数控加工技术及设备

数控加工技术及设备1、CAM（计算机辅助制造）技术的历史与发展计算几何理论的不断完善和数控技术的不断更新是CAM技术持续发展的物质基础，工业界对数控加工技术不断提出需求是CAM技术发展的原动力，CAM软件厂商之间的激烈竞争是CAM技术发展的催化剂。CAM技术从诞生到现在，可以划分为三个阶段：1.1、加工质量稳定、加工精度高。最早出现的CAM软件是50年代开发的平面编程系统，60年代发展到具有曲面编程能力的系统，80年代出现了具有图形交互的雕塑曲面编程能力的系统。在数控机床和数控技术出现以前，同一套图纸，在不同的加工车间，产品表面质量差异大，即使是同一个工人，加工相同的零件，其质量也不尽相同。当加工曲线、曲面以及精密孔时，对加工精度的要求就更加迫切了。有了数控机床，加工同一种零件，使用同一段数控代码，加工质量稳定。后来，发展了曲面造型技术，人们设计产品，不再仅仅满足产品的功能需求，开始追求产品的外观和更好的性能，大量使用复杂曲面进行产品设计。因此，产品的加工精度被提到首要地位。1.2、加工效率高、产品更新换代快。产品生产的趋势是多品种、小批量，制造业的目标是降低成本、提高质量、缩短制造周期。对制造业，尤其是对模具加工业来说，就是要在保证模具加工精度的前提下，充分利用数控机床的性能，提高加工效率，缩短加工时间，保证产品及时上市。为满足高效率的需求，出现了三轴、四轴、五轴甚至更多联动轴的机床。CAM技术也随之发展。各软件厂商纷纷推出多轴数控加工系统。近年来，绝大多数关于NC的文章都是围绕多轴刀具轨迹生成和干涉检查与修正展开讨论的。这是CAM技术发展的第二个阶段。1.3、加工的信息化、集成化和智能化。在现代社会生产领域中，计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助分析（CAE）、计算机辅助质量管理（CAQ）以及将他们有机集成起来的计算机集成制造（CIM）已经成为企业科技进步和实现现代化的标志]。制造业的信息化是大势所趋。加工的智能化越来越被人们所重视。加工的智能化表现在CAM系统自动生成产品的所有加工阶段的加工代码且自动判断曲面自身的过切和装卡具及机床的碰撞；自动生成所有加工阶段的工序单和工艺单。当生产管理以并行工程的模式组织时，产品设计的修改是随时可能发生的。智能加工系统要实时跟踪产品的设计变化，从而产生相应的刀具轨迹及工艺工序报表。智能加工时当前研究的热点。制造是产品生产的基本环节，制造业的发展水平影响了产品制造的品质和效率。制造设备的数控化是现代制造业的基本标志。如何发挥数控设备特别是数控铣加工设备的效率是摆在制造业面前的一个重要课题。2、当前制造技术领域动向2.1、先进制造技术2.1.1、新的企业生产管理方式经济与科技的发展使制造全球化、信息化，从而改变了制造业的传统观念和生产组织方式。出现了精益生产、敏捷制造、智能制造、虚拟制造、虚拟企业等先进的管理方式和生产方式。新的生产方式的特点：以技术为中心向以人为中心转移。从金字塔式的多层次生产管理结构向扁平的网络结构转变。从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变。从按功能划分部门的固定组织形式向动态的、自主管理的小组工作组织转变。从符合性质量观向满意性质量观转变。2.1.2、绿色制造技术全球环境日趋恶化，自然资源越来越匮乏。地球南极上空的臭氧空洞警示人类，绿色制造是人类可持续发展的必然选择。“生态工厂”和“绿色生产力”等概念和口号以被人们认同。目前，日本将绿色制造作为重点研究技术，投巨资建立试验工厂。香港也在积极推行ISO4000国际环保标准、绿色产品标志及绿色奖励计划，培训清洁生产人才。我国大陆人口众多，资源相对匮乏，环境污染严重，绿色制造技术是我国生产力健康发展的必由之路。2.1.3、快速制造技术市场的激烈竞争产生了快速制造技术，出现了很多新的概念和研究领域。最为典型的是并行工程和快速原型制造技术。