Применение пятиосевой обработки
Пятиосевые станки могут работать как пятикоординатные позиционирующие или пятикоординатные контурные станки.
В позиционирующем станке две выбранные оси вращения могут только индексироваться и не могут перемещаться одновременно с тремя линейными осями. Это ограничивает обработку трехосевыми элементами. Однако повышенная гибкость позиционирования позволяет обрабатывать несколько сторон заготовки за одну установку, а также улучшает доступ шпинделя к заготовке для поднутрения и получения труднодоступной геометрии.
Пятиосевые контурные станки позволяют изменять ориентацию оси одновременно с линейным перемещением позиции. Геометрии деталей, в которых используется этот тип станков, делятся на две большие категории: линейчатые и произвольные поверхности.
Линейчатые поверхности - это поверхности, на которых в любой заданной точке поверхности пользователь может продолжить линию от одного края поверхности до другого. Эти поверхности подходят для точечного фрезерования (при котором используется коническая фреза), а также для торцевого фрезерования (при котором используется сторона концевых или цилиндрических концевых фрез).
Преимущества пятиосевой технологии обработки
Предоставление наладчикам доступа к пяти сторонам детали за одну установку обеспечивает более жесткие допуски изготовления.
Улучшенный контроль ориентации инструмента помогает предотвратить поломку инструмента и вибрацию при работе с труднообрабатываемыми материалами. Например, скорость вращения шаровой фрезы зависит от угла контакта между инструментом и поверхностью. На трехосном оборудовании этот угол изменяется по мере обработки. Когда нижняя часть шаровой фрезы контактирует с деталью, поверхностная скорость становится нулевой. Затем поверхностная скорость достигает своего пика, когда середина инструмента касается детали. Эти колебания скорости резания вызывают различия в чистоте поверхности, вызывают преждевременный и непредсказуемый износ инструмента и снижают производительность.
Эта статическая ориентация аналогична пятиосевому позиционированию, при котором угол инструмента устанавливается до того, как он коснется заготовки. Несмотря на фиксированный угол наклона инструмента, производительность, как правило, выше, чем при трехосевой обработке, особенно когда поверхность заготовки достаточно ровная. Активная ориентация обеспечивает пятиосную контурную обработку: угол инструмента изменяется относительно осей станка в реальном времени. Это обеспечивает постоянный угол и скорость резания, что приводит к более высокой запрограммированной скорости подачи и лучшему качеству поверхности.
Управление ориентацией повышает производительность концевых фрез с плоским дном и концевых т- образных фрез с утолщенным концом, которым необходим постоянный угол между осью фрезы и плоскостью, перпендикулярной как касательной плоскости поверхности, так и плоскости направления движения. Угол увеличивает эффективный радиус, уменьшая высоту неровностей, улучшая качество поверхности и уменьшая количество проходов инструмента, необходимых для завершения операции. Контроль ориентации инструмента также обеспечивает постоянную глубину резания.
Недостатки пятиосных станков
Пятиосевая функциональность станка требует высокого уровня обучения - компании, впервые внедряющие пяти осевые ЧПУ, не должны рассчитывать простоту внедрения. Стратегии обработки потребуют перенастройки в соответствии с конкретным видом производимых деталей. Станок, стока и программное обеспечение CAM будут дороже, чем сопоставимые трехосные версии такого же технологического оснащения. Дополнительные оси движения создают дополнительные источники ошибок и потенциально снижают жесткость. Короче говоря, пятиосевой процесс является высокопроизводительным, но при этом более рискованным.
Выбор пятиосевого станка
Несмотря на то, что существует множество различных конфигураций 5-осевых станков, в этом разделе рассматриваются четыре наиболее распространенных варианта.
Составные поворотные столы - это наиболее простой и экономичный способ получить производительность по пяти осям, но они имеют несколько существенных недостатков. Эти оси можно добавить к трехосным станкам, но они менее жесткие и имеют более высокие угловые ошибки, чем интегрированные оси. Наложение поворотных осей друг на друга еще больше увеличивает угловые ошибки, а большое наложение между осями заготовки и вращения с поворотным механизмом с двойным наклоном означает, что нагрузки с высоким крутящим моментом влияют на зубчатые передачи, сокращая срок службы и увеличивая прогиб. Длинные перемещения по оси также необходимы для поддержания контакта между заготовкой и режущей кромкой инструмента, что потенциально увеличивает ошибки и ограничивает эффективную скорость съема материал. Такие оси требуют большого станка относительно размера детали.
Двухосные шпиндельные головки обычно используются на портальных обрабатывающих центрах. Они имеют те же недостатки в точности и жесткости, что и поворотные столы с двойным наклоном, и могут иметь ограниченный диапазон вращения (для вертикальной обработки ось C обычно имеет неограниченный диапазон движения, а ось A может быть ограничена до ± 90 градусы движения от вертикального положения). Эти головки не рекомендуются использовать при обработке длинных и тонких деталей, таких как лопасти и пропеллеры, где часто требуется доступ в процесс резания на 360 градусов.
