Cimatron E高速銑削加工策略研究

劉建元，劉世能

LIU Jian-yuan1, LIU Shi-neng2

（1. 東莞南博職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，東莞 523083；2. 西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，成都 610031 ）

0 引言

高速銑削加工以高效率、高精度和高表面質(zhì)量為基本特征，數(shù)控高速加工是正在發(fā)展和完善的機(jī)械加工方法，它基于數(shù)控設(shè)備（數(shù)控系統(tǒng)）和CAD/CAM軟件，而CAD/CAM軟件的使用對(duì)高速加工效率及零件加工精度有很大的影響；cimatronE其基于知識(shí)的智能加工、基于智能毛壞殘留知識(shí)的進(jìn)給優(yōu)化處理功能、一體化加工技術(shù)、微加工技術(shù)、靈活的5軸刀軸傾角控制功能，NURBS插補(bǔ)輸出等這些決定其自動(dòng)編程所產(chǎn)生的數(shù)控程序具有良好的高速加工工藝性能。使其成為業(yè)界認(rèn)同的當(dāng)今比較適合高速加工編程的軟件之一。

1 Cimatron E光滑的進(jìn)退刀方式

高速切削加工時(shí)、刀具切入工件的方式、不僅影響加工質(zhì)量、同時(shí)也直接關(guān)系到加工的安全。刀具高速切削工件時(shí)、工件將對(duì)刀具產(chǎn)生一定的作用力。此外、刀具以全切深和滿進(jìn)給速度切入工件將會(huì)縮短刀具的壽命。通過較平緩的增加載荷，可以達(dá)到保護(hù)刀具的目地。刀具切入工件時(shí)應(yīng)盡量沿輪廓切向切入的方式緩緩的增加切削載荷，并保持恒定的載荷，切線式切入和螺旋式切入，以保持刀具軌跡光滑平順，在Cimatron E系統(tǒng)中，有多種多樣的進(jìn)、退刀方式，如在走輪廓時(shí)，有輪廓的法向進(jìn)、退刀，輪廓的切向進(jìn)、退刀，以保證刀路軌跡的平滑；有對(duì)曲面法向的進(jìn)、退刀，曲面正向與反向的進(jìn)、退刀和斜向或螺旋式進(jìn)、退刀等。在實(shí)際加工中，最好采用曲面的切向進(jìn)刀或螺旋式進(jìn)刀。

2 Cimatron E光滑的移刀方式

移刀方式主要是指行切中的行間移刀，環(huán)切中的環(huán)間移刀，等高加工的層間移刀等。高速加工中，采用的切削用量都很小(側(cè)向切削用量和深度切削用量很小)，通常加工在掃描路徑之間采用簡(jiǎn)單的環(huán)型刀具路徑可以適當(dāng)緩解拐角處進(jìn)給量的變化。但是，進(jìn)給速度較高時(shí)，這種簡(jiǎn)單的環(huán)型運(yùn)動(dòng)仍然太突然。在這種情況下，CimatronE在掃描路徑間采用“高爾夫球棒”式移刀則更為有效。在支持高速加工的CimatronE系統(tǒng)軟件中則提供了非常豐富的移刀策略。如1）行切的向內(nèi)空間圓環(huán)式、向外空間圓環(huán)式以及高爾夫球棒式連接光滑移刀2）在層間及環(huán)向的側(cè)向移動(dòng)有空間螺旋式移刀及以上的光滑連接方法使得在高速加工中刀軌沒有尖角和突然變向的存在，讓刀具保持恒定的進(jìn)給和轉(zhuǎn)速，讓高速銑削功能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，同時(shí)起到了保護(hù)機(jī)床、刀具的作用，延長(zhǎng)了機(jī)床、刀具的壽命。

3 Cimatron E在拐角處生成圓弧過渡的刀軌

1）在拐角處增加光滑的回弧刀軌，極大的減少了加工拐角處的震動(dòng)和沖擊。

2）高速切削加工當(dāng)拐角加工工件為內(nèi)銳角時(shí)，刀具路徑可采用圓角或圓弧走刀，并相應(yīng)減小進(jìn)給速度，這樣在加工拐角時(shí)可以得到光滑的刀具軌跡，并可保持連續(xù)的高進(jìn)給速度及加工過程的平穩(wěn)性，拐角的殘余量可通過再加工工序去除。

