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高速加工中的CAD/CAM

2009-02-23 15:24  by:有限元  来源:广州有道有限元

  高速加工是以高的切削速度、高的进给速度和高的加工质量为主要特征的加工技术,其加工效率比传统的切削加工要高几倍,甚至十几倍。经高速铣削精加工后的模具型面,仅需略加抛光便可使用,从而节省了大量修磨、抛光的时间。高速加工是一个系统工程,它需要各个方面的配合以形成完整的高速切削工艺,如数控机床、切削刀具、冷却润滑介质和CAD/CAM系统等,甚至还包括合适的工件形状。

  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,导致高速加工失败。

  除了上述的物理因素外,CAD/CAM软件的功能和正确应用,也是影响高速加工的主要因素。如果由CAD/CAM系统产生的CNC程序直接决定处理的条件,这当然十分直接,但要从CAD/CAM系中统指出什么功能才能保证获得高质量的高速加工效果,却极不容易。

  下面我们就来分析应用CAD/CAM软件时,影响高速加工成败的一些重要因素。

一、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了。这话从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。有许多原因使CAD模型不适合高速加工,现简述如下。

1. 精度的影响

  加工精度高、热分布范围小、加工表面质量高等,都是高速加工的优势,但我们看到一个奇怪的现象就是用于建立零件CAD模型的公差比零件最终的加工公差还大,这显然是不合理的。

  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,有些转换涉及按极限公差近似。由于这些公差属于累积所得,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。

  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文件中最可能使用什么类型的实体。有些系统提供预先定义的IGES Flavours菜单,使它更适用于常用的系统。

  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。直接接口可让系统直接读取另一系统的文件,如Delcam的PowerMILL就拥有CATIA、Pro/ENGINEER、UG等主流系统的直接接口。

  由于Stereo lithography (STL)三角形格式十分简单,因此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,其中包括Delcam的PowerMILL。然而,这种格式文件的三角形是按公差产生的,加工表面可能出现可见面片。主流设计系统STL格式使用的默认公差一般非常大(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。

2. 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的一样。这些曲面的边界精度直接影响所产生的刀具路径质量。例如,一个圆台顶部为一个完整的圆形,平面顶盖为六角形,六角形平面则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。

3. 不完整模型的影响

  许多CAD使用者往往走捷径,以求缩短模型的造型时间。他们经常使用的技巧,是忽略底座内部拐角处的圆倒角,甚至认为通过合适半径的刀具便可直接进行加工。实际上,如果采用这种方法,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,刀具的半径最是圆倒角的几何尺寸的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。如果使用小刀具加工,刀具负荷可比直接切入拐角降低3倍。

4. 不能加工特征的影响

  尽管高速加工扩大了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,可以直接将它们钻出。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。具体方法视所使用的CAD系统而定,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。

二、CAM对高速加工的影响

  尽管很多研究机构对高速加工的研究已有多年,但目前仍没有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在低速高负荷切削更能快切除材料。低负荷切削意味着可以减轻切削力,从而减少切削过程的振动和变形。在高速的状态下选用合适刀具,就可以切削高硬度的材料。高速切削可以借助切屑带走大部分的切削热,以减少零件的热变形。

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