Основываясь на применении технологии обработки с ЧПУ NX на этапе черновой обработки заготовок, в данной статье анализируются и сравниваются недавно представленные стратегии «адаптивного фрезерования» и классические стратегии «фрезерования полости». Сочетание этих методов с процессом производства типовых деталей позволяет всесторонне использовать преимущества программирования для оптимизации методов черновой обработки, быстрого удаления большей части лишнего материала и повышения эффективности обработки.
Программирование на станках с ЧПУ является основной задачей в обработке на станках с ЧПУ. Определение этапов обработки и выбор подходящих методов являются критически важными этапами планирования процесса перед программированием. Различные условия обработки и различные припуски на материалы требуют индивидуальных стратегий обработки. В этом исследовании основное внимание уделяется различным подходам к черновой обработке в рамках стратегии «Адаптивное фрезерование» в NX 12.0.2 и классической стратегии «Фрезерование полости». Изучая их применение в производстве репрезентативной детали, траектории движения инструмента и эффективность обработки сравниваются, чтобы обобщить их различное влияние на процесс резания.
2. Стратегии обработки
2.1 Фрезерование полостей
Технология "Cavity Milling" обеспечивает черновую обработку путем удаления материала из слоев, перпендикулярных неподвижной оси инструмента, для придания формы контуру детали. Это классический модуль черновой обработки серии NX, обладающий следующими характеристиками:
- Для деталей со сложными 3D-поверхностями и несколькими островками или компонентами пресс-формы фрезерование полостей позволяет быстро выполнять первичную и вторичную черновую обработку, играя ключевую роль в быстром съеме материала.
- Как правило, используется концевая фреза определенного диаметра (со сменными пластинами), следующая либо контурам детали, либо окружающим границам. При установке глубины слоя реза и горизонтального расстояния материал удаляется по принципу «малая глубина реза, большой шаг вперед». То есть радиальный разрез (ae) большой, осевой разрез (ap) маленький, а средняя толщина стружки (hm) неравномерна.
2.2 Адаптивное фрезерование
Новая команда NX 12.0.2 "Adaptive Milling" предназначена для высокоскоростной черновой обработки и тяжелого резания. Он удаляет материал из слоев, перпендикулярных фиксированной оси, с помощью стратегии адаптивной траектории инструмента со следующими основными особенностями:
- Лучше подходит для деталей со значительным разбросом припуска на материал боковины, глубоких островков с прямыми стенками, а также полостей с плоским дном, выполняя черновую обработку слой за слоем вдоль боковин.
- Как правило, концевая фреза соответствующего размера выбирается в зависимости от материала. При использовании метода «малый шаг, большая глубина резания» материал удаляется с сохранением постоянного направления подачи инструмента и традиционного фрезерования с подъемом. То есть радиальный рез (ae) маленький, осевой рез (ap) большой, а средняя толщина стружки (hm) остается постоянной.
Таким образом, для деталей, в которых применимы обе стратегии, можно создать две отдельные программы ЧПУ для черновой обработки, каждая из которых отражает принципиально разные философии обработки. Адаптивное фрезерование максимизирует зацепление инструмента вдоль режущей кромки для увеличения глубины резания и эффективности, в то время как фрезерование полостей зависит от процента от диаметра инструмента. Для оценки повышения эффективности производства за счет адаптивного фрезерования представлен сравнительный пример механической обработки.
3. Пример применения
3.1 Особенности деталей
На рисунке 1 показан тип опорного компонента для аэрокосмической сборки (полупрозрачные области обозначают пробел). Материал: алюминиевый сплав 7075, с требованиями к шероховатости поверхности Ra = 3,2 мкм и локальной шероховатостью поверхности Ra = 1,6 мкм. Минимальные ограничительные размеры детали составляют 100 мм × 94,828 мм × 70 мм, изготовлены из цилиндрических заготовок диаметром φ120 мм × 76 мм. Первая пробная партия состояла из 30 симметричных деталей.
Рисунок 1. Вспомогательная часть
Алюминиевый сплав 7075 прочный, пластичный и механически надежный, что делает его распространенным в аэрокосмических компонентах. Моделирование NX 12.0 показывает, что соотношение объема между заготовкой и готовой деталью составляет примерно 7:1, при этом черновая обработка занимает большую часть общего времени резания. Области черновой обработки имеют значительную глубину и ширину резания, что делает их пригодными как для адаптивного фрезерования, так и для полостного фрезерования.
3.2 План обработки
В производстве используется пятиосевой вертикальный обрабатывающий центр Aumate GS1000/5-T, который позволяет выполнять несколько операций без смены приспособлений. Станок имеет небольшую портальную конструкцию, консоль люльчатого типа, линейные оси X, Y, Z, поворотные оси A и C, максимальную скорость вращения шпинделя 18 000 об/мин и мощность привода 40 кВт.
Для черновой обработки используется трехканавочная фреза из алюминиевого сплава (диаметр 16 мм, общая длина 95 мм, длина резания 40 мм, угол наклона спирали 40°), удерживаемая цангой ER32 (JT40) с длиной зажима ≤ 40 мм. Деталь зажимается с помощью самоцентрирующегося патрона и обрабатывается в два этапа, каждый из которых разделен на три этапа: черновая → вторичная черновая обработка (локальная зачистка углов) → чистовая обработка и обработка отверстий.
3.3 Процесс механической обработки
Шаг 1:Обработка основного корпуса, круглых полостей и различных отверстий, максимальная глубина 57 мм.
