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文檔簡介
1、高速加工中的CAD/CAM 高速加工是以高的切削速度、高的進給速度和高的加工質(zhì)量為主要特征的加工技術(shù),其加工效率比傳統(tǒng)的切削加工要高幾倍,甚至十幾倍。經(jīng)高速銑削精加工后的模具型面,僅需略加拋光便可使用,從而節(jié)省了大量修磨、拋光的時間。高速加工是一個系統(tǒng)工程,它需要各個方面的配合以形成完整的高速切削工藝,如數(shù)控機床、切削刀具、冷卻潤滑介質(zhì)和CAD/CAM系統(tǒng)等,甚至還包括合適的工件形狀。 高速加工需要同時滿足多方面的應用條件,一旦
2、參數(shù)出現(xiàn)錯誤便會導致全面失效。有些關(guān)鍵參數(shù)容易定義,如配有功能強大的CNC系統(tǒng)和高精度主軸的高質(zhì)量機床、高剛性和精確平衡的機床夾持、高性能的切削刀具等。有些參數(shù)則不容易定義,卻往往由于這些參數(shù)的選用不當,導致高速加工失敗。 除了上述的物理因素外,CAD/CAM軟件的功能和正確應用,也是影響高速加工的主要因素。如果由CAD/CAM系統(tǒng)產(chǎn)生的CNC程序直接決定處理的條件,這當然十分直接,但要從CAD/CAM系中統(tǒng)指出什么功能才能保證獲得高質(zhì)量的高速加工效果,卻極不容易。 下面我們就來分析應用CAD/CAM軟件時,影響高速加工成
3、敗的一些重要因素。一、CAD對高速加工的影響 一般來說,CAD對高速加工的直接影響并不易看到。很多人認為CAD模型只用作定義零件的外形,至于如何加工所設計的零件,便是CAM使用者和加工工程師的責任了。這話從理論上來說并沒有錯,在很多情況下,CAD模型沒有真正定義需要加工的形狀。有許多原因使CAD模型不適合高速加工,現(xiàn)簡述如下。1. 精度的影響 加工精度高、熱分布范圍小、加工表面質(zhì)量高等,都是高速加工的優(yōu)勢,但我們看到一個奇怪的現(xiàn)象就是用于建立零件CAD模型的公差比零件最終的加工公差還大,這顯然是不合理的。
4、60; 數(shù)據(jù)交換是影響精度問題的根本原因。零件通常由一個CAD系統(tǒng)設計,然后轉(zhuǎn)換至另一個CAD系統(tǒng)進行補充設計和加工準備。每次進行數(shù)據(jù)傳輸過程中,都需要將幾何形體由一種格式轉(zhuǎn)換至另一種格式,有些轉(zhuǎn)換涉及按極限公差近似。由于這些公差屬于累積所得,因此建立CAD零件模型時必須將零件模型的公差設定為精加工公差的1/10。 交換格式,如IGES,使系統(tǒng)在不同的幾何描述間進行轉(zhuǎn)換。由于數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)可以訪問“主”數(shù)據(jù),最好讓它進行所有轉(zhuǎn)換工作,并通過“Flavouring”發(fā)送系統(tǒng)的IGES來實現(xiàn)。Flavouring將會告訴系統(tǒng),在IGES文件中最可能使用
5、什么類型的實體。有些系統(tǒng)提供預先定義的IGES Flavours菜單,使它更適用于常用的系統(tǒng)。 如要減少轉(zhuǎn)換過程出現(xiàn)問題,其中一個方法便是使用直接接口。直接接口可讓系統(tǒng)直接讀取另一系統(tǒng)的文件,如Delcam的PowerMILL就擁有CATIA、Pro/ENGINEER、UG等主流系統(tǒng)的直接接口。 由于Stereo lithography (STL)三角形格式十分簡單,因此成為有些公司喜歡使用的數(shù)據(jù)交換格式。有些CAM系統(tǒng)可以直接加工STL格式文件,其中包括Delcam的PowerMILL。然而,這種格式文件的三角形是按公差
6、產(chǎn)生的,加工表面可能出現(xiàn)可見面片。主流設計系統(tǒng)STL格式使用的默認公差一般非常大(0.1mm),而且隱藏在多重選項之后,容易被忽略。因此,整理低公差設置STL文件的加工公差,可以提高加工表面的精度。2. 修剪的影響 CAD系統(tǒng)的大部分零件由裁剪曲面“拼湊”而成,像上衣由多片形狀復雜的布料縫合而成的一樣。這些曲面的邊界精度直接影響所產(chǎn)生的刀具路徑質(zhì)量。例如,一個圓臺頂部為一個完整的圓形,平面頂蓋為六角形,六角形平面則可能在頂部某些地方超越圓形的范圍,如果超出的范圍太大,刀具路徑便會出現(xiàn)尖點,在這情況下,加工后的表面極可能出現(xiàn)刀痕。3. 不完整模型的影響
7、0; 許多CAD使用者往往走捷徑,以求縮短模型的造型時間。他們經(jīng)常使用的技巧,是忽略底座內(nèi)部拐角處的圓倒角,甚至認為通過合適半徑的刀具便可直接進行加工。實際上,如果采用這種方法,刀具必須剛好切進尖銳的拐角,這使刀具的負荷猛然增加,是刀具進行直線切削時的4.5倍。 有些CAM系統(tǒng)可以提供解決的方法,但最好避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象,確保CAD模型準確地表示需要加工的形狀。加工這類圓倒角最好使用半徑較小的刀具,在一般情況下,刀具的半徑最是圓倒角的幾何尺寸的30%或更小,使拐角處的切削刀具路徑更加平順,避免刀具突然轉(zhuǎn)向。如果使用小刀具加工,刀具負荷可
