高速數(shù)控加工是正在發(fā)展和完善的機(jī)械加工技術(shù)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)軟件功能的正確使用，對(duì)高速加工零件的精度影響很大。應(yīng)用CAD/CAM軟件功能時(shí)，要對(duì)影響高速加工成敗的相關(guān)影響因素進(jìn)行分析和研究，把握高速加工的工藝技術(shù)與策略，才能使高速加工的零件獲得高質(zhì)量的加工效果。

　　1 CAD/CAM軟件對(duì)高速加工的影響

　　1.1 CAD軟件的影響

　　CAD軟件對(duì)高速加工的直接影響并不易看到。一般來(lái)說(shuō)，CAD軟件建立的模型主要用作定義零件的外形。但是，在很多情況下，CAD軟件建立的模型還有可能沒(méi)完全定義出需要加工的工件形狀，使CAD定義的模型不適合高速加工。

　　1.1.1數(shù)據(jù)交換的影響

　　數(shù)據(jù)交換是影響精度問(wèn)題的根本原因。零件形狀通常由一個(gè)CAD軟件設(shè)計(jì)，然后轉(zhuǎn)換至另一個(gè)CAD軟件進(jìn)行補(bǔ)充設(shè)計(jì)和加工準(zhǔn)備。每次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，都需要將幾何形體由一種格式轉(zhuǎn)換至另一種格式，有些轉(zhuǎn)換采用近似極限公差，由于這些近似公差將產(chǎn)生累積，因此建立CAD零件模型時(shí)必須將零件模型的公差設(shè)定為精加工公差的1/10。

　　幾何形體格式要求系統(tǒng)在不同幾何描述間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如要減少轉(zhuǎn)換過(guò)程出現(xiàn)的誤差，主要方法便是使用直接接口。直接接口可讓系統(tǒng)直接讀取另一系統(tǒng)的文件，如Delcam的PowerMILL就擁有CATIA、Pro/E和UG等主流系統(tǒng)的直接接口。

　　1.1.2不完整造型的影響

　　許多CAD使用者往往走捷徑，以求縮短模型的造型時(shí)間。例如忽略底座內(nèi)部拐角處的倒圓角，甚至認(rèn)為通過(guò)合適半徑的刀具便可直接進(jìn)行加工，則可能直接影響到高速加工零件的表面質(zhì)量。因?yàn)椴捎眠@種方法，刀具必須剛好切進(jìn)尖銳的拐角，這使刀具的負(fù)荷突然增加，甚至出現(xiàn)“扎刀”現(xiàn)象。有些系統(tǒng)提供了解決的方法，但最好能避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象，以確保CAD模型準(zhǔn)確地表示需加工的形狀。加工這類倒圓角最好使用半徑較小的刀具，在一般情況下，刀具的半徑最好是倒圓角幾何尺寸的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(zhuǎn)向，降低刀具的負(fù)荷。

　　1.1.3不能加工的特征曲面的影響

　　盡管高速加工擴(kuò)大了可直接切削的特征范圍，但對(duì)形狀特別復(fù)雜的模型，還有必須使用電火花工(EDM)的細(xì)微部分，如果供加工使用的CAD模型包含這些特征，CAM系統(tǒng)會(huì)使刀具路徑包含不希望進(jìn)行切削加工的區(qū)域，若不加以處理，實(shí)際加工時(shí)的刀具路徑必定切入孔或尖角，產(chǎn)生多余的加工路徑，還有可能由于誤切削而影響到零件的加工。為修正錯(cuò)誤，避免重復(fù)加工放電加工區(qū)域和孔區(qū)域，要盡量把不希望進(jìn)行切削加工的特征，從用于產(chǎn)生刀具路徑的CAD模型中除去，具體措施可根據(jù)所使用的CAD軟件系統(tǒng)而定，采用刪除特征的方法或通過(guò)加入額外曲面來(lái)覆蓋。

　　1.2 CAM軟件的影響及對(duì)策

　　用于數(shù)控加工編程的CAM軟件平臺(tái)較多，常用的有UG、Pro/E、Mastercam、Cimatron、Suffcam和Powermill等。在細(xì)節(jié)控制方面：UG使用靈活，對(duì)于高速切削加工，采用螺旋銑削加工，或是在轉(zhuǎn)角處配置圓弧過(guò)渡，在一定程度上支持高速加工。在支持變速切削的功能方面：UG和Cimatron在高速加工轉(zhuǎn)角處的降速處理上相對(duì)好一些;Cimatron支持變速切削，Mastercam只有一次降速功能。在清根上的處理方面：UG和Cimatron相對(duì)好一些，可實(shí)現(xiàn)多次清根。在五軸銑削刀具軸矢量控制方式方面：UG非常靈活，其平臺(tái)基本都能滿足使用要求。在后處理程序開(kāi)發(fā)方面：Mastercam采用文本形式，而Cimatron采用支持異構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)與CAM平臺(tái)數(shù)控程序轉(zhuǎn)換的Imspost進(jìn)行后處理，Suffcam與Pm/E可采用同一后處理NCpost或Gpost。在與Veficut軟件之間的接口關(guān)系和仿真加工方面：各平臺(tái)均可鏈接。參數(shù)化驅(qū)動(dòng)方面：UG和Pro/E等支持參數(shù)化刀具軌跡編輯修改，相對(duì)其數(shù)控編程模板與參數(shù)化功能更強(qiáng)大。

