CAM編寫的須知與要領

刀具路徑的編寫須知與要領

  首先必須確實了解圖面和加工指示書的標示,並明確檢查CAD上的設計是否有問題(ex:缺少或破損的曲面、曲面間隙之間允許的公差及拔模倒勾的問題…等)。刀具路徑編程時,也須考量程式的優先加工順序與注意加工路徑的順逆銑方向。

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  銑削加工對於各種不同的結構零件粗銑或精銑大都是以端銑來完成,依切削作用發生時,切削刃的運動方向與工件運動方向相反或相同,而區分為逆銑與順銑兩種。

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  順銑為銑刀旋轉方向與工件前進方向相同,其切屑由厚轉薄,可減少機械功率的消耗、延長刀具壽命及加工面精度較高,但銑削時刀口受切削力作用較大,當工件固定不穩時會產生振動現象,另對於有硬皮的材料如鑄鐵亦不適合使用順銑,因為容易造成銑刀刃口損壞。

優點:刀口與工件摩擦小,適合銑削薄工件,機械功率損失小。

缺點:床台易產生間歇性振動,不適合切削有硬皮的鑄鐵材料,切屑由厚轉薄銑刀刃口易受衝擊而斷裂。

  逆銑為銑刀旋轉方向與工件前進方向相反,其切屑由薄轉厚,加工時銑刀刃口容易與工件表面產生擠壓及摩擦,這對刀具壽命及加工面的精度都有很大的影響,然而,因逆銑的加工方向,使床台螺桿隨時頂著螺帽可消除其間的背隙。

優點:可抑制床台的間歇性振動,適用舊式銑床,可銑削硬皮的鑄鐵黑皮面材料,銑刀刃口不易斷裂,適合重切削。

缺點:銑刀刃口與工件表面摩擦多,刀具壽命短,因旋轉方向不同,工件有被向上推移之傾向,所以夾持工件需穩固。所消耗的機械功率較大,且不適合銑削薄工件。

1.粗銑加工方法

  粗加工的區域清除,在下刀或封閉區域應該以外部圓弧進刀和斜向下刀的方式,並且儘量採取順銑的加工方向。而刀具路徑的尖角處要採用圓弧化的平順處理,這樣才能保持刀具切削負荷的穩定,以減少任何切削方向的突然變化,從而符合高速加工的需求。且儘量使用環繞加工方式而不是使用傳統的平行加工方式。在可能的情況下,切削路徑的方向應盡可能的從工件外部往內做加工。如下圖,Mastercam所使用的動態擺線加工路徑可以節省 60%的切削時間,它的主要特點是維持46°的最佳切削角度與恆定的切削進給移除率,可大幅減少刀具及機台的損耗,所以,在角落負荷大的地方就必須採用這種擺線的加工方式。

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此類型的傳統路徑演算法與新演算法之補充說明:

高速加工(HSM)切削時必須保持刀具等負載,也就是移除率要固定

Q = F X AE X AP 

(Q = 移除率 / F = 進給率(mm/分)  /  AE = 側刃徑向切削量(mm) /  AP = 軸向切削深度(mm))

為了保持切削負載的等量移除率,在保持AP不變的情況下,如果改變AE,轉角處的TEA會變大,從而增加刀具負荷。一般來說,傳統的刀具路徑會降低切削速率(F值)以保持均勻切削負荷。然而,降低切削速率意味著加工時間增加,Fz減小,平均切削屑厚度變薄。此外,由於轉速不變,刀具刃與切削材料之間的高速摩擦將產生高溫,進而降低刀具壽命。

  因此,傳統的加工路徑通常使用平行等距的步進路徑,以降低刀具負荷和保持切削均勻性。然而,現今的加工件形狀越來越多樣且複雜,傳統的演算法已無法在轉角處保持均勻的TEA。

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  隨著軟體功能的進一步開發和問題的解決,新的演算法能夠在刀具路徑運行中持續保持固定的TEA,即使在轉角處。這意味著不需要降低切削速率(F值)來保持均勻切削負荷,也不會改變每齒進給量(Fz)或平均切削屑厚度。刀具製造商山特維克(Sandvik)曾指出:「最大切屑厚度是實現高效加工過程中最重要的參數,能夠實現最佳的生產力和效率。」

  另一方面,刀具刃的F值的關係與AE和AP的關係有關。在不改變切削速率的情況下,移除率與AE和AP成反比。然而,傳統的演算法無法保持刀具在切削時固定的TEA。通常,考慮排屑因素時,會選擇較大的AE和較小的AP作為加工方式,導致刀具的利用率下降。這是因為只使用刀具刃前端的幾毫米來進行切削加工,這會增加刀具成本。

