高速加工中的CAD/CAM

2013-05-09 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

高速加工是以高的切削速度、高的進給速度和高的加工質量為主要特征的加工技術,其加工效率比傳統的切削加工要高幾倍,甚至十幾倍。經高速銑削精加工后的模具型面,僅需略加拋光便可使用,從而節省了大量修磨、拋光的時間。高速加工是一個系統工程,它需要各個方面的配合以形成完整的高速切削工藝,如數控機床、切削刀具、冷卻潤滑介質和CAD/CAM系統等,甚至還包括合適的工件形狀。

高速加工需要同時滿足多方面的應用條件,一旦參數出現錯誤便會導致全面失效。有些關鍵參數容易定義,如配有功能強大的CNC系統和高精度主軸的高質量機床、高剛性和精確平衡的機床夾持、高性能的切削刀具等。有些參數則不容易定義,卻往往由于這些參數的選用不當,導致高速加工失敗。

除了上述的物理因素外,CAD/CAM軟件的功能和正確應用,也是影響高速加工的主要因素。如果由CAD/CAM系統產生的CNC程序直接決定處理的條件,這當然十分直接,但要從CAD/CAM系中統指出什么功能才能保證獲得高質量的高速加工效果,卻極不容易。

下面我們就來分析應用CAD/CAM軟件時,影響高速加工成敗的一些重要因素。

一、CAD對高速加工的影響

一般來說,CAD對高速加工的直接影響并不易看到。很多人認為CAD模型只用作定義零件的外形,至于如何加工所設計的零件,便是CAM使用者和加工工程師的責任了。這話從理論上來說并沒有錯,在很多情況下,CAD模型沒有真正定義需要加工的形狀。有許多原因使CAD模型不適合高速加工,現簡述如下。

1. 精度的影響

加工精度高、熱分布范圍小、加工表面質量高等,都是高速加工的優勢,但我們看到一個奇怪的現象就是用于建立零件CAD模型的公差比零件最終的加工公差還大,這顯然是不合理的。

數據交換是影響精度問題的根本原因。零件通常由一個CAD系統設計,然后轉換至另一個CAD系統進行補充設計和加工準備。每次進行數據傳輸過程中,都需要將幾何形體由一種格式轉換至另一種格式,有些轉換涉及按極限公差近似。由于這些公差屬于累積所得,因此建立CAD零件模型時必須將零件模型的公差設定為精加工公差的1/10。

交換格式,如IGES,使系統在不同的幾何描述間進行轉換。由于數據發送系統可以訪問“主”數據,最好讓它進行所有轉換工作,并通過“Flavouring”發送系統的IGES來實現。Flavouring將會告訴系統,在IGES文件中最可能使用什么類型的實體。有些系統提供預先定義的IGES Flavours菜單,使它更適用于常用的系統。

如要減少轉換過程出現問題,其中一個方法便是使用直接接口。直接接口可讓系統直接讀取另一系統的文件,如Delcam的PowerMILL就擁有CATIA、proeNGINEER、UG等主流系統的直接接口。

由于Stereo lithography (STL)三角形格式十分簡單,因此成為有些公司喜歡使用的數據交換格式。有些CAM系統可以直接加工STL格式文件,其中包括Delcam的PowerMILL。然而,這種格式文件的三角形是按公差產生的,加工表面可能出現可見面片。主流設計系統STL格式使用的默認公差一般非常大(0.1mm),而且隱藏在多重選項之后,容易被忽略。因此,整理低公差設置STL文件的加工公差,可以提高加工表面的精度。

2. 修剪的影響

CAD系統的大部分零件由裁剪曲面“拼湊”而成,像上衣由多片形狀復雜的布料縫合而成的一樣。這些曲面的邊界精度直接影響所產生的刀具路徑質量。例如,一個圓臺頂部為一個完整的圓形,平面頂蓋為六角形,六角形平面則可能在頂部某些地方超越圓形的范圍,如果超出的范圍太大,刀具路徑便會出現尖點,在這情況下,加工后的表面極可能出現刀痕。

3. 不完整模型的影響

許多CAD使用者往往走捷徑,以求縮短模型的造型時間。他們經常使用的技巧,是忽略底座內部拐角處的圓倒角,甚至認為通過合適半徑的刀具便可直接進行加工。實際上,如果采用這種方法,刀具必須剛好切進尖銳的拐角,這使刀具的負荷猛然增加,是刀具進行直線切削時的4.5倍。

有些CAM系統可以提供解決的方法,但最好避免出現這種現象,確保CAD模型準確地表示需要加工的形狀。加工這類圓倒角最好使用半徑較小的刀具,在一般情況下,刀具的半徑最是圓倒角的幾何尺寸的30%或更小,使拐角處的切削刀具路徑更加平順,避免刀具突然轉向。如果使用小刀具加工,刀具負荷可比直接切入拐角降低3倍。

4. 不能加工特征的影響

盡管高速加工擴大了可直接銑削的特征范圍,但對形狀特別復雜的模型,必須使用EDM加工細微的部分。此外,大部分零件有許多孔,可以直接將它們鉆出。如果供加工使用的CAD模型包含這些特征,大多CAM系統將會嘗試加工。最典型的結果,是刀具路徑包含不希望進行銑削加工的區域,如果不加以處理,實際加工時刀具必定切入孔或尖角。CAM使用者需要花很多時間修正錯誤,以避免重復加工放電加工區域和孔區域。如果可以的話,盡量把不希望進行銑削加工的特征,從用于產生刀具路徑的CAD模型中除去。具體方法視所使用的CAD系統而定,有些系統采用刪除特征的方法,有些則通過加入額外曲面來覆蓋。

二、CAM對高速加工的影響

盡管很多研究機構對高速加工的研究已有多年,但目前仍沒有明確簡潔的定義和解釋。高速加工的基本出發點是在高速低負荷下切削比在低速高負荷切削更能快切除材料。低負荷切削意味著可以減輕切削力,從而減少切削過程的振動和變形。在高速的狀態下選用合適刀具,就可以切削高硬度的材料。高速切削可以借助切屑帶走大部分的切削熱,以減少零件的熱變形。

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