面向高速铣削的加工策略 -CimatronE与高速铣

    面向高速铣削的加工策略 -CimatronE与高速铣 [摘要]继CNC技术之后，高速铣削给机械制造业带来又一次革命性变化。其巨大吸引力在于实现高速加工的同时，把原来普通数控难以达到的对加工精度、表面质量、以及刀具磨损和生产时间等更高的要求变成了现实。高速铣削的实现不仅要求有好的机床和刀具等硬件条件，还必须有优秀的CAM软件与之相匹配。CimatronE是以色列Cimatron公司的新产品，它采用了20世纪末最新软件技术成果，是支持高速铣削的软件之一。这里以CimatronE为例介绍CAM对支持高速铣削的应用特点。 高速铣削是一种不同于传统加工的加工方式，与之相比，它主轴转速高、切削进给速度高、切削量小，但单位时间内的材料切除量却增加3～6倍。高速铣削在工件本身刚度不足（如薄壁件和细长杆件）、复杂曲面加工、难加工材料以及超精密切削等加工领域中都得到了充分的应用。 高速加工的切削量大约是传统加工的1/3，切削力会减少30%左右，所以小直径刀具使用率大大提高，这使得易变形零件和狭小区域的铣削加工都成为了可能。在高速切削时，由于95%以上的切削热是被切屑迅速带走的，所以工件和刀具基本保持冷态，因而特别适合于加工容易产生热变形的零件，同时刀具寿命也得到极大的提高。 高速铣削采用浅切深，切削残留高度小，加上切削时激振频率远高于机床固有频率，因而工艺系统振动小，从而降低了粗糙度，得到更加光滑的零件表面。 在当前模具生产时，常采用电火花加工，但电极的设计与制造本身是一个费时费力的工艺过程。而采用高速加工后，由于狭小区域加工的实现和高质量的表面结果让电极的使用率大大降低。另外用高速铣来制造电极也可以使生产效率提高到一个新的层次。 高速铣对CAM软件要求及CimatronE应用特性 1． 具有极强的读取并处理数据模型的能力：优秀的处理模型能力是高质量结果的重要保证。CiamtronE是基于曲面的加工，在对数据模型的容错能力相当强大，如曲面的边界不一致、有缝隙，内部有错误等情况，CiamtronE都可以在保证加工精度的前提下自动进行计算编程，而不需要人工处理修复。另外CiamtronE系统具有相当的开放性，它优秀的数据接口不仅能读取国际标准的CAD格式，而且针对一些著名的CAD软件也提供了专用接口，如CATIA、UG、PTC、AUTOCAD等，这样CimatronE可以使用更多的CAD系统数据模型来为加工作准备。 2． 要求输出合理的刀位轨迹：由于高速铣在加工过程中刀具运动速度很快，要求CAM输出光滑、平顺、稳定的刀位轨迹，避免切削角度和速度的突然变化，以达到高质量和高精度的零件表面。CimatronE铣削走刀路线具有多样性，可以完全满足高速铣削的要求。 首先，CimatronE在输出加工数据时，不仅支持标准的直线和圆弧插补，而且具有NURBS插补功能。在传统的加工中，基本上都是用直线和圆弧组合进行对几何模型的逼近，对于复杂的高级曲面及曲线，这种插补将使数据大大增加，增加了数据传输的时间和困难，而且加工精度和表面质量都往往很难满足要求，对高速加工更会产生不良效果。而CimatronE支持的NURBS曲线（非均匀有理B样条曲线）是被STEP国际标准规定为CAD/CAM曲线曲面造型、计算机图形学等领域的标准形式，用它描述的曲线、曲面整体十分光滑（连续1阶微分，2阶微分），而且可以将圆、椭圆、抛物线、双曲线、圆锥曲线等统一表示，另外用NURBS表示的曲线/曲面可以方便地实现曲线/曲面的局部变更：在修改曲线（或曲面）的一部分时不会对其他部分带来影响。