Cimatron E高速铣削加工策略研究

刘建元，刘世能

LIU Jian-yuan1, LIU Shi-neng2

（1. 东莞南博职业技术学院 机电工程系，东莞 523083；2. 西南交通大学 交通运输学院，成都 610031 ）

0 引言

高速铣削加工以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，数控高速加工是正在发展和完善的机械加工方法，它基于数控设备（数控系统）和CAD/CAM软件，而CAD/CAM软件的使用对高速加工效率及零件加工精度有很大的影响；cimatronE其基于知识的智能加工、基于智能毛坏残留知识的进给优化处理功能、一体化加工技术、微加工技术、灵活的5轴刀轴倾角控制功能，NURBS插补输出等这些决定其自动编程所产生的数控程序具有良好的高速加工工艺性能。使其成为业界认同的当今比较适合高速加工编程的软件之一。

1 Cimatron E光滑的进退刀方式

高速切削加工时、刀具切入工件的方式、不仅影响加工质量、同时也直接关系到加工的安全。刀具高速切削工件时、工件将对刀具产生一定的作用力。此外、刀具以全切深和满进给速度切入工件将会缩短刀具的寿命。通过较平缓的增加载荷，可以达到保护刀具的目地。刀具切入工件时应尽量沿轮廓切向切入的方式缓缓的增加切削载荷，并保持恒定的载荷，切线式切入和螺旋式切入，以保持刀具轨迹光滑平顺，在Cimatron E系统中，有多种多样的进、退刀方式，如在走轮廓时，有轮廓的法向进、退刀，轮廓的切向进、退刀，以保证刀路轨迹的平滑；有对曲面法向的进、退刀，曲面正向与反向的进、退刀和斜向或螺旋式进、退刀等。在实际加工中，最好采用曲面的切向进刀或螺旋式进刀。

2 Cimatron E光滑的移刀方式

移刀方式主要是指行切中的行间移刀，环切中的环间移刀，等高加工的层间移刀等。高速加工中，采用的切削用量都很小(侧向切削用量和深度切削用量很小)，通常加工在扫描路径之间采用简单的环型刀具路径可以适当缓解拐角处进给量的变化。但是，进给速度较高时，这种简单的环型运动仍然太突然。在这种情况下，CimatronE在扫描路径间采用“高尔夫球棒”式移刀则更为有效。在支持高速加工的CimatronE系统软件中则提供了非常丰富的移刀策略。如1）行切的向内空间圆环式、向外空间圆环式以及高尔夫球棒式连接光滑移刀2）在层间及环向的侧向移动有空间螺旋式移刀及以上的光滑连接方法使得在高速加工中刀轨没有尖角和突然变向的存在，让刀具保持恒定的进给和转速，让高速铣削功能变为现实，同时起到了保护机床、刀具的作用，延长了机床、刀具的寿命。

3 Cimatron E在拐角处生成圆弧过渡的刀轨

1）在拐角处增加光滑的回弧刀轨，极大的减少了加工拐角处的震动和冲击。

2）高速切削加工当拐角加工工件为内锐角时，刀具路径可采用圆角或圆弧走刀，并相应减小进给速度，这样在加工拐角时可以得到光滑的刀具轨迹，并可保持连续的高进给速度及加工过程的平稳性，拐角的残余量可通过再加工工序去除。

4 Cimatron E刀具载荷的分析与速率调整优化功能

高速铣削过程中由于各种随机因素的影响，往往需要随时调整机床进给速度和主轴转速等参数，使机床的加工处于合理状态。CimatronE在CAM方面具有优秀的、智能的毛坯残留知识，可以实现完整意义上的刀具载荷的分析与速率调整优化：1）基于切削体积：基于毛坯残留知识的加工使得系统能真正根据刀具当前的实际加工量―加工体积―进行载荷分析，而不是根据刀宽进行推测，增加了刀具载荷分析优化的科学性与准确性；2）基于切削角度：Cimatron不仅能根据毛坯状况进行速率调整优化，还可以根据刀具沿零件表面的运动角度进行优化－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）过载分层加工：Cimatron 载荷分析与优化技术还在余量过多的情况自动等量切削的处理方式，即对残留的过多毛坯自动分多层次进行加工。

