EdgeCAM模具加工中的效率與質(zhì)量

    模具加工領(lǐng)域離不開CAM軟件，不僅是因?yàn)閺?fù)雜的型面無(wú)法通過(guò)手工計(jì)算完成，更關(guān)鍵的因素是要提高產(chǎn)品的質(zhì)量和加工效率，充分利用CAM這個(gè)平臺(tái)是最有效的手段之一。目前，我們看到了CAM與模具加工相互促進(jìn)的局面。CAM軟件的發(fā)展初期，著重解決能與不能的問(wèn)題。如今正在跨越這個(gè)階段，對(duì)加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量方面提出了更高的要求。隨著加工手段的多樣化和數(shù)控設(shè)備的快速發(fā)展，對(duì)CAM軟件的應(yīng)用范疇也提出了新的要求。這里我們通過(guò)模具加工中的提高效率和質(zhì)量?jī)蓚�(gè)角度來(lái)分析一下如何更好地應(yīng)用CAM軟件。

    在模具加工中，由于具有加工時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)品附加值高、單件小批量的特點(diǎn)，使得模具加工中的效率成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。由于在精加工中，無(wú)論選擇何種加工軌跡，單位面積上的材料去除率相差無(wú)幾，因此，效果最明顯的是有效地縮短粗加工時(shí)間。為了給精加工創(chuàng)造一個(gè)良好的切削條件，粗加工應(yīng)該盡可能地去除材料，保證余量均勻。一般情況下，在粗加工過(guò)程中，要提高效率就應(yīng)盡可能使用較大直徑的刀具，然后再使用小直徑的刀具進(jìn)行殘料加工。如此由大到小選擇刀具進(jìn)行分層分區(qū)的加工，需要靈活的殘料加工手段。例如，在Edgecam中提供了子層次切削、殘料加工等手段可以靈活地滿足這方面的需求。 子層次切削是指利用同一把刀具進(jìn)行大切深的粗加工后，再對(duì)型面表面的較大殘留臺(tái)階進(jìn)行細(xì)化加工的一種方式，這種方式與直接使用較小直徑刀具一次加工形成粗加工型面相比，可以有效地提高加工效率。另外，使用殘料粗加工時(shí)，使用小直徑的刀具加工先前大直徑刀具未能加工的區(qū)域時(shí)，可以自動(dòng)識(shí)別先前大直徑刀具的殘料并生成刀具軌跡，殘料加工過(guò)程中也可以根據(jù)情況選擇子層次切削或某個(gè)限定的加工區(qū)域。這兩個(gè)手段有效地保證了粗加工生成的刀具軌跡高質(zhì)高效。從下面是兩個(gè)實(shí)際加工胎具的加工過(guò)程中我們了解到，粗加工的材料去除量在模具加工中所占的比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于精加工；因此，要提高加工效率首先應(yīng)該在粗加工過(guò)程做優(yōu)化。其次，在模具加工的整個(gè)過(guò)程中，花費(fèi)在編程上的時(shí)間也是一個(gè)應(yīng)該關(guān)注的環(huán)節(jié)。

    在編程過(guò)程中，我們花費(fèi)的時(shí)間主要在兩個(gè)方面，一是對(duì)模型的完善，包括模型的修補(bǔ)，輔助線和面的生成；二是生成刀具軌跡的計(jì)算時(shí)間。如今CAM軟件層出不窮，分類方式也比較多樣。這里從曲面加工和實(shí)體加工的角度對(duì)軟件進(jìn)行分類，理由是從被加工模型類型的角度對(duì)CAM進(jìn)行分類是最本質(zhì)最核心的切入點(diǎn)。起初，所有CAM軟件都是以曲面加工為核心，通過(guò)對(duì)構(gòu)成模型的眾多曲面片為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而生成刀具軌跡。90年代后期，隨著三維實(shí)體CAD的快速發(fā)展，很多CAM軟件都可以對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行編程操作，但是計(jì)算刀具路徑的依據(jù)并不是實(shí)體模型本身，而是從實(shí)體模型中提取的點(diǎn)線面等元素，因此實(shí)質(zhì)上仍然是曲面加工，充其量說(shuō)是加工實(shí)體。實(shí)體加工是指以實(shí)體模型作為計(jì)算依據(jù)生成刀具軌跡，此類CAM軟件大多在95年之后出現(xiàn)，2000年之后隨著計(jì)算機(jī)硬件性能和Windows平臺(tái)的發(fā)展，使CAM軟件得以快速發(fā)展。例如現(xiàn)在的Edgecam、CAMworks等。此類軟件的特點(diǎn)是從CAD到CAM的整個(gè)過(guò)程中，完全以實(shí)體模型為依據(jù)，不存在模型轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)丟失，因此也就不需要對(duì)模型進(jìn)行修補(bǔ)。不僅可以有效地避免人為修補(bǔ)模型造成的誤差和遺漏，更可以大大地節(jié)省這部分時(shí)間。但是，由于實(shí)體模型本身的信息量相對(duì)于曲面模型更多更完善，因此計(jì)算量也相應(yīng)地增加，選擇一個(gè)有效的算法便可以解決這個(gè)問(wèn)題。例如，我們利用Edgecam做了一些測(cè)試，驚喜地看到通過(guò)算法的優(yōu)化，針對(duì)實(shí)體模型的計(jì)算時(shí)間得到了本質(zhì)上的提升。下面是對(duì)比圖表，我們可以從中看到，相同條件下的實(shí)體模型的計(jì)算時(shí)間與曲面模型的計(jì)算時(shí)間已經(jīng)相差無(wú)幾，甚至有所超出（見(jiàn)圖一）。

