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PowerMILL在高速铣削加工中的应用 |
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作者：孙平 张瑞乾 杨庆东 |
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数控加工设备与高性能刀具的发展使高速加工技术日趋成熟，极大地提高了模具加工速度。作为模具加工的重要手段，高速铣削成为近年来兴起的一种先进加工技术。高速加工采用高转速、快进给、小切深和小步距提高加工效率，出发点是在高速低负荷状态下的切削。高速主要是主轴高速、进给高速和空行程高速。低负荷意味着可减小切削力，从而减少切削过程中的振动和变形。使用合适的刀具，在高速状态下可切削高硬质的材料。大部分切削热通过切屑带走，从而减少甚至避免了零件的热变形。因此高速切削具有切削力小、加工过程平稳、加工质量好、效率高和可实现对硬材料(＜60HRC)以及零件精细结构的加工等诸多优点。高速切削对数控自动编程软件提出了更高的要求：
1)保持机床的运动连续、平滑从而保证刀具负荷的稳定，避免刀具过载；
2)生成的刀具路径连续，尽量减少进退刀，换向尽量采用圆弧过渡的方式，保证刀具运动轨迹的光滑，避免走刀方向和加速度的突然变化，保持稳定的进给运动；
3)全程自动防过切处理能力及自动刀柄碰撞检查；
4)能提供符合高速加工要求的丰富加工策略。
PowerMILL集成了基于知识、基于工艺特征的多种独有加工方式以及全程防过切、适用于高速加工等功能，可对模具的整个制造过程提供一个理想的解决方案，是一款智能化的高速加工CAM软件。以下结合加工实例，介绍PowerMILL的加工编程过程以及模具高速加工策略和方法。
一、PowerMILL加工编程步骤
1.载入模型
PowerMILL可利用PowerSHAPE直接造型或通过PS-Exchange模块读入多种常用主流CAD文件，充分利用各种软件的优势，从而大大提高编程的效率和质量。
2.参数设定
(1)坐标系的设定
建立加工坐标系一般根据以下原则：一般取工作坐标系为加工坐标系；坐标原点要定在有利于测量和快速准确对刀的位置；根据机床坐标系和零件在机床上的位置确定加工坐标轴的方向。为了符合加工习惯，利用摆正器将零件上表面中心作为坐标系原点摆放工件，Z方向也可根据情况设置在工件的最高处或最低处。
(2)毛坯大小的设定
在PowerMILL中，毛坯扩展值的设定很重要。如果该值设得过大将增大程序的计算量，增加了编程的时间，如果设的过小，程序将以毛坯的大小为极限进行计算，这样很可能有的型面加工不到位或者在开始实际加工时出现干涉，所以毛坯扩展的设定一般根据实际毛坯大小设定并稍大于加工刀具的半径，同时还要考虑它的余量。
(3)加工参数设定
进给率的设定、进给高度的设定、开始点与结束点的设定、切入切出和连接方式的设定和刀具的设定等根据具体的加工工序及加工策略而定。其中设定刀具时最好将刀具名称与刀具尺寸联系起来，如名称为D6R2的刀代表刀具直径为6mm，圆角半径为2mm的圆角刀。这样命名有利于编程时对刀具的选用和检查。
3.工艺分析及编制
确定哪些特征能在一次装夹中完成，并安排加工顺序及使用的刀具，最后确定使用何种加工方式来完成。选择加工方式后，需要定义加工范围及加工参数。定义完参数后，由软件完成刀具运动轨迹的计算，并可进行加工仿真。如刀具轨迹不理想，可修改参数并重新进行计算或者直接对刀具轨迹进行编辑。
4.仿真及后置处理
生成所有刀具轨迹后可调入机床文件进行仿真，并通过专用后置处理程序将其转换为加工G代码。
二、PowerMILL高速加工策略
PowerMILL可实现对各种数控加工轨迹的生成、编辑及后置处理，同时还可对生成的加工轨迹进行仿真与校验，以保证生成的数控加工程序准确无误。在模具加工中，从规则形状毛坯到精整处理前的零件加工，铣削加工工艺一般可分为粗加工、半精加工、精加工和清角加工4道工序。
1.粗加工策略
粗加工的主要目标追求单位时间内的材料去除率，使后续半精加工或精加工余量均匀，并保证粗加工刀路的平稳、高效。由于轮廓区域清除铣削方式具有高效的环绕切削走刀及进刀设置，同时具有层间补刀功能，因此是最常用的粗加工方式。其下切或行间过渡部分应采用斜式下刀或圆弧下刀，并尽量采取顺铣的加工方式，刀具路径的尖角处要采用圆角的光顺处理以保证刀具负荷稳定，减少切削力的突然变化。若选中限制刀具过载选项，软件的智能余量识别功能可在大加工量、全刀宽、拐角等区域自动判定采用摆线加工，即刀具沿着具有一定半径的曲线运动，以圆弧运动方式逐次去除材料，对零件表面进行高速小切深加工，可有效避免刀具以全刀宽切入工件的方式生成刀具路径，使机床在整个加工过程中保持连续的进给速度，从而符合高速加工要求，延长刀具寿命。即粗加工中尽量采用以下加工策略：尽量采用从工件的中心开始向外加工的偏置加工策略，以减少全刀宽切削；在刀具易出现过载的区域采用摆线加工，如图1所示，可提高加工效率，延长刀具寿命，减少对机床的冲击。为了最大化地消除刀具路径中的尖角拐角，采用赛车线加工（Delcam的专利高速加工方式），如图2所示，以保持恒定的刀具负荷和排屑率，使得刀具负荷更加稳定，改善加工质量。
