EdgeCAM模具加工中的效率與質量

??????? 模具加工領域離不開CAM軟件，不僅是因為復雜的型面無法通過手工計算完成，更關鍵的因素是要提高產品的質量和加工效率，充分利用CAM這個平臺是最有效的手段之一。目前，我們看到了CAM與模具加工相互促進的局面。CAM軟件的發展初期，著重解決能與不能的問題。如今正在跨越這個階段，對加工效率和產品質量方面提出了更高的要求。隨著加工手段的多樣化和數控設備的快速發展，對CAM軟件的應用范疇也提出了新的要求。這里我們通過模具加工中的提高效率和質量兩個角度來分析一下如何更好地應用CAM軟件。

??????? 在模具加工中，由于具有加工時間長、產品附加值高、單件小批量的特點，使得模具加工中的效率成為人們關注的焦點。由于在精加工中，無論選擇何種加工軌跡，單位面積上的材料去除率相差無幾，因此，效果最明顯的是有效地縮短粗加工時間。為了給精加工創造一個良好的切削條件，粗加工應該盡可能地去除材料，保證余量均勻。一般情況下，在粗加工過程中，要提高效率就應盡可能使用較大直徑的刀具，然后再使用小直徑的刀具進行殘料加工。如此由大到小選擇刀具進行分層分區的加工，需要靈活的殘料加工手段。例如，在Edgecam中提供了子層次切削、殘料加工等手段可以靈活地滿足這方面的需求。 子層次切削是指利用同一把刀具進行大切深的粗加工后，再對型面表面的較大殘留臺階進行細化加工的一種方式，這種方式與直接使用較小直徑刀具一次加工形成粗加工型面相比，可以有效地提高加工效率。另外，使用殘料粗加工時，使用小直徑的刀具加工先前大直徑刀具未能加工的區域時，可以自動識別先前大直徑刀具的殘料并生成刀具軌跡，殘料加工過程中也可以根據情況選擇子層次切削或某個限定的加工區域。這兩個手段有效地保證了粗加工生成的刀具軌跡高質高效。從下面是兩個實際加工胎具的加工過程中我們了解到，粗加工的材料去除量在模具加工中所占的比重遠遠大于精加工；因此，要提高加工效率首先應該在粗加工過程做優化。其次，在模具加工的整個過程中，花費在編程上的時間也是一個應該關注的環節。

??????? 在編程過程中，我們花費的時間主要在兩個方面，一是對模型的完善，包括模型的修補，輔助線和面的生成；二是生成刀具軌跡的計算時間。如今CAM軟件層出不窮，分類方式也比較多樣。這里從曲面加工和實體加工的角度對軟件進行分類，理由是從被加工模型類型的角度對CAM進行分類是最本質最核心的切入點。起初，所有CAM軟件都是以曲面加工為核心，通過對構成模型的眾多曲面片為依據進行計算，從而生成刀具軌跡。90年代后期，隨著三維實體CAD的快速發展，很多CAM軟件都可以對實體模型進行編程操作，但是計算刀具路徑的依據并不是實體模型本身，而是從實體模型中提取的點線面等元素，因此實質上仍然是曲面加工，充其量說是加工實體。實體加工是指以實體模型作為計算依據生成刀具軌跡，此類CAM軟件大多在95年之后出現，2000年之后隨著計算機硬件性能和Windows平臺的發展，使CAM軟件得以快速發展。例如現在的Edgecam、CAMworks等。此類軟件的特點是從CAD到CAM的整個過程中，完全以實體模型為依據，不存在模型轉換和數據丟失，因此也就不需要對模型進行修補。不僅可以有效地避免人為修補模型造成的誤差和遺漏，更可以大大地節省這部分時間。但是，由于實體模型本身的信息量相對于曲面模型更多更完善，因此計算量也相應地增加，選擇一個有效的算法便可以解決這個問題。例如，我們利用Edgecam做了一些測試，驚喜地看到通過算法的優化，針對實體模型的計算時間得到了本質上的提升。下面是對比圖表，我們可以從中看到，相同條件下的實體模型的計算時間與曲面模型的計算時間已經相差無幾，甚至有所超出（見圖一）。這里我們看到一個非常有趣的現象，某些情況下，曲面模型的計算時間反倒多于實體模型的計算時間，這一點與曲面模型構造的復雜程度和模型的大小相關。我們以中等尺寸模型為例，在計算刀具路徑的過程中，以構成模型的數百個曲面片作為計算依據時，由于對曲面邊界的處理需要花費一些額外的時間；而對于實體模型來說，邊界處理要容易很多，因此節省了大量的計算時間，這就是造成這種現象的原因。此外，我們在Edgecam版本更新的過程中，也可以看到不斷得到提升的計算性能，通過對不同版本中相同加工方法的橫向對比，我們也可以看到這種變化（見圖二）。

??????? 模具加工中的型面質量，是整套模具的核心。因此，如何提高型面加工的質量是提高產品質量的重中之重。

??????? 選擇合理的加工參數和刀具是重要的環節。在機床允許的進給和轉速范圍內，根據被加工材料的性能和機床刀具等硬件設備情況選擇合理的加工參數對型面的影響至關重要。例如，在精加工一個黃銅電極的型面時（見下圖），我們使用直徑2mm的立銑刀，加工時使用的轉速為12000轉/分。進給速度為2000mm/min。即使刀具路徑設置得非常密，但是形成的表面質量還是不理想。當主軸轉數降為6000轉/分之后，加工出的型面表面質量卻非常好。原因是由于精加工過程中的刀具顫動對型面質量形成的影響已經遠遠超過了刀具路徑對型面質量的影響。因此在加工過程中，需要考慮的工藝因素不僅局限在被加工材料和刀具，同時也需要考慮包括工裝、機床等這些不可忽略的因素帶來的影響。

??????? 除了選擇合理的加工參數之外，在編程過程中，刀具路徑的密度和樣式是決定型面質量的兩個關鍵因素。理論上，我們可以通過加密刀具路徑的方式獲得更好的表面質量，但是隨著刀具路徑的加密，加工時間就延長了，使得加工效率降低。在精加工型面的過程中，如果刀具路徑的密度太大，使得刀具的每齒切削量太小，加工出來的效果反倒不理想，因此刀具路徑的密度并不是越小越好，根據實際的情況來進行取舍非常關鍵。刀具路徑的樣式由編程軟件的加工策略來決定，每個CAM軟件都有多種生成刀具路徑的加工策略，每個加工策略所適用的范圍和生成刀具路徑的樣式都有所差異，通過不同加工策略的組合可以獲得高效和高質量的刀具路徑樣式。例如平行行切的加工方法生成的刀具軌跡，因其具有極高的穩定性和操控性為廣大編程人員喜愛。但是平行行切的刀具軌跡對于陡峭區域處理的效果卻不是很好，一般情況下，處理的方式有兩種，一種是避免發生這樣的情況，我們可以通過加工參數的設置，識別并避開陡峭區域生成刀具路徑，陡峭區域可以使用其他的加工軌跡來處理。另外一種辦法是對陡峭區域采取改變行切方向進行處理。這兩種方法都是針對平行行切刀路的缺點進行完善的手段。

??????? 總之，對于模具加工過程中的效率和質量，不僅要從機床及刀具的選擇使用方面予以考慮，還要從CAM軟件的應用角度給與深入地了解和認識，不能只停留在把產品做出來，更要從更快更好的角度出發，獲取更大的產品附加值和生產效率。