Come progettare attrezzature per la lavorazione CNC di componenti con pareti sottili?
Con il rapido sviluppo dell'industria manifatturiera moderna, i componenti a pareti sottili sono ampiamente utilizzati nei settori aerospaziale, automobilistico, elettronico e in altri settori, grazie alla loro leggerezza, elevata resistenza e altri vantaggi.
Tuttavia, le parti con pareti sottili con spessore di parete sottile, bassa rigidità, ecc., sono molto soggette a deformazione durante Lavorazione CNC, che influisce seriamente sulla precisione e l'efficienza della lavorazione. L'attrezzatura come apparecchiatura ausiliaria della macchina utensile, nella lavorazione di parti a parete sottile svolge un ruolo importante. La progettazione scientifica e ragionevole dell'attrezzatura può non solo prevenire efficacemente la deformazione del pezzo e migliorare la precisione della lavorazione, ma anche ridurre il tempo di serraggio e migliorare la produttività.
Pertanto, uno studio approfondito della progettazione della struttura delle attrezzature per la lavorazione CNC di parti a parete sottile ha un'importante importanza teorica e un valore applicativo pratico. Questo documento si concentrerà sulla progettazione della struttura delle attrezzature nella lavorazione CNC di parti a parete sottile, con l'obiettivo di fornire una guida teorica e un supporto tecnico per la lavorazione ad alta precisione e ad alta efficienza di parti a parete sottile.
Analisi delle esigenze di progettazione della struttura dell'apparecchio
Le parti a parete sottile sono parti il cui spessore della parete è relativamente piccolo rispetto ad altre dimensioni, solitamente con uno spessore della parete inferiore a 2 mm. Queste parti sono ampiamente utilizzate nei settori aerospaziale, automobilistico, elettronico e in altri settori, come rivestimenti di aeromobili, carrozzerie di automobili, gusci di prodotti elettronici, ecc.
Parti a parete sottile con leggerezza, elevata resistenza, bassa rigidità e altre caratteristiche, per la sua lavorazione CNC hanno portato grandi sfide. La struttura è un'attrezzatura ausiliaria indispensabile nella lavorazione CNC, particolarmente importante per la lavorazione di parti a parete sottile. Il ruolo principale della struttura include il posizionamento del pezzo, il supporto del pezzo, il fissaggio del pezzo e la guida dell'utensile.
L'analisi della domanda di progettazione della struttura dell'attrezzatura è il primo passaggio della progettazione dell'attrezzatura, che determina direttamente la funzione e le prestazioni dell'attrezzatura. Per le caratteristiche di lavorazione delle parti a parete sottile, la progettazione della struttura dell'attrezzatura deve soddisfare le esigenze di vari aspetti.
Innanzitutto, la progettazione della struttura di supporto è un elemento chiave nella progettazione dell'attrezzatura. Le parti a parete sottile sono molto facili da deformare sotto l'azione della forza di lavorazione, quindi è necessario realizzare una progettazione ragionevole della struttura di supporto dell'attrezzatura per massimizzare la rigidità complessiva del pezzo e ridurre la quantità di deformazione.
La struttura di supporto deve essere ottimizzata in base alla forma del pezzo, alle dimensioni, alle parti di lavorazione e ad altri fattori per ottimizzare il layout, non solo per fornire un supporto sufficiente ma anche per garantire lo spazio di lavorazione delle parti. In secondo luogo, la progettazione degli elementi di posizionamento è una parte importante della progettazione dell'attrezzatura.
Gli elementi di fissaggio devono essere in grado di localizzare in modo affidabile le parti a parete sottile per garantire che la loro posizione e il loro assetto rimangano stabili durante la lavorazione. Gli elementi di posizionamento come perni di posizionamento, blocchi di posizionamento, ecc., devono essere abbinati in modo accurato al riferimento di posizionamento sul pezzo in lavorazione perché la precisione di posizionamento influisce direttamente sulla precisione di lavorazione.