5 毛坯残留知识使得Cimatron E具有优秀的最佳事前优化技术

高速精加工之前待加工余量越均匀越好，虽然采用事后的刀具载荷分析与优化可以避免由于待加工余量过大而可能导致崩刀等事故的发生或影响零件的表面加工质量，但不是最佳的处理方法。因为如果在零件的表面较多部位都余量较大，则应进行低速切削的部位就很多，这不仅影响了加工效率，而且加工后的表面质量也会受到很大的影响，特别在高速铣削加工中十分忌讳这种情况的出现，这样就谈不上高速加工了。而CimatronE的最佳事前优化技术在编程过程中提供了丰富的、全面的、有针对性的计算策略，使每一步的加工都为下一步的加工做好最佳的准备工作。这种技术的存在使得进行粗加工计算时，系统会在两层之间查找过多余量并对这些部分进行自动的层间再加工（采用逐次等高法，沿面光刀法等），从而使高速精加工之前得到一个余量非常均匀的、理想的零件表面。

6 Cimatron E基于斜率分析的一体化加工技术

1）斜率分析技术 科学的走刀方式应根据零件的实际形状对零件的不同部位选择不同的走刀方式。如传统编程时对较平坦的部位采用区域平面铣（如平行铣）较陡峭的应采用等高外形铣。Cimatron E能对零件实际形状特点进行分析与区别，从而根据零件特定部位特定形状采用特定加工方法（走也方式）的轨迹策略。

2）一体化加工 Cimatron E可面向零件的整个表面一体化分析与加工—使用一个功能既可进行不同区域的识别与特点分析，然后综合零件的不同区域，智能化的采用最优化、最快捷方式、对不同的区域采用不同的加工策略，同时保证不同加工区域间最佳的刀路连接及过渡优化，保证加工表面的质量。

7 Cimatron E领先的微加工技术

1）较好的处理导入曲面的缝隙，使其能适应高速加工

Cimatron E 支持在加工环境中实体曲面混合造型的功能，通常导入曲面模型质量并不理想，必须在在编程操作之前进行修复。一些小的孔或者缝隙可能导致刀路紊乱或刀路不适宜高速加工。针对这样的问题，Cimatron E的混合建模拥有“为制造而设计”的功能用来修复几何模型，通过各种曲面功能融合缝隙并变将曲面模型变成实体。

2）高转速高精度（微公差）小刀具加工工艺

为了获得以上要求，微铣削技术需要达到以下支持：100μm或更小的刀具、高速刀具外形比例（L/D）10或高达100，主轴转速高达150,000 r/min或更高，加工公差达0.1μm或更小 ，模具材料硬度到53 HRC ，微型模具铣削的精度＜ 5μm 曲面粗糙度＜0.2μm Ra 。

3）适应微小刀具对微小型腔粗加工及精加工之丰富的轨迹策略

Cimatron E使用了实体曲面混合建模技术，其ACIS 内核技术提供了高达1nm 的内部精度，为微铣削提供了技术保障。加工过程中通过应用高速切削（HSC）策略获得均匀一致刀路，并使用了毛坯残留知识防止断刀，以对微型型腔进行开粗。为了降低风险防止换刀过程中产生的不连续的微型曲面，Cimatron E 提供了多种加工策略。NC 策略中支持斜线或螺旋下刀保证刀具最大限度的光滑和连续地进入工件。

8 灵活的刀具倾角控制策略

CimatronE在5轴加工编程中强大的控制刀具倾角的功能及刀具半径补偿的能力确保了CimatronE 5轴数控加工编程性能，具体来说为了适应加工零件形状复杂性刀具倾角的控制方式如下：

1）刀轴沿曲面法向功能：利用刀具端刃加工曲面。

2）相对于切削方向倾斜 作用举例：加工叶片时，确保刀具是使用前倾角切削，避免刀尖切削（刀尖在主轴中心，理论切削速度为零，刀尖若在工件上移动相当于在工件上划动，加工效果不理想）。