2.半精加工策略
半精加工的目标是使工件轮廓形状平整，表面加工余量均匀，为精加工的高速铣削作准备。作为基于知识的加工软件，PowerMILL能自动识别上一道工序的残留区域和拐角区域，自动判别在上一道工序残留的台阶间进行切削，系统可智能化地优化刀具路径，尽可能使余量保持均匀，避免出现大量空刀，使刀具的切削载荷更平稳，刀具轨迹更流畅。
3.精加工策略
精加工的目标是加工出满足零件的设计要求的最佳表面质量和轮廓精度。PowerMILL提供了多种精加工策略来支持不同的精加工方式，如三维偏置精加工、等高精加工、最佳等高精加工和平行精加工等。选用加工策略一般有以下原则：优化平行加工，在刀具路径的尖角处采用圆角的光顺处理，可显著提高加工效率，延长刀具的寿命，减少对机床的冲击；螺旋3D偏置加工，避免了平行加工策略和偏置加工策略中出现的频繁方向的突然改变，从而提高加工速度，减少刀具磨损；最佳等高加工，PowerMILL系统会自动利用区域分析算法对陡峭和平坦区域分别处理，计算适合等高及适合使用类似3D偏置的区域，并且同时可以使用螺旋方式，在很少抬刀的情况下生成优化的刀具路径，获得更好的表面质量。
4.清角加工
精加工完成后的局部清角加工也相当重要。PowerMILL有多种清角方式，常使用自动清角(Corner Automatic Finishing)加工方式，系统会利用区域余率分析算法，自动对陡峭或平坦区域分别进行处理，并根据加工工艺，在陡峭拐角处采用等高方式生成刀具路径，在平坦区域沿着刀具路径并沿根方向全自动地从外向内往复加工，以确保余量均匀，保证刀具路径平滑，切削载荷均匀。
三、走刀路径的优化
高速加工的刀具路径优化的目标是满足无干涉、无碰撞、轨迹光滑和切削载荷平稳，同时应保证零件的加工精度和表面粗糙度要求。PowerMILL的刀具路径优化主要从进退刀方式、移刀方式和拐角走刀等几方面进行。
四、实际应用
加工如图3所示的凸模，毛坯的外形尺寸为400mm×250mm×240mm，根据模具的结构特点，工序分为粗加工、半精加工、精加工和清角加工4道工序。
图3 凸模
粗加工用轮廓区域清除加工方式，刀具采用圆鼻刀D30R5，螺旋下刀，勾选高速加工选项，避免加工方向突变导致刀具载荷的急剧变化。切削参数：进给速度为6000mm/min，切削深度为2mm，主轴转速为4000r/min，加工余量为0.8mm。
粗加工后的工件上存在台阶面，半精加工采用等高精加工方式，如图4所示，采用刀具D20R0.4圆鼻刀，勾选修圆和螺旋，减少抬刀并使刀路顺滑。切削参数：进给速度为4800mm/min，切削深度为0.3mm，主轴转速为12000r/min，加工余量为0.3mm。
图4 半精加工刀具路径
精加工考虑到零件表面有曲面和平面，所以分开进行加工。其中，如图5、图6所示的直纹面采用SWARF精加工。使用直径为12mm，刀尖半径为1mm的圆角刀（D12R1），选取图5阴影部分进行SWARF加工的曲面。
图5 SWARF加工面
图6 SWARF刀具路径
将刀轴设为自动。Z高度的掠过距离20mm下切距离5mm，切入切出设置为水平圆弧（角度90°，半径6mm），短/长/安全连接设为掠过，驱动曲线选择曲面外侧，方向顺铣，不留余量。复制原始的单条路径的SWARF精加工刀具路径，使用D10端铣刀并对其与侧壁上凹陷处下部产生一新的刀具路径，如图7和图8所示。
图7 SWARF加工区域
图8 SWARF刀具路径
然后使用D16R0.4球刀以最佳等高精加工加工其余部分，并用残留高度控制下切步距，短连接设置在曲面上，以减少抬刀。切削参数为：进给速度为2000mm/min，残留高度为0.1mm，主轴转速为10000r/min，加工余量为0.5mm。
精加工后，在底部及圆角处会有残余材料未被加工，因此需要清角工序。利用PowerMILL的测量功能测出工件的最小R角为11mm，据此选用D10球头铣刀，按多笔清角加工方式进行清角加工，如图9所示。
图9 多笔清角刀具路径
在编程时，通过软件进行刀具夹持碰撞检查，以免加工时发生意外。将生成的所有刀具路径加载到同一条NC程序中，最后通过仿真模拟，在计算机上模拟刀具运动，以防止走刀错误和不合理走刀，如图10和图11所示。
图10 仿真结果
图11 调用双摆头机床文件仿真
后置处理时先产生一空的NC程序，将生成的六个刀具路径添加到刚产生的NC程序“1”中，如图12所示。在NC程序“1”中右击点击“设置”，出现如图13所示对话框，选择程序名称、输出文件及机床选项文件（即后处理文件），然后在NC程序“1”右击点击“写入”，即可在所设置的输出文件目录下产生机床加工所需的G代码。
图12 加载刀具路径至NC程序
五、结束语
高速加工NC编程所生成的刀具路径是影响模具加工质量的主要因素，因此，应根据高速加工的具体需要，优选加工方法和刀具走刀方式，可使模具产品的加工实现高质量、高效率、高寿命、低工期和低成本的目标。
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(3/5/2012) |
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