高速數(shù)控加工是正在發(fā)展和完善的機械加工技術(shù)，計算機輔助設(shè)計(CAD)和計算機輔助制造(CAM)軟件功能的正確使用，對高速加工零件的精度影響很大。應用CAD/CAM軟件功能時，要對影響高速加工成敗的相關(guān)影響因素進行分析和研究，把握高速加工的工藝技術(shù)與策略，才能使高速加工的零件獲得高質(zhì)量的加工效果。

　　1 CAD/CAM軟件對高速加工的影響

　　1.1 CAD軟件的影響

　　CAD軟件對高速加工的直接影響并不易看到。一般來說，CAD軟件建立的模型主要用作定義零件的外形。但是，在很多情況下，CAD軟件建立的模型還有可能沒完全定義出需要加工的工件形狀，使CAD定義的模型不適合高速加工。

　　1.1.1數(shù)據(jù)交換的影響

　　數(shù)據(jù)交換是影響精度問題的根本原因。零件形狀通常由一個CAD軟件設(shè)計，然后轉(zhuǎn)換至另一個CAD軟件進行補充設(shè)計和加工準備。每次進行數(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)換采用近似極限公差，由于這些近似公差將產(chǎn)生累積，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。

　　幾何形體格式要求系統(tǒng)在不同幾何描述間進行轉(zhuǎn)換，如要減少轉(zhuǎn)換過程出現(xiàn)的誤差，主要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、Pro/E和UG等主流系統(tǒng)的直接接口。

　　1.1.2不完整造型的影響

　　許多CAD使用者往往走捷徑，以求縮短模型的造型時間。例如忽略底座內(nèi)部拐角處的倒圓角，甚至認為通過合適半徑的刀具便可直接進行加工，則可能直接影響到高速加工零件的表面質(zhì)量。因為采用這種方法，刀具必須剛好切進尖銳的拐角，這使刀具的負荷突然增加，甚至出現(xiàn)“扎刀”現(xiàn)象。有些系統(tǒng)提供了解決的方法，但最好能避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象，以確保CAD模型準確地表示需加工的形狀。加工這類倒圓角最好使用半徑較小的刀具，在一般情況下，刀具的半徑最好是倒圓角幾何尺寸的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，降低刀具的負荷。

　　1.1.3不能加工的特征曲面的影響

　　盡管高速加工擴大了可直接切削的特征范圍，但對形狀特別復雜的模型，還有必須使用電火花工(EDM)的細微部分，如果供加工使用的CAD模型包含這些特征，CAM系統(tǒng)會使刀具路徑包含不希望進行切削加工的區(qū)域，若不加以處理，實際加工時的刀具路徑必定切入孔或尖角，產(chǎn)生多余的加工路徑，還有可能由于誤切削而影響到零件的加工。為修正錯誤，避免重復加工放電加工區(qū)域和孔區(qū)域，要盡量把不希望進行切削加工的特征，從用于產(chǎn)生刀具路徑的CAD模型中除去，具體措施可根據(jù)所使用的CAD軟件系統(tǒng)而定，采用刪除特征的方法或通過加入額外曲面來覆蓋。

　　1.2 CAM軟件的影響及對策

　　用于數(shù)控加工編程的CAM軟件平臺較多，常用的有UG、Pro/E、Mastercam、Cimatron、Suffcam和Powermill等。在細節(jié)控制方面：UG使用靈活，對于高速切削加工，采用螺旋銑削加工，或是在轉(zhuǎn)角處配置圓弧過渡，在一定程度上支持高速加工。在支持變速切削的功能方面：UG和Cimatron在高速加工轉(zhuǎn)角處的降速處理上相對好一些;Cimatron支持變速切削，Mastercam只有一次降速功能。在清根上的處理方面：UG和Cimatron相對好一些，可實現(xiàn)多次清根。在五軸銑削刀具軸矢量控制方式方面：UG非常靈活，其平臺基本都能滿足使用要求。在后處理程序開發(fā)方面：Mastercam采用文本形式，而Cimatron采用支持異構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)與CAM平臺數(shù)控程序轉(zhuǎn)換的Imspost進行后處理，Suffcam與Pm/E可采用同一后處理NCpost或Gpost。在與Veficut軟件之間的接口關(guān)系和仿真加工方面：各平臺均可鏈接。參數(shù)化驅(qū)動方面：UG和Pro/E等支持參數(shù)化刀具軌跡編輯修改，相對其數(shù)控編程模板與參數(shù)化功能更強大。

