范紹平

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川 廣元 628040)

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基于PowerMILL Vortex旋風(fēng)銑與MachineDNA系統(tǒng)應(yīng)用研究*

范紹平

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川 廣元 628040)

旋風(fēng)銑Vortex是Delcam最新的高速區(qū)域清除加工策略，可用于2軸、3軸、定位五軸以及殘留加工。和傳統(tǒng)高速加工方法相比，可節(jié)省多達(dá)60%的加工時間。MachineDNA是Delcam的一項最新專利技術(shù)，它可捕捉單個機(jī)床的運(yùn)行特點(diǎn)和數(shù)據(jù)，并使用捕捉的數(shù)據(jù)來完善PowerMILL產(chǎn)生的刀具路徑[1]。旋風(fēng)銑Vortex與MachineDNA的結(jié)合使粗加工效率提升的同時，最大限度地發(fā)揮機(jī)床潛能，從而可在合理安全的切削條件下實現(xiàn)加工效率最大化。

高速加工；Vortex旋風(fēng)銑；MachineDNA加工效率；等體積切削

隨著制造業(yè)技術(shù)發(fā)展趨于成熟，在現(xiàn)有的技術(shù)水平上，產(chǎn)品的生產(chǎn)制造周期很難有質(zhì)的提升。數(shù)控加工作為產(chǎn)品生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，無論是模具的制造還是產(chǎn)品的機(jī)械加工，提升數(shù)控加工的效率與質(zhì)量已成為縮短制造周期的一種手段。

數(shù)控加工效率的提升總體來說分為兩方面:一是硬件，包括機(jī)床性能，刀具的質(zhì)量等；二是CAM軟件，包括程序的安全性，自動化程度，刀路合理性以及切削效率等。目前傳統(tǒng)的CAM軟件技術(shù)趨向于對象特征結(jié)構(gòu)體系，基于知識智能化系統(tǒng)以及更方便的復(fù)雜產(chǎn)品的編程實施手段等方面發(fā)展；傳統(tǒng)CAM軟件不具備基于機(jī)床運(yùn)動機(jī)理，自動調(diào)整NC程序參數(shù)的技術(shù)方法。根據(jù)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動機(jī)理，不同機(jī)床加減速參數(shù)，最大最小圓弧直徑，最小點(diǎn)響應(yīng)時間，最有效的擺線尺寸等參數(shù)各有不同。相同的NC程序在不同機(jī)床上，加工產(chǎn)品的效率，產(chǎn)品表面精度各有不同，無法實現(xiàn)加工效率及質(zhì)量的最優(yōu)化。

Delcam_PowerMIL最新的兩項專利技術(shù)Vortex旋風(fēng)銑以及MachineDNA系統(tǒng)完善的解決此類問題。本文通過對Delcam_PowerMILL中的Vortex和MachineDNA兩項獨(dú)有技術(shù)的應(yīng)用與研究，對機(jī)械加工效率與質(zhì)量的提高提供一種新的解決辦法。

1　什么是Vortex？

Vortex是針對整體硬質(zhì)合金刀具開發(fā)的一種革命性粗加工路徑算法。其可運(yùn)用在軟件的粗加工策略中。區(qū)別于傳統(tǒng)CAM軟件算法，應(yīng)用Vortex計算出來的路徑無論在工件任何區(qū)域，都能保證恒定的接觸角度和切削進(jìn)給。使整個加工過程在等體積，恒載荷理想的切削環(huán)境下進(jìn)行。

在傳統(tǒng)的CAM軟件編程中，在直線切削處，能保證切削最佳接觸角，但在切削凹角區(qū)域，刀具與工件的接觸角急劇增大，切削量與切削載荷隨之增大，切削熱增高,刀具磨損加劇(如圖1)。為了降低切削角增大對刀具及機(jī)床帶來的負(fù)面影響，常規(guī)的做法是降低整個刀路的切削走刀速度，直接導(dǎo)致加工效率降低。

Vortex旋風(fēng)銑路徑則是在凹角處使用擺線加工的方式，減小接觸角度，并保證接觸角度恒定，如圖2所示，實現(xiàn)等切削進(jìn)給，等體積，等載荷環(huán)境下的高速加工，使得加工效率顯著提高。恒定的切削接觸角度也保證切削熱在一個穩(wěn)定的范圍，避免切削量急劇增大，切削熱、切削載荷迅速增大對刀具壽命的損害[2]。同時，均衡的切削載荷也避免因刀具過載造成機(jī)床精度的影響。因此，在一些實驗中發(fā)現(xiàn)，使用Vortex旋風(fēng)銑算法生成的刀路，其下切步距可達(dá)2～3倍的刀具直徑，40%～50%的切削行距。與傳統(tǒng)的加工相比，最多可節(jié)省60%的加工時間。

2　什么是MachineDNA?

