FANUC 高速加工功能在模具加工中的應(yīng)用
2024-6-28 來源： 東莞市德勤教育科技有限公司 作者： 賴偉杰
【摘要】: 以結(jié)果對比的方式對發(fā)那科經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的模具加工功能進(jìn)行試驗，采用具有典型特征的行位鑲件試切加工，并調(diào)用發(fā)那科系統(tǒng)AI 輪廓控制功能的各個精度等級或修改對應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)，使機(jī)床實(shí)現(xiàn)快速、精確的伺服控制，改善機(jī)床的動態(tài)特性，最后對得到的不同加工質(zhì)量的曲面進(jìn)行分析。
【關(guān)鍵詞】:高速加工;AI輪廓控制;數(shù)控系統(tǒng);加工質(zhì)量
AI 輪廓控制是發(fā)那科高速加工功能中的一項，對工件質(zhì)量要求較高時普遍采用此控制方式。FANUC 數(shù)控系統(tǒng)提供多種高速、高精度控制功能，可使系統(tǒng)在加工過程中增加程序預(yù)讀段數(shù)，預(yù)知加工軌跡，從而提前做出判斷。還可以通過對相應(yīng)參數(shù)的調(diào)整，達(dá)到優(yōu)化表面質(zhì)量、減小形狀誤差、提高加工效率等目的。
1. 制造前準(zhǔn)備
（1）產(chǎn)品分析 試驗產(chǎn)品是某品牌汽車進(jìn)氣室模具中的行位鑲件，如圖 1 所示。鑲件與塑膠產(chǎn)品模型通過軟件求差運(yùn)算得到的曲面造型尺寸為 74mm×17mm，曲面最小凹處拐角半2.23mm，造型表面無內(nèi)尖角和多軸加工特征（見圖 2）。
圖 1 需要 CNC 加工的行位鑲件 圖 2 曲面上多處的拐角
該汽車進(jìn)氣室產(chǎn)品通常在高溫下工作，屬于無法直接看到的汽車內(nèi)部件，其表面質(zhì)量要求較低，選用 PA66+30% 玻璃纖維作為塑膠產(chǎn)品的材料。加入 30% 玻璃纖維后，尼龍材料尺寸穩(wěn)定性、耐熱性和耐老化性都有提升。PA66 材料在注射模具過程前的熔化溫度達(dá)到 230~280℃，由于模具的溫度需要達(dá)到80~90℃才有良好的結(jié)晶度，所以其模具鋼材要具有耐高溫的特性。選用1.2738 模具鋼作為行位鑲件材料，該模具鋼具有相對優(yōu)越的力學(xué)性能、良好的可加工性和較高的出廠硬度。
（2）加工軌跡優(yōu)化對比 在 UG NX 軟件中的“固定輪廓銑” 選項（尤其是該選項下的 “驅(qū)動方法” 選項）中合理地設(shè)置參數(shù)，可以獲得更優(yōu)化、更快速的銑削刀軌。如圖 3 所示，“驅(qū)動方法” 選擇 “區(qū)域銑削”，點(diǎn)擊 “生成刀軌”，默認(rèn)生成了平行于加工坐標(biāo)系 X 軸的加工刀軌（見圖3a）。考慮到該產(chǎn)品有較多相同的拐角特征，所以重新指定 “區(qū)域銑削” 中的 “切削角” 參數(shù)，在 “切削角” 選項下選擇 “矢量”，指定 “矢量”平行于加工坐標(biāo)系的 Y 軸，隨后點(diǎn)擊 “生成刀軌”，得到了一段旋轉(zhuǎn) 90°后的切削刀軌（見圖 3b）。
圖 3 加工軌跡
兩段加工刀軌通過UG軟件生成刀軌報告（見表 1），對比發(fā)現(xiàn) : 在相同的進(jìn)給速度、切削模式、刀軌步距、驅(qū)動方式和軌跡精度的條件下，兩個刀軌后處理得到的 NC 代碼大小不同，分別是 1315 200 字節(jié)和 832 473 字節(jié)，因此程序長度是影響加工時間的主要原因。
表 1 UG 軟件報告的刀軌參數(shù)
