面向高速銑削的加工策略 -CimatronE與高速銑

????面向高速銑削的加工策略 -CimatronE與高速銑 [摘要]繼CNC技術(shù)之后，高速銑削給機(jī)械制造業(yè)帶來又一次革命性變化。其巨大吸引力在于實(shí)現(xiàn)高速加工的同時(shí)，把原來普通數(shù)控難以達(dá)到的對(duì)加工精度、表面質(zhì)量、以及刀具磨損和生產(chǎn)時(shí)間等更高的要求變成了現(xiàn)實(shí)。高速銑削的實(shí)現(xiàn)不僅要求有好的機(jī)床和刀具等硬件條件，還必須有優(yōu)秀的CAM軟件與之相匹配。CimatronE是以色列Cimatron公司的新產(chǎn)品，它采用了20世紀(jì)末最新軟件技術(shù)成果，是支持高速銑削的軟件之一。這里以CimatronE為例介紹CAM對(duì)支持高速銑削的應(yīng)用特點(diǎn)。 高速銑削是一種不同于傳統(tǒng)加工的加工方式，與之相比，它主軸轉(zhuǎn)速高、切削進(jìn)給速度高、切削量小，但單位時(shí)間內(nèi)的材料切除量卻增加3～6倍。高速銑削在工件本身剛度不足（如薄壁件和細(xì)長(zhǎng)桿件）、復(fù)雜曲面加工、難加工材料以及超精密切削等加工領(lǐng)域中都得到了充分的應(yīng)用。 高速加工的切削量大約是傳統(tǒng)加工的1/3，切削力會(huì)減少30%左右，所以小直徑刀具使用率大大提高，這使得易變形零件和狹小區(qū)域的銑削加工都成為了可能。在高速切削時(shí)，由于95%以上的切削熱是被切屑迅速帶走的，所以工件和刀具基本保持冷態(tài)，因而特別適合于加工容易產(chǎn)生熱變形的零件，同時(shí)刀具壽命也得到極大的提高。 高速銑削采用淺切深，切削殘留高度小，加上切削時(shí)激振頻率遠(yuǎn)高于機(jī)床固有頻率，因而工藝系統(tǒng)振動(dòng)小，從而降低了粗糙度，得到更加光滑的零件表面。 在當(dāng)前模具生產(chǎn)時(shí)，常采用電火花加工，但電極的設(shè)計(jì)與制造本身是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工藝過程。而采用高速加工后，由于狹小區(qū)域加工的實(shí)現(xiàn)和高質(zhì)量的表面結(jié)果讓電極的使用率大大降低。另外用高速銑來制造電極也可以使生產(chǎn)效率提高到一個(gè)新的層次。 高速銑對(duì)CAM軟件要求及CimatronE應(yīng)用特性 1． 具有極強(qiáng)的讀取并處理數(shù)據(jù)模型的能力：優(yōu)秀的處理模型能力是高質(zhì)量結(jié)果的重要保證。CiamtronE是基于曲面的加工，在對(duì)數(shù)據(jù)模型的容錯(cuò)能力相當(dāng)強(qiáng)大，如曲面的邊界不一致、有縫隙，內(nèi)部有錯(cuò)誤等情況，CiamtronE都可以在保證加工精度的前提下自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算編程，而不需要人工處理修復(fù)。另外CiamtronE系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)拈_放性，它優(yōu)秀的數(shù)據(jù)接口不僅能讀取國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的CAD格式，而且針對(duì)一些著名的CAD軟件也提供了專用接口，如CATIA、UG、PTC、AUTOCAD等，這樣CimatronE可以使用更多的CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型來為加工作準(zhǔn)備。 2． 