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. 東莞南博職業技術學院 機電工程系，東莞 523083；2. 西南交通大學 交通運輸學院，成都 610031 ）

0 引言

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

1 Cimatron E光滑的進退刀方式

高速切削加工時、刀具切入工件的方式、不僅影響加工質量、同時也直接關系到加工的安全。刀具高速切削工件時、工件將對刀具產生一定的作用力。此外、刀具以全切深和滿進給速度切入工件將會縮短刀具的壽命。通過較平緩的增加載荷，可以達到保護刀具的目地。刀具切入工件時應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系統中，有多種多樣的進、退刀方式，如在走輪廓時，有輪廓的法向進、退刀，輪廓的切向進、退刀，以保證刀路軌跡的平滑；有對曲面法向的進、退刀，曲面正向與反向的進、退刀和斜向或螺旋式進、退刀等。在實際加工中，最好采用曲面的切向進刀或螺旋式進刀。

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，環切中的環間移刀，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單的環型刀具路徑可以適當緩解拐角處進給量的變化。但是，進給速度較高時，這種簡單的環型運動仍然太突然。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系統軟件中則提供了非常豐富的移刀策略。如1）行切的向內空間圓環式、向外空間圓環式以及高爾夫球棒式連接光滑移刀2）在層間及環向的側向移動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給和轉速，讓高速銑削功能變為現實，同時起到了保護機床、刀具的作用，延長了機床、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和沖擊。

2）高速切削加工當拐角加工工件為內銳角時，刀具路徑可采用圓角或圓弧走刀，并相應減小進給速度，這樣在加工拐角時可以得到光滑的刀具軌跡，并可保持連續的高進給速度及加工過程的平穩性，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整優化功能

高速銑削過程中由于各種隨機因素的影響，往往需要隨時調整機床進給速度和主軸轉速等參數，使機床的加工處于合理狀態。CimatronE在CAM方面具有優秀的、智能的毛坯殘留知識，可以實現完整意義上的刀具載荷的分析與速率調整優化：1）基于切削體積：基于毛坯殘留知識的加工使得系統能真正根據刀具當前的實際加工量―加工體積―進行載荷分析，而不是根據刀寬進行推測，增加了刀具載荷分析優化的科學性與準確性；2）基于切削角度：Cimatron不僅能根據毛坯狀況進行速率調整優化，還可以根據刀具沿零件表面的運動角度進行優化－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 載荷分析與優化技術還在余量過多的情況自動等量切削的處理方式，即對殘留的過多毛坯自動分多層次進行加工。

5 毛坯殘留知識使得Cimatron E具有優秀的最佳事前優化技術

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化可以避免由于待加工余量過大而可能導致崩刀等事故的發生或影響零件的表面加工質量，但不是最佳的處理方法。因為如果在零件的表面較多部位都余量較大，則應進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量也會受到很大的影響，特別在高速銑削加工中十分忌諱這種情況的出現，這樣就談不上高速加工了。而CimatronE的最佳事前優化技術在編程過程中提供了豐富的、全面的、有針對性的計算策略，使每一步的加工都為下一步的加工做好最佳的準備工作。這種技術的存在使得進行粗加工計算時，系統會在兩層之間查找過多余量并對這些部分進行自動的層間再加工（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

1）斜率分析技術 科學的走刀方式應根據零件的實際形狀對零件的不同部位選擇不同的走刀方式。如傳統編程時對較平坦的部位采用區域平面銑（如平行銑）較陡峭的應采用等高外形銑。Cimatron E能對零件實際形狀特點進行分析與區別，從而根據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可面向零件的整個表面一體化分析與加工—使用一個功能既可進行不同區域的識別與特點分析，然后綜合零件的不同區域，智能化的采用最優化、最快捷方式、對不同的區域采用不同的加工策略，同時保證不同加工區域間最佳的刀路連接及過渡優化，保證加工表面的質量。

7 Cimatron E領先的微加工技術

1）較好的處理導入曲面的縫隙，使其能適應高速加工

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

2）高轉速高精度（微公差）小刀具加工工藝

為了獲得以上要求，微銑削技術需要達到以下支持：100μm或更小的刀具、高速刀具外形比例（L/D）10或高達100，主軸轉速高達150,000 r/min或更高，加工公差達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）適應微小刀具對微小型腔粗加工及精加工之豐富的軌跡策略

