高速加工中CAD/CAM的运用

将才

高速加工是以高的切削速度、高的进给速度和高的加工质量为主要特征的加工技术，其加工效率比传统的切削加工要高几倍，甚至十几倍。经高速铣削精加工后的模具型面，仅需略加抛光便可使用，从而节省了大量修磨、抛光的时间。高速加工是一个系统工程，它需要各个方面的配合以形成完整的高速切削工艺，如数控机床、切削刀具、冷却润滑介质和CAD/CAM系统等，甚至还包括合适的工件形状。

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，却往往由于这些参数的选用不当，导致高速加工失败。

除了上述的物理因素外，CAD/CAM软件的功能和正确应用，也是影响高速加工的主要因素。如果由CAD/CAM系统产生的CNC程序直接决定处理的条件，这当然十分直接，但要从CAD/CAM系中统指出什么功能才能保证获得高质量的高速加工效果，却极不容易。

下面我们就来分析应用CAD/CAM软件时，影响高速加工成败的一些重要因素。

一、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，至于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了。这话从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。有许多原因使CAD模型不适合高速加工，现简述如下。

1. 精度的影响

加工精度高、热分布范围小、加工表面质量高等，都是高速加工的优势，但我们看到一个奇怪的现象就是用于建立零件CAD模型的公差比零件最终的加工公差还大，这显然是不合理的。

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。每次进行数据传输过程中，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。由于这些公差属于累积所得，因此建立CAD零件模型时必须将零件模型的公差设定为精加工公差的1/10。

交换格式，如IGES，使系统在不同的几何描述间进行转换。由于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文件中最可能使用什么类型的实体。有些系统提供预先定义的IGES Flavours菜单，使它更适用于常用的系统。

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。直接接口可让系统直接读取另一系统的文件，如Delcam的PowerMILL就拥有CATIA、Pro/ENGINEER、UG等主流系统的直接接口。

由于Stereo lithography (STL)三角形格式十分简单，因此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，其中包括Delcam的PowerMILL。然而，这种格式文件的三角形是按公差产生的，加工表面可能出现可见面片。主流设计系统STL格式使用的默认公差一般非常大（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。

2. 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的一样。这些曲面的边界精度直接影响所产生的刀具路径质量。例如，一个圆台顶部为一个完整的圆形，平面顶盖为六角形，六角形平面则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。

3. 不完整模型的影响

许多CAD使用者往往走捷径，以求缩短模型的造型时间。他们经常使用的技巧，是忽略底座内部拐角处的圆倒角，甚至认为通过合适半径的刀具便可直接进行加工。实际上，如果采用这种方法，刀具必须刚好切进尖锐的拐角，这使刀具的负荷猛然增加，是刀具进行直线切削时的4.5倍。

有些CAM系统可以提供解决的方法，但最好避免出现这种现象，确保CAD模型准确地表示需要加工的形状。加工这类圆倒角最好使用半径较小的刀具，在一般情况下，刀具的半径最是圆倒角的几何尺寸的30%或更小，使拐角处的切削刀具路径更加平顺，避免刀具突然转向。如果使用小刀具加工，刀具负荷可比直接切入拐角降低3倍。

4. 不能加工特征的影响

尽管高速加工扩大了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，可以直接将它们钻出。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。如果可以的话，尽量把不希望进行铣削加工的特征，从用于产生刀具路径的CAD模型中除去。具体方法视所使用的CAD系统而定，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。

二、CAM对高速加工的影响

尽管很多研究机构对高速加工的研究已有多年，但目前仍没有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在低速高负荷切削更能快切除材料。低负荷切削意味着可以减轻切削力，从而减少切削过程的振动和变形。在高速的状态下选用合适刀具，就可以切削高硬度的材料。高速切削可以借助切屑带走大部分的切削热，以减少零件的热变形。

上述优点只能在合适的加工条件下实现。如果加工条件不恰当，将会影响刀具的寿命，甚至导致更严重的后果。

1. 高速加工刀具路径

高速铣削刀具路径的限制因素按重要性排列如下：

(1)刀具不能和零件碰撞；

(2)切削负荷必须在刀具的极限负荷之内；

(3)残留材料不能大于指定极限；

(4)应避免材料切除率突然变化；

(5)切削速度和加速度必须在机床的能力范围内；

(6)切削方向（顺铣/逆铣）应保持恒定；

(7)应避免切削方向突然变化；

(8)尽量减少空程移动；

(9)切削时间应减至最少。

在实际零件的刀具路径编制过程中，难以完全满足上述要求。事实上，当加工复杂形状的零件时，只能尽量满足这些要求，并首先要满足较为重要的要求。精加工还存在使高速加工出现刀痕的问题：由于零件形状的限制，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。

2. 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编制。在模具制造的单件加工领域，因等待加工程序导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，所编制的程序就会有问题，即使机床能继续运转，其加工速度已大打折扣，所以采用给CAM使用者加压的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，以得到高质量的加工程序，确保机床全负荷地运作。为此可从以下几方面入手：

(1)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。

(2)使用可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。

(3)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。

(4)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。

(5)确保为操作者提供适当的高速加工编程培训。

3. 安排加工顺序

除了最简单的零件，高速加工往往有多个加工步骤。对高速加工的编程，最重要的是选取正确的加工顺序，以下是一些基本原则。

(1)考虑加工成形的几何形状，应同时考虑希望切除的材料。

(2)把加工步骤减至最少。

(3)使用连续的方法，如偏置路径通常比平衡路径好等。

(4)避免垂直下刀，应从材料的外部切入。

(5)在零件的临界区域，确保不同步骤的精加工路径不会重复，否则必定出现刀痕。

(6)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。

(7)长刀具容易磨损，应尽量使用短刀具。如果可以，应考虑重新定位零件方向，在难以加工的区域使用短刀具进行加工。

三、结论

(1)高速加工对加工工件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哪些CAD和CAM功能，却可以肯定CAD和CAM对高速加工的质量和稳定性均有明显的影响。

(2)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高于加工精度，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。

(3)高速加工设备必须配以足够的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。

(4)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。