充分利用高速加工技術(shù)

隨著刀具（數(shù)控）、銑床和應(yīng)用軟件的發(fā)展，高速加工技術(shù)在那些專攻刀具制造、原型制造和其他精密加工應(yīng)用方面的企業(yè)中已成為現(xiàn)實，這對于企業(yè)的成功發(fā)展起到了巨大的推動作用。
    高速加工（HSM）技術(shù)正在幫助全球的企業(yè)提高生產(chǎn)力，降低成本。這種軟件可以充分發(fā)揮高速設(shè)備的作用，保護其免受損壞，減少磨損并簡化刀路設(shè)計，因此即便普通用戶也能從中受益。它也可以幫助企業(yè)更快地開發(fā)新產(chǎn)品，改造重工業(yè)產(chǎn)品，從而迅速占領(lǐng)市場。

    總部位于英國的領(lǐng)先的鍛造工業(yè)大型模具制造商謝菲爾德模具公司就是這樣一個例子。“對于鍛造企業(yè)來說，模具的損壞是非�？膳碌�，”謝菲爾德公司的創(chuàng)始人Andy Farmer先生說道，“鍛造企業(yè)使用大型、復(fù)雜的模具，一個模具故障就能導(dǎo)致沖壓過程的中斷。每一小時的中斷將給企業(yè)帶來數(shù)以千計美元的損失。我們能在一周內(nèi)成功完成對損壞刀具的再次切割，或者創(chuàng)建一套新的刀具。但在別的企業(yè)，這個過程要花費6~8周時間，這其中的關(guān)鍵在于我們在模具的粗加工和精加工過程中應(yīng)用了高速加工技術(shù)。”
    謝菲爾德公司是高速加工應(yīng)用的先驅(qū)者。該公司的成功看起來似乎不費吹灰之力，而事實上來源于對必備刀具和方法，以及對它們的優(yōu)勢和局限性的全面了解。
速度、進給和刀具
    高速加工技術(shù)的特點是主軸速度為10 000~40 000r/min，進給速度可達到10~20m/min，切割深度相對較小。它經(jīng)常應(yīng)用于重要材料的去除或處理硬度極強的金屬。其應(yīng)用范圍從汽車模具、沖壓刀具和其他大型鋼制構(gòu)件到硬金屬加工、定制原型部件、臀部、膝關(guān)節(jié)類的專用醫(yī)療產(chǎn)品和特殊材料研發(fā)項目等。
    由于高速加工技術(shù)所具備的超高速度，這種技術(shù)對流程中使用的每一種設(shè)備都有非常高的要求。銑床、刀具和夾具等組件的設(shè)計必須達到最佳的平穩(wěn)性和振動的最小化，因為過分的振動會破壞表面加工，縮短刀具和其他工具的使用壽命，甚至會使工具或加工完全報廢。
數(shù)控機床的創(chuàng)造是為了增強加工硬度和提高鑄件加工速度。為了增大強度，并能承受夾具的熱膨脹，刀具采用堅固的亞微米級細粒碳化物制成。刀桿使用熱套工藝以實現(xiàn)平衡最大化和空氣阻力最小化。為了控制系統(tǒng)把軟件指令轉(zhuǎn)化為準確的動作，要求數(shù)字驅(qū)動和直接測量系統(tǒng)達到最高的精確度和重復(fù)的準確度。

