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。