在機(jī)械制造中，尤其是電子專用設(shè)備的生產(chǎn)制造中，單件及中、小批量生產(chǎn)的零件約占機(jī)械加工總量70%以上。而這類設(shè)備中的重要件、關(guān)鍵件往往形狀復(fù)雜、精度要求高，在通用機(jī)床上加工，效率低、精度低、一致性較差。而數(shù)控機(jī)床高柔性、高精度的特性，使它可解決單件、小批量，特別是復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的加工。本文就以復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的加工為例，運(yùn)用北航Opticut軟件對刀具參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合SolidCAM公司的智能加工策略對其數(shù)控高效加工的過程作以具體研究。

一、工藝分析

　　1.零件特點(diǎn)

　　由于電子專用設(shè)備的產(chǎn)品功能要求，其具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，加工難度大等特點(diǎn)。復(fù)雜零件對制造工藝要求非常高，本文分析的實(shí)例零件(圖1)就是如此。該零件在設(shè)備中起關(guān)鍵作用，加工時需不斷更換刀具，進(jìn)行試切、測量，信息量大。一些復(fù)雜零件在編程加工中總是遇到各種各樣的困難，為了不影響科研生產(chǎn)任務(wù)，提高編程及加工效率迫在眉睫。下面就以該零件為例做一具體分析。

　　該零件材料為鎂鋁6061-T6，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且精度要求高，加工后切除率較大，變形嚴(yán)重。零件主視圖(圖2)中四處型腔的加工尤為突出，加工時需要頻繁更換刀具，且加工時間較長，各處凸臺的加工刀路在以往的編程軟件中也較為復(fù)雜。為了不影響零件結(jié)構(gòu)及精度，在以前的加工中多采用分層銑削、小切深、高進(jìn)給的加工方法，每次切深不大于0.5mm，并保證切削液冷卻充分及時沖走切屑。用以往的編程軟件，需先繪制該零件的二維CAD圖樣，并在線框模式下對其進(jìn)行編程。由于繪圖、編程效率低下，而且準(zhǔn)確率也不高，所以在加工中還需不斷調(diào)試程序以達(dá)到最優(yōu)參數(shù)加工。

　　如何提高該零件的生產(chǎn)效率，并保證各處尺寸及形位公差?采用智能數(shù)控加工編程軟件是個很好的選擇。對此，我們通過SolidCAM軟件及其智能加工策略對該零件重新編程加工。

　　2.切削參數(shù)優(yōu)化

　　合理的切削用量是在生成具有最大材料切削率的同時，又保證穩(wěn)定的切削狀態(tài)和要求的加工精度。一般切削用量根據(jù)機(jī)床的規(guī)定和要求及刀具的耐用度選擇和計(jì)算，同時也可以根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定。

　　其中，進(jìn)給速度是切削用量的主要參數(shù)，要根據(jù)工件的加工精度、表面粗糙度、刀具材料及零件材料選取。數(shù)控編程，除參考加工路徑、工藝設(shè)計(jì)，合理、科學(xué)地編制加工程序外，還必須考慮加工效率、加工的經(jīng)濟(jì)性。即一次裝夾后，一把刀具應(yīng)完成其所能進(jìn)行的所有加工步驟。相同尺寸規(guī)格的刀具，粗精加工的刀具應(yīng)分開使用。本例中，筆者將運(yùn)用北航Opticut軟件對加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

　　北航Opticut軟件是以銑削加工力學(xué)仿真為基礎(chǔ)，對數(shù)控加工過程中的三向銑削力、主軸扭矩、切削功率和刀尖變形等進(jìn)行仿真預(yù)測。以仿真結(jié)果為依據(jù)，綜合考慮機(jī)床、刀具以及工件三方面的約束力對切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。其中，機(jī)床方面的約束包括：主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給范圍、進(jìn)給抗力、機(jī)床一階模態(tài)、主軸功率和主軸扭矩;刀具方面約束包括：線速度、每齒進(jìn)給、刀尖變形、夾持彎矩和刀具壽命。在優(yōu)化目標(biāo)上，分為加工效率、加工成本以及綜合化三種。

　　根據(jù)我所加工使用的Mazak機(jī)床性能參數(shù)(表1)，通過使用數(shù)據(jù)采集傳感器在機(jī)床測量得出的刀具、機(jī)床數(shù)據(jù)，結(jié)合Opticut軟件計(jì)算，在使用高速鋼φ12mm立銑刀、φ8mm立銑刀和φ6mm立銑刀的情況下，可得出加工使用該刀具在其條件下加工動力學(xué)時域仿真曲線圖(圖3)。通過對這些數(shù)據(jù)的處理，我們可以得出一組或多組優(yōu)化后的加工參數(shù)。在實(shí)際加工中，我們可以根據(jù)裝夾方式來選擇一組數(shù)據(jù)做實(shí)際加工參數(shù)。

