EdgeCAM模具加工中的效率与质量

EdgeCAM模具加工中的效率与质量

        模具加工领域离不开CAM软件，不仅是因为复杂的型面无法通过手工计算完成，更关键的因素是要提高产品的质量和加工效率，充分利用CAM这个平台是最有效的手段之一。目前，我们看到了CAM与模具加工相互促进的局面。CAM软件的发展初期，着重解决能与不能的问题。如今正在跨越这个阶段，对加工效率和产品质量方面提出了更高的要求。随着加工手段的多样化和数控设备的快速发展，对CAM软件的应用范畴也提出了新的要求。这里我们通过模具加工中的提高效率和质量两个角度来分析一下如何更好地应用CAM软件。

        在模具加工中，由于具有加工时间长、产品附加值高、单件小批量的特点，使得模具加工中的效率成为人们关注的焦点。由于在精加工中，无论选择何种加工轨迹，单位面积上的材料去除率相差无几，因此，效果最明显的是有效地缩短粗加工时间。为了给精加工创造一个良好的切削条件，粗加工应该尽可能地去除材料，保证余量均匀。一般情况下，在粗加工过程中，要提高效率就应尽可能使用较大直径的刀具，然后再使用小直径的刀具进行残料加工。如此由大到小选择刀具进行分层分区的加工，需要灵活的残料加工手段。例如，在Edgecam中提供了子层次切削、残料加工等手段可以灵活地满足这方面的需求。 子层次切削是指利用同一把刀具进行大切深的粗加工后，再对型面表面的较大残留台阶进行细化加工的一种方式，这种方式与直接使用较小直径刀具一次加工形成粗加工型面相比，可以有效地提高加工效率。另外，使用残料粗加工时，使用小直径的刀具加工先前大直径刀具未能加工的区域时，可以自动识别先前大直径刀具的残料并生成刀具轨迹，残料加工过程中也可以根据情况选择子层次切削或某个限定的加工区域。这两个手段有效地保证了粗加工生成的刀具轨迹高质高效。从下面是两个实际加工胎具的加工过程中我们了解到，粗加工的材料去除量在模具加工中所占的比重远远大于精加工；因此，要提高加工效率首先应该在粗加工过程做优化。其次，在模具加工的整个过程中，花费在编程上的时间也是一个应该关注的环节。

        在编程过程中，我们花费的时间主要在两个方面，一是对模型的完善，包括模型的修补，辅助线和面的生成；二是生成刀具轨迹的计算时间。如今CAM软件层出不穷，分类方式也比较多样。这里从曲面加工和实体加工的角度对软件进行分类，理由是从被加工模型类型的角度对CAM进行分类是最本质最核心的切入点。起初，所有CAM软件都是以曲面加工为核心，通过对构成模型的众多曲面片为依据进行计算，从而生成刀具轨迹。90年代后期，随着三维实体CAD的快速发展，很多CAM软件都可以对实体模型进行编程操作，但是计算刀具路径的依据并不是实体模型本身，而是从实体模型中提取的点线面等元素，因此实质上仍然是曲面加工，充其量说是加工实体。实体加工是指以实体模型作为计算依据生成刀具轨迹，此类CAM软件大多在95年之后出现，2000年之后随着计算机硬件性能和Windows平台的发展，使CAM软件得以快速发展。例如现在的Edgecam、CAMworks等。此类软件的特点是从CAD到CAM的整个过程中，完全以实体模型为依据，不存在模型转换和数据丢失，因此也就不需要对模型进行修补。不仅可以有效地避免人为修补模型造成的误差和遗漏，更可以大大地节省这部分时间。但是，由于实体模型本身的信息量相对于曲面模型更多更完善，因此计算量也相应地增加，选择一个有效的算法便可以解决这个问题。例如，我们利用Edgecam做了一些测试，惊喜地看到通过算法的优化，针对实体模型的计算时间得到了本质上的提升。下面是对比图表，我们可以从中看到，相同条件下的实体模型的计算时间与曲面模型的计算时间已经相差无几，甚至有所超出（见图一）。这里我们看到一个非常有趣的现象，某些情况下，曲面模型的计算时间反倒多于实体模型的计算时间，这一点与曲面模型构造的复杂程度和模型的大小相关。我们以中等尺寸模型为例，在计算刀具路径的过程中，以构成模型的数百个曲面片作为计算依据时，由于对曲面边界的处理需要花费一些额外的时间；而对于实体模型来说，边界处理要容易很多，因此节省了大量的计算时间，这就是造成这种现象的原因。此外，我们在Edgecam版本更新的过程中，也可以看到不断得到提升的计算性能，通过对不同版本中相同加工方法的横向对比，我们也可以看到这种变化（见图二）。

        模具加工中的型面质量，是整套模具的核心。因此，如何提高型面加工的质量是提高产品质量的重中之重。

        选择合理的加工参数和刀具是重要的环节。在机床允许的进给和转速范围内，根据被加工材料的性能和机床刀具等硬件设备情况选择合理的加工参数对型面的影响至关重要。例如，在精加工一个黄铜电极的型面时（见下图），我们使用直径2mm的立铣刀，加工时使用的转速为12000转/分。进给速度为2000mm/min。即使刀具路径设置得非常密，但是形成的表面质量还是不理想。当主轴转数降为6000转/分之后，加工出的型面表面质量却非常好。原因是由于精加工过程中的刀具颤动对型面质量形成的影响已经远远超过了刀具路径对型面质量的影响。因此在加工过程中，需要考虑的工艺因素不仅局限在被加工材料和刀具，同时也需要考虑包括工装、机床等这些不可忽略的因素带来的影响。

        除了选择合理的加工参数之外，在编程过程中，刀具路径的密度和样式是决定型面质量的两个关键因素。理论上，我们可以通过加密刀具路径的方式获得更好的表面质量，但是随着刀具路径的加密，加工时间就延长了，使得加工效率降低。在精加工型面的过程中，如果刀具路径的密度太大，使得刀具的每齿切削量太小，加工出来的效果反倒不理想，因此刀具路径的密度并不是越小越好，根据实际的情况来进行取舍非常关键。刀具路径的样式由编程软件的加工策略来决定，每个CAM软件都有多种生成刀具路径的加工策略，每个加工策略所适用的范围和生成刀具路径的样式都有所差异，通过不同加工策略的组合可以获得高效和高质量的刀具路径样式。例如平行行切的加工方法生成的刀具轨迹，因其具有极高的稳定性和操控性为广大编程人员喜爱。但是平行行切的刀具轨迹对于陡峭区域处理的效果却不是很好，一般情况下，处理的方式有两种，一种是避免发生这样的情况，我们可以通过加工参数的设置，识别并避开陡峭区域生成刀具路径，陡峭区域可以使用其他的加工轨迹来处理。另外一种办法是对陡峭区域采取改变行切方向进行处理。这两种方法都是针对平行行切刀路的缺点进行完善的手段。

        总之，对于模具加工过程中的效率和质量，不仅要从机床及刀具的选择使用方面予以考虑，还要从CAM软件的应用角度给与深入地了解和认识，不能只停留在把产品做出来，更要从更快更好的角度出发，获取更大的产品附加值和生产效率。