典型CAM平台数控铣削加工编程功能对比应用

前言:

　　数控加工作为机械制造业中先进生产力的代表，经过十余年的引进与发展，已经在汽车、航空、航天、模具等行业发挥了巨大的作用。它推动了企业的技术进步和经济效益的增长。但是由于多方面原因，国内不同行业在应用数控加工方面表现的差距较大。一方面由于机床刀具软硬件配置等方面的原因，尤其是多坐标控制联动的高速铣削机床，进口设备由于其成本很高，企业不得不考虑其投资效益问题。另一方面多坐标联动高速铣削的CAM软件选型、应用编程与开发方面，需要一个长时期的技术积累才能赶上国外先进水平，尤其是对于人员的技术水平要求较高的CAM软件应用编程开发方面表现更为明显。

　　用于数控铣削加工编程的CAM软件平台较多，比较常用的UGNX、CATIA、Pro/E、Mastercam、Cimatron、Surfcam、Powermill等，这些CAM软件平台在不同企业数控铣削编程方面发挥了很大的作用，虽然各自应用流程略有差别，但各系统提供的基本数控编程功能都比较相似。但是企业产品对象不同，使得对CAM平台的选型和应用方面的要求有所不同。数控三轴铣削编程上都能满足企业的要求，但在五轴铣削编程，刀具轴矢量控制与后处理程序开发等方面还是存在较大差别的，尤其是五轴机床的加工编程与后处理程序开发表现更为突出。本文就通用的CADCAM软件平台为环境，以几个具体的产品对象的数控铣削加工编程应用实例，简要介绍它们在进行数控三轴铣削、五坐标联动加工编程、后处理开发模式、机床仿真加工模拟接口方面的实例应用。希望对读者有所借鉴作用。

一、三轴铣削刀具轨迹设计

　　现有典型CAM平台在进行数控铣削编程时，其流程基本相同，主要涉及加工对象定义、刀具选择、加工模式选择、轨迹优化编辑修改控制、后处理与实体模拟等方面内容。典型CAM平台在三轴联动数控铣削加工编程方面，都包括为粗加工、精加工、清根加工三种模式以及实体模拟仿真。在刀具轨迹的生成控制方式主要包括二维轮廓粗精加工、、深孔钻削加工、平行或环形等高分层铣削、螺旋铣削、曲面流线、投影加工、曲面清根、放射加工等功能，在高速铣削加工方面一般都提供高速R圆角控制、变速处理、直线拟合、样条插补等轨迹优化策略。利用典型的CAM平台在加工某薄壁空间曲面，其刀具轨迹示意图如下图1～3所示。从图中可以看出，在粗加工方面，各CAM平台功能相当；但在清根处理上，UGNX、CATIA、CIMATRONE可进行多次清根处理；在实体仿真切削时，MASTERCAM、CATIA、CIMATRONE、SURFCAM等平台相对而言模拟速度较快。

二、五轴数控铣削刀具轨迹设计

　　在利用CAM平台进行五轴数控铣削刀具轨迹设计时，其核心内容主要包括刀具轴矢量控制、轨迹驱动方式、进退刀处理、五轴数控机床后处理与五坐标机床加工仿真模拟等方面的工作。由于五轴加工时产品的复杂性和刀具轴控制的灵活性和多样性，导致五坐标联动加工编程的难度和复杂性较大。一般CAM平台都提供五轴铣削数控编程功能，其主要包括（A）旋转四轴：多用于带旋转工作台或配备绕X、Y轴的旋转台的的四轴加工；如MACH1600位Z轴旋转的工作台主轴可立卧转换，可对外圆上的槽或型腔进行加工；（B）五轴底刃铣削：用于铣刀的底刃对空间曲面进行加工，避免传统球头刀的加工，此时需要对刀轴矢量进行合理的控制设计；（C）侧刃五轴：利用铣刀的侧刃对空间的曲面进行加工，避免球头刀的R切削，能大幅度提高曲面粗精加工的效率；（D）五轴顺序铣削与五面体加工：多用于铣削工步内容比较多的多面体加工，如立卧转换五面体加工中心可一次加工产品上的五个面或内外腔的场合，多用于工序的复合化加工；（E）曲线五轴：对空间的曲面曲线进行五轴曲线加工；（F）五轴钻孔：对空间的孔进行钻孔加工，多用于孔的位置不再三个基准平面上比较特殊的场合，如圆锥面上的孔或产品上孔位的轴线方向变化的场合。

　　空间曲面五轴加工涉及的内容比较多，尤其是五轴加工时更明显。进行五轴加工时涉及加工导动曲面、干涉面、轨迹限制区域、进退刀及刀轴矢量控制等关键技术。四轴五轴加工的基础是理解刀具轴的矢量变化。四轴五轴加工的关键技术之一是刀具轴的矢量（刀具轴的轴线矢量）在空间是如何发生变化的，而刀具轴的矢量变化是通过摆动工作台或主轴的摆动来实现的。对于矢量不发生变化的固定轴铣削场合，一般用三轴铣削即可加工出产品，五轴加工关键就是通过控制刀具轴矢量在空间位置的不断变化或使刀具轴的矢量与机床原始坐标系构成空间某个角度，利用铣刀的侧刃或底刃切削加工来完成。刀具轴的矢量变化控制一般有固定矢量、曲面法线、固定点、直线导动、直纹面导动、刀具轨迹投影、点位与任意矢量连续插补等方式。