高速加工中的CAD/CAM

2013-05-09 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)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(jìn)給速度和高的加工質(zhì)量為主要特征的加工技術(shù),其加工效率比傳統(tǒng)的切削加工要高幾倍,甚至十幾倍。經(jīng)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(jié)省了大量修磨、拋光的時間。高速加工是一個系統(tǒng)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(shù)控機床、切削刀具、冷卻潤滑介質(zhì)和CAD/CAM系統(tǒng)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(yīng)用條件,一旦參數(shù)出現(xiàn)錯誤便會導(dǎo)致全面失效。有些關(guān)鍵參數(shù)容易定義,如配有功能強大的CNC系統(tǒng)和高精度主軸的高質(zhì)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(shù)則不容易定義,卻往往由于這些參數(shù)的選用不當(dāng),導(dǎo)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(yīng)用,也是影響高速加工的主要因素。如果由CAD/CAM系統(tǒng)產(chǎn)生的CNC程序直接決定處理的條件,這當(dāng)然十分直接,但要從CAD/CAM系中統(tǒng)指出什么功能才能保證獲得高質(zhì)量的高速加工效果,卻極不容易。

下面我們就來分析應(yīng)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(rèn)為CAD模型只用作定義零件的外形,至于如何加工所設(shè)計的零件,便是CAM使用者和加工工程師的責(zé)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(xiàn)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(zhì)量高等,都是高速加工的優(yōu)勢,但我們看到一個奇怪的現(xiàn)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(shù)據(jù)交換是影響精度問題的根本原因。零件通常由一個CAD系統(tǒng)設(shè)計,然后轉(zhuǎn)換至另一個CAD系統(tǒng)進(jìn)行補充設(shè)計和加工準(zhǔn)備。每次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過程中,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(shè)定為精加工公差的1/10。

交換格式,如IGES,使系統(tǒng)在不同的幾何描述間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)可以訪問“主”數(shù)據(jù),最好讓它進(jìn)行所有轉(zhuǎn)換工作,并通過“Flavouring”發(fā)送系統(tǒng)的IGES來實現(xiàn)。Flavouring將會告訴系統(tǒng),在IGES文件中最可能使用什么類型的實體。有些系統(tǒng)提供預(yù)先定義的IGES Flavours菜單,使它更適用于常用的系統(tǒng)。

如要減少轉(zhuǎn)換過程出現(xiàn)問題,其中一個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、proeNGINEER、UG等主流系統(tǒng)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(shù)據(jù)交換格式。有些CAM系統(tǒng)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(chǎn)生的,加工表面可能出現(xiàn)可見面片。主流設(shè)計系統(tǒng)STL格式使用的默認(rèn)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(shè)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(tǒng)的大部分零件由裁剪曲面“拼湊”而成,像上衣由多片形狀復(fù)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(chǎn)生的刀具路徑質(zhì)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(xiàn)尖點,在這情況下,加工后的表面極可能出現(xiàn)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(jīng)常使用的技巧,是忽略底座內(nèi)部拐角處的圓倒角,甚至認(rèn)為通過合適半徑的刀具便可直接進(jìn)行加工。實際上,如果采用這種方法,刀具必須剛好切進(jìn)尖銳的拐角,這使刀具的負(fù)荷猛然增加,是刀具進(jìn)行直線切削時的4.5倍。

有些CAM系統(tǒng)可以提供解決的方法,但最好避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象,確保CAD模型準(zhǔn)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(zhuǎn)向。如果使用小刀具加工,刀具負(fù)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(fù)雜的模型,必須使用EDM加工細(xì)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(tǒng)將會嘗試加工。最典型的結(jié)果,是刀具路徑包含不希望進(jìn)行銑削加工的區(qū)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(fù)加工放電加工區(qū)域和孔區(qū)域。如果可以的話,盡量把不希望進(jìn)行銑削加工的特征,從用于產(chǎn)生刀具路徑的CAD模型中除去。具體方法視所使用的CAD系統(tǒng)而定,有些系統(tǒng)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(gòu)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(fā)點是在高速低負(fù)荷下切削比在低速高負(fù)荷切削更能快切除材料。低負(fù)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(tài)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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