要求輸出合理的刀位軌跡：由于高速銑在加工過程中刀具運(yùn)動(dòng)速度很快，要求CAM輸出光滑、平順、穩(wěn)定的刀位軌跡，避免切削角度和速度的突然變化，以達(dá)到高質(zhì)量和高精度的零件表面。CimatronE銑削走刀路線具有多樣性，可以完全滿足高速銑削的要求。 首先，CimatronE在輸出加工數(shù)據(jù)時(shí)，不僅支持標(biāo)準(zhǔn)的直線和圓弧插補(bǔ)，而且具有NURBS插補(bǔ)功能。在傳統(tǒng)的加工中，基本上都是用直線和圓弧組合進(jìn)行對(duì)幾何模型的逼近，對(duì)于復(fù)雜的高級(jí)曲面及曲線，這種插補(bǔ)將使數(shù)據(jù)大大增加，增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間和困難，而且加工精度和表面質(zhì)量都往往很難滿足要求，對(duì)高速加工更會(huì)產(chǎn)生不良效果。而CimatronE支持的NURBS曲線（非均勻有理B樣條曲線）是被STEP國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為CAD/CAM曲線曲面造型、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)形式，用它描述的曲線、曲面整體十分光滑（連續(xù)1階微分，2階微分），而且可以將圓、橢圓、拋物線、雙曲線、圓錐曲線等統(tǒng)一表示，另外用NURBS表示的曲線/曲面可以方便地實(shí)現(xiàn)曲線/曲面的局部變更：在修改曲線（或曲面）的一部分時(shí)不會(huì)對(duì)其他部分帶來影響。用NURBS曲線表達(dá)的NC后置程序小，產(chǎn)生的加工精度高、加工時(shí)間比普通插補(bǔ)方法的時(shí)間短，也更適合于高速銑削。 其次，CimatronE在計(jì)算刀位軌跡連接時(shí)具有光滑處理的策略。 1） 在進(jìn)退刀的方式多種多樣：輪廓的切向、圓弧進(jìn)退刀，曲面的切向進(jìn)退刀，Z向的螺旋式進(jìn)刀。 2） 在拐角走刀處：等圓角半徑連接、圓環(huán)式連接。 3） 在行間有向內(nèi)空間圓環(huán)式、向外空間圓環(huán)式以及高爾夫球棒式連接。 4） 在層間及環(huán)向的側(cè)向移動(dòng)有空間螺旋式移刀以上的光滑連接方法使得在高速加工中刀軌沒有尖角和突然變向的存在，讓刀具保持恒定的進(jìn)給和轉(zhuǎn)速，讓高速銑削功能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，同時(shí)起到了保護(hù)機(jī)床、刀具的作用，延長(zhǎng)了機(jī)床、刀具的壽命。 3． 刀具載荷的分析與速率調(diào)整優(yōu)化功能：高速銑削過程中由于各種隨機(jī)因素的影響，往往需要隨時(shí)調(diào)整機(jī)床進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)，使機(jī)床的加工處于合理狀態(tài)。CimatronE在CAM方面具有優(yōu)秀的、智能的毛坯殘留知識(shí)，可以實(shí)現(xiàn)完整意義上的刀具載荷的分析與速率調(diào)整優(yōu)化： (A)基于切削體積：基于毛坯殘留知識(shí)的加工使得系統(tǒng)能真正根據(jù)刀具當(dāng)前的實(shí)際加工量――加工體積――進(jìn)行載荷分析，而不是根據(jù)刀寬進(jìn)行推測(cè)，增加了刀具載荷分析優(yōu)化的科學(xué)性與準(zhǔn)確性；（B）基于切削角度：Cimatron不僅能根據(jù)毛坯狀況進(jìn)行速率調(diào)整優(yōu)化，還可以根據(jù)刀具沿零件表面的運(yùn)動(dòng)角度進(jìn)行優(yōu)化－切入材料的角度越大速率越小，切出材料的角度越大速率越大； （C）過載分層加工：Cimatron 載荷分析與優(yōu)化技術(shù)還在余量過多的情況自動(dòng)等量切削的處理方式，即對(duì)殘留的過多毛坯自動(dòng)分多層次進(jìn)行加工。 