直紋面加工編程軟件

       在我之前的文章“智能制造時代的水射流切割：第一部分柔性刀具控制系統(tǒng)”中，我分享了本人對柔性刀具控制系統(tǒng)的理解，該柔性刀具控制系統(tǒng)解決了刀具變形引起的幾何誤差問題。換言之，它處理的問題是一個切削工具本來應(yīng)該有一條直線的形態(tài)，但事實上，它又不是那么直，并因此帶來加工誤差，柔性刀具控制系統(tǒng)可以控制和補償這些誤差。本文將討論線形切割刀具加工編程的其他問題。

       我以一個例子開始這個話題。圖1顯示了飛機發(fā)動機葉輪部件的局部模型，該葉輪是由鈦合金鍛造坯料加工而成的。由于采用傳統(tǒng)的數(shù)控機床進行所有的加工工作是極其昂貴和耗時的，一個較好的解決方案是采用水射流切割進行粗加工，然后采用傳統(tǒng)的數(shù)控加工或電化學(xué)加工來完成零件所需的幾何形狀、尺寸和精度。然而，水射流是一種線形刀具，理論上，它只能切割直紋面。根據(jù)定義，直紋面是由移動的直線生成的曲面，其結(jié)果是通過曲面上的每個點可以畫出一條完全位于曲面中的直線。如果你近距離觀察的話，你會發(fā)現(xiàn)圖1所示的三維模型葉片表面是自由曲面（中間葉片除外），而不是直紋面。為了使用三維CAM軟件產(chǎn)品進行水切割加工編程，必須將葉片三維模型修改為加工面為直紋面的葉片模型（如圖1中間的葉片模型）。對于一個工程師來說，要想設(shè)計出一個符合要求的直紋面葉片模型是一個巨大的挑戰(zhàn)，該模型應(yīng)該包絡(luò)原始葉片，并且應(yīng)該與原始葉片具有盡量小的誤差，以便減少后續(xù)加工工序的加工余量。如果三維CAM軟件能自動生成這種帶有直紋面的包絡(luò)模型，這是不是太好了？是的。我將介紹的一個三維CAM軟件產(chǎn)品可以做到這一點。

圖1飛機發(fā)動機零件的三維模型

       水射流并不是唯一的線形刀具，激光、等離子弧和線切割也屬于線形刀具的一類，它們有以下共同特點：

       切削刀具有直線的形狀。一個明顯的例子是線切割，因為它使用鉬絲作為刀具。對于水射流、激光和等離子弧切割，這個線形刀具實際上是一種具備直線形態(tài)的高能束切割刀具。

       切削過程采用輪廓成形的形式。刀具在沿著切削路徑移動時在材料中產(chǎn)生切縫，刀具本身的材料去除量小，但由切割輪廓形成的材料去除量可以非常大，加工效率可以非常高。

       切削刀具必須穿過工件，不能在深度方向做進給加工，不能做沉孔加工。

       切割通常是一次性進給加工，不像銑削加工通常需要多次進給，線形刀具通常無法通過多次進給加工改變工件的切削     質(zhì)量和精度，所以如何能夠在單次切割加工中獲得想要的切削質(zhì)量和精度顯得尤為重要。

       在工件輪廓的入口和出口處引入和引出切割是必要的。在切割輪廓之前，刀具需要穿透工件。穿透操作可以使用切割工具本身（如所有高能束切割過程）或使用不同的穿透工具（如電火花線切割）。穿透操作產(chǎn)生的孔通常比線形刀具本身的直徑大，因此不能在加工路徑上穿孔，穿孔通常放置在零件外部靠近切削路徑的地方，然后刀具從穿透孔導(dǎo)入輪廓。切出與切入正好相反。

       刀具是柔性的，在切割過程中會變形，與剛性刀具（如銑刀）不一樣。所有高能束切割刀具在工件底部都會向后彎曲，切縫通常有錐度（比如，切縫寬度隨深度而減小）。電火花線切割中的鉬絲在工件厚度的中間位置向后彎曲成弓形。柔性刀具的變形會造成工件的各種幾何誤差。

      主流的三維CAM軟件產(chǎn)品主要關(guān)注傳統(tǒng)的數(shù)控加工，特別是銑削和車削，很少關(guān)注上述線形刀具。因此，如果使用三維CAM軟件的主流產(chǎn)品做線形刀具的加工編程，就會發(fā)現(xiàn)這些三維CAM產(chǎn)品無法獲得預(yù)期的效果。當零件的三維模型包含非直紋面時，這些三維CAM產(chǎn)品缺乏自動構(gòu)建替代直紋面的解決方案，對于柔性刀具變形所引起的問題，這些三維CAM產(chǎn)品就更是束手無策了，它們對于傳統(tǒng)的數(shù)控加工可能有許多強大的功能特點，比如，無規(guī)則形狀多次進給的空間加工軌跡的規(guī)劃和優(yōu)化，但這些功能特點對線形刀具可能毫無用處，甚至成為一種額外成本的負擔。

       本文所介紹的三維CAM軟件產(chǎn)品是專門為線形刀具和柔性刀具設(shè)計的，它不僅解決了上述問題，并提供了更多有實用意義的功能特點。

       讓我們看看當零件的三維模型包含非直紋面時，它是如何解決加工編程問題的。軟件會根據(jù)直紋面的標準自動檢查加工曲面，如果不符合標準，軟件將自動生成替代直紋面并將其構(gòu)建到切割程序中，用戶還可以檢查生成的直紋面和原始曲面之間的誤差。對于圖1所示的發(fā)動機葉片，圖2顯示了該三維CAM軟件自動生成的兩個包夾住葉片的直紋面（黃色），直紋面和原始曲面之間的誤差分布如圖3所示。

