Cimatron 软件在型腔模具高速加工中的应用

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高速加工技术是当今机械制造业中迅速发展的高新技术，广泛的应用到模具制造中，能极大地提高模具加工效率和质量。从高速加工的特点出发，论述了Cimatron 软件的一般编程过程，分析了该软件的高速加工功能及走刀策略，归纳了型腔模数控加工的常用方法     模具作为新产品生产的关键工装，其设计与生产日益成为新产品开发周期的决定因素。随着数控加工设备与高性能加工刀具技术发展的日益成熟，高速加工技术应用到模具制造中，能极大地提高模具加工速度，减少加工工序，缩短甚至消除了钳工修复工作，从而大大地缩短了模具的生产周期。高速加工有着不同于传统加工的特殊的加工工艺要求，而数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程，故应用于高速加工的数控自动编程系统———CAM 系统必须能够满足相应的特殊要求：（a）CAM 系统应具有很高的计算编程速度；（b）全程自动防过切处理能力及自动刀柄干涉检查；（c）提供符合高速加工要求的丰富的加工策略；（d）进给率优化处理功能。
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- z$ E& N- x- e, \8 m5 r% M6 Z    Cimatron 是一套面式模具制造业的优秀CAD/CAM 软件，不仅提供了完整的造型设计、制图、分析及加工编程功能，而且对型腔模具的整个制造过程，可提供一个理想的解决方案，尤其是其应用了原创的基于知识的加工、自动化NC 和基于毛坯残留知识三大技术为基础的智能NC［1］，使其成为当今最为理想的型腔模高速编程软件之一。以下结合Cimatron 在实际加工中的应用，介绍其编程过程及对型腔模高速加工方法和策略。
. D6 \# i9 ^. u+ Y0 P* v1 s2 Y    1 Cimatron 加工编程过程
   
    1.1 建立模型
   
    可以直接通过Cimatron 进行产品的造型，也可以用其它的CAD 软件通过IGES 标准格式转换
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    成为Cimatron 的模型格式。具体的操作过程是：在Cimatron 的DataInteface 模块中选择application———IGES———read，在input 栏中选择igs 文件，按下Execute 即完成零件模型格式的转换。
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$ l8 J  D. f* L- d0 P# Y* b    1.2 建立加工坐标系
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% ~: p6 F( b) t) z    进入Cimatron 环境，打开零件模型，选择NC加工菜单，系统提示选择一个加工坐标系，如果不存在就要建立一个加工坐标系。Cimatron 提供4种方法建立加工坐标系，通常采用三点定位的方式。建立加工坐标系一定要以合理的零件装夹方式、方便测量为原则。一般取零件上表面的中心点为加工坐标系的原点。
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    1.3 刀具设定
   
- P: q; a: _7 D  R: h$ ~    在Cimatron 中刀具定义非常灵活，选择了一个加工过程，系统会自动判断刀具库中有没有符合要求的刀具，如果有系统就默认使用上一次用过的刀具；如果没有系统就自动显示刀具定义菜单，要求定义刀具参数。
   
    1.4 工步编辑
   
    在工步编辑过程中，要求确定哪些特征能在一次装夹中完成，并安排加工顺序及使用的刀具，最后确定使用何种加工方式来分别完成这些工步。选择了一种加工方式，需要定义加工对象、加工范围以及加工参数（如转速、进给量、每层的切削量、加工余量、进刀方式和安全平面等）。
   
    每一工步各种参数定义完后，由软件完成刀具运动轨迹的计算，并可进行加工仿真。当轨迹不理想时，可重新修改参数并进行计算。在某些情况下，直接对轨迹进行编程也能取得良好效果。
   
9 p' M) r4 ]+ S$ K2 E    1.5 后置处理
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    所有工步的刀具轨迹生成后，通过专用的后置处理程序，转为加工G 代码。
, Q, h, ~. [0 E( P    2 Cimatron 高速加工模块剖析及走刀策略
   
