浅谈高速加工对CAM软件的要求

作者：国外CAM技术应用趋势分析

欢迎访问e展厅 展厅 1 CAD/CAM软件展厅 CAD软件, CAD/CAM, CAM, 钣金CAD/CAM, CAI, ... CAM 的意思是计算机辅助制造，也就是使用这样的“软件”，配合上好的机床和刀具系统，高速和高效地加工出合适的零件。使用好 CAM 实际上比使用好所谓 CAD （计算机辅助设计）在对于人的素质方面会要求更高。使用 CAD 的软件时只要有一台个人电脑就行，而对于 CAM 来说，操作者不但需要具备电脑知识而且需要具备工艺知识、加工经验，了解加工母机的性能、了解装夹零件的要求、了解测量和检测、了解刀具性能 … 对于 CAD 系统来说，一旦设计错误（指的是尚未提交加工制造前），可以完全推倒重来或进行某些局部的修改和调整，损失的只是时间；对于 CAM 来说，如果在加工时一旦发生错误，损失的不仅仅是时间，还会有毛坯的报废、刀具系统甚至是机床母机的损坏。所以，以英国 Delcam 公司为代表的世界上著名的 CAM 软件提供厂商，一直在致力于 CAM 系统高效加工与安全性的研究。一个真正意义上的好的 CAM 软件，不但需要从计算机应用角度上的“易学易用”、从生产加工工艺要求角度上的“多种加工策略”，还要有从安全角度上具备各种“碰撞干涉和预测检查”功能，使尚未开始进行一个零件加工走刀时，整个“加工系统” - 这里包括机床、刀具、装夹、加工刀路、毛坯、检测装置等 - 处于完全“一致”的状态，这样才能保证加工出来的零件符合要求。 机械 CAM 方面的软件涉及了加工制造的方方面面，从工作母机上分，有车铣刨磨到电火花、激光加工等；从加工类型上分，有成品零件加工和模具加工等；从工艺上分，有粗、半精和精加工等。一个 CAM 的软件绝对不能涵盖以上所有的要求。在下面，笔者希望通过从“高速加工对 CAM 软件的要求”这个角度出发，探讨一下一个优秀的数控编程 CAM 系统是应该如何“匹配”高速机床以及刀具系统的功能，使其能“最大限度地发挥”加工效能的。也就是“如何选择最好的（高速铣加工） CAM 软件”。 首先回顾“高速加工”的定义： • 高速加工并不是使用更高的主轴转速和更快的机床进给来加工原来的刀路； • 高速加工是小切削恒定负荷，快速走刀； • 高速加工是充分发挥高速机床和刀具的切削效率； 其次从高速加工的特征上来分析： • 高速加工需要使用非常高的刀尖切削线速率，主要来自主轴转速和刀具尺寸； • 高速加工需要更多的加工工序，即每次切削的深度都相对的浅， • 高速加工可直接加工淬火材料； • 高速加工需要恒定的机床负载 / 恒定的材料去除率； • 高速加工时应避免尖角运动； 再从加工工序上比较传统的方法： 以加工模具为例，高速加工一般只需要 5 道工序，即毛坯淬火处理、粗加工、精加工、超精加工和局部抛光；而传统加工则需要 8 道以上的工序，即毛坯退火、粗加工、半精加工、淬火处理、电极加工、电加工、局部精加工和人工抛光。就仅仅以精加工而言，尽管采取了非常小的切深，高速加工时材料去除的速度应为传统加工的 4 倍以上，这样提高了加工的速度，并且省去了钳工手工打磨的时间，且工件表面加工质量的提高还省掉了修光和点火花等工序的时间。 我们从另一个角度来看看哪些因素会影响高速加工。首先是高速加工的“载体” - 机床。高速机床加工的效果主要取决于机床自身的加工性能，包括机床的刚性、平衡性和内在精度。针对不同的加工要求，要适当地选择机床加工场地的大小、具有高速及预处理能力（向前看）的数控系统、保证低速的高扭矩和高速的切削力的机床主轴、座标轴的驱动装置、导轨设计、冷却处理技术和精密位置测量技术等，还要根据被加工工件的体积、硬度、几何形状以及排屑量等情况，适当选择加工轴的数量，使加工过程中机床一直保持着优良的动态性能和稳定性。即使在同一个车间里，加工一个零件所需的机床轴数相同，也仍要根据不同的需要选择相应的机床进行加工。 对于高速加工时刀具的选择上也大有文章所做。一般来说，刀具以及刀夹的加速度都要达到 3G 以上，刀具的径向跳动要小于 0.015 毫米，而刀的长度不能大于 4 倍的刀具直径。根据著名的瑞典刀具供应商 SANDIVK 公司的实际统计，在使用碳氮化钛涂层的整体硬质合金立铣刀（ 58 HRC ）进行高速加工铣时，粗加工时的刀具线速度为约每分钟 100 米，而精加工和超精加工时，其线速度超过了每分钟 280 米。