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避开转角的问题

避开转角的问题 2011年12月04日 来源： 在努力提高加工效率的过程中，业界一直在强调那些看起来会限制材料切削率的所有因素。机床制造商和切削刀具制造商们早已经设计并制造出了具有更高切削率的硬件。已经设计了控制装置来处理大量的数据并更快更准确地驱动愈发复杂的机床。同时，CAM软件开发者们颇为关注流线型的、甚至自动的NC数控编程过程。 在所有这些前期工作的基础之上已经取得了实质性的进展，随时都有更多的进步。但是某些观察者们认为，这些研发成果得到的仅仅只是逐步增长的进步，没有突破性的进展。Surfware公司 (韦斯特莱克村，加利福尼亚)产品设计部副总经理Glenn Coleman不同意这种说法。他认为，提高铣磨效率的一个机会曾被忽略了，CAM软件的基础方面是主要限制因素。他说，这种情况的最好例证就是该公司开发的新型刀具路径计算引擎 “材料切削率的限制因素并非机床、切削刀具或加工过程中的任何其他硬件部件，”Coleman说，“限制因素是机床的输入，即驱动它们的刀具路径。机床只按照它们接收的命令执行工作，刀具路径发出指令。” 典型的刀具路径常常驱动切削刀具进入转角处，在这里，加工载荷增加，要求NC数控程序员使用减小的加工参数。这意味着降低主轴转速、进给速度或切削深度，减小切削步距或者这些情况的某种组合，以便保护切削刀具。 为了冲破这种阻碍，Surfware公司的开发者们摒弃了现有刀具路径建立的基本思想，重建了基于加工动力学(他们说从数控技术之初它就被忽略了)的刀具路径。 啮合角据Coleman介绍，实际上所有现有刀具路径策略都基于这样一种思想，即保持切削之间的恒定切削步距，至少在根部。这是从手摇曲柄时代和数控初期时保留下来的想法——那时的直接目的是使手动加工方法自动化。结果保留影响至今。“这是不合适的，因为保持恒定的切削步距使切削刀具上必然产生非恒定载荷。切削刀具上的非恒定载荷是导致被迫使用减小的加工参数的原因。”他说。 当切削刀具进入转角时，刀具的大部分被工件材料包围或与工件材料啮合。刀具的此啮合部分可用一角度来度量和表示，即刀具啮合角(TEA)。 一些基本的数学知识说明了为什么该角度很重要。切削步距值与TEA之间具有几何关系。例如，若切削步距为切削刀具直径的50%，则刀具外围的90度与材料啮合。例如，10%切削步距相当于TEA为36.87°(如图1所示)。

图1：当刀具路径的切削步距等于切削刀具直径的10%时，啮合角等于36.87°——只要刀具路径沿着一条直线。

对于任意给定的切削步距值，只有一个与之相对应的TEA。但是，只有当采用恒定的径向切削深度并沿一条直线切削时，这才成立。当刀具转弯时，TEA增加为该转角的角度或半径的函数(如图2所示)。TEA的这种增大是导致刀具载荷增加的原因。