　　對(duì)于各種CAM軟件對(duì)高速加工的影響，在編程時(shí)還要注意采取一定的對(duì)策。

　　1.2.1 高速加工的刀具路徑

　　高速加工的刀具路徑必須考慮以下重要因素：加工刀具不能和零件產(chǎn)生碰撞;切削負(fù)荷必須在刀具的極限負(fù)荷之內(nèi);工件殘留材料不能大于指定的極限范圍;避免材料切除厚度突然變化;切削速度和加速度要在機(jī)床允許的能力范圍內(nèi);加工路徑方向要保持恒定，避免切削方向突然變化;盡量減少空行程，提高切削效率。

　　在實(shí)際零件的高速加工中，往往難以完全滿足上述要求。加工復(fù)雜形狀的零件時(shí)，只能盡量滿足這些要求，并首先要滿足較為重要的要求。例如，有時(shí)由于零件形狀的限制，而改變切削條件，結(jié)果在加工后的零件表面留下可見(jiàn)的刀痕，雖然通過(guò)拋光的方法可以消除，但對(duì)高速精加工是不妥的做法。較好的對(duì)策是，進(jìn)行粗加工和半精加工后，可使用CAM軟件修改零件的形狀，利用其后的精加工消除前面加工留下的刀痕。

　　1.2.2高速加工的進(jìn)刀和退刀方式

　　在高速加工時(shí)應(yīng)盡量采用輪廓的切向進(jìn)刀和退刀方式以保證刀路軌跡的平滑。

　　進(jìn)行曲面加工時(shí)，刀具可以是Z向垂直進(jìn)刀和退刀，曲面法向的進(jìn)刀和退刀，曲面正向與反向的進(jìn)刀和退刀，斜向或螺旋式進(jìn)刀和退刀等。實(shí)際加工中，可以采用曲面的切向進(jìn)刀，最好采用螺旋式進(jìn)刀。螺旋式進(jìn)刀切人材料時(shí)，如果加工區(qū)域是上大下小，螺旋半徑會(huì)隨之減小以進(jìn)刀到指定深度，有些CAM系統(tǒng)具有基于知識(shí)的加工，在檢查刀具信息后發(fā)現(xiàn)刀具具有盲區(qū)時(shí)，螺旋加工半徑不會(huì)無(wú)限制減小，以避免撞刀。這對(duì)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間移刀，環(huán)切中的環(huán)問(wèn)移刀，以及等高加工的層間移刀等。普通CAM軟件中的移刀大多不適合高速加工的要求。如在行切移刀時(shí)，刀具多是直接垂直于原來(lái)行切方向的法向移刀，致使刀具路徑中存在尖角;在環(huán)切的情況下，環(huán)問(wèn)移刀也是從原來(lái)軌跡的法向直接移刀，也致使刀路軌跡存在不平滑情況;在等高線加工中的層間移刀時(shí)，也存在移刀尖角。這些移刀方式會(huì)影響到高速加工中心的進(jìn)給速度與加工效率。

　　高速加工中，采用的切削用量較小(側(cè)向切削用量和深度切削用量很小)，移刀運(yùn)動(dòng)量也會(huì)急劇增加，這就要求刀路軌跡的移刀要平滑。

　　1.2.3.1行切光滑移刀

　　1)行切的移刀直接采用切圓弧連接。該種方法在行切切削用量(行間距)較大的情況下處理得很好，在行切切削用量(行間距)較小的情況下會(huì)由于圓弧半徑過(guò)小而導(dǎo)致圓弧接近一點(diǎn)，即近似為行間的直接直線移刀，從而也導(dǎo)致機(jī)床預(yù)覽減速，影響加工效率，對(duì)加工中心不利。

　　2)行切的移刀采用內(nèi)側(cè)或外側(cè)圓弧過(guò)渡移刀。該種方法在一定程度上會(huì)解決采用切圓弧移刀的不足。但在使用非常小的刀具直徑進(jìn)行精加工時(shí)，由于刀路軌跡間距非常小，使得該方法也不夠理想。這時(shí)可以考慮采用更高級(jí)的移刀方式。

