FANUC 高速加工功能在模具加工中的應用
【摘要】: 以結果對比的方式對發那科經濟型數控系統的模具加工功能進行試驗，采用具有典型特征的行位鑲件試切加工，并調用發那科系統AI 輪廓控制功能的各個精度等級或修改對應的系統參數，使機床實現快速、精確的伺服控制，改善機床的動態特性，最后對得到的不同加工質量的曲面進行分析。
【關鍵詞】:高速加工;AI輪廓控制;數控系統;加工質量
AI 輪廓控制是發那科高速加工功能中的一項，對工件質量要求較高時普遍采用此控制方式。FANUC 數控系統提供多種高速、高精度控制功能，可使系統在加工過程中增加程序預讀段數，預知加工軌跡，從而提前做出判斷。還可以通過對相應參數的調整，達到優化表面質量、減小形狀誤差、提高加工效率等目的。
1. 制造前準備
（1）產品分析 試驗產品是某品牌汽車進氣室模具中的行位鑲件，如圖 1 所示。鑲件與塑膠產品模型通過軟件求差運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
該汽車進氣室產品通常在高溫下工作，屬于無法直接看到的汽車內部件，其表面質量要求較低，選用 PA66+30% 玻璃纖維作為塑膠產品的材料。加入 30% 玻璃纖維后，尼龍材料尺寸穩定性、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到 230~280℃，由于模具的溫度需要達到80~90℃才有良好的結晶度，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越的力學性能、良好的可加工性和較高的出廠硬度。
（2）加工軌跡優化對比 在 UG NX 軟件中的“固定輪廓銑” 選項（尤其是該選項下的 “驅動方法” 選項）中合理地設置參數，可以獲得更優化、更快速的銑削刀軌。如圖 3 所示，“驅動方法” 選擇 “區域銑削”，點擊 “生成刀軌”，默認生成了平行于加工坐標系 X 軸的加工刀軌（見圖3a）?？紤]到該產品有較多相同的拐角特征，所以重新指定 “區域銑削” 中的 “切削角” 參數，在 “切削角” 選項下選擇 “矢量”，指定 “矢量”平行于加工坐標系的 Y 軸，隨后點擊 “生成刀軌”，得到了一段旋轉 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），對比發現 : 在相同的進給速度、切削模式、刀軌步距、驅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 字節和 832 473 字節，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
（3）制造裝備的選擇 模具中的零件對精度要求高，其加工設備不但要具有數控功能，還要有能適應加工條件的力學性能。本產品的加工選用了制造車間里搭配有 FANUC Series0i-Mate?MD 操作系統的國產加工中心（加工中心的主要性能參數見表 2），該 FANUC 操作系統原有的先行控制功能已升級為 AI 輪廓控制（AICC Ⅰ）功能，在軟件驅動上改善了機床的機械運動性能。選用以 X、Y 軸為線軌、Z 軸為硬軌的機床設備，主軸安裝的刀柄是數控機械加工主流的 BT40 刀柄，機床最高轉速可達 8000r/min，其通用性可滿足常規的加工工序。
表 2 數控銑床捷甬達 VCM1050 主要性能參數
為了避免對比加工結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閉油霧收集器等外部設備。
2. FANUC 0i Mate-MD 數控系統高速加工功能調試
（1）FANUC 0i-Mate-MD 系統中的 AI 輪廓控制功能 通過 AI 輪廓控制功能可以實現進給速度的加快，伺服系統的延遲和加、減速的延遲，從而減少機械加工中的形狀誤差。
圖 4 0i-Mate-MD 系統精度選擇界面
如圖 4 所示，可通過系統設定界面檢查該FANUC 系統中是否具有 AI 輪廓控制功能，在機器上依次按 “SET” “＋” “精度 LV” 鍵。如果系統有 AI 輪廓控制功能（AICC），則可設定速度優先或精度優先的參數集，從而在加工時指定適合加工條件的精度級。當系統內設定的加工條件仍無法滿足零件的加工需求時，可以單獨調整相應的參數號來改善加工條件。0i-Mate-MD 和0i-MD 系統 AICC Ⅰ功能具體可選擇條件見表 3。
表 3 0i-Mate-MD 和 0i -MD 系統 AICC Ⅰ功能
0i-Mate-MD 系統中 AICC Ⅰ功能對應的功能參數設定見表 4。
表 4 0i-Mate-MD 系統中 AICCⅠ功能對應的功能參數設定
（2）發那科 AI 輪廓控制功能（AICC Ⅰ）啟動指令 在 0i-Mate-MD 系統使用 G05.1 時，務必利用單程序段指定。當各程序文件需要調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先的方式運行該段程序后的指令。程序結束前應該指定 G05.1 Q0，需要利用單程序段指定該指令，也可用復位來解除 A I 輪廓控制方式。
以上啟動方式對應 0i-MateMD 系統參數號No.1604#0，當 #0 的值置 1 時，執行加工程序時將自動開啟 AI 輪廓控制功能，當 #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 作為基準速度。②在 G05.1 Q1 Rx 程序段中指定 “x” 的精度等級。③設定對應參數號的值。
在 AI 輪廓控制功能下，若指定速度超過系統設定的進給速度，系統將進行插補前加、減速控制，通過預讀程序段自動控制進給速度。進給速度也可通過設定以下參數進行控制 : ①各軸插補前最大允許加速度 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各軸圓弧插補時最大允許加速度 No.1735。
3. 加工結果分析
加工結果匯總見表 5，從 1 號件和 2 號件的加工表面質量圖可以看出，在相同刀具和加工軌跡的情況下，將系統參數 No.1604#0 置 1 后，修改功能啟動參數前后的程序，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，程序實際加工時間相差不大，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，因系統預讀程序段少，在加工陡峭面時機械會發生振動和多次停頓，導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（速度優先）級，5 號件為 LV10（精度優先）級，進給速度最高為 1000mm/min。匯總加工結果可得出，設定在精度優先級的情況下得到的加工表面質量有明顯的改變，平面缺陷也得到改善，曲面拐角更平滑，但程序實際加工時間相比速度優先級長 9%。
6 號件與 5 號件平面和拐角特征相似，但實際加工時間有小幅度降低。這是因為在加工前分別調整了系統參數 No.1772(32) 和No.1783(500)，減小加工時的鐘型加、減速時間常數和微調拐角減速時允許的速度差參數可以加快程序插補前的加速度，從而加快程序運行速度并保持拐角的加工精度。
4. 結語
通過實際加工和觀察，對 FANUC 0iMate-MD 數控系統的 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行優化和仿真加工，結合實際加工設備考慮加工軌跡的方向，盡量減少加工時出現的拐角振動。當開啟 AICC Ⅰ功能，處于 LV1（速度優先）級的狀態時，機床的各軸均處于在程序設定的最快進給速度，此時機床各軸的伺服負載均處于 30%~40%;在調用 LV10（精度優先）級時，當遇到陡峭面或加工拐角，機床各軸的伺服負載均處于 20%~33%，其機床的進給指令不斷發生變化，使機械傳動更加平穩，從而得到更好的加工質量。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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