（3）制造裝備的選擇 模具中的零件對精度要求高，其加工設(shè)備不但要具有數(shù)控功能，還要有能適應(yīng)加工條件的力學(xué)性能。本產(chǎn)品的加工選用了制造車間里搭配有 FANUC Series0i-Mate?MD 操作系統(tǒng)的國產(chǎn)加工中心（加工中心的主要性能參數(shù)見表 2），該 FANUC 操作系統(tǒng)原有的先行控制功能已升級為 AI 輪廓控制（AICC Ⅰ）功能，在軟件驅(qū)動上改善了機(jī)床的機(jī)械運(yùn)動性能。選用以 X、Y 軸為線軌、Z 軸為硬軌的機(jī)床設(shè)備，主軸安裝的刀柄是數(shù)控機(jī)械加工主流的 BT40 刀柄，機(jī)床最高轉(zhuǎn)速可達(dá) 8000r/min，其通用性可滿足常規(guī)的加工工序。
表 2 數(shù)控銑床捷甬達(dá) VCM1050 主要性能參數(shù)
為了避免對比加工結(jié)果時外來條件的干擾，精加工時使用相同的刀具和相同濃度的切削液，采用相同噴射力度并關(guān)閉油霧收集器等外部設(shè)備。
2. FANUC 0i Mate-MD 數(shù)控系統(tǒng)高速加工功能調(diào)試
（1）FANUC 0i-Mate-MD 系統(tǒng)中的 AI 輪廓控制功能 通過 AI 輪廓控制功能可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速度的加快，伺服系統(tǒng)的延遲和加、減速的延遲，從而減少機(jī)械加工中的形狀誤差。
圖 4 0i-Mate-MD 系統(tǒng)精度選擇界面
如圖 4 所示，可通過系統(tǒng)設(shè)定界面檢查該FANUC 系統(tǒng)中是否具有 AI 輪廓控制功能，在機(jī)器上依次按 “SET” “＋” “精度 LV” 鍵。如果系統(tǒng)有 AI 輪廓控制功能（AICC），則可設(shè)定速度優(yōu)先或精度優(yōu)先的參數(shù)集，從而在加工時指定適合加工條件的精度級。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的加工條件仍無法滿足零件的加工需求時，可以單獨(dú)調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)號來改善加工條件。0i-Mate-MD 和0i-MD 系統(tǒng) AICC Ⅰ功能具體可選擇條件見表 3。
表 3 0i-Mate-MD 和 0i -MD 系統(tǒng) AICC Ⅰ功能
0i-Mate-MD 系統(tǒng)中 AICC Ⅰ功能對應(yīng)的功能參數(shù)設(shè)定見表 4。
表 4 0i-Mate-MD 系統(tǒng)中 AICCⅠ功能對應(yīng)的功能參數(shù)設(shè)定
（2）發(fā)那科 AI 輪廓控制功能（AICC Ⅰ）啟動指令 在 0i-Mate-MD 系統(tǒng)使用 G05.1 時，務(wù)必利用單程序段指定。當(dāng)各程序文件需要調(diào)用不同的加工條件時，需要以 G05.1 Q1 Rx 的方式選擇加工條件，如使用 G05.1 Q1 R10，則接下來將以精度優(yōu)先的方式運(yùn)行該段程序后的指令。程序結(jié)束前應(yīng)該指定 G05.1 Q0，需要利用單程序段指定該指令，也可用復(fù)位來解除 A I 輪廓控制方式。
以上啟動方式對應(yīng) 0i-MateMD 系統(tǒng)參數(shù)號No.1604#0，當(dāng) #0 的值置 1 時，執(zhí)行加工程序時將自動開啟 AI 輪廓控制功能，當(dāng) #0 的值置 0時，可以用 G05.1 Q1 程序段將 AI 輪廓控制功能生效。
（ 3 ）AI 輪廓控制功能（AICC Ⅰ）調(diào)整控制 AICC Ⅰ方式下的加、減速度方法有三種 : ①通過加工程序指定 v f 作為基準(zhǔn)速度。②在 G05.1 Q1 Rx 程序段中指定 “x” 的精度等級。③設(shè)定對應(yīng)參數(shù)號的值。