用NURBS曲线表达的NC后置程序小，产生的加工精度高、加工时间比普通插补方法的时间短，也更适合于高速铣削。 其次，CimatronE在计算刀位轨迹连接时具有光滑处理的策略。 1） 在进退刀的方式多种多样：轮廓的切向、圆弧进退刀，曲面的切向进退刀，Z向的螺旋式进刀。 2） 在拐角走刀处：等圆角半径连接、圆环式连接。 3） 在行间有向内空间圆环式、向外空间圆环式以及高尔夫球棒式连接。 4） 在层间及环向的侧向移动有空间螺旋式移刀以上的光滑连接方法使得在高速加工中刀轨没有尖角和突然变向的存在，让刀具保持恒定的进给和转速，让高速铣削功能变为现实，同时起到了保护机床、刀具的作用，延长了机床、刀具的寿命。 3． 刀具载荷的分析与速率调整优化功能：高速铣削过程中由于各种随机因素的影响，往往需要随时调整机床进给速度和主轴转速等参数，使机床的加工处于合理状态。CimatronE在CAM方面具有优秀的、智能的毛坯残留知识，可以实现完整意义上的刀具载荷的分析与速率调整优化： (A)基于切削体积：基于毛坯残留知识的加工使得系统能真正根据刀具当前的实际加工量――加工体积――进行载荷分析，而不是根据刀宽进行推测，增加了刀具载荷分析优化的科学性与准确性；（B）基于切削角度：Cimatron不仅能根据毛坯状况进行速率调整优化，还可以根据刀具沿零件表面的运动角度进行优化－切入材料的角度越大速率越小，切出材料的角度越大速率越大； （C）过载分层加工：Cimatron 载荷分析与优化技术还在余量过多的情况自动等量切削的处理方式，即对残留的过多毛坯自动分多层次进行加工。 4．提供多样的各种加工方法以满足不同形状和类别的数据模型。CimatronE的加工具有智能、简便、快捷、准确等特点，功能上也多种多样，用户在高速铣使用中会得心应手。在粗加工方面： 1）毛坯残留知识的存在使得CimatronE具有优秀的最佳事前优化技术。我们知道，高速精加工之前希望毛坯留量越均匀越好，虽然采用事后的刀具载荷分析与优化可以避免由于留量过大而可能导致崩刀等事故的发生或影响零件的表面质量，但不是最佳的处理方法。因为如果在零件的表面大余量的地方很多，就必须到处都要进行低速切削，这不仅影响了加工效率，而且加工后的表面质量也会受到很大的影响，特别在高速铣削加工的应用中更加忌讳这种情况的出现，高速加工也不成为高速铣削加工了。而CimatronE的最佳事前优化技术在编程过程中提供了丰富的、全面的、有针对性的计算策略，使每一步的加工都为下一步的加工做好最佳的准备工作。这种技术的存在使得进行粗加工计算时，系统会在两层之间查找过多余量并对这些部分进行自动的层间再加工（采用逐次等高法，沿面光刀法等），从而使高速精加工之前得到一个余量非常理想的、均匀的零件表面。 2）毛坯残留知识的存在使得CimatronE无走空刀现象。CimatronE可以定义任意形状的毛坯，并在每一步加工编程中都可以将前一步的计算结果作为毛坯。这种功能尤其在毛坯铸造出来的时候具有极其重要的价值。这不仅仅是对于高速铣而且就是传统的数控加工也可以节省了粗加工及二次开粗加工的大量时间。 3）嵌入式铣削。在高速加工中，对于型腔很深的零件的粗加工，由于刀具使用了加长杆，而采用正常的铣削方法就会在加工过程中刀具产生变形，影响了加工效果、质量和精度。CimatronE的嵌入式铣削很好的解决了这个问题，这种加工方式引用了类似于钻孔的刀为轨迹，在加工中心的Z方向上将型腔深处的材料切削掉。在实际加工大型注塑模具或冲压模具的过程中，嵌入式铣削被证明是一种行之有效的方法。 