In cosa consiste la tecnologia di finitura a corda ultra larga a cinque assi?
Con il rapido sviluppo dell'industria manifatturiera, anche le macchine utensili CNC "da lavoro" sono state ampiamente utilizzate. Nella classe complessa di parti dell'ambiente di lavorazione ad alta velocità e alta precisione, il ruolo della tecnologia di lavorazione multiasse sta diventando sempre più importante.
La lavorazione con macchine utensili multiasse è costosa. Per garantire la qualità della lavorazione, accorciare il più possibile i tempi di lavorazione è il modo più efficace per ridurre i costi di lavorazione.
La sgrossatura di parti complesse viene solitamente eseguita utilizzando una macchina utensile ad alta rigidità, un utensile di diametro maggiore e una grande quantità di taglio (sgrossatura, velocità di taglio, avanzamento) in un breve lasso di tempo per rimuovere una grande quantità di sovrametallo di lavorazione; la superficie della parte viene solitamente selezionata per la lavorazione di finitura.
La lavorazione di finitura delle superfici curve dei pezzi solitamente prevede l'uso di una fresa a sfere per ridurre il numero di passaggi necessari per raggiungere i requisiti di rugosità superficiale dei pezzi, ma ciò moltiplicherà il tempo di lavorazione dei pezzi stessi.
Per risolvere la contraddizione tra qualità della lavorazione e costi di tempo, questo documento propone una tecnologia di finitura supercorda basata su un collegamento a cinque assi.
Utilizzando utensili con raggio di corda sovradimensionato e una maggiore spaziatura dei percorsi, viene esplorata la fattibilità della tecnologia di lavorazione con collegamento a cinque assi per ottenere un'altezza di cresta residua inferiore e una migliore qualità della superficie.
Rispetto alla soluzione comune per la lavorazione delle superfici, la lavorazione sovralimentata può comunque ottenere una migliore qualità della superficie con una maggiore spaziatura dei percorsi, il che è vantaggioso in termini di efficienza di lavorazione.
Metodi di valutazione e miglioramento della qualità della superficie
Le caratteristiche geometriche della superficie di una parte sono chiamate struttura superficiale. La superficie di una parte lavorata può sembrare liscia e piatta, ma al microscopio si possono vedere molti piccoli picchi e valli. Questa caratteristica micro-geometrica composta da piccoli picchi e valli distanziati è chiamata rugosità superficiale.
L'impiego di utensili da taglio nel processo di lavorazione, la scelta dei materiali e la stabilità della macchina utensile influiranno direttamente sul valore della rugosità superficiale.
Metodi di lavorazione appropriati sono essenziali per garantire la precisione di assemblaggio e la tenuta delle parti e per prevenire deviazioni dimensionali eccessive che potrebbero causare difficoltà di assemblaggio o guasti. Nella tradizionale lavorazione a freddo, l'utilizzo di una macchina da taglio ad alta rigidità è un approccio per mantenere la precisione.
Inoltre, utensili ad alta durezza, come utensili in ceramica, diamante e carburo a grana ultra fine, riducono al minimo l'usura e mantengono la precisione della lavorazione superficiale durante le operazioni di taglio ad alta velocità.
Durante il taglio, l'utensile e il pezzo in lavorazione entrano in contatto e generano un movimento relativo, causando un attrito significativo e un accumulo di calore su tempi di lavorazione più lunghi. Per prevenire la deformazione del materiale causata dalle alte temperature, viene applicato del fluido da taglio per raffreddare adeguatamente le aree di contatto.
Inoltre, il fluido da taglio fornisce lubrificazione, contribuendo a ridurre l'attrito e a migliorare le prestazioni di lavorazione.
Il fluido da taglio ha un certo effetto lubrificante, migliorando indirettamente la qualità di lavorazione della superficie. Pertanto, l'usura degli utensili, il movimento instabile della macchina utensile, la forma anomala del pezzo in lavorazione e altri problemi devono essere affrontati per migliorare efficacemente la precisione della lavorazione CNC di parti meccaniche.
Oltre ai metodi sopra descritti per migliorare la qualità della lavorazione superficiale, la riduzione del passo dell'utensile per diminuire l'altezza della cresta residua è il metodo più semplice ed efficace, se le condizioni di lavoro effettive e le influenze esterne sono le stesse.
