淺談高速加工對(duì)CAM軟件的要求一

    CAM 的意思是計(jì)算機(jī)輔助制造，也就是使用這樣的“軟件”，配合上好的機(jī)床和刀具系統(tǒng)，高速和高效地加工出合適的零件。使用好 CAM 實(shí)際上比使用好所謂 CAD （計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）在對(duì)于人的素質(zhì)方面會(huì)要求更高。使用 CAD 的軟件時(shí)只要有一臺(tái)個(gè)人電腦就行，而對(duì)于 CAM 來(lái)說(shuō)，操作者不但需要具備電腦知識(shí)而且需要具備工藝知識(shí)、加工經(jīng)驗(yàn)，了解加工母機(jī)的性能、了解裝夾零件的要求、了解測(cè)量和檢測(cè)、了解刀具性能 … 對(duì)于 CAD 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一旦設(shè)計(jì)錯(cuò)誤（指的是尚未提交加工制造前），可以完全推倒重來(lái)或進(jìn)行某些局部的修改和調(diào)整，損失的只是時(shí)間；對(duì)于 CAM 來(lái)說(shuō)，如果在加工時(shí)一旦發(fā)生錯(cuò)誤，損失的不僅僅是時(shí)間，還會(huì)有毛坯的報(bào)廢、刀具系統(tǒng)甚至是機(jī)床母機(jī)的損壞。所以，以英國(guó) Delcam 公司為代表的世界上著名的 CAM 軟件提供廠商，一直在致力于 CAM 系統(tǒng)高效加工與安全性的研究。一個(gè)真正意義上的好的 CAM 軟件，不但需要從計(jì)算機(jī)應(yīng)用角度上的“易學(xué)易用”、從生產(chǎn)加工工藝要求角度上的“多種加工策略”，還要有從安全角度上具備各種“碰撞干涉和預(yù)測(cè)檢查”功能，使尚未開(kāi)始進(jìn)行一個(gè)零件加工走刀時(shí)，整個(gè)“加工系統(tǒng)” - 這里包括機(jī)床、刀具、裝夾、加工刀路、毛坯、檢測(cè)裝置等 - 處于完全“一致”的狀態(tài)，這樣才能保證加工出來(lái)的零件符合要求。
    機(jī)械 CAM 方面的軟件涉及了加工制造的方方面面，從工作母機(jī)上分，有車(chē)銑刨磨到電火花、激光加工等；從加工類型上分，有成品零件加工和模具加工等；從工藝上分，有粗、半精和精加工等。一個(gè) CAM 的軟件絕對(duì)不能涵蓋以上所有的要求。在下面，筆者希望通過(guò)從“高速加工對(duì) CAM 軟件的要求”這個(gè)角度出發(fā)，探討一下一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)控編程 CAM 系統(tǒng)是應(yīng)該如何“匹配”高速機(jī)床以及刀具系統(tǒng)的功能，使其能“最大限度地發(fā)揮”加工效能的。也就是“如何選擇最好的（高速銑加工） CAM 軟件”。
首先回顧“高速加工”的定義：
• 高速加工并不是使用更高的主軸轉(zhuǎn)速和更快的機(jī)床進(jìn)給來(lái)加工原來(lái)的刀路；
• 高速加工是小切削恒定負(fù)荷，快速走刀；
• 高速加工是充分發(fā)揮高速機(jī)床和刀具的切削效率；
其次從高速加工的特征上來(lái)分析：
• 高速加工需要使用非常高的刀尖切削線速率，主要來(lái)自主軸轉(zhuǎn)速和刀具尺寸；
• 高速加工需要更多的加工工序，即每次切削的深度都相對(duì)的淺，
• 高速加工可直接加工淬火材料；
• 高速加工需要恒定的機(jī)床負(fù)載 / 恒定的材料去除率；
• 高速加工時(shí)應(yīng)避免尖角運(yùn)動(dòng)；
再?gòu)募庸すば蛏媳容^傳統(tǒng)的方法：
    以加工模具為例，高速加工一般只需要 5 道工序，即毛坯淬火處理、粗加工、精加工、超精加工和局部拋光；而傳統(tǒng)加工則需要 8 道以上的工序，即毛坯退火、粗加工、半精加工、淬火處理、電極加工、電加工、局部精加工和人工拋光。就僅僅以精加工而言，盡管采取了非常小的切深，高速加工時(shí)材料去除的速度應(yīng)為傳統(tǒng)加工的 4 倍以上，這樣提高了加工的速度，并且省去了鉗工手工打磨的時(shí)間，且工件表面加工質(zhì)量的提高還省掉了修光和點(diǎn)火花等工序的時(shí)間。
    我們從另一個(gè)角度來(lái)看看哪些因素會(huì)影響高速加工。首先是高速加工的“載體” - 機(jī)床。高速機(jī)床加工的效果主要取決于機(jī)床自身的加工性能，包括機(jī)床的剛性、平衡性和內(nèi)在精度。針對(duì)不同的加工要求，要適當(dāng)?shù)剡x擇機(jī)床加工場(chǎng)地的大小、具有高速及預(yù)處理能力（向前看）的數(shù)控系統(tǒng)、保證低速的高扭矩和高速的切削力的機(jī)床主軸、座標(biāo)軸的驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)軌設(shè)計(jì)、冷卻處理技術(shù)和精密位置測(cè)量技術(shù)等，還要根據(jù)被加工工件的體積、硬度、幾何形狀以及排屑量等情況，適當(dāng)選擇加工軸的數(shù)量，使加工過(guò)程中機(jī)床一直保持著優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。即使在同一個(gè)車(chē)間里，加工一個(gè)零件所需的機(jī)床軸數(shù)相同，也仍要根據(jù)不同的需要選擇相應(yīng)的機(jī)床進(jìn)行加工。
