CAD、CAM_高速加工的影響

sheng_li

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，至於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。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。许多原因使模型不适合高速加工，现简述如下∶精度的影响    加工精度高、热分布小和加工表面质量高，均是高速加工的优势；却看到一个奇怪的现象∶用於建立零件模型的公差，比最终的加工公差为大。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。每次进行数据传输时，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。由於这些公差属於累积，设计零件模型时必须将零件模型的公差，设定为最少比精加工公差小十倍。交换格式如IGES，使系统在不同的几何描述间进行转换。由於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，并通过系统的IGES来实现。在IGES文件最可能使用甚么类型的实体。它适用於常用的系统。       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。直接接口让系统直接读取另一系统的文件，如Delcam的PowerMILL拥有CATIA、Pro/Engineer、Unigraphics等主流系统的直接接口。
       由於Stereo lithography (STL) 三角形格式十分简单，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，
然而，这种格式文件的三角形按公差产生，加工表面可能出现可见面片。主流设计系统STL格式使用的公差一般非常大（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。
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。这些曲面的边界精度直接影响所产生的刀具路径质量。       如一圆锥顶部为一完整的圆形，平面顶盖为六角形。六角形平面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。
不完整模型的影响       许多CAD使用者自行设置捷径，以求缩短模型的造型时间，其中经常使用的，是忽略底座内部的拐角圆倒角，更认为通过合适半径的刀具直接进行加工。如果使用这种方法，刀具必须刚好切进尖锐拐角，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，刀具的半径最好比圆倒角的几何尺寸小70%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，刀具负荷比直接切入拐角降低3倍。不能加工特征的影响       尽管高速加工扩大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，可以直接将之钻出。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，从用於产生刀具路径的 CAD模型中除去。具体方法视乎所使用的CAD系统。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。
CAM对高速加工的影响       经过多年来对高速加工的研究，现在仍然欠缺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，比低速高负荷切削更快切除材料。低负荷切削意味可以减轻切削力，从而减少切削过程的振动和变形。在高速的状态使用合适刀具，可以切削高硬质的材料。高速切削可以借助切削热带走大部分切屑，以减少零件的热变形。       上述优点只能在合适的加工条件实现。如果加工条件不恰当，可以影响刀具的寿命，甚至导致更严重的后果。  
高速加工刀具路径高速铣削刀具路径的限制按重要性列出∶- 刀具不能和零件碰撞- 切削负荷必须在刀具的极限负荷之内- 残留材料不能大於指定极限- 应避免材料切除率突然变化- 切削速度和加速度必须在机床的能力范围- 切削方向（顺铣/逆铣）应保持恒定- 应避免切削方向突然变化- 尽量减少空程移动- 切削时间应减至最少
         在实际零件的刀具路径编制过程，难以完全满足上述的要求。事实上，当加工复杂形状的零件时，只能尽量满足这些要求，并首先满足较为重要的。    精加工使高速加工出现刀痕的问题。由於零件形状的限制，如要迁就切削条件，便会在加工后的零件表面留下可见的刀痕，虽然可以通过抛光的方法消除，却违背使用高速加工的原意。进行粗加工和半精加工后，CAM使用者有多种方法修改零件的形状，刀痕也可利用其后的精加工消除。
编程能力       良好的高速加工程序可以迅速地在机床上执行，却要花很长时间和大量精力产生。在模具制造的单件加工领域，因等待加工程序引致机床停机的情况非常普遍是不经济和有效。即使机床继续运转，其加工速度已大打折扣。获得最好的高速加工效果，必须提供足够的CAM能力，以得到高质素的加工程序，确保机床全负荷地运作。因此需注意以下各项∶
   
- 使用具备自动高速加工功能的CAM软件，可以减少使用者优化程式的工作量；- 使用快速计算无过切刀具路径的CAM软件，批处理功能可将复杂程序的计算留在夜间进行；- 使用高性能的计算机并经常更新配置，确保具有足够内存以提高运行效能；- 确保每台机床配备足够的CAM编程人员。
              模具制造中的高速刀具    在高速切削应用于模具工业的历程中，刀具的地位举足轻重。高速切削时产生的切削热和对刀具的磨损比普通速度切削时要高得多，因此高速切削对刀具材料的性能有更高的要求。要求刀具材料：（1）硬度高、强度高、耐磨性好；（2）韧度高、抗冲击能力强；（3）热硬性和化学稳定性好，抗热冲击能力强。在工程实际中，同时满足这些要求的刀具材料至今还没有找到。目前，一般都在有较高抗冲击能力刀具材料的基体上，覆盖一层或多层具有高热硬性和高耐磨性的涂层，做成高速刀具。另外，也可将CBN或金刚石等超硬材料烧结在硬质合金或陶瓷材料的基体上，形成综合性能非常好的高速加工刀具。刀具材料主要根据工件材料、加工工序、加工精度与表面质量的要求来选择。

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