如何在高速加工中正确使用CAM软件

发布日期：2018-03-28

高速加工中，进给速度快、主轴转数高是表面上大家所看到的现象。当前主流的高速加工设备主轴转数已经普遍超过2万转，更高的可能达到6万转或7万转以上。实际上从切削过程中刀具的每齿切削量来看，高速加工中的每齿切削量与常规加工基本上差不多，甚至有可能更小。正是这种高速旋转刀具的前提下，才有高速进给实现的可能。在高速切削过程中刀具与材料接触时的切削机理，以及如何选择合适的刀具材料我们不在这里讨论，我们关注的是如何设置加工参数，使加工程序即能满足高速加工设备的要求，又能达到高效加工的目的。

首先我们看一下高速加工中，需要注意的几个问题。关于加工用的刀具，一般情况下，每个刀具供应商都有一些适用于高速加工的专用刀具和刀套；由于主轴高速旋转，刀具的动平衡要求较高。不能满足高速旋转下动平衡要求的刀具严禁在高速加工中使用。不同的刀具材料在加工不同的被加工材料的时候，进给速度、主轴转速等参数也有差异。高速进给过程中机床惯性需要予以考虑，这也是与常规加工所不同的地方，就想骑自行车不能拐直角弯一样，高速加工中，转角处需要特别的注意。高速加工可以减少零件的变形，但是并不是没有零件变形存在，因此，零件变形也是需要关注的一个问题。另外，要注意机床主轴的功率曲线变化，尽量不要在主轴刚刚启动阶段就进行切削，影响主轴的使用寿命。

然后我们看一下高速加工设备在编程方面的应对解决方案。与手工编程的随意和灵活不同，使用CAM软件进行编程的时候，刀具路径根据设定的编程参数自动生成，因此相关编程参数的设置尤其重要，这也是本文着重要阐述的内容。

图1
图2

根据被加工材料选择合适的加工刀具。对于刚接触机械加工的人来说是个最难突破的瓶颈，因为工艺经验的积累不可能在短时间内完成；在高速加工并不普及的今天，同样也难住了很多有经验的工艺人员，因为以往在常规加工中积累的经验不适用了。如何解决这个问题呢？我们可以在CAM软件中寻找答案。因为CAM软件作为计算机进行辅助制造的工具平台，可以充分发挥计算机的计算和数据容量大的优势。主流的CAM软件都有一个专家系统，在加工编程过程中，该系统可以提供一些帮助。例如下面的界面中可以看到，软件提供了可扩充的刀具材料库和被加工材料库(图1)，编程过程中，一旦选定了某种刀具材料和被加工材料，专家系统就可以给出相应的加工参数(图2)；这些数据是根据刀具和被加工材料的物理性能结合实际加工经验而来，应该在加工中充分利用这笔来之不易的财富。另外，不同的刀具供应商也会针对其产品为用户提供一些合理的加工参数，可以在加工中借鉴。实际加工中我们曾经使用过的切削参数也可以输入到专家系统中，作为经验数据使之得以保存和继承。

高速加工中，利用CAM软件进行编程时，生成的刀具路径形状至关重要，不仅要求减少极端换向的发生。同时要求考虑到机床主轴的负载情况，一定要在主轴完全启动达到最高转速后再切入毛坯材料。在编程过程中，CAM软件往往通过一些参数设置来达到上述目的。例如在CAM软件中，通常具有角部处理方式的参数选项(图3)，从而保证自动生成的刀具路径不会出现急转弯的情况。型腔加工中，刀具路径通过“最小半径”参数保证了形成零件表面的最外侧圆角半径不会小于指定值，而中间去除余料部分通过“高速加工角部优化”参数保证圆角过渡，而不是急转弯换向。在加工型腔的过程中还有一点特别注意，切入时尽量选择螺旋导入，而不是摆动刀具导入毛坯。因为在刀具摆动过程中需要改变切削方向，这是我们不愿看到的。适当的延长刀具的导入距离还可以起到确保主轴完全启动后切入被加工材料的功效。

图3

在条件允许的情况下，最好在毛坯的外面换向，换向后再切入毛坯。急转弯换向不仅影响机床寿命，而且影响加工出来零件的几何精度；如图4所示，外形的尖角形状在角部处理参数的控制下，可以引导刀具导出毛坯，然后从毛坯外侧换向后再次导入。这种外旋引导方式不仅改变了加工方向，而且可以保证零件外形的准确。CAM软件提供的角部处理方式可以解决这类问题，关键在于设置加工参数的过程中是否能够合理地利用这些参数功能。

图4

加工零件变形给很多的工程技术人员带来过巨大的烦恼；机加过程中的变形因素比较多，高速加工中，切削过程产生的热量大部分被切屑带走，而不是传递到工件中去，因此，可以有效的减少热变形。常规加工中，由于受刀具径向上的切削力的影响，会产生“让刀”现象，如果不注意，也会带来零件形状不准确。高速加工中，每齿切削量相对较小，可以有效的减少径向切削力的影响；但是并不是意味着可以一味地减少切削用量，在刀具高速旋转过程中，刀具切入零件会产生震动，由于刀具震动带来的负面影响反而更大；因此，在高速加工中，往往采用增大径向切深，减少轴向切削深度的方式来减少刀具震动。在编程软件中，一般是通过增大步距，减少切削增量的方式来实现，见图5所示。

图5

图6

最后，我们来看看如何在高速加工中有效地延长刀具的使用寿命。利用CAM软件的专家系统，设置合理的加工参数是保证刀具寿命的一个有效手段。同时还可以利用一些特殊刀具轨迹来延长刀具的使用寿命。例如图6所示的摆线加工刀具轨迹可以根据刀具负载的情况来调整刀具路径，有效地避免刀具超负荷切削状态，可以延长刀具的使用寿命。

高速加工中的一些理念也许容易被接受，但是如何在CAM软件环境下，把这些理念落实到编程过程中去，不仅需要大家掌握CAM软件的常用功能，同时需要注意软件中的一些特殊参数的设置。高速加工作为当前比较流行的一种机加方式，也是包含在数控加工的范畴，当前的很多CAM软件并不是专门为高速加工设备定制，但是基本上都可以完成高速加工的编程任务，关键在于我们如何去应用它。

注：文中涉及到的软件环境为英国路径工程系统公司开发的智能数控编程系统-EdgeCAM。

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