4．提供多樣的各種加工方法以滿足不同形狀和類別的數(shù)據(jù)模型。CimatronE的加工具有智能、簡(jiǎn)便、快捷、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，功能上也多種多樣，用戶在高速銑使用中會(huì)得心應(yīng)手。在粗加工方面： 1）毛坯殘留知識(shí)的存在使得CimatronE具有優(yōu)秀的最佳事前優(yōu)化技術(shù)。我們知道，高速精加工之前希望毛坯留量越均勻越好，雖然采用事后的刀具載荷分析與優(yōu)化可以避免由于留量過大而可能導(dǎo)致崩刀等事故的發(fā)生或影響零件的表面質(zhì)量，但不是最佳的處理方法。因?yàn)槿绻诹慵谋砻娲笥嗔康牡胤胶芏?，就必須到處都要進(jìn)行低速切削，這不僅影響了加工效率，而且加工后的表面質(zhì)量也會(huì)受到很大的影響，特別在高速銑削加工的應(yīng)用中更加忌諱這種情況的出現(xiàn)，高速加工也不成為高速銑削加工了。而CimatronE的最佳事前優(yōu)化技術(shù)在編程過程中提供了豐富的、全面的、有針對(duì)性的計(jì)算策略，使每一步的加工都為下一步的加工做好最佳的準(zhǔn)備工作。這種技術(shù)的存在使得進(jìn)行粗加工計(jì)算時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在兩層之間查找過多余量并對(duì)這些部分進(jìn)行自動(dòng)的層間再加工（采用逐次等高法，沿面光刀法等），從而使高速精加工之前得到一個(gè)余量非常理想的、均勻的零件表面。 2）毛坯殘留知識(shí)的存在使得CimatronE無走空刀現(xiàn)象。CimatronE可以定義任意形狀的毛坯，并在每一步加工編程中都可以將前一步的計(jì)算結(jié)果作為毛坯。這種功能尤其在毛坯鑄造出來的時(shí)候具有極其重要的價(jià)值。這不僅僅是對(duì)于高速銑而且就是傳統(tǒng)的數(shù)控加工也可以節(jié)省了粗加工及二次開粗加工的大量時(shí)間。 3）嵌入式銑削。在高速加工中，對(duì)于型腔很深的零件的粗加工，由于刀具使用了加長(zhǎng)桿，而采用正常的銑削方法就會(huì)在加工過程中刀具產(chǎn)生變形，影響了加工效果、質(zhì)量和精度。CimatronE的嵌入式銑削很好的解決了這個(gè)問題，這種加工方式引用了類似于鉆孔的刀為軌跡，在加工中心的Z方向上將型腔深處的材料切削掉。在實(shí)際加工大型注塑模具或沖壓模具的過程中，嵌入式銑削被證明是一種行之有效的方法。 CimatronE在精加工及精細(xì)加工方面具有豐富的走刀方法以適合高速銑的要求： 1） 平行銑削：這種方法是許多用戶尤其是汽車覆蓋件模具精加工的方法，它采用了平行掃描線的形式對(duì)多張曲面構(gòu)成的模型進(jìn)行加工。 2） 環(huán)行銑削：也是同時(shí)對(duì)多張曲面進(jìn)行加工的計(jì)算方法，它的排刀路線是以外輪廓的形狀由外向內(nèi)（或由內(nèi)向外）進(jìn)行走刀，是常用的加工方法之一。 3） 3D_step：是真正的按3維空間等距的加工方法。系統(tǒng)將使用用戶提供的導(dǎo)引輪廓，讓刀尖沿零件表面按空間3維相等步距形成刀位軌跡，這樣的加工方法使得在一個(gè)命令下就可以完成復(fù)雜零件的加工，且減輕了編程人員的負(fù)擔(dān)，優(yōu)化了加工工藝，讓加工后的零件表面刀痕均勻，從而在高速加工后得到一個(gè)整體都具有高質(zhì)量的、極其光潔的加工結(jié)果。 