　　對于各種CAM軟件對高速加工的影響，在編程時還要注意采取一定的對策。

　　1.2.1 高速加工的刀具路徑

　　高速加工的刀具路徑必須考慮以下重要因素：加工刀具不能和零件產(chǎn)生碰撞;切削負荷必須在刀具的極限負荷之內(nèi);工件殘留材料不能大于指定的極限范圍;避免材料切除厚度突然變化;切削速度和加速度要在機床允許的能力范圍內(nèi);加工路徑方向要保持恒定，避免切削方向突然變化;盡量減少空行程，提高切削效率。

　　在實際零件的高速加工中，往往難以完全滿足上述要求。加工復雜形狀的零件時，只能盡量滿足這些要求，并首先要滿足較為重要的要求。例如，有時由于零件形狀的限制，而改變切削條件，結(jié)果在加工后的零件表面留下可見的刀痕，雖然通過拋光的方法可以消除，但對高速精加工是不妥的做法。較好的對策是，進行粗加工和半精加工后，可使用CAM軟件修改零件的形狀，利用其后的精加工消除前面加工留下的刀痕。

　　1.2.2高速加工的進刀和退刀方式

　　在高速加工時應盡量采用輪廓的切向進刀和退刀方式以保證刀路軌跡的平滑。

　　進行曲面加工時，刀具可以是Z向垂直進刀和退刀，曲面法向的進刀和退刀，曲面正向與反向的進刀和退刀，斜向或螺旋式進刀和退刀等。實際加工中，可以采用曲面的切向進刀，最好采用螺旋式進刀。螺旋式進刀切人材料時，如果加工區(qū)域是上大下小，螺旋半徑會隨之減小以進刀到指定深度，有些CAM系統(tǒng)具有基于知識的加工，在檢查刀具信息后發(fā)現(xiàn)刀具具有盲區(qū)時，螺旋加工半徑不會無限制減小，以避免撞刀。這對程序的安全性提供了保障。

　　1.2.3高速加工的移刀方式

　　高速加工的移刀方式是指行切中的行間移刀，環(huán)切中的環(huán)問移刀，以及等高加工的層間移刀等。普通CAM軟件中的移刀大多不適合高速加工的要求。如在行切移刀時，刀具多是直接垂直于原來行切方向的法向移刀，致使刀具路徑中存在尖角;在環(huán)切的情況下，環(huán)問移刀也是從原來軌跡的法向直接移刀，也致使刀路軌跡存在不平滑情況;在等高線加工中的層間移刀時，也存在移刀尖角。這些移刀方式會影響到高速加工中心的進給速度與加工效率。

　　高速加工中，采用的切削用量較小(側(cè)向切削用量和深度切削用量很小)，移刀運動量也會急劇增加，這就要求刀路軌跡的移刀要平滑。

　　1.2.3.1行切光滑移刀

　　1)行切的移刀直接采用切圓弧連接。該種方法在行切切削用量(行間距)較大的情況下處理得很好，在行切切削用量(行間距)較小的情況下會由于圓弧半徑過小而導致圓弧接近一點，即近似為行間的直接直線移刀，從而也導致機床預覽減速，影響加工效率，對加工中心不利。

　　2)行切的移刀采用內(nèi)側(cè)或外側(cè)圓弧過渡移刀。該種方法在一定程度上會解決采用切圓弧移刀的不足。但在使用非常小的刀具直徑進行精加工時，由于刀路軌跡間距非常小，使得該方法也不夠理想。這時可以考慮采用更高級的移刀方式。

