高速加工中CAD/CAM的應(yīng)用(上)

        高速加工是以高的切削速度、高的進(jìn)給速度和高的加工質(zhì)量為主要特征的加工技術(shù)，其加工效率比傳統(tǒng)的切削加工要高幾倍，甚至十幾倍。經(jīng)高速銑削精加工后的模具型面，僅需略加拋光便可使用，從而節(jié)省了大量修磨、拋光的時(shí)間。高速加工是一個(gè)系統(tǒng)工程，它需要各個(gè)方面的配合以形成完整的高速切削工藝，如數(shù)控機(jī)床、切削刀具、冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)和CAD/CAM系統(tǒng)等，甚至還包括合適的工件形狀。
　　高速加工需要同時(shí)滿足多方面的應(yīng)用條件，一旦參數(shù)出現(xiàn)錯(cuò)誤便會(huì)導(dǎo)致全面失效。有些關(guān)鍵參數(shù)容易定義，如配有功能強(qiáng)大的CNC系統(tǒng)和高精度主軸的高質(zhì)量機(jī)床、高剛性和精確平衡的機(jī)床夾持、高性能的切削刀具等。有些參數(shù)則不容易定義，卻往往由于這些參數(shù)的選用不當(dāng)，導(dǎo)致高速加工失敗。
　　除了上述的物理因素外，CAD/CAM軟件的功能和正確應(yīng)用，也是影響高速加工的主要因素。如果由CAD/CAM系統(tǒng)產(chǎn)生的CNC程序直接決定處理的條件，這當(dāng)然十分直接，但要從CAD/CAM系統(tǒng)中統(tǒng)指出什么功能才能保證獲得高質(zhì)量的高速加工效果，卻極不容易。
　　下面我們就來(lái)分析應(yīng)用CAD/CAM軟件時(shí)，影響高速加工成敗的一些重要因素。
　　一、CAD對(duì)高速加工的影響
　　一般來(lái)說(shuō)，CAD對(duì)高速加工的直接影響并不易看到。很多人認(rèn)為CAD模型只用作定義零件的外形，至于如何加工所設(shè)計(jì)的零件，便是CAM使用者和加工工程師的責(zé)任了。這話從理論上來(lái)說(shuō)并沒(méi)有錯(cuò)，在很多情況下，CAD模型沒(méi)有真正定義需要加工的形狀。有許多原因使CAD模型不適合高速加工，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下。
　　1.精度的影響
　　加工精度高、熱分布范圍小、加工表面質(zhì)量高等，都是高速加工的優(yōu)勢(shì)，但我們看到一個(gè)奇怪的現(xiàn)象就是用于建立零件CAD模型的公差比零件最終的加工公差還大，這顯然是不合理的。
　　數(shù)據(jù)交換是影響精度問(wèn)題的根本原因。零件通常由一個(gè)CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)，然后轉(zhuǎn)換至另一個(gè)CAD系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充設(shè)計(jì)和加工準(zhǔn)備。每次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，都需要將幾何形體由一種格式轉(zhuǎn)換至另一種格式，有些轉(zhuǎn)換涉及按極限公差近似。由于這些公差屬于累積所得，因此建立CAD零件模型時(shí)必須將零件模型的公差設(shè)定為精加工公差的1/10。
　　交換格式，如IGES，使系統(tǒng)在不同的幾何描述間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)可以訪問(wèn)“主”數(shù)據(jù)，最好讓它進(jìn)行所有轉(zhuǎn)換工作，并通過(guò)“Flavouring”發(fā)送系統(tǒng)的IGES來(lái)實(shí)現(xiàn)。Flavouring將會(huì)告訴系統(tǒng)，在IGES文件中最可能使用什么類型的實(shí)體。有些系統(tǒng)提供預(yù)先定義的IGES Flavours菜單，使它更適用于常用的系統(tǒng)。
　　如要減少轉(zhuǎn)換過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題，其中一個(gè)方法便是使用直接接口。直接接口可讓系統(tǒng)直接讀取另一系統(tǒng)的文件，如Delcam的PowerMILL就擁有CATIA、Pro/ENGINEER、UG等主流系統(tǒng)的直接接口。
　　由于Stereo lithography (STL)三角形格式十分簡(jiǎn)單，因此成為有些公司喜歡使用的數(shù)據(jù)交換格式。有些CAM系統(tǒng)可以直接加工STL格式文件，其中包括Delcam的PowerMILL。然而，這種格式文件的三角形是按公差產(chǎn)生的，加工表面可能出現(xiàn)可見(jiàn)面片。主流設(shè)計(jì)系統(tǒng)STL格式使用的默認(rèn)公差一般非常大(0.1mm)，而且隱藏在多重選項(xiàng)之后，容易被忽略。因此，整理低公差設(shè)置STL文件的加工公差，可以提高加工表面的精度。  
　　2.修剪的影響
　　CAD系統(tǒng)的大部分零件由裁剪曲面“拼湊”而成，像上衣由多片形狀復(fù)雜的布料縫合而成的一樣。這些曲面的邊界精度直接影響所產(chǎn)生的刀具路徑質(zhì)量。例如，一個(gè)圓臺(tái)頂部為一個(gè)完整的圓形，平面頂蓋為六角形，六角形平面則可能在頂部某些地方超越圓形的范圍，如果超出的范圍太大，刀具路徑便會(huì)出現(xiàn)尖點(diǎn)，在這情況下，加工后的表面極可能出現(xiàn)刀痕。
　　3.不完整模型的影響
　　許多CAD使用者往往走捷徑，以求縮短模型的造型時(shí)間。他們經(jīng)常使用的技巧，是忽略底座內(nèi)部拐角處的圓倒角，甚至認(rèn)為通過(guò)合適半徑的刀具便可直接進(jìn)行加工。實(shí)際上，如果采用這種方法，刀具必須剛好切進(jìn)尖銳的拐角，這使刀具的負(fù)荷猛然增加，是刀具進(jìn)行直線切削時(shí)的4.5倍。
　　有些CAM系統(tǒng)可以提供解決的方法，但最好避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象，確保CAD模型準(zhǔn)確地表示需要加工的形狀。加工這類圓倒角最好使用半徑較小的刀具，在一般情況下，刀具的半徑最好是圓倒角的幾何尺寸的30%或更小，使拐角處的切削刀具路徑更加平順，避免刀具突然轉(zhuǎn)向。如果使用小刀具加工，刀具負(fù)荷可比直接切入拐角降低3倍。
　　4.不能加工特征的影響
　　盡管高速加工擴(kuò)大了可直接銑削的特征范圍，但對(duì)形狀特別復(fù)雜的模型，必須使用EDM加工細(xì)微的部分。此外，大部分零件有許多孔，可以直接將它們鉆出。如果供加工使用的CAD模型包含這些特征，大多CAM系統(tǒng)將會(huì)嘗試加工。最典型的結(jié)果，是刀具路徑包含不希望進(jìn)行銑削加工的區(qū)域，如果不加以處理，實(shí)際加工時(shí)刀具必定切入孔或尖角。CAM使用者需要花很多時(shí)間修正錯(cuò)誤，以避免重復(fù)加工放電加工區(qū)域和孔區(qū)域。如果可以的話，盡量把不希望進(jìn)行銑削加工的特征，從用于產(chǎn)生刀具路徑的CAD模型中除去。具體方法視所使用的CAD系統(tǒng)而定，有些系統(tǒng)采用刪除特征的方法，有些則通過(guò)加入額外曲面來(lái)覆蓋。