In terzo luogo, la progettazione del meccanismo di serraggio è fondamentale per garantire la stabilità del pezzo in lavorazione.
Il meccanismo di serraggio deve soddisfare contemporaneamente i requisiti della forza di serraggio, per evitare deformazioni causate dalla concentrazione di stress locale. Metodi di serraggio rapidi e flessibili come il serraggio pneumatico, il serraggio idraulico, ecc., possono migliorare significativamente l'efficienza di serraggio e ridurre il tempo di non taglio.
In quarto luogo, la progettazione degli elementi di guida e allineamento non deve essere ignorata. Gli elementi di guida come boccole di guida, piastre di guida, ecc., devono controllare accuratamente la traiettoria dell'utensile per garantire la qualità della superficie di lavorazione.
Progettazione della struttura del morsetto
1. Progettazione della struttura di supporto
La struttura di supporto del dispositivo progettata per parti con pareti sottili adotta una combinazione di supporto multipunto e supporto locale.
Innanzitutto vengono disposti diversi punti di appoggio sul retro del pezzo a parete sottile; il numero e la posizione dei punti di appoggio vengono ottimizzati in base alle dimensioni e alla forma del pezzo, nonché alla distribuzione della forza di lavorazione.
In secondo luogo, mediante l'analisi degli elementi finiti, viene determinata la disposizione ottimale dei nove punti di supporto per ridurre al minimo l'occupazione dello spazio di lavorazione del pezzo, soddisfacendo al contempo i requisiti di rigidità del supporto.
Infine, una sfera di carburo con un diametro di 10 mm viene utilizzata per contattare la parte posteriore della parte per formare un supporto di contatto a punto. Il supporto sferico può efficacemente evitare il problema di concentrazione di stress causato dall'irregolarità della superficie di supporto, facilitando al contempo la trasmissione uniforme della forza di supporto.
Le sfere di supporto sono caricate da molle e il precarico applicato può essere regolato in base alla rigidità del pezzo e alla quantità di forza di lavorazione.
Oltre al supporto multi-punto, viene fornita anche una struttura di supporto specializzata nelle aree localmente deboli delle parti a parete sottile. Per la parte scanalata a U della parte lavorata, viene progettata una struttura di supporto di tipo ponte.
Viene utilizzato un supporto a tre punti, con un punto di supporto su ogni parete laterale e sul fondo della scanalatura a U, formando un supporto "a zigzag". Il supporto a forma di ponte è costituito da due blocchi di supporto regolabili in altezza e da una trave di collegamento. Regolando l'altezza dei blocchi di supporto, può essere adattato a diverse dimensioni di scanalature a U.
I blocchi di supporto sono sotto forma di blocchi di corindone intarsiati con diamante policristallino. I blocchi di corindone sono disposti sulla superficie superiore del blocco di supporto e sono a diretto contatto con la superficie della parete della scanalatura a U, il che può ridurre al minimo l'abrasione sulla parete laterale della scanalatura a U, fornendo al contempo la forza di supporto.
La combinazione di supporto multi-punto e supporto locale tiene pienamente conto delle esigenze di supporto delle diverse parti dei pezzi a parete sottile, il che può inibire efficacemente la deformazione complessiva, ma anche rafforzare le aree deboli locali in modo mirato per garantire la stabilità dei pezzi nel processo di lavorazione.
2. Progettazione degli elementi di posizionamento
La progettazione di elementi di posizionamento di fissaggio di parti a parete sottile utilizzando una combinazione di posizionamento di riferimento e posizionamento locale. Nella base di fissaggio impostare due blocchi di posizionamento a forma di V e con la superficie inferiore del pezzo in lavorazione dei due fori di posizionamento con la realizzazione del pezzo in lavorazione nel piano orizzontale del posizionamento. blocco di posizionamento a forma di V realizzato in materiale integrale in carburo di tungsteno, l'angolo superiore di 90 ° e fori di posizionamento con l'effetto autocentrante possono essere ottenuti, migliorando così la precisione di posizionamento.