在 AI 輪廓控制功能下，若指定速度超過系統(tǒng)設(shè)定的進(jìn)給速度，系統(tǒng)將進(jìn)行插補(bǔ)前加、減速控制，通過預(yù)讀程序段自動控制進(jìn)給速度。進(jìn)給速度也可通過設(shè)定以下參數(shù)進(jìn)行控制 : ①各軸插補(bǔ)前最大允許加速度 No.1660。②各軸 AICC 控制中最大允許加速度 No.1737。③基于拐角速度在減速時的允許速度差 No.1783。④各軸圓弧插補(bǔ)時最大允許加速度 No.1735。
3. 加工結(jié)果分析
加工結(jié)果匯總見表 5，從 1 號件和 2 號件的加工表面質(zhì)量圖可以看出，在相同刀具和加工軌跡的情況下，將系統(tǒng)參數(shù) No.1604#0 置 1 后，修改功能啟動參數(shù)前后的程序，加工時間僅相差 10s 左右，AI 輪廓控制功能加工的刀紋較平順，表面刀紋方向平行于加工軌跡，但曲面的加工效果不理想。
表 5 加工結(jié)果匯總
隨后通過修改加工軌跡的公差，將軌跡公差提高到 0.01mm，NC 文件的大小也隨之提高了 1/3，小線段進(jìn)給增多。1 號件和 3 號件的軌跡長度相同，軌跡公差分別為 0.03mm 和 0.01mm，程序?qū)嶋H加工時間相差不大，刀紋隨著軌跡的公差提高而更平滑。但在大文件程序加工中，因系統(tǒng)預(yù)讀程序段少，在加工陡峭面時機(jī)械會發(fā)生振動和多次停頓，導(dǎo)致表面仍有明顯的缺陷。
對比 4 號件和 5 號件，加工時均開啟了AICC Ⅰ功能，兩件采取不同的精度控制等級，4 號件為 LV1（速度優(yōu)先）級，5 號件為 LV10（精度優(yōu)先）級，進(jìn)給速度最高為 1000mm/min。匯總加工結(jié)果可得出，設(shè)定在精度優(yōu)先級的情況下得到的加工表面質(zhì)量有明顯的改變，平面缺陷也得到改善，曲面拐角更平滑，但程序?qū)嶋H加工時間相比速度優(yōu)先級長 9%。
6 號件與 5 號件平面和拐角特征相似，但實(shí)際加工時間有小幅度降低。這是因為在加工前分別調(diào)整了系統(tǒng)參數(shù) No.1772(32) 和No.1783(500)，減小加工時的鐘型加、減速時間常數(shù)和微調(diào)拐角減速時允許的速度差參數(shù)可以加快程序插補(bǔ)前的加速度，從而加快程序運(yùn)行速度并保持拐角的加工精度。
4. 結(jié)語
通過實(shí)際加工和觀察，對 FANUC 0iMate-MD 數(shù)控系統(tǒng)的 AICC Ⅰ功能有了更多了解。在 UG NX 8.5 軟件中對本次加工的刀具軌跡進(jìn)行優(yōu)化和仿真加工，結(jié)合實(shí)際加工設(shè)備考慮加工軌跡的方向，盡量減少加工時出現(xiàn)的拐角振動。當(dāng)開啟 AICC Ⅰ功能，處于 LV1（速度優(yōu)先）級的狀態(tài)時，機(jī)床的各軸均處于在程序設(shè)定的最快進(jìn)給速度，此時機(jī)床各軸的伺服負(fù)載均處于 30%~40%;在調(diào)用 LV10（精度優(yōu)先）級時，當(dāng)遇到陡峭面或加工拐角，機(jī)床各軸的伺服負(fù)載均處于 20%~33%，其機(jī)床的進(jìn)給指令不斷發(fā)生變化，使機(jī)械傳動更加平穩(wěn)，從而得到更好的加工質(zhì)量。AICC Ⅰ功能沒有絕對的高速、高精度，如果要高精度，在遇到圓弧或拐角處必須適當(dāng)減速，如果要高速度加工，必然會造成較大的跟隨誤差。
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