　　1.2.3.2環(huán)切的光滑移刀

　　1)環(huán)切的移刀采用環(huán)間的圓弧切出與切人連接。這種方法的弊端是在加工3D復雜零件時，由于移刀軌跡直接在兩個刀路軌跡之間進行生成圓弧，在間距較大的情況下，會產(chǎn)生過切。該方法一般多用于2.5軸的加工，使所有的加工都在一個平面內(nèi)。

　　2)環(huán)切的移刀采用空間螺旋式移刀。該種移刀方法由于移刀在空間完成，避免了環(huán)間圓弧切出與切入方法的弊端。如圖l所示。

　　圖1環(huán)切時的刀具路徑

　　1.2.4高速加工順序的安排

　　除了最簡單的零件，高速加工往往有多個加工步驟。對高速加t的編程，最重要的是選取正確的加工順序，其基本原則如下。

　　要考慮加工成形的幾何形狀，同時還要考慮希望切除的材料，把加工步驟減至最少，使用連續(xù)加工的方法，如偏置路徑通常比平衡路徑好等。避免垂直下刀，要從材料的外部切入。在零件的臨界區(qū)域，要確保不同步驟的精加rT路徑不會重復，否則會出現(xiàn)刀痕;要盡量不換刀，使用單一刀具精加工臨界區(qū)域。刀具設(shè)置錯誤常常導致精加工后的加工表面出現(xiàn)刀痕。長刀具容易磨損，應盡量使用短刀具。如果可以，應考慮重新定位零件方向，在難以加工的區(qū)域使用短刀具進行加工。

　　1.2.5高速切削仿真檢驗

　　采用高速加工設(shè)備之后，對編程人員的需求量將會增加，高速加工工藝要求嚴格，過切保護更加重要，需要花較多的時間對數(shù)控指令進行仿真檢驗。

　　圖2為Mastercam平臺下高速切削加工的刀具軌跡圖。

　　圖2 Mastercam高速切削軌跡圖

　　一般情況下，高速加工編程時間比一般加工編程時間要長得多。良好的數(shù)控高速加工程序可以迅速地在數(shù)控機床上執(zhí)行，但要花費很長時間和大量精力去編制。為了更快地產(chǎn)生刀具路徑，解決編制程序出現(xiàn)的問題，獲得最好的高速加工效果，必須提供足夠的CAM能力，并及時對數(shù)控指令進行仿真檢驗，以得到高質(zhì)量的加工程序。

　　2高速加工工藝技術(shù)及策略

　　高速加工時，進給速度快、主軸轉(zhuǎn)速高，實際上從切削過程中刀具的每齒切削量來看，高速加工中的每齒切削量與常規(guī)加工基本相同，甚至有可能更小。要正確設(shè)置加工參數(shù)，使加工程序既能滿足高速加工設(shè)備的要求，又能達到高效加工的目的。

　　2.1 高速加工中需要注意的問題

　　2.1.1選擇合適的高速加工刀具

　　要根據(jù)被加工工件材料來選擇合適的加工刀具，這對剛接觸機械加工的人來說是很困難的，它需要較豐富的工藝經(jīng)驗。對于數(shù)控高速加工，工藝人員在以往常規(guī)的加工中積累的經(jīng)驗也不再適用。這時，可以利用CAM軟件作為計算機輔助制造的工具平臺，充分發(fā)揮計算機的計算和數(shù)據(jù)容量大的優(yōu)勢進行選擇。主流的CAM軟件都有一個專家系統(tǒng)，在數(shù)控加工編程過程中，一旦選定了某種刀具材料和被加工材料，專家系統(tǒng)就可以給出相應的加工參數(shù)。這些數(shù)據(jù)是根據(jù)刀具和被加工材料的物理性能，結(jié)合實際加工經(jīng)驗得來的，應該在加工中充分利用。另外，不同的刀具供應商也會針對其產(chǎn)品為用戶提供一些合理的加工參數(shù)，用戶可以在加工中借鑒。也可以將實際加工中曾經(jīng)使用過的切削參數(shù)輸入到專家系統(tǒng)中，作為經(jīng)驗數(shù)據(jù)保存和繼承。