Quando si utilizza una fresa sferica per la finitura superficiale, poiché il bordo inferiore della fresa ha una forma semisferica, non è necessario considerare l'angolo di innesto tra la forma della punta della fresa e la forma della superficie del pezzo in lavorazione e, indipendentemente dal tipo di angolo utilizzato, la forma del punto di contatto della punta della fresa è sempre rotonda.
Tuttavia, dopo il contatto tra l'utensile e il materiale del pezzo in lavorazione, verrà prodotta una piccola "collina conica" tra i due percorsi dell'utensile, la parte rialzata del materiale residuo è chiamata cresta residua e il punto più alto della cresta residua e la distanza verticale tra la superficie di lavorazione è chiamata altezza della cresta residua.
L'altezza della cresta è il punto più alto della cresta residua e la sua distanza verticale dalla superficie lavorata.
Quando la superficie di lavorazione rimane invariata, una spaziatura del percorso utensile più ampia aumenta l'altezza della cresta, con conseguente qualità della superficie finale più ruvida. La spaziatura del percorso e l'altezza della cresta sono illustrate nella Fig. 1.
Effetto dell'altezza residua della cresta sulla lavorazione della superficie
La riduzione della spaziatura del percorso migliora la qualità della superficie di lavorazione dei pezzi, e il valore dell'altezza residua della cresta e le impostazioni dei parametri di spaziatura del percorso hanno una relazione diretta con la Figura 2 che mostra i pezzi del tavolo conico come esempio, l'uso di una fresa sferica D6R3 sul lato esterno della creazione del percorso utensile di finitura del collegamento a cinque assi del tavolo conico.
Utilizzando il software MasterCAM per la verifica della simulazione, la tolleranza di taglio è impostata su 0.025 mm, quando la spaziatura del percorso è 0.1 mm, l'altezza della cresta residua è 0.004 1 mm; quando la spaziatura del percorso è 0.3 mm, l'altezza della cresta residua è 0.037 mm, il che dimostra che quando la spaziatura del percorso viene aumentata di 3 volte, l'altezza della dimensione della cresta residua aumenta di 9.02 volte.
Per dimostrare ulteriormente la relazione tra l'altezza residua della cresta e la spaziatura del percorso, il diametro dell'utensile è stato aumentato a 10, 20, 30 mm e la spaziatura del percorso è stata 0.1, 0.5, 1.0, 1.5 mm per la parametrizzazione. Il valore numerico dell'altezza residua della cresta è stato verificato dal software MasterCAM con diversi parametri, che sono mostrati nella Tabella 1.
Come si può vedere nella Tabella 1, quando il diametro dell'utensile rimane invariato, un aumento della spaziatura del percorso fa aumentare l'altezza residua della cresta, con conseguente superficie lavorata più ruvida.
Al contrario, quando la spaziatura del percorso è fissa e il diametro dell'utensile aumenta, l'arco di contatto tra l'utensile e il pezzo in lavorazione si espande, riducendo proporzionalmente l'altezza residua della cresta e migliorando la rugosità superficiale.
L'analisi di cui sopra mostra che: quando il diametro dell'utensile non cambia, l'altezza residua della cresta è proporzionale alla spaziatura del percorso; quando la spaziatura del percorso non cambia, l'altezza residua della cresta è inversamente proporzionale al diametro dell'utensile.
Pertanto, per soddisfare i requisiti di alta velocità e alta precisione del processo di lavorazione a cinque assi della macchina utensile, è possibile utilizzare un diametro dell'utensile più grande per il taglio nella produzione effettiva in un breve lasso di tempo, per ottenere la precisione superficiale richiesta e realizzare un programma di lavorazione superficiale efficiente.
Attualmente, nel settore aerospaziale, nella fabbricazione di stampi e nei processi di produzione e lavorazione di parti non standard, si incontrano spesso cavità complesse e parti di piccole dimensioni; gli utensili di grande diametro causano un'ampia area di fenomeni di sottosquadro; l'uso di frese a testa sferica di grande diametro per la finitura superficiale non garantisce un'efficacia ovvia dell'effetto.
