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案例分析 | 高速高精度机床加工问题分析

技术干货|FANUC数控技术|2017-10-11 16:30

高速高精度机床加工中,对机床各个环节的要求都很高,某一个环节即便出现很小的纰漏,也可能导致机床发生振动,从而在加工表面出现各种振纹或影响加工精度。所以,在对加工品质要求极高的机床加工中,需要严格确保所有关键环节都达到要求。

通常,对于机床加工质量会产生较大影响的有下图中的六大因素。

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遇到加工问题时,在使用北京发那科推荐的标准加工参数基础上,建议依次从机械NC**程序加工工艺刀具CNC伺服**的角度,调查分析导致加工表面缺陷的原因并采取相应措施。

1.CHECK–机械

机械作为机床的基础,对加工的影响毋庸置疑,机械设计和装配精度可大大降低对电气侧调试的依赖,因此,在模具加工调试时,应首先从机械侧入手,分析机床特性,保证机械部分处在较佳的水平。

机械方面主要从以下几项内容排查:

  • 配置确认(线轨,螺距,主轴转速)

  • 装配精度

    (重点指标:Z轴反向间隙(线轨<5u,硬轨<10u),各轴重复定位精度<10u)

  • 主轴振动(15000rpm及以上主轴V1振动等级,15000rpm以下V3等级)

  • 外围振动(刀具振动、油冷机、风扇等)

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振动排查例:

排查主轴振动 - 主轴动平衡

  • 来自外部设备的振动

通过调整主轴动平衡或控制外部设备(风扇电机等)的振动来减小主轴振动。

如何测量振动

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  • 使用动平衡仪器测量主轴

  • 使用千分表测量检棒

通常,主轴共振点也可通过触觉和听觉明显感知!

伺服轴机械刚性 - 当加工点的指令跟随性和抑制外力干扰的性能比较低时

  • 提高机械刚性和速度增益,速度增益能设定的最大值取决于机械刚性

2.CHECK—NC程序

NC**程序**作为模具成型的基础,对加工表面质量和加工效率作用明显,因此,检查程序是否合理,是模具调试中需要重视的内容。

程序方面重点关注的几项为:

  • CAM软件选择

  • 重要CAM参数分析

  • 程序分析

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  • 重点CAM**参数控制**

1. 程序公差–FANUC推荐公差为1um,减小公差可提高加工表面质量;

依据CAD模型生成的程序指令点,确保每条小线段都不会超出公差范围减小公差,刀具路径变得更平滑

(推荐的公差 = 1μm)

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2. 线段长度_通常根据公差设定由CAM软件自动确定。程序段长度直接影响加工效率,预读程序段越多,小线段程序的最大进给速度提高的可能性越大。因此可以实现高速加工,但同时需要使用与进给速度相匹配的主轴转速。

3. 步距_两个切削路径之间的水平距离,决定了切削后的残余高度(表面粗糙度理论值),步距减小,表面粗糙度会变好,但会延长加工时间。

步距决定了切削后的残余高度(表面粗糙度理论值)如果行距减小,表面粗糙度会变好。(步距推荐值:P=0.02刀具直径)

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  • 程序分析

使用程序模拟软件对NC程序进行合理性分析,是否存在“垃圾点”。垃圾点会造成加工表面有震纹或凹坑极小线段导致加工效率低下。

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怀疑加工程序存在垃圾点时,可以使用软件对加工程序分析,进行模拟仿真加工,验证实际加工效果。

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如果程序仿真结果与实际加工效果一致,就可以判断程序路径不合理,需要修改走刀路径(45°à0°)来解决问题。

3.CHECK—工艺

工艺作为直接作用于工件表面的执行方式,直接决定加工表面质量和效率。因此,检查工艺是否合适,是确保机床加工品质的一项重要内容。

工艺方面重点关注的几项为:

  • 主轴转速(避开主轴共振点,尽可能提高转速以提高表面光洁度)

  • 进给速度(选择适当的进给速度(F:S≈1:4),保证加工质量的前提下提高效率)

  • 切削深度(精加工尽量减小余量(约50u左右),提高光洁度,同时保证刀具寿命)

  • 冷却(选择与加工材料相匹配的切削液,如铝用切削液,钢用切削油)

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主轴转速和进给速度

通过主轴转速、进给速度、刀具齿数来计算每齿进给量,而每齿进给量必须设定为合适数值(如果每齿进给量减小,表面粗糙度会好)

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通常刀具制造商会推荐适合的加工条件(切削参数),如下图所示。

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R2 二刃铝用球头铣刀

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R2 二刃通用球头铣刀(热处理钢(~HRC40)**)**

4.CHECK—刀具

刀具作为模具加工的介质,选择是否合适对模具加工质量存在很大影响。主要从以下几方面确认刀具:

  • 刀具材质(见下页)

  • 刀柄选择

(通常15000rmp以上,建议使用HSK 真空刀具系统)

  • 刀具装夹

(低速加工,采用BT刀柄,液压夹头;高速加工,选择HSK刀柄,液压或热胀刀柄)

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5.CHECK—CNC

CNC侧对模具加工的影响,主要体现在系统功能和高速高精的相关参数,调试思路为:

  • 系统功能确认(AICC I、AICC II)

  • 高速高精参数调整(由标准参数导入)

  • 前述步骤无法改善加工质量则需进行AICC参数微调

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6.CHECK—伺服

伺服方面,主要是借助Servo Guide进行机床优化,提高伺服系统刚性,减少加工误差。伺服优化主要包含:

  • 伺服参数初始化确认(确认电机初始化无误)

  • 电流环(确认HRV3+开启)

  • 速度环(尽可能提高伺服增益)

  • 滤波器(确认伺服无振动)

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滤波器添加准则

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7.总结

高速高精度机床加工问题的调试时非常复杂的,其原因就在于可能导致问题的原因非常之多,上文叙述的六个因素是影响加工质量的主要原因,但也并非全部,其他诸如外部环境等也是需要考虑的因素。

在平常的加工调试中,很多人会优先修改参数,认为这是最简单方便的做法。但事实上这种方法并不值得推荐,频繁的修改参数以应对不同的加工问题,虽然有些时候可以对当前问题有所改善,但长期而言不利于机床制造厂商的产品标准化和模块化,也不利于成熟稳定的产品生产品质管理体系的建立。所以我们通常建议客户在不断优化完善产品自身参数的同时,遇到问题更应当去深入分析造成问题的实际原因,并通过合理有效的方式解决。

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