采用CAD／CAM的高速数控加工技术研究

    高速数控加工是正在发展和完善的机械加工技术，计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)软件功能的正确使用，对高速加工零件的精度影响很大。应用CAD／CAM软件功能时，要对影响高速加工成败的相关影响因素进行分析和研究，把握高速加工的工艺技术与策略，才能使高速加工的零件获得高质量的加工效果。

1 CAD／CAM软件对高速加工的影响

1．1 CAD软件的影响

    CAD软件对高速加工的直接影响并不易看到。一般来说，CAD软件建立的模型主要用作定义零件的外形。但是，在很多情况下，CAD软件建立的模型还有可能没完全定义出需要加工的工件形状，使CAD定义的模型不适合高速加工。

1．1．1数据交换的影响

    数据交换是影响精度问题的根本原因。零件形状通常由一个CAD软件设计，然后转换至另一个CAD软件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，有些转换采用近似极限公差，由于这些近似公差将产生累积，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。

    几何形体格式要求系统在不同几何描述间进行转换，如要减少转换过程出现的误差，主要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／E和UG等主流系统的直接接口。

1．1．2不完整造型的影响

    许多CAD使用者往往走捷径，以求缩短模型的造型时间。例如忽略底座内部拐角处的倒圆角，甚至认为通过合适半径的刀具便可直接进行加工，则可能直接影响到高速加工零件的表面质量。因为采用这种方法，刀具必须刚好切进尖锐的拐角，这使刀具的负荷突然增加，甚至出现“扎刀”现象。有些系统提供了解决的方法，但最好能避免出现这种现象，以确保CAD模型准确地表示需加工的形状。加工这类倒圆角最好使用半径较小的刀具，在一般情况下，刀具的半径最好是倒圆角几何尺寸的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，降低刀具的负荷。

1．1．3不能加工的特征曲面的影响

    尽管高速加工扩大了可直接切削的特征范围，但对形状特别复杂的模型，还有必须使用电火花工(EDM)的细微部分，如果供加工使用的CAD模型包含这些特征，CAM系统会使刀具路径包含不希望进行切削加工的区域，若不加以处理，实际加工时的刀具路径必定切入孔或尖角，产生多余的加工路径，还有可能由于误切削而影响到零件的加工。为修正错误，避免重复加工放电加工区域和孔区域，要尽量把不希望进行切削加工的特征，从用于产生刀具路径的CAD模型中除去，具体措施可根据所使用的CAD软件系统而定，采用删除特征的方法或通过加入额外曲面来覆盖。

1．2 CAM软件的影响及对策

    用于数控加工编程的CAM软件平台较多，常用的有UG、Pro／E、Mastercam、Cimatron、Suffcam和Powermill等。在细节控制方面：UG使用灵活，对于高速切削加工，采用螺旋铣削加工，或是在转角处配置圆弧过渡，在一定程度上支持高速加工。在支持变速切削的功能方面：UG和Cimatron在高速加工转角处的降速处理上相对好一些；Cimatron支持变速切削，Mastercam只有一次降速功能。在清根上的处理方面：UG和Cimatron相对好一些，可实现多次清根。在五轴铣削刀具轴矢量控制方式方面：UG非常灵活，其平台基本都能满足使用要求。在后处理程序开发方面：Mastercam采用文本形式，而Cimatron采用支持异构数控系统与CAM平台数控程序转换的Imspost进行后处理，Suffcam与Pm／E可采用同一后处理NCpost或Gpost。在与Veficut软件之间的接口关系和仿真加工方面：各平台均可链接。参数化驱动方面：UG和Pro／E等支持参数化刀具轨迹编辑修改，相对其数控编程模板与参数化功能更强大。

    对于各种CAM软件对高速加工的影响，在编程时还要注意采取一定的对策。

1．2．1 高速加工的刀具路径

    高速加工的刀具路径必须考虑以下重要因素：加工刀具不能和零件产生碰撞；切削负荷必须在刀具的极限负荷之内；工件残留材料不能大于指定的极限范围；避免材料切除厚度突然变化；切削速度和加速度要在机床允许的能力范围内；加工路径方向要保持恒定，避免切削方向突然变化；尽量减少空行程，提高切削效率。

    在实际零件的高速加工中，往往难以完全满足上述要求。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。例如，有时由于零件形状的限制，而改变切削条件，结果在加工后的零件表面留下可见的刀痕，虽然通过抛光的方法可以消除，但对高速精加工是不妥的做法。较好的对策是，进行粗加工和半精加工后，可使用CAM软件修改零件的形状，利用其后的精加工消除前面加工留下的刀痕。