    對(duì)于高速加工時(shí)刀具的選擇上也大有文章所做。一般來(lái)說(shuō)，刀具以及刀夾的加速度都要達(dá)到 3G 以上，刀具的徑向跳動(dòng)要小于 0.015 毫米，而刀的長(zhǎng)度不能大于 4 倍的刀具直徑。根據(jù)著名的瑞典刀具供應(yīng)商 SANDIVK 公司的實(shí)際統(tǒng)計(jì)，在使用碳氮化鈦涂層的整體硬質(zhì)合金立銑刀（ 58 HRC ）進(jìn)行高速加工銑時(shí)，粗加工時(shí)的刀具線速度為約每分鐘 100 米，而精加工和超精加工時(shí)，其線速度超過(guò)了每分鐘 280 米。這樣對(duì)刀具的材料（包括硬度、韌性、紅硬性（高溫狀態(tài)下保持切削性能）），刀具的形狀（包括排屑性能、表面精度、動(dòng)平衡性等）以及刀具壽命都有很高的要求。
    有了“高技術(shù)”的機(jī)床（高主軸轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給率）和高速刀具系統(tǒng)，人們就要更加關(guān)注高速加工時(shí)使用的加工方法或工藝，來(lái)保證零件加工表面質(zhì)量和減少加工時(shí)間。例如對(duì)自由曲面的加工，要保證盡可能長(zhǎng)時(shí)間地連續(xù)運(yùn)動(dòng)，以便在整個(gè)軌跡上進(jìn)行高速加工；對(duì)于平坦面零件的銑加工，需要有專用粗 / 精加工策略，能夠完成從毛坯外進(jìn)刀并使用坐標(biāo)面來(lái)保證 5 軸加工面的定位；對(duì)于航空工業(yè)中對(duì)鋁合金類薄壁零件的加工，需要充分考慮小切深且切削力比較小，這樣，工件在加工中才不會(huì)變形，還有較高的切削效率等等。
    高速加工有著與傳統(tǒng)加工不一樣的工藝要求。數(shù)控加工的指令應(yīng)該包含了所有的工藝過(guò)程，因此，用于高速加工的 CAM 數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)需要有其特殊的功能考慮。那么一個(gè)這樣的優(yōu)秀編程系統(tǒng)是應(yīng)該如何“滿足”和“配合”機(jī)床以及刀具系統(tǒng)，按照高速加工的“工藝規(guī)律”，來(lái)最大化地完成加工任務(wù)呢？筆者有以下幾點(diǎn)粗淺的認(rèn)識(shí)。
1. CAM 系統(tǒng)應(yīng)該具有高計(jì)算量的編程速度：
    高速加工中采用極小的進(jìn)給量和切深，單步量大，故數(shù)控程序比傳統(tǒng)的程序要大得多，沒(méi)有很高的運(yùn)算處理能力是無(wú)法配合機(jī)床運(yùn)動(dòng)以及數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行速度的�？斓木幊趟俣仁共僮魅藛T能夠?qū)Χ喾N加工策略進(jìn)行比較，采取適當(dāng)?shù)墓に嚪椒�，�?duì)刀具軌跡進(jìn)行編輯、調(diào)整和優(yōu)化，以達(dá)到最佳的加工效率。
2. CAM 系統(tǒng)應(yīng)該具有全程自動(dòng)防過(guò)切處理能力及自動(dòng)刀具干涉檢查：
    超過(guò)傳統(tǒng)加工 10 倍以上切削速度的高速加工，如果發(fā)生過(guò)切，則后果不堪設(shè)想。所以一個(gè) CAM 系統(tǒng)必須具有全程自動(dòng)防過(guò)切處理能力。傳統(tǒng)的 CAM 系統(tǒng)只對(duì)局部的加工編程時(shí)，沒(méi)有考慮整個(gè)工件的情況，這樣極其容易發(fā)生過(guò)切現(xiàn)象。當(dāng)過(guò)切發(fā)生時(shí)，只是靠人工的選擇干預(yù)的方法來(lái)防止，很難保證全局防護(hù)的安全性。另外，高速加工的重要特征之一是能夠使用較小直徑的刀具來(lái)加工零件的細(xì)部結(jié)構(gòu)， CAM 系統(tǒng)必須能夠自動(dòng)地提示最短刀具系統(tǒng)（含刀頭、刀柄和刀夾）的長(zhǎng)度，自動(dòng)進(jìn)行刀具干涉檢查。
3. CAM 系統(tǒng)應(yīng)該具有進(jìn)給率優(yōu)化處理功能：
    為了能夠確保最大的切削效率又要保證在高速切削時(shí)加工的安全性， CAM 系統(tǒng)必須有能夠根據(jù)加工時(shí)余量的大小，自動(dòng)調(diào)整進(jìn)給率，保證加工刀具受力狀態(tài)的平穩(wěn)性。
4. CAM 系統(tǒng)應(yīng)該具有豐富的符合高速加工要求的加工策略：
    相比傳統(tǒng)加工方式，高速加工對(duì)工藝走刀方式有其特殊的機(jī)能要求，因而要求相配備的 CAM 系統(tǒng)能夠滿足這些要求。