Cimatron E使用了實體曲面混合建模技術，其ACIS 內核技術提供了高達1nm 的內部精度，為微銑削提供了技術保障。加工過程中通過應用高速切削（HSC）策略獲得均勻一致刀路，并使用了毛坯殘留知識防止斷刀，以對微型型腔進行開粗。為了降低風險防止換刀過程中產生的不連續的微型曲面，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地進入工件。

8 靈活的刀具傾角控制策略

CimatronE在5軸加工編程中強大的控制刀具傾角的功能及刀具半徑補償的能力確保了CimatronE 5軸數控加工編程性能，具體來說為了適應加工零件形狀復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）相對于切削方向傾斜 作用舉例：加工葉片時，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相當于在工件上劃動，加工效果不理想）。

3）根據角度傾斜：實際加工時刀軸和某一坐標軸成一定角度，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：刀軸將以某一個坐標軸或直線通過設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上繞某一個坐標軸或者直線傾斜一定角度，前傾或者后傾

6）通過點傾斜：刀軸方向始終是從某一個點指向面上的點，點在面的上部。

應用曲例：通過足球外的一個點來控制刀軸，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）從點向外傾斜。10）從曲線向外傾斜。11）對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用戶根據實際的零件的特點，靈活選擇傾角策略以達到理想的加工效果。

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

9 Cimatron E適應高速加工的NURBS插補選項

1）傳統的直線插補和圓弧插補缺點如下：

（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，導矢不連續，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行加減速，那么就要求在較低的速度下進行加工，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，在加工過程中會造成機床的沖擊，不能保證加工的質量和精度要求。如果在曲線的加工過程中，對直線段部分的每一段直線進行加減速，會造成加工速度的不平衡，加工的質量差，時間長。

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

（4）具有復雜曲面形狀的零件的加工，需要存儲的程序段數非常龐大，而CNC系統的內存容量相對較小，因此需要分段存儲和調用，這不僅會降低系統的可靠性，也會降低加工效率。

2）為了克服上述傳統插補方式之缺陷，CimatronE增加了NURBS選項

CimatronE支持的NURBS曲線（非均勻有理B樣條曲線）是被STEP國際標準規定為CAD/CAM曲線曲面造型、計算機圖形學等領域的標準形式，用它描述的曲線、曲面整體十分光滑（連續1階微分，2階微分），而且可以將圓、橢圓、拋物線、雙曲線、圓錐曲線等統一表示，另外用NURBS表示的曲線/曲面可以方便地實現曲線/曲面的局部變更：在修改曲線（或曲面）的一部分時不會對其他部分帶來影響。用NURBS曲線表達的NC后置程序小，產生的加工精度高、加工時間比普通插補方法的時間短，也更適合于高速銑削。

采用NURBS插補時是用一系列曲線運動而不是大量的直線運動來進行精加工，這樣極大的減少了過程控制，因而加工速度進一步提高；由于每一段NURBS運動更長，機床控制器在執行程序時就能向前看得更遠，使得路徑設計和進給速度設置更加智能化。

3）其次，CimatronE在計算刀位軌跡連接時具有光滑處理的策略。相比直線插補路徑NURBS插補路徑速度調整要少很多，產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，在只有直線插補和圓弧插補功能的數控系統上實現自由曲線和曲面加工時，只有將自由曲線和曲面用微小的直線段或圓弧段來代替，由此產生了上述不足。

目前一些先進的數控系統如FANUC/16i/18i/160及SIEMEN等已具備了非均勻有理樣條插補功能。

10 結論

在高速加工日益普及的今天，各CAM系統的高速加工編程功能不斷改進；本文是在運用CimatronE大量實際生產加工的基礎上歸納和總結了其相關編程功能，發現該軟件相比其它CAM軟件在高速加工方面有一定的獨特之處；CimatronE為適應高速加工作了較多設計并在不斷改進完善，CimatronE具備為企業提升產品加工質量及縮短產品制造周期的內在優秀功能。

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