1．2．2高速加工的进刀和退刀方式

    在高速加工时应尽量采用轮廓的切向进刀和退刀方式以保证刀路轨迹的平滑。

    进行曲面加工时，刀具可以是Z向垂直进刀和退刀，曲面法向的进刀和退刀，曲面正向与反向的进刀和退刀，斜向或螺旋式进刀和退刀等。实际加工中，可以采用曲面的切向进刀，最好采用螺旋式进刀。螺旋式进刀切人材料时，如果加工区域是上大下小，螺旋半径会随之减小以进刀到指定深度，有些CAM系统具有基于知识的加工，在检查刀具信息后发现刀具具有盲区时，螺旋加工半径不会无限制减小，以避免撞刀。这对程序的安全性提供了保障。

1．2．3高速加工的移刀方式

    高速加工的移刀方式是指行切中的行间移刀，环切中的环问移刀，以及等高加工的层间移刀等。普通CAM软件中的移刀大多不适合高速加工的要求。如在行切移刀时，刀具多是直接垂直于原来行切方向的法向移刀，致使刀具路径中存在尖角；在环切的情况下，环问移刀也是从原来轨迹的法向直接移刀，也致使刀路轨迹存在不平滑情况；在等高线加工中的层间移刀时，也存在移刀尖角。这些移刀方式会影响到高速加工中心的进给速度与加工效率。

    高速加工中，采用的切削用量较小(侧向切削用量和深度切削用量很小)，移刀运动量也会急剧增加，这就要求刀路轨迹的移刀要平滑。分页
1．2．3．1行切光滑移刀

    1)行切的移刀直接采用切圆弧连接。该种方法在行切切削用量(行间距)较大的情况下处理得很好，在行切切削用量(行间距)较小的情况下会由于圆弧半径过小而导致圆弧接近一点，即近似为行间的直接直线移刀，从而也导致机床预览减速，影响加工效率，对加工中心不利。

    2)行切的移刀采用内侧或外侧圆弧过渡移刀。该种方法在一定程度上会解决采用切圆弧移刀的不足。但在使用非常小的刀具直径进行精加工时，由于刀路轨迹间距非常小，使得该方法也不够理想。这时可以考虑采用更高级的移刀方式。

1．2．3．2环切的光滑移刀

    1)环切的移刀采用环间的圆弧切出与切人连接。这种方法的弊端是在加工3D复杂零件时，由于移刀轨迹直接在两个刀路轨迹之间进行生成圆弧，在间距较大的情况下，会产生过切。该方法一般多用于2．5轴的加工，使所有的加工都在一个平面内。

    2)环切的移刀采用空间螺旋式移刀。该种移刀方法由于移刀在空间完成，避免了环间圆弧切出与切入方法的弊端。如图l所示。

图1环切时的刀具路径

1．2．4高速加工顺序的安排

    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t的编程，最重要的是选取正确的加工顺序，其基本原则如下。

    要考虑加工成形的几何形状，同时还要考虑希望切除的材料，把加工步骤减至最少，使用连续加工的方法，如偏置路径通常比平衡路径好等。避免垂直下刀，要从材料的外部切入。在零件的临界区域，要确保不同步骤的精加rT路径不会重复，否则会出现刀痕；要尽量不换刀，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。

1．2．5高速切削仿真检验

    采用高速加工设备之后，对编程人员的需求量将会增加，高速加工工艺要求严格，过切保护更加重要，需要花较多的时间对数控指令进行仿真检验。

    图2为Mastercam平台下高速切削加工的刀具轨迹图。

图2 Mastercam高速切削轨迹图

    一般情况下，高速加工编程时间比一般加工编程时间要长得多。良好的数控高速加工程序可以迅速地在数控机床上执行，但要花费很长时间和大量精力去编制。为了更快地产生刀具路径，解决编制程序出现的问题，获得最好的高速加工效果，必须提供足够的CAM能力，并及时对数控指令进行仿真检验，以得到高质量的加工程序。分页
2高速加工工艺技术及策略

    高速加工时，进给速度快、主轴转速高，实际上从切削过程中刀具的每齿切削量来看，高速加工中的每齿切削量与常规加工基本相同，甚至有可能更小。要正确设置加工参数，使加工程序既能满足高速加工设备的要求，又能达到高效加工的目的。