　　經(jīng)由北航Opticut軟件優(yōu)化后，筆者選取了一組優(yōu)化數(shù)據(jù)(表2)。在下面的編程中，筆者將利用這組數(shù)據(jù)，使用SolidCAM軟件的智能化加工策略對該零件做新的編程。

二、SolidCAM智能高效加工方案

　　作為一個高效的CAM系統(tǒng)，SolidCAM能提供眾多的智能加工策略，從簡單的輪廓加工到復(fù)雜的曲面加工均能很好勝任。在實(shí)際工作中，使用SolidCAM可對3D模型進(jìn)行快速特征識別并計(jì)算，準(zhǔn)確地對需要加工的區(qū)域做出刀路。

　　筆者在此使用軟件提供的HSR(高速加工輪廓粗加工)策略(圖4)對其進(jìn)行編程。同樣使用高速鋼φ12mm立銑刀、φ8mm立銑刀和φ6mm立銑刀，HSR可以在3D模型上智能選擇加工區(qū)域并自動計(jì)算切削深度，對于需要加工的型腔和多處凸臺，設(shè)置好刀具后不需要過多的人為干涉就能快速得到所需要的刀路。

　　當(dāng)其他參數(shù)不變時，轉(zhuǎn)速高時各個方向的切削力比轉(zhuǎn)速低時切削力相對較小，這對保證該零件各處尺寸和形位公差起到了關(guān)鍵作用。對比以前的加工參數(shù)，在提高進(jìn)給的情況下，同樣需要提高主軸轉(zhuǎn)速。對此，將φ12mm立銑刀的轉(zhuǎn)速由原來的3500r/min提高到6200r/min(圖5)。具體參數(shù)設(shè)置步驟為：加工工程→新增→HSR→選擇刀具→設(shè)置刀具參數(shù)。

　　使用智能化的加工策略，最大接觸角通過動態(tài)的變化　保證了刀具所受載荷恒定以及切屑的均勻。高轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給、大切深避免了刀具的局部磨損，增加了刀具壽命。使用新參數(shù)后，該零件加工的表面質(zhì)量較使用以前有明顯提高。

　　通過3D實(shí)體模擬(圖6)，可看出刀路比以前有很明顯的優(yōu)化，空刀也減少了很多。根據(jù)計(jì)算，使用高效CAM軟件前，該零件加工時間約為210min/件，使用后減少為57min/件，編程時間由原來的3～4h減少為現(xiàn)在的30min左右，生產(chǎn)效率提高將近四倍。

　　有效提高該零件的加工效率，不僅需要根據(jù)裝夾方式、刀具和工件材料等因素制定加工參數(shù)，智能化的加工策略也尤為重要。運(yùn)用高效的CAM軟件不但節(jié)約了大量前期準(zhǔn)備時間，在刀路的準(zhǔn)確性上也有了明顯的提高。

　　智能化加工策略的應(yīng)用，最大限度地使用切削寬度、切削深度、每齒進(jìn)給量、刀具齒數(shù)以及主軸轉(zhuǎn)速這五個切削參數(shù)，通過大切深、大進(jìn)給速度及變化切削寬度來保證刀具載荷恒定，從而實(shí)現(xiàn)智能、高效、安全地切削加工。

三、結(jié)語

　　實(shí)踐證明，高效智能加工技術(shù)在科研生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。采用高效智能加工技術(shù)，有助于編程人員合理選擇工藝參數(shù)，能夠大大縮短編程及加工周期。智能化的參數(shù)設(shè)置和刀具路徑，能更好地適應(yīng)工藝可變性因素，提高零件生產(chǎn)的快速響應(yīng)能力和應(yīng)急能力。通過同一零件在不同兩種編程軟件及加工參數(shù)下的對比，高效智能加工技術(shù)的應(yīng)用在加工效率上有30%～70%的提高，刀具壽命也是以前的2～3倍。這種高效加工策略不僅適合單件小批量的零件生產(chǎn)，對于參數(shù)化零件的編程及生產(chǎn)也同樣適用。 

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本文標(biāo)題：智能加工技術(shù)在高效加工中的應(yīng)用

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