Grazie alla continua innovazione e al progresso della tecnologia di lavorazione CNC, il programma di finitura superficiale di corde ultra-grandi mediante utensili per corde ultra-grandi sta gradualmente maturando per ottimizzare e compensare i difetti di questo processo attuale.
Principio di finitura di corde ultra-grandi e utensili per corde ultra-grandi
Basato sulla tecnologia di collegamento a cinque assi, il sistema CNC modifica in modo flessibile l'angolazione dell'asse dell'utensile durante la lavorazione, consentendo al percorso dell'utensile di adattarsi all'angolazione appropriata e di adattarsi con precisione al contorno del pezzo.
Ciò garantisce la qualità della superficie riducendo significativamente il tempo del ciclo di lavorazione, che è il principio fondamentale della tecnologia di finitura di corde ultra-grandi.
Nella Fig. 3 è illustrato il confronto tra la finitura superficiale di una fresa sferica ordinaria e un programma di finitura superstring.
L'essenza della finitura di corde ultra grandi è quella di massimizzare l'arco di contatto tra l'utensile e il pezzo e di utilizzare una spaziatura del percorso maggiore per ridurre il tempo del ciclo di lavorazione mantenendo la stessa precisione della superficie.
Considerando il problema del taglio eccessivo e dell'interferenza nell'area ristretta del pezzo, sul mercato sono supportati utensili di tipo super-corda personalizzati, principalmente a forma di barile, ovale, conica e a forma di lente.
Gli utensili di tipo ovale sono caratterizzati da un ampio bordo laterale arrotondato e da un piccolo bordo inferiore arrotondato tangente alla transizione del bordo laterale e sono comunemente utilizzati per la lavorazione di superfici di pareti laterali aperte e ripide.
Gli utensili di tipo lente sono caratterizzati da un ampio raggio dell'arco sul bordo inferiore, che consente loro di utilizzare una spaziatura del percorso maggiore durante la lavorazione di aree piane aperte o chiuse, migliorando esponenzialmente l'efficienza della lavorazione e ottenendo comunque un'elevata qualità della superficie.
I risultati migliori si ottengono utilizzando frese a barile per superfici chiuse e ripide, spesso utilizzate nella lavorazione degli stampi.
In base alle diverse forme degli utensili, tramite speciali algoritmi del percorso utensile del software CAM, il sistema CNC per il processo di lavorazione dei punti di contatto dell'utensile per la compensazione dinamica, sfrutta appieno la forma dell'utensile ad arco per una finitura superficiale ad alta precisione ed elevata efficienza.
Dall'introduzione della tecnologia di finitura di corde ultra-grandi, i principali produttori di utensili hanno iniziato a produrre in serie utensili con corde ultra-grandi.
Ad esempio, il Gruppo Hoffmann, in collaborazione con MasterCAM software, ha sviluppato la serie di frese paraboliche Garant con raggio massimo di 1,000 mm e rivestimenti DLC e TiAIN per la lavorazione di materiali quali alluminio, titanio e acciaio inossidabile.
La fresa ellittica con raggio di grandi dimensioni rivestita viene utilizzata per rifinire in modo efficiente la parete esterna di un pezzo in grandi incrementi, come mostrato nella Figura 4.
mostrato in Fig.4.
Applicazione di programmazione della lavorazione delle superstringhe
MasterCAM è ampiamente utilizzato nel software CAD/CAM per la lavorazione meccanica. Il software può simulare l'elaborazione e generare automaticamente codici di controllo numerico NC, che possono essere utilizzati direttamente nella lavorazione CNC.
Essendo uno dei software di lavorazione ad alta velocità più comunemente utilizzati, la funzionalità di MasterCAM soddisfa i requisiti di lavorazione della maggior parte dei pezzi. Sin dal suo rilascio nel 1984, MasterCAM è diventato noto per le sue potenti capacità di lavorazione ed è stato ampiamente adottato da industrie e scuole.
Nelle numerose versioni di MasterCAM 2018-2024, per adattarsi alla tecnologia di lavorazione di corde ultra-grandi, il software ha aggiunto la serie AcceleratedFinishing di utensili per corde ultra-grandi ai tipi di utensili, che possono essere selezionati e impostati in base alla situazione effettiva dell'utente.