2．1 高速加工中需要注意的问题

2．1．1选择合适的高速加工刀具

    要根据被加工工件材料来选择合适的加工刀具，这对刚接触机械加工的人来说是很困难的，它需要较丰富的工艺经验。对于数控高速加工，工艺人员在以往常规的加工中积累的经验也不再适用。这时，可以利用CAM软件作为计算机辅助制造的工具平台，充分发挥计算机的计算和数据容量大的优势进行选择。主流的CAM软件都有一个专家系统，在数控加工编程过程中，一旦选定了某种刀具材料和被加工材料，专家系统就可以给出相应的加工参数。这些数据是根据刀具和被加工材料的物理性能，结合实际加工经验得来的，应该在加工中充分利用。另外，不同的刀具供应商也会针对其产品为用户提供一些合理的加工参数，用户可以在加工中借鉴。也可以将实际加工中曾经使用过的切削参数输入到专家系统中，作为经验数据保存和继承。

2．1．2刀具路径的生成

    高速加工中，利用CAM软件生成的刀具路径形状至关重要，不仅要求减少极端换向的发生，同时要求考虑到机床主轴的负载情况，一定要在主轴达到最高转速后，再切人毛坯材料。

    在编程过程中，CAD／CAM软件往往通过一些参数设置来达到上述目的。例如，在CAD／CAM软件中，通常具有角部处理方式的参数选项，从而保证自动生成的刀具路径不会出现急转弯的情况。型腔加工中，刀具路径通过“最小半径”参数保证了形成零件表面的最外侧圆角半径不会小于指定值，而中间去除余料部分通过“高速加工角部优化”参数保证圆角过渡，而不是急转弯换向。

    在加工型腔的过程中还有一点要特别注意，切入时尽量选择螺旋导人，而不是摆动刀具导人毛坯。因为在刀具摆动过程中可能改变切削方向。适当地延长刀具导入距离还可以起到确保主轴完全启动后切入被加工材料的功效。

    在条件允许的情况下，最好在毛坯的外面换向，换向后再切人毛坯。急转弯换向不仅影响机床寿命，而且影响加工零件的几何精度。外形的尖角形状在角部处理参数的控制下，可以引导刀具导出毛坯，然后从毛坯外侧换向后再次导入。这种外旋引导方式仅改变了加工方向，而且可以保证零件外形的准确。CAM软件提供的角部处理方式可以解决这类问题，关键在于设置加工参数过程中是否能够合理地利用这些参数功能。

2．1．3加工中变形的对策

    加工零件变形给很多的工程技术人员带来烦恼。机加工过程中的变形因素比较多，高速加工中，切削过程产生的热量大部分被切屑带走，而不是传递到工件中去，因此，可以有效地减少热变形。常规加工中，由于受刀具径向切削力的影响，会产生“让刀”现象，如果不注意，也会使零件形状不准确。

    高速加工中，每齿切削量相对较小，可以有效地减少径向切削力的影响，但是并不是意味着可以一味地减少切削用量，在刀具高速旋转过程中，刀具切入零件过少会产生振动，由于刀具振动带来的负面影响反而更大，因此，在高速加工中，往往采用增大径向切深，减少轴向切削深度的方式来减少刀具振动。在编程软件中，一般是通过增大步距，减少切削增量的方式来实现。

2．2高速加工实例

    某注射模工件材料为40Cr，模具尺寸200mm X180mm×80mm，表面粗糙度要求：Rao．4um，材料硬度为35HRC。按表1所示的加工工艺参数，在MIKRONHSM700高速数控加工中心上进行粗加工、半精加工和精加工。

    注射模进行高速数控切削加工的仿真加工示意图如图3所示。通过高速数控加工，不仅提高了模具制造精度，而且缩短了制造周期，大大提高了生产效率。

图3注射模的高速数控加工仿真示意图

3 结语

    高速加工中CAD／CAM软件功能的正确应用，对高速加工零件精度有很大的影响。不仅要掌握CAD／CAM软件的常用功能，同时还要注意CAD／CAM软件对高速加工的影响。

    高速加工对加工工件的每个环节要求严格，要使用合适的物理设备，并精确地指定有关参数。CAD／CAM软件对高速加工的质量和稳定性具有明显的影响。如要获得良好的高速加T效果，最有效的方法是把握加工工艺技术与策略，为CAD／CAM系统提供有利的加工条件。