigkeit verschiedener Methoden zur S-förmigen Oberflächenbearbeitung besser zu verstehen.

Durch die Beobachtung der vier analytischen Modelle lässt sich feststellen, dass bei Verwendung der ersten Methode eine große Anzahl runder Kästchen mit einer großen Fläche innerhalb der Oberfläche der S-förmigen Probe erscheinen, was auf einen großen Fehler hinweist; bei Verwendung der zweiten Methode tritt auch ein großer Bereich kreisförmiger Verrücktheit auf, was darauf hinweist, dass der Fehler ebenfalls hoch ist.

Bei den beiden letztgenannten Methoden war die Fläche der abgerundeten Kästen sehr klein, insbesondere bei der dritten Methode war die Fläche der abgerundeten Kästen vernachlässigbar. Daher wies die dritte Methode die höchste Bearbeitungsgenauigkeit auf.

Schneidetest

Gemäß dem obigen Verfahren ist die dritte S-Flächen-Endbearbeitungsmethode die wichtigste und zur Herstellung des S-förmigen Teststücks wird die Aluminiumlegierung 7075-T7451 verwendet.

Am Rand des Prüfstücks werden drei Schnittlinien bei 10 mm, 22.5 mm und 30 mm festgelegt und im gleichen Abstand 25 Prüfpunkte gesetzt.

Darauf aufbauend wird dann durch Vergleich mit dem theoretischen Modell der Normalfehler jedes Punktes abgeleitet.

Schließlich wird die Standardfehlerstruktur mithilfe von Visualisierungstechnologie auf die Oberfläche der S-förmigen Probe projiziert und unterschiedliche Grauwerte werden verwendet, um die Fehlersituation zu differenzieren: Je heller die Oberfläche ist, desto höher ist der Wert des vorhandenen positiven Fehlers und umgekehrt, desto höher ist der Wert des negativen Fehlers.

Die Testergebnisse können eingesehen werden. Bei der in diesem Dokument vorgestellten CNC-Bearbeitungstechnologie mit fünfachsiger Verkettung ist der Rücklauffehler gering und liegt im Bereich von ±50 μm, was den angegebenen Anforderungen entspricht.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Fünf-Achsen-CNC-Bearbeitungstechnologie eine relativ gängige Methode zur Teilebearbeitung in der modernen Fertigung ist. Der Einsatz dieser Technologie ermöglicht nicht nur eine schnelle Bearbeitung komplexer Teile, sondern verbessert auch die Genauigkeit der Teilebearbeitung. Der Fehler wird gemäß den spezifizierten Anforderungen im Bereich von ±50 μm kontrolliert und kann daher zur Bearbeitung komplexer Teile eingesetzt werden.