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CAD/CAM对高速加工的影响 |
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作者：Steve Hobbs Delcam |
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高速加工需要同时满足多方面的应用条件，一旦参数出现错误便会导致全面失效。有些关键参数容易定义，如配有功能强大的CNC系统和高精度主轴的高质量机床、高刚性和精确平衡的机床夹持、高性能的切削刀具等。有些参数则不容易定义，却往往由於这些参数的选用不当，引致高速加工失败。
除了上述的物理因素，CAD和CAM软件的质量和适当应用，也是影响高速加工的主要因素。如果从CAD/CAM系统产生的CNC程序，直接决定处理的条件，这样便十分直接。但是，要在CAD/CAM系统指出甚么功能才保证获得高质量的高速加工效果，却是极不容易。
下文将会分析在应用CAD/CAM软件时，一些影响高速加工成败的重要因素。
CAD对高速加工的影响
一般来说，CAD对高速加工的直接影响并不易看到。很多人认为CAD模型只用作定义零件的外形，至於如何加工所设计的零件，便是CAM使用者和加工工程师的责任。理论上来说并没有错，在很多情况下，CAD模型没有真正定义需要加工的形状。许多原因使模型不适合高速加工，现简述如下：
精度的影响
加工精度高、热分布小和加工表面质量高，均是高速加工的优势；却看到一个奇怪的现象：用於建立零件模型的公差，比最终的加工公差为大。
数据交换是影响精度问题的根本原因。零件通常由一个CAD系统设计，然后转换至另一个CAD系统进行补充设计和加工准备。每次进行数据传输时，都需要将几何形体由一种格式转换至另一种格式，有些转换涉及按极限公差近似。由於这些公差属於累积，设计零件模型时必须将零件模型的公差，设定为最少比精加工公差小十倍。
交换格式如IGES，使系统在不同的几何描述间进行转换。由於数据发送系统可以访问“主”数据，最好让它进行所有转换工作，并通过“flavouring”发送系统的IGES来实现。Flavouring将会告诉系统，在IGES文件最可能使用甚么类型的实体。有些系统提供预先定义的IGES flavours菜单，使它适用於常用的系统。
如要减少转换过程出现问题，其中一个方法便是使用直接接口。直接接口让系统直接读取另一系统的文件，如Delcam的PowerMILL拥有Catia、Pro/Engineer、Unigraphics等主流系统的直接接口。
由於Stereo lithography (STL) 三角形格式十分简单，成为有些公司喜欢使用的数据交换格式。有些 CAM 系统可以直接加工STL格式文件，包括Delcam的PowerMILL。然而，这种格式文件的三角形按公差产生，加工表面可能出现可见面片。主流设计系统STL格式使用的公差一般非常大（0.1mm），而且隐藏在多重选项之后，容易被忽略。因此，整理低公差设置STL文件的加工公差，可以提高加工表面的精度。
修剪的影响
CAD系统的大部分零件由裁剪曲面“拼凑”而成，像上衣由多片形状复杂的布料缝合而成。这些曲面的边界精度直接影响所产生的刀具路径质量。
如一圆锥顶部为一完整的圆形，平面顶盖为六角形。六角形平面可能在顶部某些地方超越圆形的范围。如果超出的范围太大，刀具路径便会出现尖点。在这情况下，加工后的表面极可能出现刀痕。
图 1 - 裁剪误差
图2是一更复杂的模型，在此模型上，在曲面相交部分存在更多的坏裁剪曲面。这种问题通常是由于不合适的造型公差产生，但数据转换误差也可能导致这种裁剪问题的出现。
图2 - 不良裁剪模型
不完整模型的影响
许多CAD使用者自行设置捷径，以求缩短模型的造型时间，其中经常使用的，是忽略底座内部的拐角圆倒角，更认为通过合适半径的刀具直接进行加工。如果使用这种方法，刀具必须刚好切进尖锐拐角，如图3a，使刀具的负荷猛然增加，是刀具进行直线切削时的4.5倍。
图3 - 切削内圆倒角
有些CAM系统提供了解决此问题的一些方法，但最好还是避免这种现象的出现，确保CAD模型能精确地表示要加工的形状。加工这种类型的圆倒角最好是使用较小半径的刀具，一般情况下刀具的半径最好较圆倒角几何尺寸小70%或是更小，这样可使拐角处的切削刀具路径更加平顺，避免刀具的突然转向，见图3(b)。使用小刀具加工和直接切入拐角相比，刀具负荷可降低3倍。
不能加工特征的影响