Oltre al posizionamento di riferimento, per impostare elementi di posizionamento locali nelle parti caratteristiche di parti a parete sottile. Per una scanalatura rettangolare sul pezzo in lavorazione, un blocco di posizionamento a forma di T è progettato per cooperare con le due pareti laterali e la superficie inferiore della scanalatura, per realizzare il posizionamento del pezzo in lavorazione nella direzione verticale. Il blocco di posizionamento a forma di T è realizzato in acciaio ad alto tenore di manganese e la distanza tra la larghezza trasversale e la larghezza della scanalatura è di 0.02 mm e la distanza tra l'altezza longitudinale e la profondità della scanalatura è di 0.01 mm. L'impostazione della distanza si basa sui requisiti di precisione di fabbricazione e precisione di posizionamento del pezzo in lavorazione e del blocco di posizionamento.
Il blocco di posizionamento a T è fissato alla base dell'apparecchio tramite viti e la posizione può essere regolata con precisione attraverso i fori lunghi per adattarsi a diverse dimensioni di scanalature. Blocchi di corindone intarsiati con diamante policristallino sono forniti su entrambe le pareti laterali dei blocchi di posizionamento a T, che sono a diretto contatto con le pareti laterali della scanalatura per ridurre al minimo l'usura sulle pareti laterali della scanalatura, fornendo al contempo vincoli di posizionamento.
La combinazione di posizionamento di riferimento e posizionamento locale sfrutta appieno le caratteristiche geometriche delle parti a pareti sottili e, pur garantendo la precisione di posizionamento complessiva, può migliorare ulteriormente la precisione di posizionamento delle parti con caratteristiche chiave, gettando solide basi per la lavorazione ad alta precisione di parti a pareti sottili.
3. Progettazione del meccanismo di serraggio
Il dispositivo di fissaggio per parti a parete sottile progettato adotta un meccanismo di serraggio idraulico bidirezionale, che realizza un serraggio affidabile del pezzo in lavorazione applicando una forza di serraggio uniforme su due lati opposti del pezzo in lavorazione. Il meccanismo di serraggio è costituito principalmente da due cilindri idraulici, due blocchi di serraggio e parti di collegamento.
Il cilindro idraulico è un cilindro idraulico nazionale SCJ-63×50 a doppio effetto con una pressione di esercizio nominale di 16 MPa e una spinta massima di 5 kN, mentre il blocco di serraggio è realizzato interamente in acciaio calibro 45, temprato a una durezza superficiale di 40-45 HRC per migliorarne la resistenza all'abrasione e alla deformazione.
La superficie di serraggio del blocco di serraggio è realizzata in un blocco di corindone con inserti in diamante policristallino, che è a diretto contatto con la superficie del pezzo e riduce efficacemente l'usura sulla superficie del pezzo, fornendo al contempo la forza di serraggio.
Allo stesso tempo, considerando l'irregolarità della superficie delle parti a parete sottile, viene inserito un tampone sferico tra il blocco di serraggio e il cilindro idraulico per realizzare il centraggio automatico della forza di serraggio e garantire la distribuzione uniforme della forza di serraggio.
Il blocco di serraggio e il cilindro idraulico sono collegati tramite un meccanismo a vite bidirezionale e la posizione del blocco di serraggio viene regolata rapidamente ruotando il dado per adattarsi a parti con pareti sottili di diverse dimensioni.
Il meccanismo a vite bidirezionale adotta una filettatura trapezoidale Tr16×2, con una spinta assiale massima di 8 kN, che soddisfa pienamente i requisiti per la trasmissione della forza di serraggio.
4. Progettazione degli elementi di guida e allineamento
Il dispositivo progettato per parti a parete sottile adotta una combinazione di boccole di guida e perni di posizionamento per la guida e l'allineamento dell'utensile. Un set di boccole di guida in carburo con un diametro di 20 mm è progettato sul dispositivo per la lavorazione di fori interni nel pezzo in lavorazione. L'utensile viene guidato con precisione nel foro del pezzo in lavorazione tramite un accoppiamento diretto con l'utensile.