3）根据角度倾斜：实际加工时刀轴和某一坐标轴成一定角度，可以避免刀尖加工零件上某些曲面。

4）以固定角度倾斜至轴：刀轴将以某一个坐标轴或直线通过设置的角度倾斜至面的法向。

5）绕轴倾斜：刀轴在面的法向基础上绕某一个坐标轴或者直线倾斜一定角度，前倾或者后倾

6）通过点倾斜：刀轴方向始终是从某一个点指向面上的点，点在面的上部。

应用曲例：通过足球外的一个点来控制刀轴，在足球表面挖沿曲线的曲面凹槽。

此外还有7）通过直线倾斜。8）通过曲线倾斜。9）从点向外倾斜。10）从曲线向外倾斜。11）对于叶轮切削的倾斜共11种丰富的刀具倾斜策略。

这些灵活的倾斜策略可以让CimatronE用户根据实际的零件的特点，灵活选择倾角策略以达到理想的加工效果。

此外CimatronE是将CAM与CAD高度紧密集成的软件，如在编程时还需做一些点、直线、曲线、曲面（用于控制刀轴及干涉检查等等），CimatronE 5轴CAM环境中内置有CAD功能，可以帮助编程者很好的完成相关设计工作，不像其它软件不能把CAD功能集成在CAM环境下，在编程时显得十分麻烦，这也是CimatronE 5轴倾角策略灵活的一个主要原因。

9 Cimatron E适应高速加工的NURBS插补选项

1）传统的直线插补和圆弧插补缺点如下：

（1）由于用直线逼近曲线本身是用直线代替曲线，逼近后的线是一阶的，导矢不连续，所以加工表面不光滑。

（2）在曲线的加工过程中，如果在直线部分不进行加减速，那么就要求在较低的速度下进行加工，这样就不能满足高速加工的要求。并且由于直线段的一阶不连续，在加工过程中会造成机床的冲击，不能保证加工的质量和精度要求。如果在曲线的加工过程中，对直线段部分的每一段直线进行加减速，会造成加工速度的不平衡，加工的质量差，时间长。

（3）大量的直线段或圆弧段将会增加加工速度的变化和曲线的加工时间，这样将会降低曲线的平均加工速率，降低加工效率。

（4）具有复杂曲面形状的零件的加工，需要存储的程序段数非常庞大，而CNC系统的内存容量相对较小，因此需要分段存储和调用，这不仅会降低系统的可靠性，也会降低加工效率。

2）为了克服上述传统插补方式之缺陷，CimatronE增加了NURBS选项

CimatronE支持的NURBS曲线（非均匀有理B样条曲线）是被STEP国际标准规定为CAD/CAM曲线曲面造型、计算机图形学等领域的标准形式，用它描述的曲线、曲面整体十分光滑（连续1阶微分，2阶微分），而且可以将圆、椭圆、抛物线、双曲线、圆锥曲线等统一表示，另外用NURBS表示的曲线/曲面可以方便地实现曲线/曲面的局部变更：在修改曲线（或曲面）的一部分时不会对其他部分带来影响。用NURBS曲线表达的NC后置程序小，产生的加工精度高、加工时间比普通插补方法的时间短，也更适合于高速铣削。

采用NURBS插补时是用一系列曲线运动而不是大量的直线运动来进行精加工，这样极大的减少了过程控制，因而加工速度进一步提高；由于每一段NURBS运动更长，机床控制器在执行程序时就能向前看得更远，使得路径设计和进给速度设置更加智能化。

3）其次，CimatronE在计算刀位轨迹连接时具有光滑处理的策略。相比直线插补路径NURBS插补路径速度调整要少很多，产生更适合高速加工的NURBS曲线控制代码。

4）需注意的是不是所有的CNC机床都能接收样条信息及生成样条曲线轮廓，在只有直线插补和圆弧插补功能的数控系统上实现自由曲线和曲面加工时，只有将自由曲线和曲面用微小的直线段或圆弧段来代替，由此产生了上述不足。

目前一些先进的数控系统如FANUC/16i/18i/160及SIEMEN等已具备了非均匀有理样条插补功能。

10 结论

在高速加工日益普及的今天，各CAM系统的高速加工编程功能不断改进；本文是在运用CimatronE大量实际生产加工的基础上归纳和总结了其相关编程功能，发现该软件相比其它CAM软件在高速加工方面有一定的独特之处；CimatronE为适应高速加工作了较多设计并在不断改进完善，CimatronE具备为企业提升产品加工质量及缩短产品制造周期的内在优秀功能。

[1]王卫兵.高速加工数控编程技术[M].机械工业出版社,2008：95-100.

[2]赖新建,曾昭孟,何华妹.CimatronE多轴数控加工编程基础[M].人民邮电出版社,2009：69-174.

[3]于作功,张建柱.CimatronE8中文版数控加工[M].人民邮电出版社,2009：134-169.

[4]马方魁,郇极.数控机床曲线插补运动误差分析[J].中国机械工程,2008：2446-2449.

[5]杨敏.基于Cimatron模具高速加工编程及应用研究[J].应用科学,2010(16)：139-140.