CimatronE在精加工及精细加工方面具有丰富的走刀方法以适合高速铣的要求： 1） 平行铣削：这种方法是许多用户尤其是汽车覆盖件模具精加工的方法，它采用了平行扫描线的形式对多张曲面构成的模型进行加工。 2） 环行铣削：也是同时对多张曲面进行加工的计算方法，它的排刀路线是以外轮廓的形状由外向内（或由内向外）进行走刀，是常用的加工方法之一。 3） 3D_step：是真正的按3维空间等距的加工方法。系统将使用用户提供的导引轮廓，让刀尖沿零件表面按空间3维相等步距形成刀位轨迹，这样的加工方法使得在一个命令下就可以完成复杂零件的加工，且减轻了编程人员的负担，优化了加工工艺，让加工后的零件表面刀痕均匀，从而在高速加工后得到一个整体都具有高质量的、极其光洁的加工结果。 4） 按层次精加工：CimatronE具有一体化斜率分析的功能，可以计算曲面的斜率并自动将之分成陡峭区域和平坦区域，从而采取不同的加工策略--对于陡峭区域仍按等高线进行加工，对于平缓区域而按零件的曲面进行走刀，使得一个复杂零件在一个单一命令中就完成了整体的加工。 5） 摆线式加工；这是一种专门针对高速加工的刀位轨迹策略，所谓"摆线"它描述了这样的曲线：圆上一固定点随着圆沿曲线滚动时生成的轨迹，由于切削的过程中总是沿一条具有固定曲率的曲线运动，使得刀具运动总能保持一致的进给率，所以对高速铣比较适合。 6） 放射状走刀：可以沿给定的角度增量进行对多张曲面的整体加工。 7） 智能清根：在加工中，由于所选刀具直径或圆角较大，使得零件中夹角部分留量过大，这样就需要再用一把较小的刀具对这些区域进行特定的加工。CimatronE中的清根功能就是专门为以上情况提供的解决方案。清根的命令中具有对斜率分析的功能，会将夹角分为平缓和陡峭两部分，并可以采用将之分离或融合等各种办法进行计算处理。 8） 笔式加工：也是对曲面角部进行编程的一种方法。与清根不同的是，它只是让刀具像笔一样在曲面角部划一行或多行（纵向），迅速去掉角部过大的余量，使下一步加工的刀具不会因为突然受力过大而使有所损害。笔式加工尤其适合于汽车覆盖件模具的加工。 9） 水平和垂直优化：这两个命令是CimatronE整体斜率分析的一种体现。选择这个命令后，系统会把零件中的水平（或垂直）区域自动寻找出来，并对这些区域进行优化铣削，以使零件表面质量达到满意的效果。 5．数控加工仿真图形技术：高速加工要求CAM不仅可以生成合理的刀位轨迹，而且应该有精确的图形仿真技术，它可以细分位运动仿真和结果校验两部分。CimatronE具有强大的仿真模拟系统和直观快速的加工结果校验分析系统，减少了或取消正式加工之前的试切。 1） 仿真模拟可以在计算机上模拟刀具运动，用来检查真实加工的过程，以防止走刀错误和不合理走刀。它以彩色图的形式显示当前加工结果及其余量，并且具有提示功能，告诉用户错误所在。用户可以在模拟中做剖切、检查等操作，也可以得到加工时间。用户有了仿真模拟的功能，就可以鉴别快、坏走刀或其他错误，提高刀具的利用率，并可帮助用户寻找到最优的NC程序和命令。 2） 检验分析是：系统把编程模拟加工结果与理论模型之间偏差显示出来的功能。以不同的颜色表示不同的偏差值，让编程人员在计算结束后就可以迅速知道加工结果、精度和质量，查找过切和留量过大的部分，确定是否使用现有的程序命令或执行补充加工，以防止加工成废料，达到最优的加工结果，同时提高了编程人员进行编程决策的效率。 结束语随着市场经济的不断发展，各类产品研制和生产周期的缩短、外形曲面日益的复杂，高速铣削的应用也将越来越广泛，对CAM系统的要求就会越来越高，CiamtronE也将随之完善自己，向着更广、更深、更高的方向迅速发展和演化。