MachineDNA是一種可以捕捉單個機(jī)床的運(yùn)行特點(diǎn)和數(shù)據(jù)，并使用捕捉的數(shù)據(jù)來完善PowerMILL 產(chǎn)生的刀具路徑的機(jī)床數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

一般來說，企業(yè)中所使用的機(jī)床其型號、系統(tǒng)、新舊都有可能不同，其切削性能，運(yùn)行特點(diǎn)更不相同。這其中包括最大最小圓弧半徑、最小點(diǎn)響應(yīng)時間、加減速參數(shù)等。這也就要求CAM軟件編程時，需要針對不同機(jī)床，制定不同的加工參數(shù)。但在企業(yè)實際編程中很難實現(xiàn)，歸其原因主要有兩點(diǎn)：一是針對不同機(jī)床的具體切削數(shù)據(jù)很難把控，需要資深的CNC工程師嚴(yán)格制定；二是即使有針對機(jī)床的切削數(shù)據(jù)也很難在CAM編程時使用，需要修改的參數(shù)過于繁瑣，得不償失。

MachineDNA的出現(xiàn)完整地解決了此類難題。根據(jù)機(jī)床動力學(xué)結(jié)構(gòu)，在軟件中生成相應(yīng)的測試程序(如圖3)，機(jī)床運(yùn)行測試程序，并反饋一個結(jié)果文件。將結(jié)果文件導(dǎo)入MachineDNA系統(tǒng)，由系統(tǒng)自動分析機(jī)床運(yùn)行特點(diǎn)數(shù)據(jù)，并自動將分析結(jié)果放在仿真機(jī)床MTD文件中(如圖4)。PowerMILL軟件編程時，可將MTD文件加載進(jìn)去，軟件生成的路徑將按照相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化(包括合理的擺線半徑，最佳點(diǎn)分布等等)，使得NC程序完全適合相應(yīng)的機(jī)床加工，將機(jī)床潛能發(fā)揮最大值。

3　應(yīng)用案例分析

如圖5所示某船舶配件，材料為6082鋁合金，硬度90～95HB。規(guī)格為495 mm×140 mm×35 mm。分別采用大切深小步距、小切深大步距以及Vortex旋風(fēng)銑3種方法在臺灣崴立AA65立式加工中心上進(jìn)行粗加工測試。具體切削參數(shù)如表1所示。

表1

加工方式配件尺寸/(mm×mm×mm)刀具刀具型號直徑/mm圓角/mm下切步距/mm切削行距/mm主軸轉(zhuǎn)速/(r/min)切削進(jìn)給/(mm/min)大切深小步距小切深大步距Vortex旋風(fēng)銑496×140×35SGSCarbideScarb1633033000300011020003500304120006000

3.1MachineDNA編程

使用MachineDNA編程與傳統(tǒng)編程稍有不同。首先，定義測試機(jī)床的仿真機(jī)床MTD文件，PowerMILL中使用script語言定義各部件運(yùn)動與父子關(guān)系，可選用相似結(jié)構(gòu)的機(jī)床進(jìn)行相應(yīng)修改，得到所需MTD文件。然后，使用第一步中定義的仿真機(jī)床，生成相應(yīng)的測試程序，在機(jī)床上測試。最后，將測試完成后反饋的文件交予MachineDNA系統(tǒng)分析，得到具有當(dāng)前機(jī)床MachineDNA信息的MTD仿真機(jī)床文件，整個流程如圖6所示。

3.2加工結(jié)果分析

使用不同的加工方式，對產(chǎn)品加工的效率以及質(zhì)量有較大的影響。其影響主要表現(xiàn)在3個方面：加工效率、加工穩(wěn)定性和加工表面質(zhì)量。加工時間記錄如表2所示。