4 Cimatron E刀具載荷的分析與速率調(diào)整優(yōu)化功能

高速銑削過程中由于各種隨機(jī)因素的影響，往往需要隨時(shí)調(diào)整機(jī)床進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)，使機(jī)床的加工處于合理狀態(tài)。CimatronE在CAM方面具有優(yōu)秀的、智能的毛坯殘留知識(shí)，可以實(shí)現(xiàn)完整意義上的刀具載荷的分析與速率調(diào)整優(yōu)化：1）基于切削體積：基于毛坯殘留知識(shí)的加工使得系統(tǒng)能真正根據(jù)刀具當(dāng)前的實(shí)際加工量―加工體積―進(jìn)行載荷分析，而不是根據(jù)刀寬進(jìn)行推測(cè)，增加了刀具載荷分析優(yōu)化的科學(xué)性與準(zhǔn)確性；2）基于切削角度：Cimatron不僅能根據(jù)毛坯狀況進(jìn)行速率調(diào)整優(yōu)化，還可以根據(jù)刀具沿零件表面的運(yùn)動(dòng)角度進(jìn)行優(yōu)化－切入材料的角度越大速率越小，切出材料的角度越大速率越大； 3）過載分層加工：Cimatron 載荷分析與優(yōu)化技術(shù)還在余量過多的情況自動(dòng)等量切削的處理方式，即對(duì)殘留的過多毛坯自動(dòng)分多層次進(jìn)行加工。

5 毛坯殘留知識(shí)使得Cimatron E具有優(yōu)秀的最佳事前優(yōu)化技術(shù)

高速精加工之前待加工余量越均勻越好，雖然采用事后的刀具載荷分析與優(yōu)化可以避免由于待加工余量過大而可能導(dǎo)致崩刀等事故的發(fā)生或影響零件的表面加工質(zhì)量，但不是最佳的處理方法。因?yàn)槿绻诹慵谋砻孑^多部位都余量較大，則應(yīng)進(jìn)行低速切削的部位就很多，這不僅影響了加工效率，而且加工后的表面質(zhì)量也會(huì)受到很大的影響，特別在高速銑削加工中十分忌諱這種情況的出現(xiàn)，這樣就談不上高速加工了。而CimatronE的最佳事前優(yōu)化技術(shù)在編程過程中提供了豐富的、全面的、有針對(duì)性的計(jì)算策略，使每一步的加工都為下一步的加工做好最佳的準(zhǔn)備工作。這種技術(shù)的存在使得進(jìn)行粗加工計(jì)算時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在兩層之間查找過多余量并對(duì)這些部分進(jìn)行自動(dòng)的層間再加工（采用逐次等高法，沿面光刀法等），從而使高速精加工之前得到一個(gè)余量非常均勻的、理想的零件表面。

6 Cimatron E基于斜率分析的一體化加工技術(shù)

1）斜率分析技術(shù) 科學(xué)的走刀方式應(yīng)根據(jù)零件的實(shí)際形狀對(duì)零件的不同部位選擇不同的走刀方式。如傳統(tǒng)編程時(shí)對(duì)較平坦的部位采用區(qū)域平面銑（如平行銑）較陡峭的應(yīng)采用等高外形銑。Cimatron E能對(duì)零件實(shí)際形狀特點(diǎn)進(jìn)行分析與區(qū)別，從而根據(jù)零件特定部位特定形狀采用特定加工方法（走也方式）的軌跡策略。

2）一體化加工 Cimatron E可面向零件的整個(gè)表面一體化分析與加工—使用一個(gè)功能既可進(jìn)行不同區(qū)域的識(shí)別與特點(diǎn)分析，然后綜合零件的不同區(qū)域，智能化的采用最優(yōu)化、最快捷方式、對(duì)不同的區(qū)域采用不同的加工策略，同時(shí)保證不同加工區(qū)域間最佳的刀路連接及過渡優(yōu)化，保證加工表面的質(zhì)量。

