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銑削策略與CAM自適應加工

摘要"

終端加工業者在零件製造生產中,最重要考量為切削效率及刀具壽命,然而切削效率與刀具壽命兩者之間是互相矛盾和衝突,因此找出之間平衡,為切削效益的展現。切削效益大都以粗加工為主,粗加工注重切削效率,通常材料移除量愈多愈好,以降低零件加工時間,但同時要保有良好的刀具壽命,切削策略規劃優劣,攸關切削效益成敗的關鍵角色。因此本文聚焦銑削策略與CAM智慧輔助加工等應用,供切削規劃之參考。

關鍵詞:切削工法、難削材、CAM

前言

切削加工為整體加工系統下的綜合考量,切削策略規劃與工法應用為直接反應最終切削結果。其中,CAM自適應加工透過自動補償方式使得切削路徑補償到位,此為輔助加工系統用於加速切削製程與自動化應用的重要關鍵。本文以銑削策略規劃與透過CAM自適應加工帶來的優勢作為論述。
各家CAM軟體開發商的軟體工法名稱有所不同,但目的與功能性大同小異,而最大差異在使用者切削策略規劃,CAM工法路徑編程取決切削策略規劃的優劣,直接影響切削品質的最重要因素之一。當前市場主流之CAM軟體開發商於軟體研發技術朝自動工法編程模式發展,仍處於簡單2D、3D零件的基本特徵造型辨別與自動生成工法路徑,俾利快速供給現場加工上線使用。然而實際加工件的需求複雜,相對應之工法也繁瑣,現況技術仍不足以應付複雜零件切削,故於複雜零件切削之CAM工法編程仍依靠人工使用者為最高切削決
策者。
切削加工系統架構,如圖1所示,包含材料特性、機台性能、刀具性能、治具夾持、降溫與排屑等,最終切削結果為綜合影響因素下的表現。因此本文銑削策略聚焦在切削本質上探討,從材料特性出發,涵蓋機台與刀具性能、切削原理與特性等的工法編程規劃與考量。而CAM智慧輔助應用以CAM自適應加工為舉例說明,它將減化切削製程作業,減化人工與排除人為因素,使切削加工系統更趨於完整。

銑削策略與工法應用

本文分別以鋼材和難削材作為銑削策略之論述,目的提供銑削策略工法規劃與應用之參考。
首先鋼材為金屬加工零件中,最常用的切削材料之一,切削加工性中等,切屑平順且較易排屑。特定切削力範圍約kc1:1400~3100 N/mm2,以低合金鋼而言,材料硬度約HRC50,中碳鋼等級,為金屬切削材料使用最普遍材料,切削加工性須考量合金含量及熱處理的硬度表現,切削過程中刀具較常發生的磨損處,在月牙窪磨損與後刀面磨損,主要為切削熱造成的影響,當過多切削熱累積與切削壓力,使切削刃塑性變型,導致切削刃崩損。通常鋼材著重在粗中胚切削效率表現,因此銑削策略以重點的粗、中胚加工為舉例說明。

粗胚銑削與均勻切削

粗加工常為了提升切削效率,過當的切削深度及寬度設定,使階梯殘料過大,如圖2所示,將影響第二階段中胚加工去除殘料的切削效率,並加速刀具切削刃損傷。當工件曲面過度陡峭與角度變化大時,可能在銑削轉折處,加工承受的切削力變化幅度較大,切削力非保持穩態,同時機台剛性不佳時,切削加工振動增加,使刀具壽命降低,甚至長時間加工下來機台主軸壽命都會減短,這是CAM程式編程者,須注意之處。減少切削殘料問題,首先選擇刀具尺寸規格符合工件銑削減除範圍,並搭配適合工法,目的產生均勻分佈的工法路徑及均勻切削量,減少切徑路徑方位變化與工件殘料造成之問題,降低後續二次加工刀具切削負荷,因此即可大幅提升切削效率。均勻切削好處對於機台進給軸導軌、主軸軸承能保持穩定的切削運動,進行穩態切削,減少對機台與刀具的切削負擔。
注意切削殘料問題,再者為銑削策略的工法應用,粗銑加工常因工件尺寸與曲面造形關係,切削路徑多次的切入與切出材料,將形成斷續切削與刀具壽命大幅縮短,甚至在高硬度材料(如: 難削材料,鈦合金加工),為造成刀具切削刃快速崩損主因。故,銑削策略重點為減少進出刀的銑削路徑,舉例說明,保持適當的切削量與工件殘料原則下,以連續螺旋銑削路徑設計,助於保持恒定的切削路徑與切削速度,使刀具切削負荷減少,並減少切削方向的變化,帶來較高的切削效率(如圖3所示)。當加工為特殊路徑時,軟體工法功能沒有內建,就需以CAD劃線、劃面、補線、補面等保護面的設計運用,輔助CAM路徑規劃與生成,以符合所需,這也就是CAD/CAM相輔相成的效果呈現。

中胚仿型銑削

刀具路徑規劃優劣是相當重要的研究課題之一,不佳的工法編程,直接影響刀具壽命、切削效率與工件品質。舉例說明,如圖4,不佳的工法路徑編程,圖5,較佳的工法路徑編程。
首先,圖4為不佳工法路徑編程,分為3點討論:
1. 總體路徑長,切削時間長。
2. 刀具中心點靜點切削,並於工件角落處,切削刃負載高,影響刀具壽命。
3. 當軸向進給快速時,造成機械沖擊效應,刀具受Z軸向負載且工件形狀誤差產生,影響加工件精度。
其次,圖5切削路徑良好之編程,分為4點討論:
1. 工法路徑順暢,減少機台加減速快慢變動的影響,降低振動產生,因此切削速度可以提高。
2. 以降層的均勻切削,具備高刀具壽命、高切削安全性。
3. 切削路徑順暢優良,切削線速控制與調整範圍廣。
4. 因切削路徑順暢帶來的好處,依材料的切削特性、機台性能、刀具性能,運用高速銑削(HSC-High Speed Cutting)方式,進行低切寬,高進給模式,快速移除材料。

粗中胚開槽銑削

粗加工槽銑策略運用,須根據工件材質、大小、曲面造型,進行有別傳統的直線開槽方式,以擺線銑削開槽為攻略,目的加速粗加工效率,先以擺線開槽模式削減工件初胚原料,再以等高降層銑削去除較大體積殘料,二次加工將剩餘殘料加工至接近工件輪廓,粗中胚整體切削效率將有效提高。
以擺線開槽銑削主要的切削優勢,分為3點討論:
1. 高生產率方法,尤其在難削材料的應用,切削產生的熱較傳統直線開槽低。
2. 銑削深槽,刀具偏斜最小,較小的徑向切削力,減少切削振動產生。
3. 切削具備良好的排屑效果。
但早期CAM在粗加工擺線工法編程,相對複雜許多,編程難度高,限制條件多。現今開發的擺線工法,工法編程簡化,使用易上手,但軟體工法計算結果,有時產出的路徑並非所需,便須以CAD製圖劃線、補面等方式克服,再搭配CAM工法編程,以符合切削路徑產出要求。
如工件尺寸規格等限制,無法以擺線開槽銑削進行,以傳統直線開槽方式,須注意之處,分為3點討論:
1. 刀具構型與性能,刀具強度與切削性能,立銑刀直線全開槽,開槽最大軸向深度為切削刃長度的70%。
2. 刀具偏斜與切削振動發生,在刀具長懸伸下更明顯。
3. 有可能造切削排屑不良,造成刀具切削刃二次切削,切削刃崩損。如圖6,傳統直線開槽、圖7擺線開槽應用。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

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