并行工程：在产品设计阶段同时进行工艺过程设计，考虑产品整个寿命周期的所有因素，从而大大缩短产品投放市场的时间。快速原型制造技术：利用三维CAD数据，将一层层的材料堆砌成实物模型，这种技术可大大缩短产品开发周期，给制造也带来根本性变化。2.1.4、虚拟制造技术[5]虚拟制造技术是以计算机支持的仿真技术为前提，对设计、加工、装配等工序统一建模，形成虚拟的环境、虚拟的过程、虚拟的产品、虚拟的企业。虚拟制造技术主要包括：（1）虚拟环境技术，（2）虚拟设计技术，（3）加工和装配过程的模拟、仿真技术。虚拟制造技术实际上是一种软技术，其中，产品建模、数据共享和过程仿真是虚拟制造技术的基础。2.2、加工过程规律的研究2.2.1、物理规律刀具的切削过程是非常复杂的，影响因素很多。在铣削加工时，刀具材料性能、刀具类型、刀具几何参数、切削速度、切削深度和进给量等都影响着切削力，从而影响整个工艺系统的变形，最终影响加工精度。为此，需建立相应的几何模型和力学模型，探索简化的加工精度与工件材料性能、刀具参数、切削用量的关系。当前，美国在这方面开展的研究工作较多。在国外，美国和日本在此方面的研究较早，美国的NewHampshire大学的研究较为深入和系统，发表了多篇论文[7][8][9]。研究主要集中在对三轴到五轴加工受力分析上，最近已将切削力分析的结果用于进给量的自动计算。在西雅图召开的1997美国科学基金会设计与制造领域受资助者会议上，Fussell和Jerarel介绍了他们的研究项目FeedrateSelectionforNCMachiningBasedonPartTolerance，但尚未在商品化CAD/CAM系统中得到应用。另外，刀具在切削时，会有微量磨损，在刀具还未完全报废的使用过程中，利用传感器，及时向电脑程序传输刀具磨损程度、切削区温度变化，从而适时微量调整刀具轨迹的偏置量和切削速度。达到在切削过程中稳定的切削质量控制。对刀具切削过程的物理规律研究，费用高，需要高校、研究所、工厂甚至国家共同参与。相信在不久的将来，有关刀具切削过程的研究将会取得重大进展。2.2.2、几何规律2.2.2.1、轨迹生成智能化现代的CAM软件系统，生成轨迹的方式多种多样，名目繁多，各软件系统术语不统一，掌握起来存在困难。工程师们希望给定毛坯和一系列刀具，给定工件材料和待加工轮廓或曲面，能自动生成粗加工、半精加工、精加工、清根轨迹，改变设计面和加工条件，自动更新刀具所有工序的刀具轨迹，即自动编程技术。要求轨迹是高效率的，且在任何位置不发生干涉和碰撞。2.2.2.2、五轴加工五轴加工的轨迹生成是国内外研究的重点。从切削效果讲，五轴加工有很多优点，一是切削效率高，二是加工后工件表面精度高，三是可以减少手工打磨量。Vickers和Quan指出，五轴加工比三轴加工可以提高10-20%的生产率。五轴加工的难点是干涉判断困难，因为刀轴实时在变化。五轴加工分为端铣和侧铣。侧铣加工是刀具侧刃与工件表面接触的加工方式，在几何形体的精密加工中有广泛的应用。端铣加工是端刀边缘与工件表面接触的加工方式，加工雕塑曲面一般用端铣加工。关于五轴加工刀具轨迹生成和刀具干涉等问题，很多学者作了大量研究。Jensen和Anderson引入“局部曲率特性”来计算刀轴定位。Jensen的方法对全局干涉检查作用不大，但可以作为计算刀位点的迭代初始点。Lee引入“瞬间切削轮廓”的概念，以此计算有效刀具半径，然后根据刀具有效半径和当前刀具就可计算刀轴的偏置角。Choi计算五轴刀具轨迹的方法[2]简述为：（1）离散曲面成三角片集，（2）利用竖直平面和三角片集求交得计算刀触点，（3）以刀触点为原点，加工方向和刀触点发矢所在平面为刀位点平面，计算刀位点，（4）干涉检查，修正刀轴矢量。2.2.2.3、高速加工近年来，人们逐渐认识到高速切削是提高加工效率的关键技术。高速切削指在主轴转速很高、切削速度很快、切削厚度很小条件下进行数控加工，消除毛坯多余材料完成零件成型的过程。高速加工在航空航天中首先得到广泛应用，因为其多数零件是从原材料中切除80%的多余材料的加工。