这样对刀具的材料（包括硬度、韧性、红硬性（高温状态下保持切削性能）），刀具的形状（包括排屑性能、表面精度、动平衡性等）以及刀具寿命都有很高的要求。 有了“高技术”的机床（高主轴转速和高进给率）和高速刀具系统，人们就要更加关注高速加工时使用的加工方法或工艺，来保证零件加工表面质量和减少加工时间。例如对自由曲面的加工，要保证尽可能长时间地连续运动，以便在整个轨迹上进行高速加工；对于平坦面零件的铣加工，需要有专用粗 / 精加工策略，能够完成从毛坯外进刀并使用坐标面来保证 5 轴加工面的定位；对于航空工业中对铝合金类薄壁零件的加工，需要充分考虑小切深且切削力比较小，这样，工件在加工中才不会变形，还有较高的切削效率等等。 高速加工有着与传统加工不一样的工艺要求。数控加工的指令应该包含了所有的工艺过程，因此，用于高速加工的 CAM 数控自动编程系统需要有其特殊的功能考虑。那么一个这样的优秀编程系统是应该如何“满足”和“配合”机床以及刀具系统，按照高速加工的“工艺规律”，来最大化地完成加工任务呢？笔者有以下几点粗浅的认识。 1. CAM 系统应该具有高计算量的编程速度： 高速加工中采用极小的进给量和切深，单步量大，故数控程序比传统的程序要大得多，没有很高的运算处理能力是无法配合机床运动以及数控系统的执行速度的。快的编程速度使操作人员能够对多种加工策略进行比较，采取适当的工艺方法，对刀具轨迹进行编辑、调整和优化，以达到最佳的加工效率。 2. CAM 系统应该具有全程自动防过切处理能力及自动刀具干涉检查： 超过传统加工 10 倍以上切削速度的高速加工，如果发生过切，则后果不堪设想。所以一个 CAM 系统必须具有全程自动防过切处理能力。传统的 CAM 系统只对局部的加工编程时，没有考虑整个工件的情况，这样极其容易发生过切现象。当过切发生时，只是靠人工的选择干预的方法来防止，很难保证全局防护的安全性。另外，高速加工的重要特征之一是能够使用较小直径的刀具来加工零件的细部结构， CAM 系统必须能够自动地提示最短刀具系统（含刀头、刀柄和刀夹）的长度，自动进行刀具干涉检查。 3. CAM 系统应该具有进给率优化处理功能： 为了能够确保最大的切削效率又要保证在高速切削时加工的安全性， CAM 系统必须有能够根据加工时余量的大小，自动调整进给率，保证加工刀具受力状态的平稳性。 4. CAM 系统应该具有丰富的符合高速加工要求的加工策略： 相比传统加工方式，高速加工对工艺走刀方式有其特殊的机能要求，因而要求相配备的 CAM 系统能够满足这些要求。 1) 应避免走刀时刀具轨迹的突然变化，保持加工过程中刀具轨迹的平稳和连续性，避免突然的加速或减速，导致因局部过切而造成刀具和设备的损坏； 2) 下刀或刀行间过渡部分采用斜式下刀或圆弧下刀，避免直上直下下刀。当 刀具与被加工曲面成 90 o时，意味着刀具的刃口只有很少一部分在工作，这样，刀具的使用寿命大大缩短了。同时，在给定转速下时，刀具的刀尖相比全刀宽切削时移动较短的距离，导致材料去除率也降低； 3) 行切的端点采用圆弧连接，避免直线连接； 4) 除非必须使用，应尽量避免全刀宽切削； 5) 残余量加工或清跟加工时，应采用多次加工或采用系列刀具从大到小分次加工，避免用小刀一次加工完成； 6) 为了避免多余的空刀造成重复计算，对 CAM 系统的刀具轨迹编辑优化功能要求很高，通过这些功能对刀具轨迹进行镜像、复制、旋转等操作，还可以精确裁减空刀数量以提高效率。此外，还可以对零件的局部变化进行编程和计算，无须每一次都对整个模型重新编程。 5. CAM 系统应该具有崭新的编程方式： 虽然采用高速加工设备后，对编程人员的需求量增加，但是 CAM 系统的使用将是越来越简单和方便化，应更贴近于车间加工操作人员，而不是更多地依靠技术工程师坐在设计中心的大楼里编写“理论”程序。随着 CAM 技术智能化水平提高，出现了新一代独立运行的 CAM 专业系统，面向对象是实体加工方式而非传统的曲面局部加工方式，编程人员只需输入加工工艺就可以完成自动化的编程操作，程序编制的复杂程度与零件的复杂程度无关，只与加工工艺有关，故非常易于掌握和学习。 英国 Delcam 公司是全球著名的 CAD/CAM 软件产品的开发商和供应商，它旗下的数控编程系统 PowerMILL 是众所周知的独立运行的 CAM 软件，除了可以完全无缝连接地接受 Delcam 公司的 CAD 系统（ PowerSHAPE ）的数据以外，它还可以利用 PS-Exchange （ Delcam 公司的数据转换软件），或通过 IGES 、 VDA 、 STL 和多种不同的专业直接接口接受来自任何 CAD 系统的数据。 