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創新型微銑削技術的應用
日期: 2009-02-23
 
      思美創公司開發的主要應用於高精度微小零件和模具的設計與製造的微銑削軟體CimatronE,曲面加工精度高達0.1μm,可幫助模具製造者提高製造效率、模具品質和降低模具製造成本。
 
      隨人類科技的進步,多數產品對微小的系統元件、零件以及子裝配的需求越來越大,隨之產生對微小產品(比如醫療手術小鑷子直徑為0.6mm)和模具的需求。為保證微銑削所產生的刀路高效安全並獲得所需的曲面品質,人們需要具有新的幾何演算法和加工策略的軟體。
 
      思美創(Cimatron)公司較早地意識到微小零件加工所遇到的這些挑戰,遂加入了由歐共體組建的微銑削研究專案中,與Fuaunhofer產品技術研究院(IPT)以及領先的機床製造商共同參與了這個專案,為微型產品的加工提供解決方案。
 
創新的演算法設計
 
      Cimatron能夠提供處理微型加工的商業化CAD/CAM軟體解決方案。為了滿足高精度微小零件的加工要求,在Cimatron中可以通過創建一個新的刀路形式來滿足這種零件的特殊極端條件,其允許最小編程公差為0.0001毫米,它為模具製造者以及產品加工提供很高的精度和品質,而且在實際編程過程中計算刀路的速度也很快。理論上,利用傳統演算法計算此類資料量巨大的精密程式,容易導致電腦出現溢出或死機現象而無法順利計算出編程結果,但Cimatron的微銑削策略通過特殊演算法,程式計算時間比傳統的公差等級程式短,提高了編程的計算效率。
 
典型應用
 
      從2003年4月份開始,在歐盟的支援下,技術研究組織(CRAFT)歷時24個月開始對微型塑膠元件的注射模具進行微銑削這個項目進行研究。在Fraunhofer Institute of Production Technology(IPT)領導下,該項目涉及到從技術提供到微型加工整個過程,包括CAD/CAM軟體供應商(Cimatron),銑削機床商(Kern),刀具製造商(Magafor)以及模具製造商(Promolding B.V.、Structoform和MMTAG),模具材料硬度到53HRC,微型模具銑削的精度<5μm,曲面粗糙度<0.2μm。
 
      測試項目使用了為工模具行業提供CAD/CAM集成解決方案的CimatronE軟體,Cimatron使用了實體曲面混合建模技術,其ACIS內核技術提供了高達1nm的內部精度。
 
      如果導入的產品資料模型品質不好,必須在CAM操作之前進行修復。一些小的孔或者縫隙可能最終導致較低的加工品質。與單純的實體建模不同,Cimatron的混合建模擁有“為製造而設計”功能用以修復幾何模型,通過各種曲面功能融合縫隙並變成實體。
 
      Magafor為此項目提供特殊的刀具,刀具最小直徑50μm,為了順利完成切削,主軸轉速高達160,000rpm。為了降低風險,防止換刀過程中產生的不連續的微型曲面,CimatronE提供了多種加工策略。NC策略中支持斜線或螺旋下刀保證刀具最大限度地光滑和連續進入工件。
 
      加工過程中通過應用高速切削(HSC)策略獲得均勻一致刀路,並使用了毛坯殘留知識防止斷刀,以對微型腔進行開粗。
 
      通過對此項目使用多種精加工策略測試發現,基於曲面的NC策略有時會產生不均勻的刀路,通過使用3D步距策略結合HSC獲得了更好的效果。同時CimatronE也提供了在曲面上定義U-V方向的銑削策略,這一點證明是對於微銑削最合適的精加工策略。通過對微型轉子進行U-V方向加工,產生測試型腔並獲得了很高的加工精度。
 
      Cimatron的微銑削技術通過識別真實的殘留微型毛坯以及具有同樣功能的開粗、二次開粗、精加工微和擺線開粗等加工策略保證刀路軌跡安全高效。5軸傾角滿足需要非常小直徑的短錐型刀進行零件加工,以及硬度和曲面品質要求皆高的材料加工。為了滿足高速銑削要求,Cimatron採用了多種高速銑削策略。如角部圓角連接、零重擺線精加工、S連刀和螺旋下刀、自適應Z層精加工和流線加工。
 
      同時,Cimatron強大的CAD功能可以修復微小裂縫和重高效處理導入的破損資料,滿足微銑削的特殊要求,CimatronE支持樣條逼近加工和流線銑削,減少加工時間,降低刀具磨損和破壞。
 
     此外,Cimatron支持無縫縮放計算環境,在計算環境中按照放大的進行計算,而對任何輸入或輸出包括模型、視圖、仿真、NC報告、G代碼都不會產生任何影響。
 
      北京阿奇夏米爾北京應用中心,成功加工出客戶所需求的直徑僅為0.1mm的高精度電子元器件,完工成品呈半圓弧面,所用切削材質在HRC55-58之間。這一電子元器件的加工是由米克朗HS500高速銑削加工中心完成的,配置了轉速為42,000r/pm的高速主軸以及相應的微細加工刀具系統,並運用了CimatronE微銑削軟體。
 
      阿奇夏米爾生產的米克朗HSM500高速銑削加工中心,專為精密電子類模具用戶和小型精密零件加工行業定制。其床身結構為龍門框架式,採用混凝土聚合物(人造大理石)製成,可有效吸收較高加速度情況下產生的強烈衝擊力,從而確保高度的加工精度。
 
結論
 
     上述實例表明,Cimatron的微銑削軟體主要應用於高精度微小零件和模具的設計與製造,實現了高效與低成本的有效統一,也挑戰了電腦的配置和性能;機床的速度、穩定性和吸震性;軟體自身的運算速度和加工精度。
 
      通過運用非常小的刀具(直徑小於0.1mm),CimatronE微銑削軟體精度高達0.0001mm的優質曲面品質,可滿足“直接加工”的特殊需求,使模具製造者減少電極的使用,提高製造效率,縮短交付週期,提高模具品質和降低模具製造成本。同時,借助其內部嵌入的強大CAD工具,保證高幾何演算法的順暢運行,可勝任高精度微小零件和模具的設計與製造。
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