  然而,如果能夠保持固定的TEA,則切削厚度可以保持穩定,並且在相同的移除率下可以選擇較大的AP和較小的AE。這將提高刀具的利用率,同時提升加工效率並降低成本。

  總之,新的演算法能夠保持固定的TEA,這對於提高加工效率、降低成本和提升刀具利用率來說是一個最佳的方案。這種技術可以確保切削參數的穩定性,同時充分利用刀具,實現更順暢和高效的加工過程。

兩者差異的比較

一般傳統加工路徑

  • 切削負載大 > 降低進給率
  • 切層深度小 > 浪費刀具使用率
  • 震動偏擺大 > 刀刃易崩裂
  • 易產生高溫 > 降低刀具壽命
  • 切屑短肥 > 刀溝易阻塞/熔刃/破損
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動態擺線加工路徑
 
  • 切削負載小 > 高速進給切削
  • 切層深度大 > 提高刀具使用率
  • 輕切削震動 > 刀刃不易崩裂
  • 恒定切削溫度 > 延長刀具壽命
  • 切屑細長 > 刀溝不易阻塞易排屑
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補充說明

  動態擺線粗加工建議鐵材須使用鎢鋼刀具,而一般粗加工建議使用圓鼻刀做加工。假若圓鼻刀使用替換式的刀頭鎖附捨棄式刀片時須注意,因刀刃未過中心且刀頭中間有鎖附螺絲(圖一),當加工模孔口袋時,迴轉的切削量未過刀半徑,則容易造成中間螺絲的損壞,使其無法拆卸替換刀頭或如(圖二)這類的替換鎖頭式。預防方式-可定義粗加工移除的區域範圍選項功能(1.2~1.5倍)或將模孔做填補的方式。建議粗加工的預留量盡可能大於公差的5倍,因為粗加工通常較屬於重切削,而且會造成較大的刀具偏擺,容易發生加工過切之現象。

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(圖一)
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(圖二)

2. 殘料加工 

  Mastercam模型餘料粗加工,可參考任何加工工序所殘留的餘料來做多層多刀加工,不須考量刀具半徑的大小去做排刀加工。可選擇使用較小的刀具來自動判別上一工序所殘留的階梯層間與角落餘料來進行切削加工,以獲得最少走空刀的優化刀具路徑。

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補充說明通常口袋或轉角區域的殘留餘料較多,須注意夾持的刀長與預留量,以免造成偏擺過切。建議預留量與粗加工相同。

 

3./精銑加工方法

  中/精銑加工之前,需考量的是整體區域是否已預留材料修整,這點非常的重要。主要是轉角區域的殘料若沒有事先清除,加工時容易吃滿刀,造成重切削的問題發生。而且刀具的負荷也會變大,導致產生偏擺而引起過切的問題,造成角落處的加工表面品質不佳。

  通常角落區域的殘料可採用等高或多刀刀層清角加工,而平坦角落處以選用圓鼻刀的加工效果較佳,可減少清角次數。如下圖刀具路徑提供參考。

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  另外中/精銑加工的角落或進退刀連接處,應儘量選用圓弧或螺旋路徑等方式進行加工,以減少抬刀次數和減少刀具路徑頻繁方向的變化。在精加工方面應儘量採用以下加工方式。

3-1路徑轉角圓弧化 

在刀具路徑的角落尖角處應採用圓弧化的平順處理,可提高加工效率,延長刀具的壽命,減少對機台的衝擊。

平行加工圓弧化,如下圖: 

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角落-跑尖角
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角落-跑圓弧化

3-2 3D等距與螺旋加工路徑

  採用3D等距與螺旋的加工方式,可減少提刀的次數和進退刀連結的刀痕現象,進而提高加工效率與表面加工品質。

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4. 模型過切保護與刀桿夾頭干涉檢查

  在高速加工中,切削速度通常比傳統加工快得多,這使得一旦發生過切碰撞,後果可能非常嚴重。因此,CAM系統在高速加工場景下必須具備完善的自動防過切處理機制和刀桿夾頭的干涉檢查功能。

  然而,許多CAM系統通常依賴人工選擇曲面來檢查干涉,或者只提供有限的工法以滿足需求。在這種情況下,碰撞和過切問題可能很容易發生。因此,對於CAM系統在這方面的要求,需要能夠實現完全的防過切保護處理和自動刀具干涉檢查,同時還能提示最短的夾持刀具長度和支持不同類型的夾頭,而無需重新運算刀具路徑。這樣的功能可以大大節省編程時間,同時確保加工過程的安全性,這對於加工是非常重要的。

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