При черновой траектории обработки полостей (Рисунок 2) в основном используется наконечник инструмента с радиальным большим шагом и малой глубиной осевого резания. Охват траектории инструмента широкий, с длинными траекториями, несколькими осевыми слоями и частыми отводами.
Рисунок 2. Анализ траектории фрезерования полостей
а) Траектория движения инструмента б) 3D-моделирование
В черновой траектории адаптивного фрезерования (Рисунок 3) используются боковые режущие кромки с небольшим радиальным шагом и большой глубиной осевого резания. Глубина резания может достигать примерно в два раза больше диаметра инструмента, в основном за счет непрерывного фрезерования с подъемом вверх по боковым кромкам. Требуется меньшее количество осевых слоев, что повышает стабильность обработки, стойкость инструмента и возможность работы на высоких скоростях.
Рисунок 3. Адаптивный анализ траектории фрезерования
а) Траектория движения инструмента б) 3D-моделирование
Шаг 2:Перевернутая деталь, обработка верхних бобышек, уклонов, полостей и отверстий, максимальная глубина черновой обработки 20 мм. Сравнение траектории инструмента (Рисунок 4) показывает:
Рисунок 4. Сравнение траекторий двух модулей черновой обработки
a) Фрезерование полостей b) Адаптивное фрезерование
Анализ показывает сужающиеся уклоны между слоями. При фрезеровании полостей продолжается резка слоя сверху вниз, следуя контурам детали для достижения равномерного припуска на получистовую обработку. Адаптивное фрезерование позволяет резать снизу вверх, добавляя траектории движения инструмента между слоями с небольшими изменениями глубины, уменьшая остатки материала до минимального равномерного распределения, что полезно для стабильной получистовой обработки. Эта стратегия непосредственно обрабатывает поверхности дна, а затем уклоны, обеспечивая более чистую и эффективную траекторию.
4. Комплексные эффекты
4.1 Экспериментальные результаты
Параметры резания и продолжительность обработки для обеих стратегий сведены в таблицу 1.
Таблица параметров обработки
| Скорость вращения шпинделя | Скорость подачи | Шаг 1 Резка | Ступенчатая резка | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Стратегия обработки | Характеристики фрезы | nf (об/мин) | vf (мм/мин) | Параметры шага резки | Время/мин | Время/мин |
| ЭТ | $m (а,) | «Imm, GIA (a) = | ||||
| БИ Ном | госпожа | 3500 | 85% от плоского радиуса инструмента | = | . | |
| : Каблук на м, TK | HH (a,) + СВИТЕРЕР 100%, | |||||
| Адаптивное фрезерование (мм) | ае | 5000 | fer (a,): TERRI IIB |
Таблица 1. Параметры и продолжительность резки
Оптимизированные параметры черновой обработки направлены на достижение максимальной производительности при соблюдении ограничений по мощности станка. Адаптивное фрезерование и полостное фрезерование различаются из-за философских различий.
Скорость съема металла (Qmax) рассчитывается как Q = apaevf / 1000. Здесь Полостное фрезерование Qmax = 47,6 см³/мин, Адаптивное фрезерование Qmax = 153,6 см³/мин — Адаптивное фрезерование обеспечивает примерно в три раза большую скорость съема. Общее время черновой обработки за 2 этапа: фрезерование полости 33 мин, адаптивное фрезерование 11 мин, экономия 22 мин на деталь. Анализ износа инструмента показывает, что режущие инструменты для полостного фрезерования демонстрируют затупление наконечника после 30 деталей, в то время как инструменты адаптивного фрезерования остаются острыми благодаря улучшенной стабильности.
4.2 Сравнительный анализ
Рисунок 5. Обработанная деталь
а) Во время механической обработки б) После механической обработки
Фрезерование полости:
- Малый осевой рез и большой радиальный рез приводят к многократному износу наконечника. Стружка поглощает ограниченное количество тепла, что приводит к высокой температуре наконечника и ускоренному износу.
- Переменная толщина стружки и большое радиальное зацепление приводят к неравномерному съему материала, высоким силам резания и нестабильной обработке, что не подходит для высокоскоростной резки.
Адаптивное фрезерование:
- Большой осевой рез и малый радиальный рез максимально увеличивают использование режущей кромки, снижают износ наконечника и равномерно распределяют силы резания. Тонкая длинная стружка отводит более 90% тепла, поддерживая низкие температуры и уменьшая деформацию детали.
- Постоянная толщина стружки и постоянное направление подачи обеспечивают плавное, контролируемое послойное фрезерование с подъемом вверх с малыми углами зацепления и равномерным съемом материала. Возможна высокоскоростная резка с повышенной стабильностью и более высокой скоростью съема металла.
Таким образом, стратегия адаптивного фрезерования в NX 12.0.2 для черновой обработки повышает стабильность и эффективность производства.
Фрезерование полостей широко используется для черновой обработки деталей с непрямыми стенками или плоскими/изогнутыми полыми днищами, а также для чистовой обработки неглубоких стенок. Адаптивное фрезерование больше подходит для деталей с большими отклонениями припусков на боковые стенки, глубокими островками с прямыми стенками и полостями с плоским дном.
В то время как NX 12.0 Cavity Milling является комплексным, NX 12.0.2 Adaptive Milling предоставляет дополнительные, оптимизированные возможности для черновой обработки в определенных условиях, повышая надежность и эффективность. Правильный выбор адаптивного фрезерования позволяет достичь значительно более высокой производительности, что делает его очень применимым при обработке с ЧПУ различных аэрокосмических компонентов.