表2

加工方式加工時間/s大切深小步距1056小切深大步距1487Vortex旋風(fēng)銑433

(1)加工效率

比較表2加工時間可發(fā)現(xiàn)，使用Vortex旋風(fēng)銑能極大地提高工件的加工效率。相比于“大切深小步距”的加工方式，Vortex節(jié)省加工時間623 s，提高加工效率約59%。而相比于小切深大步距的加工方式，Vortex對加工效率的提升可高達(dá)70%。

(2)加工穩(wěn)定性

使用前兩種加工方式，在加工產(chǎn)品時，時常會產(chǎn)生一些尖銳、刺耳的刀具切削材料的聲音。出現(xiàn)這種聲音的地方一般在拐角區(qū)域，并伴隨著機(jī)床振動。表明在拐角區(qū)域，刀具存在過載現(xiàn)象。而使用Vortex旋風(fēng)銑切削音調(diào)恒定一致，機(jī)床穩(wěn)定無振動。另外，相比于前兩者，使用Vortex旋風(fēng)銑得到的切屑厚度和長度十分均勻(如圖7)，并且在整個加工過程中，切削進(jìn)給值保持在恒定值，機(jī)床幾乎沒有加減速。綜上幾種現(xiàn)象表明，Vortex旋風(fēng)銑切削時有較好的穩(wěn)定性，有助于保護(hù)機(jī)床與刀具。

(3)加工表面質(zhì)量

使用Vortex旋風(fēng)銑計算路徑時，導(dǎo)入MachineDNA測試機(jī)床所得到的數(shù)據(jù)。路徑自動計算最佳點(diǎn)分布值與擺長半徑等優(yōu)化參數(shù)。精加工時同樣使用MachineDNA，可得到比傳統(tǒng)加工更好的精加工表面質(zhì)量與精度(如圖8)。

4　結(jié)語

Vortex旋風(fēng)銑非常適合去除材料量較多類型的產(chǎn)品加工。在加工中刀具與工件始終保持在最佳的接觸角度，整個切削過程都在等體積、穩(wěn)載荷的環(huán)境下進(jìn)行。相比于傳統(tǒng)的加工方式，下切步距可達(dá)2～3倍的刀具直徑，將整體硬質(zhì)合金刀具的切削能力發(fā)揮極致。再結(jié)合MachineDNA反饋回來的機(jī)床參數(shù)，對程序進(jìn)行優(yōu)化處理。因此，使用Vortex旋風(fēng)銑與MachineDNA系統(tǒng)編制出的NC程序，可將CAM軟件、刀具和機(jī)床三者的潛能最大限度地釋放，使加工效率與質(zhì)量得到較大的提升，打破傳統(tǒng)加工所沒法實現(xiàn)的技術(shù)瓶頸。

[1]Delcam.“數(shù)字化先進(jìn)制造技術(shù)”系列解決方案[J].航空制造技術(shù),2013(8)：98-99.

[2]翟萬略．?dāng)?shù)控加工新技術(shù)MachineDNA應(yīng)用探討[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2014(1)：112-115.

(編輯李靜)

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Based on PowerMILL Vortex cyclone milling and MachineDNA system application research

FAN Shaoping

(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Sichuan Information Technology College, Guangyuan 628040, CHN)

Whirlwind milling Vortex is Delcam latest high-speed area clearance processing strategy, it can be used for two axis, three axis, positioning five axis and residue processing. Compared with traditional high speed machining method, can save up to 60% of the processing time. MachineDNA is a new patent technology of Delcam, it can capture a single machine tool’s operation characteristics and data, and using the capture data to improve the PowerMILL generated cutting tool path[1]. The combination of whirlwind milling Vortex and MachineDNA improves rough machining efficiency, and at the same time maximize potential of machine tool. Realize processing efficiency maximization under the reasonable safe cutting condition.

high speed machining; Vortex cyclone milling; MachineDNA processing efficiency;isovolume cutting

TG659

B

范紹平，男，1979年生，講師，主要從事數(shù)控制造技術(shù)的理論與應(yīng)用研究。

2015-11-12)

160422

*2014年四川省教育廳理工科重點(diǎn)項目(14ZA0359)