　　1.2.3.2環(huán)切的光滑移刀

　　1)環(huán)切的移刀采用環(huán)間的圓弧切出與切人連接。這種方法的弊端是在加工3D復(fù)雜零件時(shí)，由于移刀軌跡直接在兩個(gè)刀路軌跡之間進(jìn)行生成圓弧，在間距較大的情況下，會(huì)產(chǎn)生過(guò)切。該方法一般多用于2.5軸的加工，使所有的加工都在一個(gè)平面內(nèi)。

　　2)環(huán)切的移刀采用空間螺旋式移刀。該種移刀方法由于移刀在空間完成，避免了環(huán)間圓弧切出與切入方法的弊端。如圖l所示。

　　圖1環(huán)切時(shí)的刀具路徑

　　1.2.4高速加工順序的安排

　　除了最簡(jiǎn)單的零件，高速加工往往有多個(gè)加工步驟。對(duì)高速加t的編程，最重要的是選取正確的加工順序，其基本原則如下。

　　要考慮加工成形的幾何形狀，同時(shí)還要考慮希望切除的材料，把加工步驟減至最少，使用連續(xù)加工的方法，如偏置路徑通常比平衡路徑好等。避免垂直下刀，要從材料的外部切入。在零件的臨界區(qū)域，要確保不同步驟的精加rT路徑不會(huì)重復(fù)，否則會(huì)出現(xiàn)刀痕;要盡量不換刀，使用單一刀具精加工臨界區(qū)域。刀具設(shè)置錯(cuò)誤常常導(dǎo)致精加工后的加工表面出現(xiàn)刀痕。長(zhǎng)刀具容易磨損，應(yīng)盡量使用短刀具。如果可以，應(yīng)考慮重新定位零件方向，在難以加工的區(qū)域使用短刀具進(jìn)行加工。

　　1.2.5高速切削仿真檢驗(yàn)

　　采用高速加工設(shè)備之后，對(duì)編程人員的需求量將會(huì)增加，高速加工工藝要求嚴(yán)格，過(guò)切保護(hù)更加重要，需要花較多的時(shí)間對(duì)數(shù)控指令進(jìn)行仿真檢驗(yàn)。

　　圖2為Mastercam平臺(tái)下高速切削加工的刀具軌跡圖。

　　圖2 Mastercam高速切削軌跡圖

　　一般情況下，高速加工編程時(shí)間比一般加工編程時(shí)間要長(zhǎng)得多。良好的數(shù)控高速加工程序可以迅速地在數(shù)控機(jī)床上執(zhí)行，但要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間和大量精力去編制。為了更快地產(chǎn)生刀具路徑，解決編制程序出現(xiàn)的問(wèn)題，獲得最好的高速加工效果，必須提供足夠的CAM能力，并及時(shí)對(duì)數(shù)控指令進(jìn)行仿真檢驗(yàn)，以得到高質(zhì)量的加工程序。

　　2高速加工工藝技術(shù)及策略

　　高速加工時(shí)，進(jìn)給速度快、主軸轉(zhuǎn)速高，實(shí)際上從切削過(guò)程中刀具的每齒切削量來(lái)看，高速加工中的每齒切削量與常規(guī)加工基本相同，甚至有可能更小。要正確設(shè)置加工參數(shù)，使加工程序既能滿足高速加工設(shè)備的要求，又能達(dá)到高效加工的目的。

　　2.1 高速加工中需要注意的問(wèn)題

　　2.1.1選擇合適的高速加工刀具

　　要根據(jù)被加工工件材料來(lái)選擇合適的加工刀具，這對(duì)剛接觸機(jī)械加工的人來(lái)說(shuō)是很困難的，它需要較豐富的工藝經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于數(shù)控高速加工，工藝人員在以往常規(guī)的加工中積累的經(jīng)驗(yàn)也不再適用。這時(shí)，可以利用CAM軟件作為計(jì)算機(jī)輔助制造的工具平臺(tái)，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的計(jì)算和數(shù)據(jù)容量大的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行選擇。主流的CAM軟件都有一個(gè)專家系統(tǒng)，在數(shù)控加工編程過(guò)程中，一旦選定了某種刀具材料和被加工材料，專家系統(tǒng)就可以給出相應(yīng)的加工參數(shù)。這些數(shù)據(jù)是根據(jù)刀具和被加工材料的物理性能，結(jié)合實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)得來(lái)的，應(yīng)該在加工中充分利用。另外，不同的刀具供應(yīng)商也會(huì)針對(duì)其產(chǎn)品為用戶提供一些合理的加工參數(shù)，用戶可以在加工中借鑒。也可以將實(shí)際加工中曾經(jīng)使用過(guò)的切削參數(shù)輸入到專家系統(tǒng)中，作為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存和繼承。