　　2.1.2刀具路徑的生成

　　高速加工中，利用CAM軟件生成的刀具路徑形狀至關(guān)重要，不僅要求減少極端換向的發(fā)生，同時要求考慮到機床主軸的負載情況，一定要在主軸達到最高轉(zhuǎn)速后，再切人毛坯材料。

　　在編程過程中，CAD/CAM軟件往往通過一些參數(shù)設(shè)置來達到上述目的。例如，在CAD/CAM軟件中，通常具有角部處理方式的參數(shù)選項，從而保證自動生成的刀具路徑不會出現(xiàn)急轉(zhuǎn)彎的情況。型腔加工中，刀具路徑通過“最小半徑”參數(shù)保證了形成零件表面的最外側(cè)圓角半徑不會小于指定值，而中間去除余料部分通過“高速加工角部優(yōu)化”參數(shù)保證圓角過渡，而不是急轉(zhuǎn)彎換向。

　　在加工型腔的過程中還有一點要特別注意，切入時盡量選擇螺旋導人，而不是擺動刀具導人毛坯。因為在刀具擺動過程中可能改變切削方向。適當?shù)匮娱L刀具導入距離還可以起到確保主軸完全啟動后切入被加工材料的功效。

　　在條件允許的情況下，最好在毛坯的外面換向，換向后再切人毛坯。急轉(zhuǎn)彎換向不僅影響機床壽命，而且影響加工零件的幾何精度。外形的尖角形狀在角部處理參數(shù)的控制下，可以引導刀具導出毛坯，然后從毛坯外側(cè)換向后再次導入。這種外旋引導方式僅改變了加工方向，而且可以保證零件外形的準確。CAM軟件提供的角部處理方式可以解決這類問題，關(guān)鍵在于設(shè)置加工參數(shù)過程中是否能夠合理地利用這些參數(shù)功能。

　　2.1.3加工中變形的對策

　　加工零件變形給很多的工程技術(shù)人員帶來煩惱。機加工過程中的變形因素比較多，高速加工中，切削過程產(chǎn)生的熱量大部分被切屑帶走，而不是傳遞到工件中去，因此，可以有效地減少熱變形。常規(guī)加工中，由于受刀具徑向切削力的影響，會產(chǎn)生“讓刀”現(xiàn)象，如果不注意，也會使零件形狀不準確。

　　高速加工中，每齒切削量相對較小，可以有效地減少徑向切削力的影響，但是并不是意味著可以一味地減少切削用量，在刀具高速旋轉(zhuǎn)過程中，刀具切入零件過少會產(chǎn)生振動，由于刀具振動帶來的負面影響反而更大，因此，在高速加工中，往往采用增大徑向切深，減少軸向切削深度的方式來減少刀具振動。在編程軟件中，一般是通過增大步距，減少切削增量的方式來實現(xiàn)。

　　2.2高速加工實例

　　某注射模工件材料為40Cr，模具尺寸200mm X180mm×80mm，表面粗糙度要求：Rao.4um，材料硬度為35HRC。按表1所示的加工工藝參數(shù)，在MIKRONHSM700高速數(shù)控加工中心上進行粗加工、半精加工和精加工。

　　注射模進行高速數(shù)控切削加工的仿真加工示意圖如圖3所示。通過高速數(shù)控加工，不僅提高了模具制造精度，而且縮短了制造周期，大大提高了生產(chǎn)效率。

　　圖3注射模的高速數(shù)控加工仿真示意圖

　　3 結(jié)語

　　高速加工中CAD/CAM軟件功能的正確應用，對高速加工零件精度有很大的影響。不僅要掌握CAD/CAM軟件的常用功能，同時還要注意CAD/CAM軟件對高速加工的影響。

　　高速加工對加工工件的每個環(huán)節(jié)要求嚴格，要使用合適的物理設(shè)備，并精確地指定有關(guān)參數(shù)。CAD/CAM軟件對高速加工的質(zhì)量和穩(wěn)定性具有明顯的影響。如要獲得良好的高速加T效果，最有效的方法是把握加工工藝技術(shù)與策略，為CAD/CAM系統(tǒng)提供有利的加工條件。