7 Cimatron E領(lǐng)先的微加工技術(shù)

1）較好的處理導(dǎo)入曲面的縫隙，使其能適應(yīng)高速加工

Cimatron E 支持在加工環(huán)境中實(shí)體曲面混合造型的功能，通常導(dǎo)入曲面模型質(zhì)量并不理想，必須在在編程操作之前進(jìn)行修復(fù)。一些小的孔或者縫隙可能導(dǎo)致刀路紊亂或刀路不適宜高速加工。針對(duì)這樣的問題，Cimatron E的混合建模擁有“為制造而設(shè)計(jì)”的功能用來修復(fù)幾何模型，通過各種曲面功能融合縫隙并變將曲面模型變成實(shí)體。

2）高轉(zhuǎn)速高精度（微公差）小刀具加工工藝

為了獲得以上要求，微銑削技術(shù)需要達(dá)到以下支持：100μm或更小的刀具、高速刀具外形比例（L/D）10或高達(dá)100，主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)150,000 r/min或更高，加工公差達(dá)0.1μm或更小 ，模具材料硬度到53 HRC ，微型模具銑削的精度＜ 5μm 曲面粗糙度＜0.2μm Ra 。

3）適應(yīng)微小刀具對(duì)微小型腔粗加工及精加工之豐富的軌跡策略

Cimatron E使用了實(shí)體曲面混合建模技術(shù)，其ACIS 內(nèi)核技術(shù)提供了高達(dá)1nm 的內(nèi)部精度，為微銑削提供了技術(shù)保障。加工過程中通過應(yīng)用高速切削（HSC）策略獲得均勻一致刀路，并使用了毛坯殘留知識(shí)防止斷刀，以對(duì)微型型腔進(jìn)行開粗。為了降低風(fēng)險(xiǎn)防止換刀過程中產(chǎn)生的不連續(xù)的微型曲面，Cimatron E 提供了多種加工策略。NC 策略中支持斜線或螺旋下刀保證刀具最大限度的光滑和連續(xù)地進(jìn)入工件。

8 靈活的刀具傾角控制策略

CimatronE在5軸加工編程中強(qiáng)大的控制刀具傾角的功能及刀具半徑補(bǔ)償?shù)哪芰Υ_保了CimatronE 5軸數(shù)控加工編程性能，具體來說為了適應(yīng)加工零件形狀復(fù)雜性刀具傾角的控制方式如下：

1）刀軸沿曲面法向功能：利用刀具端刃加工曲面。

2）相對(duì)于切削方向傾斜 作用舉例：加工葉片時(shí)，確保刀具是使用前傾角切削，避免刀尖切削（刀尖在主軸中心，理論切削速度為零，刀尖若在工件上移動(dòng)相當(dāng)于在工件上劃動(dòng)，加工效果不理想）。

3）根據(jù)角度傾斜：實(shí)際加工時(shí)刀軸和某一坐標(biāo)軸成一定角度，可以避免刀尖加工零件上某些曲面。

4）以固定角度傾斜至軸：刀軸將以某一個(gè)坐標(biāo)軸或直線通過設(shè)置的角度傾斜至面的法向。

5）繞軸傾斜：刀軸在面的法向基礎(chǔ)上繞某一個(gè)坐標(biāo)軸或者直線傾斜一定角度，前傾或者后傾

6）通過點(diǎn)傾斜：刀軸方向始終是從某一個(gè)點(diǎn)指向面上的點(diǎn)，點(diǎn)在面的上部。

應(yīng)用曲例：通過足球外的一個(gè)點(diǎn)來控制刀軸，在足球表面挖沿曲線的曲面凹槽。

此外還有7）通過直線傾斜。8）通過曲線傾斜。9）從點(diǎn)向外傾斜。10）從曲線向外傾斜。11）對(duì)于葉輪切削的傾斜共11種豐富的刀具傾斜策略。

這些靈活的傾斜策略可以讓CimatronE用戶根據(jù)實(shí)際的零件的特點(diǎn)，靈活選擇傾角策略以達(dá)到理想的加工效果。

此外CimatronE是將CAM與CAD高度緊密集成的軟件，如在編程時(shí)還需做一些點(diǎn)、直線、曲線、曲面（用于控制刀軸及干涉檢查等等），CimatronE 5軸CAM環(huán)境中內(nèi)置有CAD功能，可以幫助編程者很好的完成相關(guān)設(shè)計(jì)工作，不像其它軟件不能把CAD功能集成在CAM環(huán)境下，在編程時(shí)顯得十分麻煩，這也是CimatronE 5軸傾角策略靈活的一個(gè)主要原因。