La classificazione degli utensili a corda ultra-grande in MasterCAM è mostrata nella Figura 5. La classificazione degli utensili a corda ultra-grande nel software MasterCAM è mostrata nella Fig. 5.
La figura 2 mostra uno studio di caso sulla programmazione di un componente di un tavolo conico, incentrato sulla creazione di percorsi utensile di finitura di corde molto grandi per le superfici laterali esterne del tavolo conico.
Il materiale del pezzo è una lega di alluminio 7075 e la rugosità superficiale è Ra3.2. Calcolando le dimensioni del disegno, la dimensione esterna massima del pezzo è 167.3 mm × 127.3 mm × 50 mm, quindi per garantire che ci sia sufficiente tolleranza di lavorazione, la dimensione del pezzo grezzo prima della lavorazione è 175 mm × 135 mm × 55 mm.
La scanalatura a coda di rondine viene lavorata in anticipo nella posizione di serraggio del pezzo grezzo, in modo che la morsa autocentrante a 5 assi possa garantire la stabilità di serraggio nel più piccolo intervallo di serraggio.
Utilizzando il software MasterCAM2022 e tenendo conto delle caratteristiche del materiale del pezzo e dei requisiti di lavorazione, per la sgrossatura è stata selezionata una fresa integrale a fondo piatto a tre taglienti con un diametro di 12 mm, una lunghezza complessiva di 100 mm, una lunghezza del tagliente di 45 mm e un angolo di salita dell'elica di 40°.
La strategia di lavorazione ha impiegato la strategia di sgrossatura dinamica ottimizzata in 3D di MasterCAM, che sfrutta appieno la lunghezza del tagliente per rimuovere rapidamente il materiale in eccesso.
La Tabella 2 mostra i parametri specifici del processo, mentre la Figura 6 mostra come vengono generate le traiettorie di sgrossatura.
Per garantire che la macchina a 5 assi possa essere in uno stato di taglio ad alta velocità, viene utilizzato il potente portautensili BT40ER32 per fornire una grande forza di tenuta per l'utensile e il lavorazione ad asse fisso metodo utilizzato per garantire la stabilità del processo di taglio.
La strategia di sgrossatura può essere eseguita anche a strati utilizzando la strategia di sgrossatura dell'area 3D.
Il primo passaggio nella finitura superficiale consiste nell'utilizzare una strategia unificata multiasse con una fresa sferica in metallo duro a 6 taglienti e diametro di 2 mm.
La spaziatura del percorso deve essere impostata a meno di 0.27 mm per garantire che la rugosità della superficie lavorata sia inferiore a Ra3.2 (l'altezza della cresta residua è 0.003 mm). Il metodo di taglio elicoidale viene utilizzato per evitare di produrre un modello di giunzione sulla superficie durante la transizione del percorso della fresa, ottimizzando l'effetto di lavorazione della superficie.
La velocità dell'utensile è di 6,000 giri/min e la velocità di avanzamento è di 1,200 mm/min. Il software genera la traiettoria di lavorazione creando e modificando i parametri del percorso utensile di cui sopra e il tempo di lavorazione di questo processo è stimato in 64 minuti.
Per confrontare i vantaggi della lavorazione con sovralimentatore nel processo di finitura, per creare il percorso utensile viene utilizzato un utensile sovralimentato a forma di barile con un diametro di 12 mm e un raggio del fianco laterale di 100 mm.
Per garantire la coerenza dell'ambiente di lavorazione, viene creato un percorso utensile di finitura a cinque assi per la parete laterale del tavolo conico utilizzando una strategia unificata multiasse con lavorazione a gradiente tra le curve, utilizzando il valore della spaziatura del percorso come variabile di riferimento.
La velocità del mandrino è mantenuta a 6,000 giri/min, la velocità di avanzamento a 1,200 mm/min e la spaziatura del percorso utensile è impostata su 1, 1.2, 1.5, 2 e 2.5 mm, il che determina valori diversi per l'altezza residua della cresta, come mostrato nella figura sottostante. I valori dell'altezza residua della cresta sono riassunti nella Tabella 3.
