????面向高速銑削的加工策略 -CimatronE與高速銑 [摘要]繼CNC技術之后，高速銑削給機械制造業帶來又一次革命性變化。其巨大吸引力在于實現高速加工的同時，把原來普通數控難以達到的對加工精度、表面質量、以及刀具磨損和生產時間等更高的要求變成了現實。高速銑削的實現不僅要求有好的機床和刀具等硬件條件，還必須有優秀的CAM軟件與之相匹配。CimatronE是以色列Cimatron公司的新產品，它采用了20世紀末最新軟件技術成果，是支持高速銑削的軟件之一。這里以CimatronE為例介紹CAM對支持高速銑削的應用特點。 高速銑削是一種不同于傳統加工的加工方式，與之相比，它主軸轉速高、切削進給速度高、切削量小，但單位時間內的材料切除量卻增加3～6倍。高速銑削在工件本身剛度不足（如薄壁件和細長桿件）、復雜曲面加工、難加工材料以及超精密切削等加工領域中都得到了充分的應用。 高速加工的切削量大約是傳統加工的1/3，切削力會減少30%左右，所以小直徑刀具使用率大大提高，這使得易變形零件和狹小區域的銑削加工都成為了可能。在高速切削時，由于95%以上的切削熱是被切屑迅速帶走的，所以工件和刀具基本保持冷態，因而特別適合于加工容易產生熱變形的零件，同時刀具壽命也得到極大的提高。 高速銑削采用淺切深，切削殘留高度小，加上切削時激振頻率遠高于機床固有頻率，因而工藝系統振動小，從而降低了粗糙度，得到更加光滑的零件表面。 在當前模具生產時，常采用電火花加工，但電極的設計與制造本身是一個費時費力的工藝過程。而采用高速加工后，由于狹小區域加工的實現和高質量的表面結果讓電極的使用率大大降低。另外用高速銑來制造電極也可以使生產效率提高到一個新的層次。 高速銑對CAM軟件要求及CimatronE應用特性 1． 具有極強的讀取并處理數據模型的能力：優秀的處理模型能力是高質量結果的重要保證。CiamtronE是基于曲面的加工，在對數據模型的容錯能力相當強大，如曲面的邊界不一致、有縫隙，內部有錯誤等情況，CiamtronE都可以在保證加工精度的前提下自動進行計算編程，而不需要人工處理修復。另外CiamtronE系統具有相當的開放性，它優秀的數據接口不僅能讀取國際標準的CAD格式，而且針對一些著名的CAD軟件也提供了專用接口，如CATIA、UG、PTC、AUTOCAD等，這樣CimatronE可以使用更多的CAD系統數據模型來為加工作準備。 2． 要求輸出合理的刀位軌跡：由于高速銑在加工過程中刀具運動速度很快，要求CAM輸出光滑、平順、穩定的刀位軌跡，避免切削角度和速度的突然變化，以達到高質量和高精度的零件表面。CimatronE銑削走刀路線具有多樣性，可以完全滿足高速銑削的要求。 首先，CimatronE在輸出加工數據時，不僅支持標準的直線和圓弧插補，而且具有NURBS插補功能。在傳統的加工中，基本上都是用直線和圓弧組合進行對幾何模型的逼近，對于復雜的高級曲面及曲線，這種插補將使數據大大增加，增加了數據傳輸的時間和困難，而且加工精度和表面質量都往往很難滿足要求，對高速加工更會產生不良效果。而CimatronE支持的NURBS曲線（非均勻有理B樣條曲線）是被STEP國際標準規定為CAD/CAM曲線曲面造型、計算機圖形學等領域的標準形式，用它描述的曲線、曲面整體十分光滑（連續1階微分，2階微分），而且可以將圓、橢圓、拋物線、雙曲線、圓錐曲線等統一表示，另外用NURBS表示的曲線/曲面可以方便地實現曲線/曲面的局部變更：在修改曲線（或曲面）的一部分時不會對其他部分帶來影響。用NURBS曲線表達的NC后置程序小，產生的加工精度高、加工時間比普通插補方法的時間短，也更適合于高速銑削。 