PowerMILL 功能强大、易学易用，可以快速准确地产生能最大限度发挥 CNC 高速加工机床生产效率的、无过切的粗加工和精加工刀具路径，确保生产出高质量的零件和产品。由于篇幅的关系，在这里无法完整地叙述 PowerMILL 的各种功能，本文只是从加工工艺的角度出发，简单列举几个 PowerMILL 所具备的高速加工工艺策略，看看它是如何保证最大化发挥机床、刀具和数控系统功能和加工效率的。 1. 高效区域加工策略： PowerMILL 的这种加工方法的基本点是尽可能地保证刀具负荷的稳定，尽量减少切削方向的突然变化。为了实现上述目标， PowerMILL 在区域清除加工中用偏置加工策略取代了传统的平行加工策略。 2. 赛车线加工： 这是 Delcam 拥有专利权的加工策略。在此策略中，随刀具路径切离主形体，初加工刀路将变得越来越平滑，这样可以避免道路突然转向，从而降低机床负荷，减少刀具磨损，实现高速加工。 3. 摆线加工： 这是 PowerMILL 的另一种全新的加工方式。这种加工方式以圆形移动方式沿指定路径运动，逐渐切除毛坯中的材料，从而避免刀具的全刀宽切削。这种方法可以自动调整刀具路径，以保证安全有效的加工。 4. 自动摆线加工： 它组合了偏置加工策略和摆线加工策略。在需要切削大量材料的地方自动使用摆线加工策略，而在其它情况下使用偏置加工策略，避免了使用传统偏置加工策略中可能出现的高切削负荷。 5. 残留粗加工： PowerMILL 引入了残留模型的概念，可以极大地加快计算速度，提高加工精度并确保每把刀具都能进行最高效率的切削。这种方法尤其适用于需要使用多把尺寸减少的刀具进行切削的零件。 6. 高速精加工： PowerMILL 提供了诸如三维偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略，这些加工策略可以保证切削过程光顺、稳定，确保能快速切除工件上的材料，得到高精度、光滑的切削表面。 7. 变余量加工： PowerMILL 提供的这种加工策略可以分别为加工工件设置轴向余量和径向余量，尤其适用于类似平底型腔零件这样具有垂直角的工件。在航空工业中加工这类零件时，通常使用初加工策略加工出型腔底部，留下垂直的薄壁供后续工序加工。 8. 侧刃（ SWARF ）加工： 这种技术使用刀具的侧刃而不使用刀尖进行加工，因此可以得到更加光滑的加工表面。它广泛地应用在复合零件和钣金零件的精加工上，也可以用在加工航空航天工业的复杂的型腔零件。 除了以上各种高速加工策略以外， PowerMILL 还支持诸如固定 5 轴和连续 5 轴高速加工方法，包括曲面投影加工、驱动曲面加工、铣槽加工、多轴钻孔等。在最大发挥刀具性能的要求下，提供刀具路径的修园功能、刀具路径编辑、刀具夹持碰撞检查等加工方法，支持包括球头刀、端铣刀、键端铣刀、锥度端铣刀、圆角偏心端铣刀和刀尖圆角端铣刀在内的全部刀具类型。使用刀尖圆角端铣刀还可以加工倒勾型面。 Delcam 公司自成立之日起就一直致力于发展高速加工理论和技术。除了自己拥有大型数控车间（ 6 到 8 台 3 轴到 5 轴的高速加工机床，用于检验一个 CAM 软件在投放到市场前的实用性）以外，一直同全球著名的机床制造厂商如 DMG 、 Bridgeport 、 Cincinnati Milacron, 、 Haas 、 Mazak 、 Mikron 等，刀具供应商 Mitsubishi Carbide 、 SANDVIK 等，数控系统开发商 Siemens 等和机器人制造商 KUKA 等建立和发展着良好的合作关系，因为 Delcam 知道，没有这些厂商的支持与协作，没有加工平台的实践，单靠闭门造车来开发 CAM 软件是无法真正满足广大用户要求的。同这些合作伙伴在一起， Delcam 要向用户推出的是 “集机床、刀具、数控系统和 CAD/CAM 编程软件” 为一体的整体解决方案。这就是 Delcam 公司（及 PowerMILL 软件）和其它同类型 CAM 软件公司最大的区别！(end)

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