La Tabella 3 mostra che quando vengono utilizzati utensili a corda ultra-larga R100 per la finitura della parete laterale con un percorso utensile di 1.5 mm, l'altezza residua della cresta è di 0.0028 mm, che è inferiore al valore di rugosità richiesto dal disegno. In linea di principio, aumentare la spaziatura del percorso potrebbe comunque migliorare l'efficienza della lavorazione.
Tuttavia, considerando fattori esterni quali le vibrazioni della macchina utensile e l'usura degli utensili, la decisione finale è di utilizzare una spaziatura del percorso di 1.5 mm come parametro di programmazione.
È opportuno notare che, per evitare interferenze tra il gambo dell'utensile e l'attrezzatura del pezzo in lavorazione nel processo di collegamento multiasse della macchina utensile e per garantire l'uso del tagliente laterale ad arco per il taglio, adottiamo il metodo di controllo dell'asse di taglio con superficie inclinata e consentiamo un angolo ragionevole di inclinazione laterale, il grafico del percorso di taglio finale è mostrato nella Figura 7.
Il tempo di lavorazione finale della superficie è di circa 14 minuti.
Confrontando i due programmi di lavorazione di cui sopra, si può vedere che la velocità del mandrino e la velocità di avanzamento sono le stesse. Nella lavorazione della rugosità superficiale di Ra3.2 secondo i requisiti di lavorazione, l'uso della tradizionale fresa sferica deve essere nella spaziatura del percorso di 0.27 mm e continuare a lavorare per 64 min; l'uso dell'utensile a corda ultra grande a forma di barile solo con spaziatura del percorso di 0.27 mm ha continuato a lavorare.
Con la fresa Super Chord a forma di barile, è necessaria una spaziatura di soli 1.5 mm per ottenere la superficie desiderata e il tempo di taglio è di soli 14 minuti.
Pertanto, l'efficienza di lavorazione della tecnologia di lavorazione a supercorda è 4.57 volte superiore a quella della soluzione convenzionale con la stessa qualità di lavorazione.
Conclusione
( 1) Durante la fresatura, l'utensile da taglio si muove relativamente al materiale per rimuovere il materiale e creare la forma desiderata. Tuttavia, una spaziatura del percorso più ampia determina creste residue più evidenti sulla superficie, portando a una superficie più ruvida e a effetti di lavorazione peggiori.
In questo articolo è stata condotta un'analisi quantitativa utilizzando MasterCAM per esplorare la relazione tra diametro dell'utensile e altezza residua della cresta.
I risultati mostrano che con un diametro utensile invariato, l'altezza residua della cresta è direttamente proporzionale alla spaziatura del percorso. Al contrario, con una spaziatura del percorso invariata, l'altezza residua della cresta è inversamente proporzionale al diametro utensile.
( 2) La finitura di corde ultra-grandi comporta l'utilizzo di funzionalità tecnologiche di lavorazione con collegamento a cinque assi per aumentare il più possibile l'arco di contatto dell'utensile con la parte per ottenere la stessa precisione superficiale con la premessa di utilizzare una spaziatura del percorso maggiore per abbreviare il ciclo di lavorazione.
In questo documento, l'uso del software MasterCAM per la programmazione di esempi di analisi applicativa ha un vantaggio maggiore rispetto ai normali programmi di lavorazione in termini di efficienza di lavorazione superficiale. Con la premessa di ottenere la stessa qualità superficiale, la tecnologia di finitura a corda ultra larga ha un vantaggio maggiore.
( 3) La tecnologia di finitura a corda ultra-grande utilizza in modo innovativo una speciale struttura di un utensile a corda ultra-grande con raggio di arco ampio. Utilizza le caratteristiche di lavorazione multiasse dell'utensile e compensa dinamicamente il punto di contatto del materiale. Ciò consente un ampio passo di avanzamento pur ottenendo un'altezza di cresta residua inferiore e una qualità superficiale superiore.
Questa tecnologia risolve la contraddizione tra qualità della lavorazione superficiale e costo del tempo. È particolarmente efficace nella lavorazione aerospaziale e degli stampi per cavità profonde e parti anisotropiche.
Fornisce un'idea di lavorazione innovativa per migliorare l'efficienza della finitura superficiale in questi settori.