其次，CimatronE在計算刀位軌跡連接時具有光滑處理的策略。 1） 在進退刀的方式多種多樣：輪廓的切向、圓弧進退刀，曲面的切向進退刀，Z向的螺旋式進刀。 2） 在拐角走刀處：等圓角半徑連接、圓環式連接。 3） 在行間有向內空間圓環式、向外空間圓環式以及高爾夫球棒式連接。 4） 在層間及環向的側向移動有空間螺旋式移刀以上的光滑連接方法使得在高速加工中刀軌沒有尖角和突然變向的存在，讓刀具保持恒定的進給和轉速，讓高速銑削功能變為現實，同時起到了保護機床、刀具的作用，延長了機床、刀具的壽命。 3． 刀具載荷的分析與速率調整優化功能：高速銑削過程中由于各種隨機因素的影響，往往需要隨時調整機床進給速度和主軸轉速等參數，使機床的加工處于合理狀態。CimatronE在CAM方面具有優秀的、智能的毛坯殘留知識，可以實現完整意義上的刀具載荷的分析與速率調整優化： (A)基于切削體積：基于毛坯殘留知識的加工使得系統能真正根據刀具當前的實際加工量――加工體積――進行載荷分析，而不是根據刀寬進行推測，增加了刀具載荷分析優化的科學性與準確性；（B）基于切削角度：Cimatron不僅能根據毛坯狀況進行速率調整優化，還可以根據刀具沿零件表面的運動角度進行優化－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）過載分層加工：Cimatron 載荷分析與優化技術還在余量過多的情況自動等量切削的處理方式，即對殘留的過多毛坯自動分多層次進行加工。 4．提供多樣的各種加工方法以滿足不同形狀和類別的數據模型。CimatronE的加工具有智能、簡便、快捷、準確等特點，功能上也多種多樣，用戶在高速銑使用中會得心應手。在粗加工方面： 1）毛坯殘留知識的存在使得CimatronE具有優秀的最佳事前優化技術。我們知道，高速精加工之前希望毛坯留量越均勻越好，雖然采用事后的刀具載荷分析與優化可以避免由于留量過大而可能導致崩刀等事故的發生或影響零件的表面質量，但不是最佳的處理方法。因為如果在零件的表面大余量的地方很多，就必須到處都要進行低速切削，這不僅影響了加工效率，而且加工后的表面質量也會受到很大的影響，特別在高速銑削加工的應用中更加忌諱這種情況的出現，高速加工也不成為高速銑削加工了。而CimatronE的最佳事前優化技術在編程過程中提供了豐富的、全面的、有針對性的計算策略，使每一步的加工都為下一步的加工做好最佳的準備工作。這種技術的存在使得進行粗加工計算時，系統會在兩層之間查找過多余量并對這些部分進行自動的層間再加工（采用逐次等高法，沿面光刀法等），從而使高速精加工之前得到一個余量非常理想的、均勻的零件表面。 2）毛坯殘留知識的存在使得CimatronE無走空刀現象。CimatronE可以定義任意形狀的毛坯，并在每一步加工編程中都可以將前一步的計算結果作為毛坯。這種功能尤其在毛坯鑄造出來的時候具有極其重要的價值。這不僅僅是對于高速銑而且就是傳統的數控加工也可以節省了粗加工及二次開粗加工的大量時間。 3）嵌入式銑削。在高速加工中，對于型腔很深的零件的粗加工，由于刀具使用了加長桿，而采用正常的銑削方法就會在加工過程中刀具產生變形，影響了加工效果、質量和精度。CimatronE的嵌入式銑削很好的解決了這個問題，這種加工方式引用了類似于鉆孔的刀為軌跡，在加工中心的Z方向上將型腔深處的材料切削掉。在實際加工大型注塑模具或沖壓模具的過程中，嵌入式銑削被證明是一種行之有效的方法。 