如今，汽车工业和模具工业也越来越多采用高速加工。例如用小直径立铣刀对模具型腔进行高速铣削，因为效率高，精度高，表面光洁，故可省去后续的电加工和手工研磨等工序，大大加快了新产品的开发周期。通常，高速切削机床主轴旋转速度为10000~40000rpm，刀具切削速度为50m/min，每层切削厚度应介于0.3-0.5mm之间。这种条件下，刀具切削时对刀具轨迹的平滑性要求很严，以保证刀具移动时的平稳性和安全性，同时提高产品的表面质量。高速切削刀具轨迹除了满足高精度、高效率和计算稳定之外，还必须满足如下特征：（1）不能碰撞任何工件、装卡具等。（2）轨迹必须水平。（3）进给速度随着轨迹的弯曲变化实时调整。（4）刀具轨迹必须平滑。（5）加工之前必须仿真。3、流行的CAM系统介绍Unigraphics是高档CAM软件的代表。其加工方式完备，计算准确，实用性强，是航空、汽车、造船行业的首选CAM软件。CIMATRON90是中档CAM软件的代表。该软件产自以色列。其实用性强，也是航空、汽车、电子、模具行业的广泛应用的CAM软件。MasterCAM是低档CAM软件的代表。主要应用在中小企业的模具行业。CAXA-ME是国内CAM软件的代表。主要面向中小企业。工业界对CAM软件的新需求4.1、支持虚拟企业生产组织方式以美国PTC公司的Pro/Engineer为代表的CAD系统，基本上反映了当前CAD技术的现状。以参数化特征技术为基础的零件设计、变量几何为基础的总体设计的CAD系统逐渐走向成熟和繁荣。Pro/Engineer，UG，CATIA等高档产品Cimatron，Solidwork，Solidedge等中低档产品竞争异常激烈，国内的多家CAD软件厂商也正处于紧锣密鼓的开发之中，如CAXA、华中、浙大大天、高华、金银花等。可以说，CAD系统和市场逐渐稳定。同样，为制造业服务的CAM技术也随之发展和变化。由于市场的国际化，全球竞争要求产品的制造过程具有高速度和低成本。产品更新的速度越来越快，市场需求朝着小批量、个性化方向发展。传统的小而全的企业模式已越来越丧失竞争力，各种形式的合作开发、生产和销售方式应运而生。因此，异地设计、异地编程、异地加工越来越被众多企业采用。虚拟制造技术也应运而生。虚拟技术是应用计算机技术，对产品的设计、加工、装配等工序统一建模，形成虚拟的的生产过程，从而产生了虚拟的产品、虚拟的企业。虚拟制造技术使得厂家可以在不同的城市甚至不同的国家通过Internet/Intranet进行设计、加工，共享同一产品模型，从而大大提高效率，降低成本。由于产品设计、造型工作由多个厂家协同完成，而各个厂商由于不同的国家标准、使用习惯、员工素质、企业模式等原因，采用的软件工具千差万别，有工作站版的，有微机版的。因此，要求各企业之间能够交换和共享数据。采用的数据交换包括国际标准STEP以及事实上的行业标准，如IGES，DXF，VDA，SAT等。因此，需要软件支持国际标准和事实行业标准，能接收来自任何系统的CAD数据。4.2、支持采用数控机床进行标准化加工。企业追求产品的质量，在有了CAD/CAE/CAM工具的条件下，生产组织管理就是关键了。加工的标准化是生产组织管理的重要一环。粗加工、半精加工、精加工，各工序的加工余量、加工速度、切削量都有严格的规定。CAM软件要能以有效的方式支持加工的标准化。4.3、支持智能化加工CAM技术及系统在完成了对复杂曲面按精度无干涉加工以后，人们希望CAM系统能做更多的事情。当今所有的CAM系统，都得依靠编程工程师按照一定得步骤，生成刀具轨迹。刀具轨迹的干涉与否，与工程师对软件的熟练程度和认真程度有关，CAM系统不允许工程师犯任何小错误，否则，刀具轨迹很可能出现干涉现象。即使出现了干涉，系统也不会自动提示。工程师希望所有的刀具轨迹都是正确且优化的。当前，CAM软件功能越来越复杂、掌握起来很困难。例如有的软件，仅粗加工一项就有十几种方法。工程师需要理解软件厂商设置的每个功能，更重要的，理