La boccola di guida è realizzata in materiale policarbonato, il foro interno è rettificato con precisione con una rugosità superficiale di 0.4 μm e la distanza tra la boccola di guida e l'utensile è controllata a 0.01-0.02 mm, il che non solo garantisce l'elevata precisione del movimento dell'utensile, ma impedisce anche efficacemente l'usura eccessiva dell'utensile e della boccola di guida. Il manicotto di guida è montato sulla base dell'attrezzatura tramite adattamento di precisione e l'errore di coassialità è controllato entro 0.005 mm.
Allo stesso tempo, sulla superficie terminale del manicotto di guida è stato progettato uno smusso conico con un angolo di 60° e un'altezza di 2 mm, per guidare agevolmente l'utensile nel manicotto di guida.
Per la finitura di caratteristiche quali fori filettati e scanalature profonde sul pezzo in lavorazione, i perni di posizionamento sono progettati per allineare l'utensile. Il perno di posizionamento è realizzato in acciaio temprato per stampi progressivi con una superficie nitrurata e una durezza superiore a 1000 HV.
Il cerchio esterno del perno di posizionamento è rettificato con una rugosità superficiale di 0.2 μm, che può ridurre al minimo l'attrito tra il perno di posizionamento e l'utensile senza influire sulla precisione dell'allineamento dell'utensile. La distanza tra il perno di posizionamento e l'utensile è controllata a 0.005～0.008 mm e la lunghezza dell'adattamento è 1.5 volte il diametro dell'utensile, il che può migliorare efficacemente la precisione dell'allineamento.
Durante l'uso, il perno di posizionamento e la superficie terminale dell'utensile vengono prima montati strettamente, quindi il perno di posizionamento viene inserito lentamente nel foro riservato alla caratteristica di finitura del pezzo in lavorazione per completare l'allineamento preciso dell'utensile e garantire la precisione di posizionamento della caratteristica lavorata.
Progettazione sperimentale e convalida
1. Progettazione e implementazione del programma sperimentale
Per verificare appieno la fattibilità e l'efficacia dello schema di progettazione della struttura di fissaggio progettata, gli esperimenti di lavorazione meccanica veri e propri vengono eseguiti presso un centro di lavorazione CNC.
L'esperimento viene condotto in un laboratorio a temperatura e umidità costanti, con una temperatura di 20 ± 2 ℃ e un'umidità relativa del 50% ± 5% per garantire che l'influenza dei parametri ambientali sperimentali sulla precisione della lavorazione rientri nell'intervallo controllabile.
Il centro di lavorazione CNC è stato selezionato da un centro di lavorazione verticale importato, in cui la precisione di posizionamento degli assi X, Y e Z è migliore di 0.005 mm e la precisione di posizionamento ripetuto è migliore di 0.003 mm, che presenta un'elevata precisione di movimento e di traiettoria e può soddisfare i requisiti di lavorazione ad alta precisione di parti con pareti sottili.
Inoltre, gli utensili utilizzati nel processo sperimentale sono tutte frese ad alta precisione di marchi nazionali e la concentricità radiale e assiale degli utensili viene controllata entro 0.005 mm dopo l'ispezione.
La progettazione del programma sperimentale ha selezionato come oggetto sperimentale un coperchio della testata di un motore per autoveicoli; il materiale è una lega di alluminio A380, con dimensioni complessive di 600 mm × 400 mm × 120 mm e uno spessore di parete più sottile di 2.5 mm. Gli esperimenti si concentrano sull'esame della progettazione dell'attrezzatura e dell'attrezzatura tradizionale in diverse condizioni di lavorazione sulla qualità della lavorazione di parti con pareti sottili.