    這里我們看到一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象，某些情況下，曲面模型的計(jì)算時(shí)間反倒多于實(shí)體模型的計(jì)算時(shí)間，這一點(diǎn)與曲面模型構(gòu)造的復(fù)雜程度和模型的大小相關(guān)。我們以中等尺寸模型為例，在計(jì)算刀具路徑的過(guò)程中，以構(gòu)成模型的數(shù)百個(gè)曲面片作為計(jì)算依據(jù)時(shí)，由于對(duì)曲面邊界的處理需要花費(fèi)一些額外的時(shí)間；而對(duì)于實(shí)體模型來(lái)說(shuō)，邊界處理要容易很多，因此節(jié)省了大量的計(jì)算時(shí)間，這就是造成這種現(xiàn)象的原因。此外，我們?cè)贓dgecam版本更新的過(guò)程中，也可以看到不斷得到提升的計(jì)算性能，通過(guò)對(duì)不同版本中相同加工方法的橫向?qū)Ρ�，我們也可以看到這種變化（見(jiàn)圖二）。

    模具加工中的型面質(zhì)量，是整套模具的核心。因此，如何提高型面加工的質(zhì)量是提高產(chǎn)品質(zhì)量的重中之重。

    選擇合理的加工參數(shù)和刀具是重要的環(huán)節(jié)。在機(jī)床允許的進(jìn)給和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，根據(jù)被加工材料的性能和機(jī)床刀具等硬件設(shè)備情況選擇合理的加工參數(shù)對(duì)型面的影響至關(guān)重要。例如，在精加工一個(gè)黃銅電極的型面時(shí)（見(jiàn)下圖），我們使用直徑2mm的立銑刀，加工時(shí)使用的轉(zhuǎn)速為12000轉(zhuǎn)/分。進(jìn)給速度為2000mm/min。即使刀具路徑設(shè)置得非常密，但是形成的表面質(zhì)量還是不理想。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)數(shù)降為6000轉(zhuǎn)/分之后，加工出的型面表面質(zhì)量卻非常好。原因是由于精加工過(guò)程中的刀具顫動(dòng)對(duì)型面質(zhì)量形成的影響已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了刀具路徑對(duì)型面質(zhì)量的影響。因此在加工過(guò)程中，需要考慮的工藝因素不僅局限在被加工材料和刀具，同時(shí)也需要考慮包括工裝、機(jī)床等這些不可忽略的因素帶來(lái)的影響。

    除了選擇合理的加工參數(shù)之外，在編程過(guò)程中，刀具路徑的密度和樣式是決定型面質(zhì)量的兩個(gè)關(guān)鍵因素。理論上，我們可以通過(guò)加密刀具路徑的方式獲得更好的表面質(zhì)量，但是隨著刀具路徑的加密，加工時(shí)間就延長(zhǎng)了，使得加工效率降低。在精加工型面的過(guò)程中，如果刀具路徑的密度太大，使得刀具的每齒切削量太小，加工出來(lái)的效果反倒不理想，因此刀具路徑的密度并不是越小越好，根據(jù)實(shí)際的情況來(lái)進(jìn)行取舍非常關(guān)鍵。刀具路徑的樣式由編程軟件的加工策略來(lái)決定，每個(gè)CAM軟件都有多種生成刀具路徑的加工策略，每個(gè)加工策略所適用的范圍和生成刀具路徑的樣式都有所差異，通過(guò)不同加工策略的組合可以獲得高效和高質(zhì)量的刀具路徑樣式。例如平行行切的加工方法生成的刀具軌跡，因其具有極高的穩(wěn)定性和操控性為廣大編程人員喜愛(ài)。但是平行行切的刀具軌跡對(duì)于陡峭區(qū)域處理的效果卻不是很好，一般情況下，處理的方式有兩種，一種是避免發(fā)生這樣的情況，我們可以通過(guò)加工參數(shù)的設(shè)置，識(shí)別并避開陡峭區(qū)域生成刀具路徑，陡峭區(qū)域可以使用其他的加工軌跡來(lái)處理。另外一種辦法是對(duì)陡峭區(qū)域采取改變行切方向進(jìn)行處理。這兩種方法都是針對(duì)平行行切刀路的缺點(diǎn)進(jìn)行完善的手段。

    總之，對(duì)于模具加工過(guò)程中的效率和質(zhì)量，不僅要從機(jī)床及刀具的選擇使用方面予以考慮，還要從CAM軟件的應(yīng)用角度給與深入地了解和認(rèn)識(shí)，不能只停留在把產(chǎn)品做出來(lái)，更要從更快更好的角度出發(fā)，獲取更大的產(chǎn)品附加值和生產(chǎn)效率。