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cad/cam对高速加工的影响

作者: 来源: 发布时间:2018/2/11 16:12:47  点击数:1115
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,引致高速加工失败。
除了上述的物理因素,cad和cam软件的质量和适当应用,也是影响高速加工的主要因素。如果从cad/cam系统产生的cnc程序,直接决定处理的条件,这样便十分直接。但是,要在cad/cam系统指出甚么功能才保证获得高质量的高速加工效果,却是极不容易。
下文将会分析在应用cad/cam软件时,一些影响高速加工成败的重要因素。
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。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。许多原因使模型不适合高速加工,现简述如下∶
精度的影响
加工精度高、热分布小和加工表面质量高,均是高速加工的优势;却看到一个奇怪的现象∶用于建立零件模型的公差,比最终的加工公差为大。
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。每次进行数据传输时,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,设计零件模型时必须将零件模型的公差,设定为最少比精加工公差小十倍。
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文件最可能使用甚么类型的实体。有些系统提供预先定义的iges flavours菜单,使它适用于常用的系统。
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。直接接口让系统直接读取另一系统的文件,如delcam的powermill拥有catia、pro/engineer、unigraphics等主流系统的直接接口。
由于stereo lithography (stl) 三角形格式十分简单,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,包括delcam的powermill。然而,这种格式文件的三角形按公差产生,加工表面可能出现可见面片。主流设计系统stl格式使用的公差一般非常大(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。
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。这些曲面的边界精度直接影响所产生的刀具路径质量。
如一圆锥顶部为一完整的圆形,平面顶盖为六角形。六角形平面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。
不完整模型的影响
许多cad使用者自行设置捷径,以求缩短模型的造型时间,其中经常使用的,是忽略底座内部的拐角圆倒角,更认为通过合适半径的刀具直接进行加工。如果使用这种方法,刀具必须刚好切进尖锐拐角,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,刀具的半径最好比圆倒角的几何尺寸小70%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,刀具负荷比直接切入拐角降低3倍。
不能加工特征的影响
尽管高速加工扩大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,可以直接将之钻出。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。具体方法视乎所使用的cad系统。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。
cam对高速加工的影响
经过多年来对高速加工的研究,现在仍然欠缺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,比低速高负荷切削更快切除材料。低负荷切削意味可以减轻切削力,从而减少切削过程的振动和变形。在高速的状态使用合适刀具,可以切削高硬质的材料。高速切削可以借助切削热带走大部分切屑,以减少零件的热变形。
上述优点只能在合适的加工条件实现。如果加工条件不恰当,可以影响刀具的寿命,甚至导致更严重的后果。
高速加工刀具路径
高速铣削刀具路径的限制按重要性列出∶
——刀具不能和零件碰撞;
——切削负荷必须在刀具的极限负荷之内;
——残留材料不能大于指定极限;
——应避免材料切除率突然变化;
——切削速度和加速度必须在机床的能力范围;
——切削方向(顺铣/逆铣)应保持恒定;
——应避免切削方向突然变化;
——尽量减少空程移动;
——切削时间应减至最少。
在实际零件的刀具路径编制过程,难以完全满足上述的要求。事实上,当加工复杂形状的零件时,只能尽量满足这些要求,并首先满足较为重要的。
精加工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。
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产生。在模具制造的单件加工领域,因等待加工程序引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,所编制的程式也不经济和有效。即使机床继续运转,其加工速度已大打折扣。
使用这种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,以得到高质素的加工程序,确保机床全负荷地运作。因此需注意以下各项∶
——使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;
——使用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;
——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;
——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,以充分发挥其加工技能;
——确保为操作者提供适当的高速加工编程培训。
安排加工顺序
除了最简单的零件,高速加工往往牵涉多个加工步骤。在高速加工的编程,最重要选取正确的加工顺序,以下为一些基本原则∶
——当考虑加工成形的几何形状,应同时考虑希望切除的材料;
——把加工步骤减至最少;
——使用连续的方法,如偏置路径通常比平衡路径为佳;
——避免垂直下刀,从材料的外部切入;
——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;
——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。如有可能,应考虑重新定位零件方向,在难以加工的区域使用短刀具。
总结
高速加工对加工工程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甚么cad和cam功能,却肯定cad和cam对高速加工的质量和稳定性均有明显的影响。
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大于加工公差,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。
高速加工设备必须配合足够的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。
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。

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