Die CNC-Bearbeitung als fortschrittliches Fertigungsverfahren wird in der Luft- und Raumfahrt, im Schiffbau und in der Elektronikindustrie häufig zur Herstellung hochpräziser und komplexer Teile eingesetzt. In der CNC-Bearbeitung ist der Prozess von der Teilezeichnung bis zur Herstellung eines qualifizierten Fertigteils eine eng verzahnte und komplexe Abfolge von Schritten. Wenn ein Glied in dieser Kette auf ein Problem stößt, wird der gesamte Bearbeitungsprozess unterbrochen.
In diesem Artikel werden einige Schlüsselfaktoren bei der CNC-Bearbeitung in drei Phasen anhand spezifischer Bearbeitungsbeispiele analysiert, um das Verständnis der CNC-Vorgänge zu verbessern und eine Anleitung für die Produktion zu geben.
1. Phase der Prozessplanung
Die meisten CNC-Maschinen verfügen nicht über integrierte Prozessplanungsfunktionen. Die Zielsetzung der CNC-Prozessplanung ist ähnlich wie bei herkömmlichen Maschinen; Da jedoch jedes Detail der CNC-Bearbeitung vorbestimmt und automatisch ausgeführt werden muss, hat sie im Vergleich zur herkömmlichen Prozessvorbereitung ihre eigenen Eigenschaften.
1.1 Werkzeugeinstellung und Werkzeugwechsel
Bei der konventionellen Bearbeitung wird das Positionsverhältnis zwischen Werkzeug und Werkstück manuell mit Messwerkzeugen und Handrädern hergestellt. Wenn die Werkzeugposition falsch ist, kann der Bediener sie jederzeit anpassen.
Bei der CNC-Bearbeitung werden jedoch oft mehrere Werkzeuge in einer Aufspannung verwendet. Die Parameter jedes Werkzeugs müssen in den Computer eingegeben werden, der durch Koordinatentransformationen die Beziehung zwischen Werkzeug und Werkstück herstellt. Im Gegensatz zur konventionellen Bearbeitung, bei der die Werkzeugeinstellung nicht als wichtiger Faktor angesehen wird, erfordert die CNC-Bearbeitung eine genaue Werkzeugeinstellung vor der Programmausführung, da dies schwerwiegende Folgen haben kann.
Werkzeugwechsel in der konventionellen Bearbeitung basieren oft auf dem Gefühl des Bedieners, aber bei der CNC-Bearbeitung muss die Position des Werkzeugwechsels sorgfältig abgewogen werden, um Kollisionen zu vermeiden.
1.2 Auswahl der Spannmethode
Da bei jeder Aufspannung in der CNC-Bearbeitung die Werkzeuge neu eingestellt werden müssen, erhöhen mehrere Aufspannungen die Hilfsbearbeitungszeit erheblich und verringern die Effizienz, während die Fähigkeiten der CNC-Maschine nicht ausgeschöpft werden. Daher ist es vorzuziehen, alle erforderlichen Oberflächen in einer einzigen Aufspannung zu bearbeiten, um das Potenzial der CNC-Maschine voll auszuschöpfen.
Beispiel:
- Ausrüstung:CNC-Bearbeitungszentrum Schaublin
- Werkzeuge:(1) Schruppdrehwerkzeug, (2) Schlichtdrehwerkzeug, (3) Schruppnutwerkzeug, (4) Schlichtstechwerkzeug, (5) Zentrierbohrer, (6) Bohrer, (7) Bohrwerkzeug, (8) Trennwerkzeug
- Festes Inventar:Pneumatisches Dreibackenfutter
Bei der CNC-Bearbeitung kann der oben genannte Prozess in einer einzigen Aufspannung abgeschlossen werden, während die herkömmliche Bearbeitung in der Regel vier Aufspannungen erfordert.
1.3 Werkzeug-Konstruktion
Im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung weist der CNC-Werkzeugbau folgende Eigenschaften auf:
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Vereinfachung der Werkzeugkonstruktion
Bei der Bearbeitung einer Teileoberfläche (wie in Abb. 2 gezeigt) würde die konventionelle Bearbeitung beispielsweise ein zweischneidiges Formwerkzeug erfordern, um die Positions- und Maßgenauigkeit zu gewährleisten. CNC-Maschinen können jedoch die Werkzeugpositionen genau steuern, so dass stattdessen einschneidige Werkzeuge verwendet werden können. Ein speziell konstruiertes einschneidiges Einstechwerkzeug schloss die Bearbeitung erfolgreich ab. -
Konstruktion von Spezialwerkzeugen
Während die CNC-Bearbeitung einige Werkzeugkonstruktionen vereinfacht, erfordert sie oft spezielle Werkzeuge für Teile, die auf herkömmlichen Geräten nur schwer oder gar nicht bearbeitet werden können. Beispielsweise kann die Bearbeitung einer durchgehend gekrümmten Oberfläche (Abb. 3) ein kundenspezifisches Werkzeug erfordern, wobei die Oberflächenzusammensetzung, der Werkzeugweg, der minimale Radius, die konvexen/konkaven Übergänge und die potenzielle Interferenz berücksichtigt werden. Da die Bearbeitung gekrümmter Oberflächen ein wichtiger Trend in der CNC-Fertigung ist, wurden zu diesem Zweck drei Werkzeugkonstruktionen entwickelt (Abb. 4–6), wobei die Bilder 4 und 5 erfolgreich gefertigt und getestet wurden, um kontinuierliche Bearbeitungsergebnisse zu erzielen.