Per valutare in modo completo le prestazioni dell'attrezzatura, l'esperimento ha selezionato tre fasi di sgrossatura, semifinitura e finitura; sono stati progettati esperimenti ortogonali; velocità del mandrino, velocità di avanzamento e profondità di taglio sono stati selezionati come fattori da esaminare e sono stati selezionati tre livelli per ciascun fattore, con un totale di 27 gruppi di esperimenti implementati.
Gli indici di valutazione sperimentale includono principalmente la deformazione del pezzo, la precisione dimensionale delle caratteristiche chiave, la rugosità superficiale e l'efficienza della lavorazione.
Tra questi: la deformazione del pezzo in lavorazione si ottiene misurando il cambiamento di forma del pezzo prima e dopo la lavorazione mediante una macchina di misura a coordinate; la precisione delle dimensioni delle caratteristiche chiave si ottiene misurando la differenza tra il valore effettivo e il valore di progetto di 20 dimensioni chiave sul pezzo in lavorazione; la rugosità superficiale si ottiene utilizzando un profilatore di superficie; l'efficienza della lavorazione si ottiene registrando il tempo di lavorazione di ciascun esperimento.
2. Analisi dei risultati sperimentali
I risultati sperimentali sono riportati nella Tabella 1. In 27 gruppi di esperimenti ortogonali: la deformazione massima del pezzo in lavorazione utilizzando l'attrezzatura progettata è controllata entro 0.08 mm, ovvero il 52.9% in meno rispetto a quella dell'attrezzatura tradizionale di 0.17 mm; la precisione delle dimensioni delle caratteristiche chiave è migliorata da 0.026 mm a 0.014 mm, ovvero il 46.2% in più, e tutte le 20 dimensioni delle caratteristiche soddisfano i requisiti di tolleranza dei disegni; la rugosità superficiale è ridotta da 0.92 μm a 0.63 μm, una riduzione del 31.4%; il tempo medio di lavorazione è ridotto da 68 min a 55 min, una riduzione del 19.1%, il che migliora la produttività.
I risultati sperimentali mostrano che, rispetto al dispositivo tradizionale, il dispositivo progettato presenta vantaggi significativi nel controllo della deformazione del pezzo, nella garanzia della precisione della lavorazione, nel miglioramento della qualità della superficie e nell'aumento dell'efficienza della lavorazione, ovvero il dispositivo progettato per parti a parete sottile presenta vantaggi sostanziali nella lavorazione di parti complesse a parete sottile. Ha buone prospettive per applicazioni ingegneristiche.
Tabella 1 Confronto delle prestazioni di lavorazione di diversi programmi di fissaggio
Conclusione
Per le parti a parete sottile nella lavorazione CNC della deformazione del pezzo, la bassa precisione di lavorazione e la produttività non sono elevate, quindi proponi un programma di progettazione della struttura di fissaggio innovativo. Il programma utilizza una combinazione di supporto multi-punto e supporto locale, posizionamento di riferimento e posizionamento locale, serraggio idraulico bidirezionale e boccole di guida e altri mezzi tecnici per risolvere efficacemente i problemi di serraggio delle parti a parete sottile.
L'elaborazione dei risultati sperimentali mostra che, rispetto alle attrezzature tradizionali, la progettazione di attrezzature per il controllo della deformazione del pezzo, la protezione della precisione della lavorazione, il miglioramento della qualità della superficie e l'efficienza della lavorazione, ecc. presentano evidenti vantaggi e possono migliorare significativamente la qualità della lavorazione di parti con pareti sottili e l'efficienza della produzione.
Con il continuo sviluppo dell'industria manifatturiera e i crescenti requisiti per la lavorazione di parti con pareti sottili, è diventato urgente sviluppare un sistema di fissaggio più intelligente, preciso e flessibile. Da qui i successivi tentativi di combinare rilevamento intelligente, monitoraggio in tempo reale, controllo a circuito chiuso, compensazione online e altre tecnologie con la progettazione dei fissaggi e di sviluppare una tecnologia di ottimizzazione dei fissaggi intelligente basata sull'apprendimento automatico.