尽管高速加工扩大可直接铣削的特征范围，但对形状特别复杂的模型，必须使用EDM加工细微的部分。此外，大部分零件有许多孔，可以直接将之钻出。如果供加工使用的CAD模型包含这些特征，大多CAM系统将会尝试加工。最典型的结果，是刀具路径包含不希望进行铣削加工的区域，如果不加以处理，实际加工时刀具必定切入孔或尖角。CAM 使用者需要花很多时间修正错误，以避免重复加工放电加工区域和孔区域。
图 4 - 不能加工的特征
如果可以的话，尽量把不希望进行铣削加工的特征，从用於产生刀具路径的 CAD模型中除去。具体方法视乎所使用的CAD系统。有些系统采用删除特征的方法，有些则通过加入额外曲面来覆盖。
CAM对高速加工的影响
经过多年来对高速加工的研究，现在仍然欠缺明确简洁的定义和解释。高速加工的基本出发点是在高速低负荷下切削，比低速高负荷切削更快切除材料。低负荷切削意味可以减轻切削力，从而减少切削过程的振动和变形。在高速的状态使用合适刀具，可以切削高硬质的材料。高速切削可以借助切削热带走大部分切屑，以减少零件的热变形。
上述优点只能在合适的加工条件实现。如果加工条件不恰当，可以影响刀具的寿命，甚至导致更严重的后果。
高速加工刀具路径
高速铣削刀具路径的限制按重要性列出∶
- 刀具不能和零件碰撞
- 切削负荷必须在刀具的极限负荷之内
- 残留材料不能大於指定极限
- 应避免材料切除率突然变化
- 切削速度和加速度必须在机床的能力范围
- 切削方向（顺铣/逆铣）应保持恒定
- 应避免切削方向突然变化
- 尽量减少空程移动
- 切削时间应减至最少
在实际零件的刀具路径编制过程，难以完全满足上述的要求。事实上，当加工复杂形状的零件时，只能尽量满足这些要求，并首先满足较为重要的。
精加工使高速加工出现刀痕的问题。由於零件形状的限制，如要迁就切削条件，便会在加工后的零件表面留下可见的刀痕，虽然可以通过抛光的方法消除，却违背使用高速加工的原意。进行粗加工和半精加工后，CAM使用者有多种方法修改零件的形状，刀痕也可利用其后的精加工消除。
编程能力
良好的高速加工程序可以迅速地在机床上执行，却要花很长时间和大量精力产生。在模具制造的单件加工领域，因等待加工程序引致机床停机的情况非常普遍。如果将这种压力强加给CAM使用者，让他们更快地产生刀具路径，便会迫使他们走捷径，所编制的程式也不经济和有效。即使机床继续运转，其加工速度已大打折扣。
使用这种方法进行高速加工并不明智。如要获得最好的高速加工效果，必须提供足够的CAM能力，以得到高质素的加工程序，确保机床全负荷地运作。因此需注意以下各项∶
- 使用具备自动高速加工功能的CAM软件，可以减少使用者优化程式的工作量；
- 使用快速计算无过切刀具路径的CAM软件，批处理功能可将复杂程序的计算留在夜间进行；
- 使用高性能的计算机并经常更新配置，确保具有足够内存以提高运行效能；
- 确保每台机床配备足够的CAM编程人员。培训机床操作者，让他们直接在车间进行加工编程，以充份发挥其加工技能；
- 确保为操作者提供适当的高速加工编程培训。
安排加工顺序
除了最简单的零件，高速加工往往牵涉多个加工步骤。在高速加工的编程，最重要选取正确的加工顺序，以下为一些基本原则∶
- 当考虑加工成形的几何形状，应同时考虑希望切除的材料；
- 把加工步骤减至最少；
- 使用连续的方法，如偏置路径通常比平衡路径为佳；
- 避免垂直下刀，从材料的外部切入；
- 在零件的临界区域，确保不同步骤的精加工路径不会重；否则必定出现刀痕；
- 尽量不换刀，使用单一刀具精加工临界区域。刀具设置错误常常导致精加工后的加工表面出现刀痕；
- 长刀具容易磨损，应尽量使用短刀具。如可以应考虑重新定位零件方向，在难以加工的区域使用短刀具。
总结
高速加工对加工工程的每个环节要求严格，基本要求是使用合适的物理设备，并精确地指定有关的参数。虽然难以具体指定高速加工需要甚么CAD和CAM功能，却肯定CAD和CAM对高速加工的质量和稳定性均有明显的影响。
高速加工使用的CAD模型必须精确地表达需要加工的模型形状，这意味模型精度必须大於加工公差，在可能的情况下，将不需进行铣削加工的模型特征删除或遮盖。
高速加工设备必须配合足够的CAM编程人员，以保证机床采用最佳的程序。提高编程质量的方法之一，是让机床加工人员在车间编制加工程序；同时确保CAM操作者和机床操作人员，曾经接受良好的技术培训。
如要获得良好的高速加工效果，最有效的方法是仔细安排加工顺序，适当使用CAM系统提供的加工条件。(end)
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(2/1/2004) |
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