CimatronE在精加工及精細加工方面具有豐富的走刀方法以適合高速銑的要求： 1） 平行銑削：這種方法是許多用戶尤其是汽車覆蓋件模具精加工的方法，它采用了平行掃描線的形式對多張曲面構成的模型進行加工。 2） 環行銑削：也是同時對多張曲面進行加工的計算方法，它的排刀路線是以外輪廓的形狀由外向內（或由內向外）進行走刀，是常用的加工方法之一。 3） 3D_step：是真正的按3維空間等距的加工方法。系統將使用用戶提供的導引輪廓，讓刀尖沿零件表面按空間3維相等步距形成刀位軌跡，這樣的加工方法使得在一個命令下就可以完成復雜零件的加工，且減輕了編程人員的負擔，優化了加工工藝，讓加工后的零件表面刀痕均勻，從而在高速加工后得到一個整體都具有高質量的、極其光潔的加工結果。 4） 按層次精加工：CimatronE具有一體化斜率分析的功能，可以計算曲面的斜率并自動將之分成陡峭區域和平坦區域，從而采取不同的加工策略--對于陡峭區域仍按等高線進行加工，對于平緩區域而按零件的曲面進行走刀，使得一個復雜零件在一個單一命令中就完成了整體的加工。 5） 擺線式加工；這是一種專門針對高速加工的刀位軌跡策略，所謂"擺線"它描述了這樣的曲線：圓上一固定點隨著圓沿曲線滾動時生成的軌跡，由于切削的過程中總是沿一條具有固定曲率的曲線運動，使得刀具運動總能保持一致的進給率，所以對高速銑比較適合。 6） 放射狀走刀：可以沿給定的角度增量進行對多張曲面的整體加工。 7） 智能清根：在加工中，由于所選刀具直徑或圓角較大，使得零件中夾角部分留量過大，這樣就需要再用一把較小的刀具對這些區域進行特定的加工。CimatronE中的清根功能就是專門為以上情況提供的解決方案。清根的命令中具有對斜率分析的功能，會將夾角分為平緩和陡峭兩部分，并可以采用將之分離或融合等各種辦法進行計算處理。 8） 筆式加工：也是對曲面角部進行編程的一種方法。與清根不同的是，它只是讓刀具像筆一樣在曲面角部劃一行或多行（縱向），迅速去掉角部過大的余量，使下一步加工的刀具不會因為突然受力過大而使有所損害。筆式加工尤其適合于汽車覆蓋件模具的加工。 9） 水平和垂直優化：這兩個命令是CimatronE整體斜率分析的一種體現。選擇這個命令后，系統會把零件中的水平（或垂直）區域自動尋找出來，并對這些區域進行優化銑削，以使零件表面質量達到滿意的效果。 5．數控加工仿真圖形技術：高速加工要求CAM不僅可以生成合理的刀位軌跡，而且應該有精確的圖形仿真技術，它可以細分位運動仿真和結果校驗兩部分。CimatronE具有強大的仿真模擬系統和直觀快速的加工結果校驗分析系統，減少了或取消正式加工之前的試切。 1） 仿真模擬可以在計算機上模擬刀具運動，用來檢查真實加工的過程，以防止走刀錯誤和不合理走刀。它以彩色圖的形式顯示當前加工結果及其余量，并且具有提示功能，告訴用戶錯誤所在。用戶可以在模擬中做剖切、檢查等操作，也可以得到加工時間。用戶有了仿真模擬的功能，就可以鑒別快、壞走刀或其他錯誤，提高刀具的利用率，并可幫助用戶尋找到最優的NC程序和命令。 2） 檢驗分析是：系統把編程模擬加工結果與理論模型之間偏差顯示出來的功能。以不同的顏色表示不同的偏差值，讓編程人員在計算結束后就可以迅速知道加工結果、精度和質量，查找過切和留量過大的部分，確定是否使用現有的程序命令或執行補充加工，以防止加工成廢料，達到最優的加工結果，同時提高了編程人員進行編程決策的效率。 結束語隨著市場經濟的不斷發展，各類產品研制和生產周期的縮短、外形曲面日益的復雜，高速銑削的應用也將越來越廣泛，對CAM系統的要求就會越來越高，CiamtronE也將隨之完善自己，向著更廣、更深、更高的方向迅速發展和演化。