Одноосные шпиндельные головки, часто называемые головками «маятникового типа», обычно обеспечивают лучшую точность, чем столы с двойным наклоном или многоосные шпиндельные головки, поскольку оси вращения не накладываются. В вертикальном обрабатывающем центре пять осей обычно распределяются в трехосном наборе (X, Y и либо A, либо C) и двухосной паре (Z и либо B, либо A). К сожалению, центр вращения шпиндельной головки находится относительно далеко от инструмента, что вызывает угловые ошибки и снижает общую жесткость системы, диапазон перемещений осей сильно ограничен. Эти конфигурации хорошо подходят для крыльчаток, лопастей и других деталей, где сама деталь может вращаться, предоставляя шпинделю разные грани.
Наклонный шпиндель в сочетании с одноосным поворотным столом, как правило, является лучшим выбором для пятиосевой обработки вогнутых и выпуклых деталей малого и среднего размера. Ось B позволяет шпинделю вращаться вокруг вершины инструмента, сводя к минимуму угловые ошибки и сводя к минимуму скручивающие нагрузки на ось B. Даже если вершина инструмента не идеально совмещена с центром вращения оси B, расстояние между вершиной инструмента и центром вращения обычно составляет менее 3 мм, что снижает угловые ошибки на 75% и более. Конструкция наклонного шпинделя повышает точность, обеспеч
ивая минимальное перемещение линейной оси, когда требуются большие угловые перемещения оси B. Разделение двух осей вращения сводит к минимуму ошибку наложения. Поворот шпиндельной головки на ± 100 градусов от вертикали повышает гибкость по сравнению с другими типами станков и помогают в создании поднутрений. Эта возможность поднутрения делает станки с наклонным шпинделем хорошо подходящими для таких деталей, как сложные электроды и компоненты турбомашин. И наоборот, ограниченное расстояние между осевой линией шпинделя и лицевой поверхностью оси B ограничивает производительность этой конструкции при обработке глубоких полостей в деталях большого диаметра.
ЧПУ и производительность движения
Функции, которые нужны при использовании пятиосевого ЧПУ:
Пятиосная коррекция длины инструмента и компенсация детали, которые устраняют необходимость для наладчика менять траекторию инструмента, если фактическая длина инструмента или размер детали отличается от номинального значения. Большие компьютерные накопители (облачные или локальные), а также возможность проводного Ethernet или беспроводного подключения помогают обеспечить передачу и хранение программ больших деталей, необходимых для пятиосевых деталей.
Пятиосевые системы ЧПУ также должны иметь надежные процедуры устранения ошибок из-за стоимости сложных деталей и длительного времени цикла. Сбои в подаче электроэнергии и поломка инструмента ведут к дорогостоящему браку. ЧПУ должен иметь возможность втягивания инструмента вдоль его главной оси.
В то время как скорость подачи по оси является отличным критерием оценки для трехкоординатных станков, для пятикоординатных станков они имеют существенные недостатки. Вместо этого геометрия станка и детали определяют, будут ли оси вращения или линейные оси определять пределы производительности по пяти осям. Например, станки с наклонной осью имеют более высокие скорости линейной подачи и скорости оси B, чем сопоставимые геометрии маятника, но будут иметь более низкие скорости подачи при резании. Это уравновешивается тем, что маятники более быстрые, но с меньшей жесткостью и с меньшей точностью.
Выбор шпинделя
Как и в случае с выбором трехосного шпинделя, наладчики должны сбалансировать максимальную скорость шпинделя с минимальным крутящим моментом, особенно для высокопроизводительных станков. Однако пятиосевые станки предлагают дополнительные функции, которые могут значительно повлиять на производительность.
Пятиосевые шпиндели должны работать во многих направлениях, в том числе «носом вверх». Это означает, что уплотнения переднего подшипника должны быть качественными для длительного срока службы шпинделя. Шпиндели HSK лучше всего подходят для этих задач, особенно с инструментами диаметром менее 3 мм, поскольку они более жесткие и точные, чем сопоставимые конические геометрии CAT / ISO. Они также более устойчивы к длительному истиранию, которое возникает при боковом фрезеровании твердых материалов в течение продолжительных периодов времени или при работе с длинными инструментами для получения доступа к сложной геометрии.
Тепловые характеристики
Все пятикоординатные станки подвержены термическому деформирвоанию, но особенно уязвимы роторы с двойным наклоном и маятниковые шпиндели. Операторы могут управлять тепловыми характеристиками с помощью систем контроля теплового расширения на базе ЧПУ, которые сокращают снижение теплового расширения шпинделя на целых 85%. Прямая линейная обратная связь по осям X, Y и Z, а также датчики выходного вала с высоким разрешением на осях вращения минимизируют эффекты теплового расширения. Без этих мер тепловое расширение может повлиять на точность на 0,004 мм в течение нескольких часов.
Выбор CAM для технологии 5-осевой обработки
Широкое разнообразие пятиосевых станков и процессов делает выбор правильного программного обеспечения критически важным. Например, предлагает ли программное обеспечение только статический контроль ориентации инструмента или более гибкое контурирование? Предлагает ли он ообнаружение и контроль столкновений? Более простое программное обеспечение может быть дешевле, но дополнительные функциональные возможности и гибкость в конечном итоге окажутся более продуктивным для ЧПУ.