9 Cimatron E適應(yīng)高速加工的NURBS插補(bǔ)選項(xiàng)

1）傳統(tǒng)的直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)缺點(diǎn)如下：

（1）由于用直線逼近曲線本身是用直線代替曲線，逼近后的線是一階的，導(dǎo)矢不連續(xù)，所以加工表面不光滑。

（2）在曲線的加工過程中，如果在直線部分不進(jìn)行加減速，那么就要求在較低的速度下進(jìn)行加工，這樣就不能滿足高速加工的要求。并且由于直線段的一階不連續(xù)，在加工過程中會(huì)造成機(jī)床的沖擊，不能保證加工的質(zhì)量和精度要求。如果在曲線的加工過程中，對(duì)直線段部分的每一段直線進(jìn)行加減速，會(huì)造成加工速度的不平衡，加工的質(zhì)量差，時(shí)間長(zhǎng)。

（3）大量的直線段或圓弧段將會(huì)增加加工速度的變化和曲線的加工時(shí)間，這樣將會(huì)降低曲線的平均加工速率，降低加工效率。

（4）具有復(fù)雜曲面形狀的零件的加工，需要存儲(chǔ)的程序段數(shù)非常龐大，而CNC系統(tǒng)的內(nèi)存容量相對(duì)較小，因此需要分段存儲(chǔ)和調(diào)用，這不僅會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性，也會(huì)降低加工效率。

2）為了克服上述傳統(tǒng)插補(bǔ)方式之缺陷，CimatronE增加了NURBS選項(xiàng)

CimatronE支持的NURBS曲線（非均勻有理B樣條曲線）是被STEP國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為CAD/CAM曲線曲面造型、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)形式，用它描述的曲線、曲面整體十分光滑（連續(xù)1階微分，2階微分），而且可以將圓、橢圓、拋物線、雙曲線、圓錐曲線等統(tǒng)一表示，另外用NURBS表示的曲線/曲面可以方便地實(shí)現(xiàn)曲線/曲面的局部變更：在修改曲線（或曲面）的一部分時(shí)不會(huì)對(duì)其他部分帶來影響。用NURBS曲線表達(dá)的NC后置程序小，產(chǎn)生的加工精度高、加工時(shí)間比普通插補(bǔ)方法的時(shí)間短，也更適合于高速銑削。

采用NURBS插補(bǔ)時(shí)是用一系列曲線運(yùn)動(dòng)而不是大量的直線運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行精加工，這樣極大的減少了過程控制，因而加工速度進(jìn)一步提高；由于每一段NURBS運(yùn)動(dòng)更長(zhǎng)，機(jī)床控制器在執(zhí)行程序時(shí)就能向前看得更遠(yuǎn)，使得路徑設(shè)計(jì)和進(jìn)給速度設(shè)置更加智能化。

3）其次，CimatronE在計(jì)算刀位軌跡連接時(shí)具有光滑處理的策略。相比直線插補(bǔ)路徑NURBS插補(bǔ)路徑速度調(diào)整要少很多，產(chǎn)生更適合高速加工的NURBS曲線控制代碼。

4）需注意的是不是所有的CNC機(jī)床都能接收樣條信息及生成樣條曲線輪廓，在只有直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)功能的數(shù)控系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)自由曲線和曲面加工時(shí)，只有將自由曲線和曲面用微小的直線段或圓弧段來代替，由此產(chǎn)生了上述不足。

目前一些先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)如FANUC/16i/18i/160及SIEMEN等已具備了非均勻有理樣條插補(bǔ)功能。

10 結(jié)論

在高速加工日益普及的今天，各CAM系統(tǒng)的高速加工編程功能不斷改進(jìn)；本文是在運(yùn)用CimatronE大量實(shí)際生產(chǎn)加工的基礎(chǔ)上歸納和總結(jié)了其相關(guān)編程功能，發(fā)現(xiàn)該軟件相比其它CAM軟件在高速加工方面有一定的獨(dú)特之處；CimatronE為適應(yīng)高速加工作了較多設(shè)計(jì)并在不斷改進(jìn)完善，CimatronE具備為企業(yè)提升產(chǎn)品加工質(zhì)量及縮短產(chǎn)品制造周期的內(nèi)在優(yōu)秀功能。

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