图2：当切削刀具到达转角时，啮合角急剧增大，即使在切削步距值保持相同时。在这种情况下，10%的切削步距值造成了大于128°的啮合角。

“所以，由于它的历史性，将刀具路径策略建立在保持切削之间的恒定切削步距这一思想上似乎没有遵循最好的逻辑。”Coleman先生总结说。问题是刀具载荷的变化，它使切削刀具陷入不利的情况下。除非操作员或者控制设备调整加工参数以减轻这种情况，否则有损于刀具的使用寿命。表面精度和其他工件特征也会受到不良影响。但是，当进行调整时，周期时间可能增加。 虽然TEA不能严格地保持恒定，但是公司坚决认为能够控制它达到很有利的情况。 基于这种理解，软件设计小组开始重新思考CAM软件，包括他们Surfware公司自己的产品，以及铣磨的刀具路径如何生成。经过培训，机械师和NC数控程序员们考虑这一问题，对刀具与工件材料相互啮合的控制如何能被用于刀具算法中。这些算法必须与那些通常应用于CAM软件中的算法不同。必须开发计算刀具路径所需的公式并对其进行编码。 “设计一个刀具路径策略来实现这一目的并非小事，实施解决方案就更加困难，但是这些都已经完成了。”Coleman先生说。将设计概念提升到实用产品的高度需要利用数学工具和编程原理，公司认为这些在以前从未被用于CAM软件开发。努力的最终结果是TrueMill刀具路径计算引擎，它已经被结合到公司的SurfCAM Velocity产品中。 适合TEA的路径该软件假设做直线切削，考虑用户定义的切削步距和切削刀具的直径来确定相应的TEA。于是生成刀具路径，刀具啮合角从未过大。“因为刀具路径不是基于恒定切削步距来确定的，所以它们的运动与那些基于恒定切削步距的刀具运动完全不同。” Coleman先生说，“正因为如此，对于大多数首次看到它们的人来说，它们看上去有些陌生，甚至奇怪。”然而，很快加入刀具路径的方法看来不是很重要了；怎么使它更加圆满成了重要问题。 通过保持TEA低于一个已知的阈值，刀具载荷也维持低于一个已知的阈值。这使程序员们能够使用推荐的进给速率和转速作为最小参数，它们能根据所用的机床和切削刀具的性能而增加。在现有技术下，大部分程序员使用推荐的进给速率和转速作为不能被超越的阈值，并根据刀具路径提出的限制来减小它们。但是，这种折衷做法牺牲了材料切削率。 设计新刀具路径计算引擎来避免这种折衷做法。当切削刀具沿着材料移动时，它改变了下一步切削的材料形状。为了控制刀具与材料之间的啮合，必须控制这种动态变化的材料边界。据公司称，所有刀具运动都经过计算，因此能准确知道下一步切削的在制材料边界。这意味着刀具路径的计算是基于材料切削的需要，而不是根据零件几何形状。“该方法还促成了刀具路径的奇怪外观；它们不是由加工区域的形状所驱动，” Coleman先生说，“当然，该形状最终建立起来，但是直到刀具最后通过时，它才会变得明显。” 在机床听到(或没听到)什么因为刀具与材料的啮合得到了控制，所以相比于其他方法生成的刀具路径所产生的应力，机床与切削刀具上的应力少得多了。转角处没有叽叽喳喳的噪音，因为这些刀具路径几乎没有转角。Coleman先生介绍说，通常，从主轴电动机或冷却泵发出的声音大大高于被切削金属的声音。如果刀具路径中有锐角转角，则不能有效控制TEA，所以软件不生成它们。边界几何图形可能包含锐角转角，而且它可能是任意形状，但是刀具路径的所有移动保持平滑和相切。 但是，对任何刀具路径的真正度量是看它能多快地从机床上去除材料。Surfware声称用户正在经历“迄今为止前所未闻的生产效率增长” 。例如，一位为专为航空零件加工铝模插件的客户报告，以前加工该零件要花1个小时多一点，但是现在利用TrueMill加工零件只要不到8分钟。“结果不仅仅只是变快了几个百分点，相比于从前的刀具路径，加工零件的时间只有原来的几分之一。”Coleman先生说。控制TEA的软件被证明显然对于较硬的材料特别有效。据Coleman先生介绍，这是因为在较硬材料中刀具超载的不利后果比软材料中更为严重。许多最新的切削刀具在诸如铝等较软材料中能经受得住过载的情况，至少偶尔和短期内，他说。“但是例如当加工工具钢时，情况就不同了。在这样的材料中，在过快的进给速率下，即使只出现一次刀具过载情况，都会导致刀具严重损坏。”由于控制TEA避免了刀具上的过载，所以导致故障的这一原因不再是个问题。 用直径为1/2英寸的整体硬质合金四槽端铣刀，主轴转速为12000rpm，可编程进给速率为1000ipm。这不是采用轻切削来完成的。切削的轴向深度为1/2英寸，TEA为64度，它相当于0.140英寸的编程切削步距。德国的某工厂铣磨洛氏硬度为64C的材料，进给速率为300ipm，采用直径为8mm的刀具，它带有半径为2mm的按钮式刀片。 为了一致性据报告，使用基于恒定切削步距的刀具路径的缺点之一是刀具性能不一致。刀具状态的变化所造成的结果难以预测，所以必须密切监测它们。Coleman先生说，但是，对TEA的控制产生更高程度的刀具路径一致性，该特性已经得到了用户们最肯定的评价。 “因为刀具载荷没有峰值，所以如果新编程的路径在开始几秒内工作良好，那么它极有可能始终工作良好。操作员可以从机床走开而无需担心意外情况发生，不用对进给的调节控制感到犹豫。”他说。离开恒定切削步距意味着进入加工的某些未知领域，Coleman先生补充说：“因为这是一个新领域，所以有一些未知情况。”可以证明，这些未知情况中最大的问题是缺少适当的加工数据。现有数据太过保守，他说。他预言需要通过实验了解很多。 Surfware建议在一块坯料的边缘运行简单的直线试验切削，这样用户就能找到理想的加工参数，它们提供材料切削率和切削刀具使用寿命的最佳组合。公司认为用户会感到相当惊讶，惊讶于它们能在这样理想的加工条件下如此快速地切削。从那时起，不论零件的形状如何，那些参数都可以用于相同的刀具和相同的材料。 同样重要的事实还有切削刀具变得明显更加耐用，即使加工参数增加。图3显示了分别用TrueMill刀具路径和标准的SurfCAM刀具路径编程的相同凹槽。

图3：刀具啮合角的图表显示了左边Truemill刀具路径与右边传统刀具路径之间的结果对比。

由于第一条刀具路径提供受控的刀具载荷和自动的地面清理，所以能用比标准路径更大的切削步距值对它安全地编程，如该试验所示。在从刀具路径中挑选的普通点上，第一条刀具路径从未超过它的目标TEA，而标准路径几乎总是高于其目标值。标准路径包含刀具完全啮合的区域。这说明，即使在更大的加工参数下，用新路径比用现有技术生成的路径在切削刀具上产生的应力更小。 该软件的开发者们于2005年秋发布SurfCAM Velocity，开始将其交付终端用户。在该版本中，技术局限于2 1/2轴铣。公司计划在2006年的第一季度将这一概念拓展至复杂的多表面粗铣功能。图4预览了这种拓展的结果。

图4：屏幕上方绿色描绘的刀具路径表示在多表面工件常规粗加工中的一次切削中如何能够控制刀具啮合。屏幕下方显示增加刀具路径以便于选择转角，以前的刀具太大以至于无法达到这些地方。新刀具路径还控制刀具啮合。

图5：不跟随恒定切削步距的刀具路径看起来不规则、不一致，但是切削刀具的状态保持恒定且有规律，避免产生应力，它会使刀具断裂或者缩短刀具的使用寿命。

(end)

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