高速加工中的CAD/CAM

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
    一般來說，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。這話從理論上來說并沒有錯(cuò)，在很多情況下，CAD模型沒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“主”數(shù)據(jù)，最好讓它進(jìn)行所有轉(zhuǎn)換工作，并通過“Flavouring”發(fā)送系統(tǒng)的IGES來實(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)換過程出現(xiàn)問題，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，有些則通過加入額外曲面來覆蓋。
二、CAM對(duì)高速加工的影響
    盡管很多研究機(jī)構(gòu)對(duì)高速加工的研究已有多年，但目前仍沒有明確簡(jiǎn)潔的定義和解釋。高速加工的基本出發(fā)點(diǎn)是在高速低負(fù)荷下切削比在低速高負(fù)荷切削更能快切除材料。低負(fù)荷切削意味著可以減輕切削力，從而減少切削過程的振動(dòng)和變形。在高速的狀態(tài)下選用合適刀具，就可以切削高硬度的材料。高速切削可以借助切屑帶走大部分的切削熱，以減少零件的熱變形。
    上述優(yōu)點(diǎn)只能在合適的加工條件下實(shí)現(xiàn)。如果加工條件不恰當(dāng)，將會(huì)影響刀具的壽命，甚至導(dǎo)致更嚴(yán)重的后果。
1. 高速加工刀具路徑
    高速銑削刀具路徑的限制因素按重要性排列如下：
    (1)刀具不能和零件碰撞；
    (2)切削負(fù)荷必須在刀具的極限負(fù)荷之內(nèi)；
    (3)殘留材料不能大于指定極限；
    (4)應(yīng)避免材料切除率突然變化；
    (5)切削速度和加速度必須在機(jī)床的能力范圍內(nèi)；
    (6)切削方向（順銑/逆銑）應(yīng)保持恒定；
    (7)應(yīng)避免切削方向突然變化；
    (8)盡量減少空程移動(dòng)；
    (9)切削時(shí)間應(yīng)減至最少。
    在實(shí)際零件的刀具路徑編制過程中，難以完全滿足上述要求。事實(shí)上，當(dāng)加工復(fù)雜形狀的零件時(shí)，只能盡量滿足這些要求，并首先要滿足較為重要的要求。精加工還存在使高速加工出現(xiàn)刀痕的問題：由于零件形狀的限制，如要遷就切削條件，便會(huì)在加工后的零件表面留下可見的刀痕，雖然可以通過拋光的方法消除，卻違背使用高速加工的原意。進(jìn)行粗加工和半精加工后，CAM使用者有多種方法修改零件的形狀，刀痕也可利用其后的精加工消除。
2. 編程能力
    良好的高速加工程序可以迅速地在機(jī)床上執(zhí)行，卻要花很長時(shí)間和大量精力編制。在模具制造的單件加工領(lǐng)域，因等待加工程序?qū)е聶C(jī)床停機(jī)的情況非常普遍。如果將這種壓力強(qiáng)加給CAM使用者，讓他們更快地產(chǎn)生刀具路徑，便會(huì)迫使他們走捷徑，所編制的程序就會(huì)有問題，即使機(jī)床能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，其加工速度已大打折扣，所以采用給CAM使用者加壓的方法進(jìn)行高速加工并不明智。如要獲得最好的高速加工效果，必須提供足夠的CAM能力，以得到高質(zhì)量的加工程序，確保機(jī)床全負(fù)荷地運(yùn)作。為此可從以下幾方面入手：
    (1)用具備自動(dòng)高速加工功能的CAM軟件，可以減少使用者優(yōu)化程式的工作量。
    (2)使用可快速計(jì)算無過切刀具路徑的CAM軟件，批處理功能可將復(fù)雜程序的計(jì)算留在夜間進(jìn)行。
    (3)使用高性能的計(jì)算機(jī)并經(jīng)常更新配置，確保具有足夠內(nèi)存以提高運(yùn)行效能。
    (4)確保每臺(tái)機(jī)床配備足夠的CAM編程人員。培訓(xùn)機(jī)床操作者，讓他們直接在車間進(jìn)行加工編程，以充份發(fā)揮其加工技能。
    (5)確保為操作者提供適當(dāng)?shù)母咚偌庸ぞ幊膛嘤?xùn)。
3. 安排加工順序
    除了最簡(jiǎn)單的零件，高速加工往往有多個(gè)加工步驟。對(duì)高速加工的編程，最重要的是選取正確的加工順序，以下是一些基本原則。
    (1)考慮加工成形的幾何形狀，應(yīng)同時(shí)考慮希望切除的材料。
    (2)把加工步驟減至最少。
    (3)使用連續(xù)的方法，如偏置路徑通常比平衡路徑好等。
    (4)避免垂直下刀，應(yīng)從材料的外部切入。
    (5)在零件的臨界區(qū)域，確保不同步驟的精加工路徑不會(huì)重復(fù)，否則必定出現(xiàn)刀痕。
    (6)盡量不換刀，使用單一刀具精加工臨界區(qū)域。刀具設(shè)置錯(cuò)誤常常導(dǎo)致精加工后的加工表面出現(xiàn)刀痕。
    (7)長刀具容易磨損，應(yīng)盡量使用短刀具。如果可以，應(yīng)考慮重新定位零件方向，在難以加工的區(qū)域使用短刀具進(jìn)行加工。
三、結(jié)論
    (1)高速加工對(duì)加工工件的每個(gè)環(huán)節(jié)要求嚴(yán)格，基本要求是使用合適的物理設(shè)備，并精確地指定有關(guān)的參數(shù)。雖然難以具體指定高速加工需要哪些CAD和CAM功能，卻可以肯定CAD和CAM對(duì)高速加工的質(zhì)量和穩(wěn)定性均有明顯的影響。
    (2)高速加工使用的CAD模型必須精確地表達(dá)需要加工的模型形狀，這意味模型精度必須高于加工精度，在可能的情況下，將不需進(jìn)行銑削加工的模型特征刪除或遮蓋。
    (3)高速加工設(shè)備必須配以足夠的CAM編程人員，以保證機(jī)床采用最佳的程序。提高編程質(zhì)量的方法之一，是讓機(jī)床加工人員在車間編制加工程序，同時(shí)確保CAM操作者和機(jī)床操作人員，曾經(jīng)接受良好的技術(shù)培訓(xùn)。
    (4)如要獲得良好的高速加工效果，最有效的方法是仔細(xì)安排加工順序，適當(dāng)使用CAM系統(tǒng)提供的加工條件。