4） 按層次精加工：CimatronE具有一體化斜率分析的功能，可以計(jì)算曲面的斜率并自動(dòng)將之分成陡峭區(qū)域和平坦區(qū)域，從而采取不同的加工策略--對(duì)于陡峭區(qū)域仍按等高線進(jìn)行加工，對(duì)于平緩區(qū)域而按零件的曲面進(jìn)行走刀，使得一個(gè)復(fù)雜零件在一個(gè)單一命令中就完成了整體的加工。 5） 擺線式加工；這是一種專門針對(duì)高速加工的刀位軌跡策略，所謂"擺線"它描述了這樣的曲線：圓上一固定點(diǎn)隨著圓沿曲線滾動(dòng)時(shí)生成的軌跡，由于切削的過程中總是沿一條具有固定曲率的曲線運(yùn)動(dòng)，使得刀具運(yùn)動(dòng)總能保持一致的進(jìn)給率，所以對(duì)高速銑比較適合。 6） 放射狀走刀：可以沿給定的角度增量進(jìn)行對(duì)多張曲面的整體加工。 7） 智能清根：在加工中，由于所選刀具直徑或圓角較大，使得零件中夾角部分留量過大，這樣就需要再用一把較小的刀具對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行特定的加工。CimatronE中的清根功能就是專門為以上情況提供的解決方案。清根的命令中具有對(duì)斜率分析的功能，會(huì)將夾角分為平緩和陡峭兩部分，并可以采用將之分離或融合等各種辦法進(jìn)行計(jì)算處理。 8） 筆式加工：也是對(duì)曲面角部進(jìn)行編程的一種方法。與清根不同的是，它只是讓刀具像筆一樣在曲面角部劃一行或多行（縱向），迅速去掉角部過大的余量，使下一步加工的刀具不會(huì)因?yàn)橥蝗皇芰^大而使有所損害。筆式加工尤其適合于汽車覆蓋件模具的加工。 9） 水平和垂直優(yōu)化：這兩個(gè)命令是CimatronE整體斜率分析的一種體現(xiàn)。選擇這個(gè)命令后，系統(tǒng)會(huì)把零件中的水平（或垂直）區(qū)域自動(dòng)尋找出來，并對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化銑削，以使零件表面質(zhì)量達(dá)到滿意的效果。 5．?dāng)?shù)控加工仿真圖形技術(shù)：高速加工要求CAM不僅可以生成合理的刀位軌跡，而且應(yīng)該有精確的圖形仿真技術(shù)，它可以細(xì)分位運(yùn)動(dòng)仿真和結(jié)果校驗(yàn)兩部分。CimatronE具有強(qiáng)大的仿真模擬系統(tǒng)和直觀快速的加工結(jié)果校驗(yàn)分析系統(tǒng)，減少了或取消正式加工之前的試切。 1） 仿真模擬可以在計(jì)算機(jī)上模擬刀具運(yùn)動(dòng)，用來檢查真實(shí)加工的過程，以防止走刀錯(cuò)誤和不合理走刀。它以彩色圖的形式顯示當(dāng)前加工結(jié)果及其余量，并且具有提示功能，告訴用戶錯(cuò)誤所在。用戶可以在模擬中做剖切、檢查等操作，也可以得到加工時(shí)間。用戶有了仿真模擬的功能，就可以鑒別快、壞走刀或其他錯(cuò)誤，提高刀具的利用率，并可幫助用戶尋找到最優(yōu)的NC程序和命令。 2） 檢驗(yàn)分析是：系統(tǒng)把編程模擬加工結(jié)果與理論模型之間偏差顯示出來的功能。以不同的顏色表示不同的偏差值，讓編程人員在計(jì)算結(jié)束后就可以迅速知道加工結(jié)果、精度和質(zhì)量，查找過切和留量過大的部分，確定是否使用現(xiàn)有的程序命令或執(zhí)行補(bǔ)充加工，以防止加工成廢料，達(dá)到最優(yōu)的加工結(jié)果，同時(shí)提高了編程人員進(jìn)行編程決策的效率。 結(jié)束語隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各類產(chǎn)品研制和生產(chǎn)周期的縮短、外形曲面日益的復(fù)雜，高速銑削的應(yīng)用也將越來越廣泛，對(duì)CAM系統(tǒng)的要求就會(huì)越來越高，CiamtronE也將隨之完善自己，向著更廣、更深、更高的方向迅速發(fā)展和演化。