8、比直接切入拐角降低3倍。4. 不能加工特征的影響 盡管高速加工擴大了可直接銑削的特征范圍,但對形狀特別復雜的模型,必須使用EDM加工細微的部分。此外,大部分零件有許多孔,可以直接將它們鉆出。如果供加工使用的CAD模型包含這些特征,大多CAM系統(tǒng)將會嘗試加工。最典型的結(jié)果,是刀具路徑包含不希望進行銑削加工的區(qū)域,如果不加以處理,實際加工時刀具必定切入孔或尖角。CAM使用者需要花很多時間修正錯誤,以避免重復加工放電加工區(qū)域和孔區(qū)域。如果可以的話,盡量把不希望進行銑削加工的特征,從用于產(chǎn)生刀具路徑的CAD模型中除去。具體方法視所使用的CAD系統(tǒng)而定,有些系統(tǒng)采用刪
9、除特征的方法,有些則通過加入額外曲面來覆蓋。二、CAM對高速加工的影響 盡管很多研究機構(gòu)對高速加工的研究已有多年,但目前仍沒有明確簡潔的定義和解釋。高速加工的基本出發(fā)點是在高速低負荷下切削比在低速高負荷切削更能快切除材料。低負荷切削意味著可以減輕切削力,從而減少切削過程的振動和變形。在高速的狀態(tài)下選用合適刀具,就可以切削高硬度的材料。高速切削可以借助切屑帶走大部分的切削熱,以減少零件的熱變形。 上述優(yōu)點只能在合適的加工條件下實現(xiàn)。如果加工條件不恰當,將會影響刀具的壽命,甚至導致更嚴重的后果。1. 高速加工刀具路徑
10、; 高速銑削刀具路徑的限制因素按重要性排列如下: (1)刀具不能和零件碰撞; (2)切削負荷必須在刀具的極限負荷之內(nèi); (3)殘留材料不能大于指定極限; (4)應避免材料切除率突然變化; (5)切削速度和加速度必須在機床的能力范圍內(nèi); (6)切削方向(順銑/逆銑)應保持恒定; (7)應避免切削方向突然變化;
11、160; (8)盡量減少空程移動; (9)切削時間應減至最少。 在實際零件的刀具路徑編制過程中,難以完全滿足上述要求。事實上,當加工復雜形狀的零件時,只能盡量滿足這些要求,并首先要滿足較為重要的要求。精加工還存在使高速加工出現(xiàn)刀痕的問題:由于零件形狀的限制,如要遷就切削條件,便會在加工后的零件表面留下可見的刀痕,雖然可以通過拋光的方法消除,卻違背使用高速加工的原意。進行粗加工和半精加工后,CAM使用者有多種方法修改零件的形狀,刀痕也可利用其后的精加工消除。2. 編程能力 良好
12、的高速加工程序可以迅速地在機床上執(zhí)行,卻要花很長時間和大量精力編制。在模具制造的單件加工領域,因等待加工程序?qū)е聶C床停機的情況非常普遍。如果將這種壓力強加給CAM使用者,讓他們更快地產(chǎn)生刀具路徑,便會迫使他們走捷徑,所編制的程序就會有問題,即使機床能繼續(xù)運轉(zhuǎn),其加工速度已大打折扣,所以采用給CAM使用者加壓的方法進行高速加工并不明智。如要獲得最好的高速加工效果,必須提供足夠的CAM能力,以得到高質(zhì)量的加工程序,確保機床全負荷地運作。為此可從以下幾方面入手: (1)用具備自動高速加工功能的CAM軟件,可以減少使用者優(yōu)化程式的工作量。
13、160; (2)使用可快速計算無過切刀具路徑的CAM軟件,批處理功能可將復雜程序的計算留在夜間進行。 (3)使用高性能的計算機并經(jīng)常更新配置,確保具有足夠內(nèi)存以提高運行效能。 (4)確保每臺機床配備足夠的CAM編程人員。培訓機床操作者,讓他們直接在車間進行加工編程,以充份發(fā)揮其加工技能。 (5)確保為操作者提供適當?shù)母咚偌庸ぞ幊膛嘤枴?. 安排加工順序 除了最簡單的零件,高速加工往往有多個加工步驟。對高速加工的編程,最重要的是選取正確的加工順序,以下是
14、一些基本原則。 (1)考慮加工成形的幾何形狀,應同時考慮希望切除的材料。 (2)把加工步驟減至最少。 (3)使用連續(xù)的方法,如偏置路徑通常比平衡路徑好等。 (4)避免垂直下刀,應從材料的外部切入。 (5)在零件的臨界區(qū)域,確保不同步驟的精加工路徑不會重復,否則必定出現(xiàn)刀痕。 (6)盡量不換刀,使用單一刀具精加工臨界區(qū)域。刀具設置錯誤常常導致精加工后的加工表面出現(xiàn)刀痕。 (7)長刀具容易磨損,應盡量使用短刀具。如果可以,應考慮重新定位零件方向,在難以加工的區(qū)域使用短刀具進行加工。三、結(jié)論 (1)高速加工對加工工件的每個環(huán)節(jié)要求嚴格,基本要求是使用合適的物理設備,并精確地指定有關(guān)的參數(shù)。雖然難以具體指定高速加工需要哪些CAD和CAM功能,卻可以肯定CAD和CAM對高速加工的質(zhì)量和穩(wěn)定性均有明顯的影響。 (2)高速加工使用的CAD模型必須精確地表達需要加工的模
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