2. Mathematische Verarbeitungsphase
2.1 Rechenarbeit
Das Koordinatensystem in Teilezeichnungen unterscheidet sich häufig von dem in Bearbeitungsprogrammen verwendeten Koordinatensystem und muss konvertiert werden. Darüber hinaus kann es vorkommen, dass die in den Zeichnungen angegebenen Abmessungen nicht mit den Programmanforderungen übereinstimmen, so dass die erforderlichen Koordinaten entsprechend den Maschineneigenschaften berechnet werden müssen.
Bei komplexen Oberflächen, die aus Linien und Bögen bestehen, müssen die Berechnungen Start-/Endpunkte der Linie, die Start-/Endpunkte des Bogens und die Mittelpunktkoordinaten des Bogens enthalten.
2.2 Analyse des Werkzeugmittelbahnverlaufs
Die meisten modernen CNC-Systeme verfügen über Fräserkompensationsfunktionen, die eine Programmierung direkt aus der Teilekontur heraus ermöglichen. In einigen Sonderfällen – insbesondere bei der kontinuierlichen Oberflächenbearbeitung – kann es jedoch zu Werkzeug-Werkstück-Interferenzen kommen, die eine Kompensation unbrauchbar machen. In diesem Fall muss der Weg des Werkzeugzentrums manuell analysiert werden.
Beispiel:
- Ausrüstung:Bearbeitungszentrum Schaublin
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Pfad eines halbkreisförmigen Werkzeugs
Die Analyse der Werkzeugbewegung und des Schnittwegs zeigt, dass der Weg in der Werkzeugmitte einer kontinuierlichen Kurve entspricht, die aus parallelen Segmenten, konzentrischen Kreisen und exzentrischen Kreisen relativ zur Teilekontur besteht (Abb. 7). -
Pfad eines Doppelbogen-Werkzeugs
Die Analyse ist die gleiche wie für das halbkreisförmige Werkzeug. Die Punkte des Werkzeugmittelwegs sind in Abb. 8 dargestellt.
3. Phase der Programmierung
Ein CNC-Programm ist die einzige "Sprache", die eine CNC-Maschine verstehen kann, und sendet ihr Schritt-für-Schritt-Befehle, um jede Operation zu steuern. Die Qualität des Programms wirkt sich direkt auf die Genauigkeit und Effizienz der Bearbeitung aus. Dies erfordert nicht nur ein gründliches Verständnis der Maschinenleistung und der einzelnen Bearbeitungsschritte, sondern auch kontinuierliches Üben, um die Programmierkenntnisse zu verbessern.
3.1 Effektive Nutzung von integrierten Programmen
Moderne CNC-Maschinen werden sowohl in mechanischen als auch in Softwarefunktionen immer leistungsfähiger. Viele Systeme verfügen über ausgereifte integrierte Bearbeitungsprogramme für gängige Operationen. Die effektive Auswahl und Anwendung dieser integrierten Programme ist ein wichtiger Bestandteil der Programmierarbeit.
3.2 Programmmanagement
Bearbeitungsprogramme, die aus Werkzeugwegdaten und verarbeiteten Koordinaten unter Verwendung bestimmter CNC-Codes erstellt werden, sind wertvolle technische Dokumente, die Bearbeitungsmethoden und -techniken enthalten und sogar den technischen Stand einer Werkstatt widerspiegeln. Sie sollten sorgfältig aufbewahrt und archiviert werden.
Häufig verwendete Programme werden häufig in der CNC-Steuerung gespeichert und Teilenamen aufgezeichnet. Weniger häufig verwendete Programme sollten in schriftlicher Form dokumentiert und mit Hinweisen auf mögliche Problembereiche versehen werden, um die zukünftige Nutzung zu erleichtern.
3.3 Verwendung der parametrischen Programmierung zur Lösung praktischer Probleme
Beispiel:
- Teil:Innenbohrung mit bogenförmiger Unterseite
- Maschine:Shanghai CNC-Präzisionsdrehmaschine
Bei der allgemeinen Lichtbogenbearbeitung wird häufig der G66-Spaltrohrzyklus verwendet (Abb. 9). In der Praxis kann eine schwache Festigkeit der Werkzeugspitze jedoch zu einer schlechten Standzeit führen, wenn das Werkzeug an scharfen Ecken bidirektionalen Kräften ausgesetzt ist. Die Prozessanalyse schlug einen alternativen Werkzeugweg vor (Abb. 10).
Die direkte Programmierung für diesen Pfad würde eine Neuberechnung der Werkzeugkoordinaten für jeden Durchgang erfordern, was zeitaufwändig ist, insbesondere wenn aufgrund der schlechten Werkzeugsteifigkeit mehrere flache Durchgänge erforderlich sind. Stattdessen wurde eine parametrische Programmierung verwendet, die eine schnelle Anpassung der Schnitttiefe ermöglicht, ohne alle Koordinaten neu berechnen zu müssen, wodurch das Bearbeitungsproblem effektiv gelöst wurde.
Schlussfolgerung
Die Analyse von Schlüsselfaktoren in der CNC-Bearbeitung bietet eine praktische Grundlage für die Verbesserung der Auslastung von CNC-Maschinen. Durch die Anwendung dieser Erkenntnisse kann die Bearbeitungsgenauigkeit effektiv sichergestellt und qualitativ hochwertige Ergebnisse erzielt werden.