　　2.1.2刀具路徑的生成

　　高速加工中，利用CAM軟件生成的刀具路徑形狀至關(guān)重要，不僅要求減少極端換向的發(fā)生，同時(shí)要求考慮到機(jī)床主軸的負(fù)載情況，一定要在主軸達(dá)到最高轉(zhuǎn)速后，再切人毛坯材料。

　　在編程過(guò)程中，CAD/CAM軟件往往通過(guò)一些參數(shù)設(shè)置來(lái)達(dá)到上述目的。例如，在CAD/CAM軟件中，通常具有角部處理方式的參數(shù)選項(xiàng)，從而保證自動(dòng)生成的刀具路徑不會(huì)出現(xiàn)急轉(zhuǎn)彎的情況。型腔加工中，刀具路徑通過(guò)“最小半徑”參數(shù)保證了形成零件表面的最外側(cè)圓角半徑不會(huì)小于指定值，而中間去除余料部分通過(guò)“高速加工角部?jī)?yōu)化”參數(shù)保證圓角過(guò)渡，而不是急轉(zhuǎn)彎換向。

　　在加工型腔的過(guò)程中還有一點(diǎn)要特別注意，切入時(shí)盡量選擇螺旋導(dǎo)人，而不是擺動(dòng)刀具導(dǎo)人毛坯。因?yàn)樵诘毒邤[動(dòng)過(guò)程中可能改變切削方向。適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)刀具導(dǎo)入距離還可以起到確保主軸完全啟動(dòng)后切入被加工材料的功效。

　　在條件允許的情況下，最好在毛坯的外面換向，換向后再切人毛坯。急轉(zhuǎn)彎換向不僅影響機(jī)床壽命，而且影響加工零件的幾何精度。外形的尖角形狀在角部處理參數(shù)的控制下，可以引導(dǎo)刀具導(dǎo)出毛坯，然后從毛坯外側(cè)換向后再次導(dǎo)入。這種外旋引導(dǎo)方式僅改變了加工方向，而且可以保證零件外形的準(zhǔn)確。CAM軟件提供的角部處理方式可以解決這類問(wèn)題，關(guān)鍵在于設(shè)置加工參數(shù)過(guò)程中是否能夠合理地利用這些參數(shù)功能。

　　2.1.3加工中變形的對(duì)策

　　加工零件變形給很多的工程技術(shù)人員帶來(lái)煩惱。機(jī)加工過(guò)程中的變形因素比較多，高速加工中，切削過(guò)程產(chǎn)生的熱量大部分被切屑帶走，而不是傳遞到工件中去，因此，可以有效地減少熱變形。常規(guī)加工中，由于受刀具徑向切削力的影響，會(huì)產(chǎn)生“讓刀”現(xiàn)象，如果不注意，也會(huì)使零件形狀不準(zhǔn)確。

　　高速加工中，每齒切削量相對(duì)較小，可以有效地減少?gòu)较蚯邢髁Φ挠绊懀遣⒉皇且馕吨梢砸晃兜販p少切削用量，在刀具高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，刀具切入零件過(guò)少會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，由于刀具振動(dòng)帶來(lái)的負(fù)面影響反而更大，因此，在高速加工中，往往采用增大徑向切深，減少軸向切削深度的方式來(lái)減少刀具振動(dòng)。在編程軟件中，一般是通過(guò)增大步距，減少切削增量的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　2.2高速加工實(shí)例

　　某注射模工件材料為40Cr，模具尺寸200mm X180mm×80mm，表面粗糙度要求：Rao.4um，材料硬度為35HRC。按表1所示的加工工藝參數(shù)，在MIKRONHSM700高速數(shù)控加工中心上進(jìn)行粗加工、半精加工和精加工。

　　注射模進(jìn)行高速數(shù)控切削加工的仿真加工示意圖如圖3所示。通過(guò)高速數(shù)控加工，不僅提高了模具制造精度，而且縮短了制造周期，大大提高了生產(chǎn)效率。

　　圖3注射模的高速數(shù)控加工仿真示意圖

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　高速加工中CAD/CAM軟件功能的正確應(yīng)用，對(duì)高速加工零件精度有很大的影響。不僅要掌握CAD/CAM軟件的常用功能，同時(shí)還要注意CAD/CAM軟件對(duì)高速加工的影響。

　　高速加工對(duì)加工工件的每個(gè)環(huán)節(jié)要求嚴(yán)格，要使用合適的物理設(shè)備，并精確地指定有關(guān)參數(shù)。CAD/CAM軟件對(duì)高速加工的質(zhì)量和穩(wěn)定性具有明顯的影響。如要獲得良好的高速加T效果，最有效的方法是把握加工工藝技術(shù)與策略，為CAD/CAM系統(tǒng)提供有利的加工條件。