7 a) ~7 A9 \1 ]; X% x5 `0 h/ L    高速加工中心具有预览功能，在刀具需要急速转弯时加工中心会提前预减速，在完成转弯后再提高运动速度。机床的这一功能主要是为避免惯性冲击过大，从而导致惯性过切或机床主轴损坏而设置的。在使用Cimatron 的CAM 系统进行数控编程时，要尽可能保证刀具运动轨迹的光滑与平稳。另外，在高速加工中，刀具的运动速度很高，采用的刀具通常很小，因此要求在加工过程中保持固定的刀具载荷，避免刀具过载损坏机床主轴。Cimatron 提供了多种加工方法和移刀方式。
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    （a）轮廓的螺旋线加工。螺旋式加工是沿着封闭的轮廓向下做螺旋切削，中间没有进退刀，切削过程持续恒定。从工序模式管理表单击CREATE-MILL-USR 单击右键后，点击NC 文件夹中的helicprf. dll，定义参数可产生螺旋刀路（图1）

                            图1  螺旋走刀(Spiral cut)
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0 ]& O6 X% M- {3 s9 U4 u1 n- O( a    （b）摆线轮廓加工［2］。当选择Profile（轮廓）加工在工艺参数界面内会推荐选用TROCHOID 高速走刀。选用这种方式的优点是：能确保机床以最具挑战性的工艺参数去除毛坯材料，从而提高机床的切削效率。它适用于高硬材料（HRC50 以上）的窄槽和型腔加工（如图2）。

图2  摆线走刀(Trochoidai movement)
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   （c）独特移刀策略的曲面型腔加工。工序模式选择曲面型腔SRFPKT，其工艺参数界面内会提供一个HSM BET. PASSES ON/OFF 开关，选ON 且选定ROugH 或ROUGH + FINISH 及PARALLELCUT 时，界面会弹出LOOPS INWARDS/LOOPSOUTWARDS/GOLFCLUB 三种移刀策略（如图3）；选SPIRAL CUT，界面会弹出ALL CORNER：ROUND/LOOP（如图4）。这种刀路能实现刀轨边角的光滑过渡，确保机床在移刀过程中刀具恒速进给，从而有效减缓机床振动、避免刀具干涉等现象的发生。

图3  内部圆弧过渡移刀(Inwards tangengial link)

图4  环间过渡移刀(Arc fit rapid moves)
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   （d）基于知识的等高（WCUT）加工。WCUT 的工艺参数序界面中，在ROUGH 和ROUGH + FINISH状态下，选用WITHSTOCK 和MIN. WIDTH 组合按钮，可以判断毛坯量并进行智能二次粗加工。
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5 a0 K( O5 i' k) A    在FINISH 状态下，选择HSM BETWEEN LAYERCONNECT YES/NO 中的YES 功能，则加工层与层之间采用NURBS 光滑连接（如图5）。其优点是待加工曲面的平坦区域与陡峭区域被自动识别，使精加工的余量更均匀，表面质量更高。

                 图5  层间NURBS过渡移到(Connect layer with nurbs)

/ X; q) l4 i" v+ z    3 Cimatron 型腔模高速加工的编程策略
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3 |) J) Z7 _' ^7 i    在型腔模零件三轴数控铣削加工中，从规则形状毛坯到精整处理前的零件加工，其铣削加工工艺一般分为粗加工、半精加工、精加工及清根加工［3］。
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) V5 M9 e/ Z4 w3 \2 V    粗加工可采用插削等加工方式，但是等高（WCUT）铣削具有高效的环绕切削走刀及智能化的进刀设置，同时具有独特的层间加工功能，因此是最常用的粗加工方法。
   
3 N: {: V, m. {, Y' [* }2 s" @    Cimatron 具有基于毛坯残留知识功能，能根据毛坯的情况来生成刀路。使用WCUT/ROUGH作为半精加工工序，并选择加工参数中的WITHSTOCK选项，可彻底消除空刀现象，而且刀具的切削载荷更合理，轨迹更流畅。精加工中SRFPKT 及WCUT/FINISH 最为常用，对于斜率接近于水平面的平坦面，采用SRFPKT工序进行沿面加工效果较好，而对斜率接近于垂直面的陡峭面一般采用WCUT/FINISH 工序加工效果较理想。

    4 结束语
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    随着高速铣削技术的不断普及，越来越多的企业已经在生产实践中开始应用该技术，编程是其中的一项关键性工作，也是一项创造性的工作。充分挖掘和使用 Cimatron 软件的高速加工编程技术，使模具产品以高质量、高效率、高寿命、低工期、低成本的姿态走向市场，争取更大的空间。