HSM軟件的特征
    能否充分利用這些組件，并推動流程從而最大化收益，將取決于高速加工軟件的應(yīng)用。為了達到這一目的，高速加工軟件應(yīng)在以下四個方面表現(xiàn)優(yōu)異：優(yōu)化制造穩(wěn)定性、提升刀路效率、最大化操作性能和增強易用性。
1.制造穩(wěn)定性
    高速加工通常被認為是“高沖擊”加工。由于速度極快，每一次在新表面停下所造成的沖擊都易造成刀具的損壞。因此該軟件將要減少并柔化刀具在所有情況下可能受到的沖擊。在粗加工中進行深度切削時，該軟件應(yīng)使刀具以螺旋式而不是直接地垂直切入，或者應(yīng)根據(jù)表面輪廓傾斜地切入。在進入拐角處應(yīng)小心地控制刀具的移動，而不允許在拐角處進入短促的on-off移動。在移動主軸和加工時該軟件應(yīng)使數(shù)控機床保持恒定負載，而且應(yīng)了解切削刀具側(cè)面和模具壁面間的布局，以避免意外接觸產(chǎn)生的振動。
2.刀路效率
    該軟件優(yōu)化刀路設(shè)計的功能在提高高速加工效率方面扮演了重要角色。例如，刀路設(shè)計應(yīng)該使刀具盡可能實現(xiàn)最大切削，以使時間和刀具變化達到最小化。刀路設(shè)計應(yīng)優(yōu)化刀路路線，從而使刀具盡可能多地接觸材料。“新鮮空氣切削”最小化有助于增加刀具切削時間，將刀具沖擊保持在最低程度從而減少刀具或插入磨損。此外，該軟件還有許多其他方式提高加工效率，其中有些非常奇妙。最后一個例子是，當工具不得不在銳角上從一個表面移動到另一個表面時，為了保持進給速度恒定，該軟件應(yīng)該能夠在空中創(chuàng)建一個曲線軌道，而不會造成突然的“停止”和“啟動”。
3.操作性能
    高速的數(shù)據(jù)導(dǎo)入以及各種刀路算法，滿足了高速加工技術(shù)對軟件的性能要求。底層軟件架構(gòu)必須盡可能高效，以支持“前瞻性”算法，這種算法功能強大，不僅可以預(yù)測刀具移動和變化的情況，而且還能為復(fù)雜的大型項目保留充分的空間。該軟件應(yīng)該能夠支持多線程和并行處理。同時它應(yīng)該能夠利用有效壓縮技術(shù)達到內(nèi)部文件的最小化。
4.易用性
    高速加工軟件應(yīng)該能夠提供快捷菜單和連續(xù)工作流，使常規(guī)應(yīng)用簡單容易，不需要太多培訓(xùn)即可掌握。但是，它也應(yīng)該使用戶可以輕松快速地設(shè)計刀路，并且應(yīng)該確保該軟件將按照指令正確執(zhí)行，這對于無人值守加工來說顯得尤為重要。
    用戶通過電子數(shù)據(jù)表或其他外部文件來定義工具是簡化設(shè)計的一種方式；另一種方式是使用智能默認方式來自動完成復(fù)雜的切削。例如，在刀具進入拐角時進行加速或減速。還有一種方式是程序員通過創(chuàng)建殘留模型（stock model）來觀察模具在加工過程中所有時刻的可能形態(tài)，從而在粗加工和精加工步驟中進行可能的調(diào)整。最后，刀路本身的可靠性和精度應(yīng)該能夠滿足機床連續(xù)進行夜間無人值守狀況下的運轉(zhuǎn)要求。
Pro/TOOLMAKER軟件
    2007年5月，PTC公司收購了總部位于英國的NC Graphics有限公司，將高速加工軟件加入到其Pro/ENGINEER產(chǎn)品系列中。NC Graphics公司是高速加工軟件的領(lǐng)先供應(yīng)商，它的軟件也就是現(xiàn)在的Pro/TOOLMAKER，一直處于業(yè)內(nèi)領(lǐng)先地位。
    謝菲爾德模具公司創(chuàng)始人Andy Farmer先生是原始應(yīng)用軟件開發(fā)者之一。在參與創(chuàng)建該應(yīng)用軟件后，他于2004年創(chuàng)建了謝菲爾德模具公司，致力于拓展專用模具制造和改造市場。他表示他的成就與Pro/TOOLMAKER高速加工軟件密不可分。“我們在該應(yīng)用軟件中加入了大量智能功能，”Farmer先生表示。
    就當今的高速加工應(yīng)用軟件而言，F(xiàn)armer先生表示一些軟件具備了Pro/TOOLMAKER類似的高效創(chuàng)建刀路的功能。不同之處在于Pro/TOOLMAKER可以默認產(chǎn)生這些刀路，而其他軟件要求用戶在創(chuàng)建設(shè)計時修改參數(shù)。
    Farmer先生說：“我們將所有的設(shè)計在車間完成，這與大多數(shù)設(shè)計部和車間分離的公司是不同的。這樣具有極大的優(yōu)勢，因為當設(shè)計中的某些地方不正確時，車間能快速做出反應(yīng)，進行糾正，并在短時間內(nèi)重新運轉(zhuǎn)。因此，程序員不會因為設(shè)計的準確度與操作者發(fā)生分歧，避免了不必要的停機時間。有了Pro/TOOLMAKER機床級操作者在車間級系統(tǒng)中能夠自己修正準確度。”
   Farmer的數(shù)控機床可以進行7×24h的運轉(zhuǎn)和工作。他估計，如果不使用Pro/TOOLMAKER軟件，要生產(chǎn)同樣的產(chǎn)量至少需要增加兩臺數(shù)控機床和相應(yīng)的員工。
    Farmer先生說道：“我們通常以IGES格式從各種CAD系統(tǒng)中獲取文件，毫無疑問，Pro/TOOLMAKER準確地實現(xiàn)了用戶所期待的生產(chǎn)結(jié)果。”
    謝菲爾德模具公司這類的公司正不斷發(fā)現(xiàn)高速加工以及Pro/TOOLMAKER這樣的高度智能化軟件所帶來的巨大競爭優(yōu)勢。這種軟件擴大了高速硬件的優(yōu)勢，保護其免受損壞，減少磨損并簡化刀路設(shè)計，因此即使普通用戶也能從中得益。高速加工技術(shù)無論是從設(shè)計到部件的產(chǎn)品開發(fā)生命周期中，還是在幫助制造商贏得并保持競爭優(yōu)勢中，都扮演了一個重要角色。