圖2自動生成的替代直紋面（黃色）

圖3直紋面與原始曲面之間的誤差分布圖

       直紋面切割的另一個例子是圖4所示的俗稱“天圓地方”的零件，該三維CAM軟件成功地生成了該零件的直紋面（黃色）加工程序。

圖4切割“天圓地方”零件的直紋面加工程序

       由于線形刀具需要切入/切出，該軟件自動添加切入/切出功能，并自動生成完整的三維切割路徑。在切割路徑中，內(nèi)部輪廓安排在外部輪廓之前切割，以便在切割程序完成之前避免零件處于不固定的情況。切割路徑與零件表面保持一個固定的偏移距離（例如，刀具半徑），以便零件尺寸不受刀具直徑的影響。這個完整的三維切割路徑由快進線、切入/切出操作和所有切割加工面組成，如圖5所示。

圖5自動生成的切割路徑

       該軟件允許設(shè)置線形刀具在整個切割路徑上始終垂直于零件上表面，例如，設(shè)置線形刀具（用紅色箭頭表示）垂直于圓柱面，在圓管表面切割五角星圖形（圖6），還允許設(shè)置線形刀具始終平行于某一矢量方向，例如，設(shè)置線形刀具（用紅色箭頭表示）始終平行于圓管接頭的相貫軸線（藍色），用于切割加工圖7中圓形通孔。

圖6在圓管上切下的五角星

圖7在管接頭上切割相貫圓形通孔

       在某些情況下，加工零件的復(fù)雜性需要多次切割來達到工件的幾何形狀和尺寸要求。例如，圖8所示的零件有這些不規(guī)則的孔，在孔的一側(cè)，切削表面由上加工面和下加工面組成，多次加工的解決方案是：在第一道工序中切割下加工面后，然后在第二道工序中切割上加工面，如圖8右側(cè)的示意圖所示。該軟件使這種多次切割編程變得簡單易行。

圖8加工這個不規(guī)則的孔需要多次切割

       為了進一步簡化編程，圖8所示的單個孔的多次切割程序可以自動復(fù)制到整個零件的圓形陣列，免除用戶重復(fù)操作，當然，該軟件也允許對切割程序進行線性陣列復(fù)制，如圖9所示。

圖9可以將切割程序復(fù)制成線性陣列

       此軟件允許用戶為每個切割表面指定特定的質(zhì)量級別（例如，水切割采用切割質(zhì)量從低到高的1到5級），然后軟件自動根據(jù)工件材料、質(zhì)量級別和射流參數(shù)等工藝數(shù)據(jù)，利用配套軟件中的切削模型，計算出最佳切割速度和補償角（用于修正錐度和其他幾何誤差），然后將最佳切割速度和補償角度編程到最終的五軸機床數(shù)控加工程序中。

       編程完成后，可以在軟件中預(yù)演該程序，以檢查準確性和可能發(fā)生的碰撞，如有必要，可以修改程序。切割前，程序應(yīng)在不打開切割刀具（如水切割噴嘴）的情況下在機器上進行物理預(yù)演。由于實際工件與三維模型有細節(jié)的差異，所以切割程序常常需要進行一些微調(diào)。該軟件提供了簡單方便的工具，可以對切削軌跡上一系列編程加工點以及線形刀具角度甚至加工速度進行批量調(diào)整。下面是這個工具一個實際應(yīng)用的案例。在圖1中，我們可以看到葉片上沿低于材料毛坯的頂面，如果在葉片或所生成的替代直紋面上進行編程，切割刀具將會與材料毛坯的頂面碰撞。使用該軟件工具將切割路徑上的所有點沿著直紋面母線延伸至與材料毛坯的頂面對齊（見圖10），這個問題就可以解決了。這個對加工刀具路徑做批量調(diào)整的功能對機器人離線加工編程尤為重要。

圖10切割路徑上的所有點延伸到與材料毛坯的頂面對齊

       該直紋面切割軟件的應(yīng)用范圍在不斷擴大，軟件產(chǎn)品也在不斷開發(fā)和改進之中。該軟件最初是為三維水射流切割而開發(fā)的，但它稍加開發(fā)，也可以用于其他線形刀具（激光、等離子弧、線切割等）的切割加工。

       本文討論了用線形刀具進行直紋面切割的問題，所介紹的三維CAM軟件產(chǎn)品可以對非直紋面的加工面自動生成替代直紋面，可以自動生成線性刀具切割輪廓時所需的切入切出并對整個切割路徑進行自動規(guī)劃和優(yōu)化，可以設(shè)置線性刀具垂直于工件上表面或平行于某一直線，可以對工件進行變角度多次切割，可以把局部加工程序進行圓形或線性陣列復(fù)制，可以對不同加工表面設(shè)置不同質(zhì)量等級，可以在加工路徑各處自動配置最佳切割速度和線性刀具補償角（用于修正錐度和其他幾何誤差）并編程到最終的五軸機床數(shù)控加工程序中，可以對加工程序進行仿真預(yù)演和碰撞檢測，可以對加工軌跡上線形刀具位置和角度甚至加工速度進行批量調(diào)整。

       由于作者的局限性，讀者對本文有疑問在所難免，這里介紹的三維CAM軟件也不是一個全能的解決方案，作者希望更多的人對這個話題感興趣，并希望能聽到他們的觀點和見解。作者真誠地歡迎反饋、更正和討論，本人的郵箱地址是：zengjiyue@lionstek.com。