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，不僅是因為復雜的型面無法通過手工計算完成，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這個平臺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的局面。CAM軟件的發(fā)展初期，著重解決能與不能的問題。如今正在跨越這個階段，對加工效率和產(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CAM軟件的應(yīng)用范疇也提出了新的要求。這里我們通過模具加工中的提高效率和質(zhì)量兩個角度來分析一下如何更好地應(yīng)用CAM軟件。

    在模具加工中，由于具有加工時間長、產(chǎn)品附加值高、單件小批量的特點，使得模具加工中的效率成為人們關(guān)注的焦點。由于在精加工中，無論選擇何種加工軌跡，單位面積上的材料去除率相差無幾，因此，效果最明顯的是有效地縮短粗加工時間。為了給精加工創(chuàng)造一個良好的切削條件，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行殘料加工。如此由大到小選擇刀具進行分層分區(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行大切深的粗加工后，再對型面表面的較大殘留臺階進行細化加工的一種方式，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，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，可以自動識別先前大直徑刀具的殘料并生成刀具軌跡，殘料加工過程中也可以根據(jù)情況選擇子層次切削或某個限定的加工區(qū)域。這兩個手段有效地保證了粗加工生成的刀具軌跡高質(zhì)高效。從下面是兩個實際加工胎具的加工過程中我們了解到，粗加工的材料去除量在模具加工中所占的比重遠遠大于精加工；因此，要提高加工效率首先應(yīng)該在粗加工過程做優(yōu)化。其次，在模具加工的整個過程中，花費在編程上的時間也是一個應(yīng)該關(guān)注的環(huán)節(jié)。

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

    這里我們看到一個非常有趣的現(xiàn)象，某些情況下，曲面模型的計算時間反倒多于實體模型的計算時間，這一點與曲面模型構(gòu)造的復雜程度和模型的大小相關(guān)。我們以中等尺寸模型為例，在計算刀具路徑的過程中，以構(gòu)成模型的數(shù)百個曲面片作為計算依據(jù)時，由于對曲面邊界的處理需要花費一些額外的時間；而對于實體模型來說，邊界處理要容易很多，因此節(jié)省了大量的計算時間，這就是造成這種現(xiàn)象的原因。此外，我們在Edgecam版本更新的過程中，也可以看到不斷得到提升的計算性能，通過對不同版本中相同加工方法的橫向?qū)Ρ龋�我們也可以看到這種變化（見圖二）。

    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)。在機床允許的進給和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，根據(jù)被加工材料的性能和機床刀具等硬件設(shè)備情況選擇合理的加工參數(shù)對型面的影響至關(guān)重要。例如，在精加工一個黃銅電極的型面時（見下圖），我們使用直徑2mm的立銑刀，加工時使用的轉(zhuǎn)速為12000轉(zhuǎn)/分。進給速度為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程中的刀具顫動對型面質(zhì)量形成的影響已經(jīng)遠遠超過了刀具路徑對型面質(zhì)量的影響。因此在加工過程中，需要考慮的工藝因素不僅局限在被加工材料和刀具，同時也需要考慮包括工裝、機床等這些不可忽略的因素帶來的影響。

    除了選擇合理的加工參數(shù)之外，在編程過程中，刀具路徑的密度和樣式是決定型面質(zhì)量的兩個關(guān)鍵因素。理論上，我們可以通過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，加工時間就延長了，使得加工效率降低。在精加工型面的過程中，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)實際的情況來進行取舍非常關(guān)鍵。刀具路徑的樣式由編程軟件的加工策略來決定，每個CAM軟件都有多種生成刀具路徑的加工策略，每個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。但是平行行切的刀具軌跡對于陡峭區(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，我們可以通過加工參數(shù)的設(shè)置，識別并避開陡峭區(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處理。另外一種辦法是對陡峭區(qū)域采取改變行切方向進行處理。這兩種方法都是針對平行行切刀路的缺點進行完善的手段。

    總之，對于模具加工過程中的效率和質(zhì)量，不僅要從機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識，不能只停留在把產(chǎn)品做出來，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。