直纹面加工编程软件

       在我之前的文章“智能制造时代的水射流切割：第一部分柔性刀具控制系统”中，我分享了本人对柔性刀具控制系统的理解，该柔性刀具控制系统解决了刀具变形引起的几何误差问题。换言之，它处理的问题是一个切削工具本来应该有一条直线的形态，但事实上，它又不是那么直，并因此带来加工误差，柔性刀具控制系统可以控制和补偿这些误差。本文将讨论线形切割刀具加工编程的其他问题。

       我以一个例子开始这个话题。图1显示了飞机发动机叶轮部件的局部模型，该叶轮是由钛合金锻造坯料加工而成的。由于采用传统的数控机床进行所有的加工工作是极其昂贵和耗时的，一个较好的解决方案是采用水射流切割进行粗加工，然后采用传统的数控加工或电化学加工来完成零件所需的几何形状、尺寸和精度。然而，水射流是一种线形刀具，理论上，它只能切割直纹面。根据定义，直纹面是由移动的直线生成的曲面，其结果是通过曲面上的每个点可以画出一条完全位于曲面中的直线。如果你近距离观察的话，你会发现图1所示的三维模型叶片表面是自由曲面（中间叶片除外），而不是直纹面。为了使用三维CAM软件产品进行水切割加工编程，必须将叶片三维模型修改为加工面为直纹面的叶片模型（如图1中间的叶片模型）。对于一个工程师来说，要想设计出一个符合要求的直纹面叶片模型是一个巨大的挑战，该模型应该包络原始叶片，并且应该与原始叶片具有尽量小的误差，以便减少后续加工工序的加工余量。如果三维CAM软件能自动生成这种带有直纹面的包络模型，这是不是太好了？是的。我将介绍的一个三维CAM软件产品可以做到这一点。

图1飞机发动机零件的三维模型

       水射流并不是唯一的线形刀具，激光、等离子弧和线切割也属于线形刀具的一类，它们有以下共同特点：

       切削刀具有直线的形状。一个明显的例子是线切割，因为它使用钼丝作为刀具。对于水射流、激光和等离子弧切割，这个线形刀具实际上是一种具备直线形态的高能束切割刀具。

       切削过程采用轮廓成形的形式。刀具在沿着切削路径移动时在材料中产生切缝，刀具本身的材料去除量小，但由切割轮廓形成的材料去除量可以非常大，加工效率可以非常高。

       切削刀具必须穿过工件，不能在深度方向做进给加工，不能做沉孔加工。

       切割通常是一次性进给加工，不像铣削加工通常需要多次进给，线形刀具通常无法通过多次进给加工改变工件的切削     质量和精度，所以如何能够在单次切割加工中获得想要的切削质量和精度显得尤为重要。

       在工件轮廓的入口和出口处引入和引出切割是必要的。在切割轮廓之前，刀具需要穿透工件。穿透操作可以使用切割工具本身（如所有高能束切割过程）或使用不同的穿透工具（如电火花线切割）。穿透操作产生的孔通常比线形刀具本身的直径大，因此不能在加工路径上穿孔，穿孔通常放置在零件外部靠近切削路径的地方，然后刀具从穿透孔导入轮廓。切出与切入正好相反。

       刀具是柔性的，在切割过程中会变形，与刚性刀具（如铣刀）不一样。所有高能束切割刀具在工件底部都会向后弯曲，切缝通常有锥度（比如，切缝宽度随深度而减小）。电火花线切割中的钼丝在工件厚度的中间位置向后弯曲成弓形。柔性刀具的变形会造成工件的各种几何误差。

      主流的三维CAM软件产品主要关注传统的数控加工，特别是铣削和车削，很少关注上述线形刀具。因此，如果使用三维CAM软件的主流产品做线形刀具的加工编程，就会发现这些三维CAM产品无法获得预期的效果。当零件的三维模型包含非直纹面时，这些三维CAM产品缺乏自动构建替代直纹面的解决方案，对于柔性刀具变形所引起的问题，这些三维CAM产品就更是束手无策了，它们对于传统的数控加工可能有许多强大的功能特点，比如，无规则形状多次进给的空间加工轨迹的规划和优化，但这些功能特点对线形刀具可能毫无用处，甚至成为一种额外成本的负担。

       本文所介绍的三维CAM软件产品是专门为线形刀具和柔性刀具设计的，它不仅解决了上述问题，并提供了更多有实用意义的功能特点。

       让我们看看当零件的三维模型包含非直纹面时，它是如何解决加工编程问题的。软件会根据直纹面的标准自动检查加工曲面，如果不符合标准，软件将自动生成替代直纹面并将其构建到切割程序中，用户还可以检查生成的直纹面和原始曲面之间的误差。对于图1所示的发动机叶片，图2显示了该三维CAM软件自动生成的两个包夹住叶片的直纹面（黄色），直纹面和原始曲面之间的误差分布如图3所示。

图2自动生成的替代直纹面（黄色）

图3直纹面与原始曲面之间的误差分布图

       直纹面切割的另一个例子是图4所示的俗称“天圆地方”的零件，该三维CAM软件成功地生成了该零件的直纹面（黄色）加工程序。

图4切割“天圆地方”零件的直纹面加工程序

       由于线形刀具需要切入/切出，该软件自动添加切入/切出功能，并自动生成完整的三维切割路径。在切割路径中，内部轮廓安排在外部轮廓之前切割，以便在切割程序完成之前避免零件处于不固定的情况。切割路径与零件表面保持一个固定的偏移距离（例如，刀具半径），以便零件尺寸不受刀具直径的影响。这个完整的三维切割路径由快进线、切入/切出操作和所有切割加工面组成，如图5所示。

图5自动生成的切割路径

       该软件允许设置线形刀具在整个切割路径上始终垂直于零件上表面，例如，设置线形刀具（用红色箭头表示）垂直于圆柱面，在圆管表面切割五角星图形（图6），还允许设置线形刀具始终平行于某一矢量方向，例如，设置线形刀具（用红色箭头表示）始终平行于圆管接头的相贯轴线（蓝色），用于切割加工图7中圆形通孔。

图6在圆管上切下的五角星

图7在管接头上切割相贯圆形通孔

       在某些情况下，加工零件的复杂性需要多次切割来达到工件的几何形状和尺寸要求。例如，图8所示的零件有这些不规则的孔，在孔的一侧，切削表面由上加工面和下加工面组成，多次加工的解决方案是：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，如图8右侧的示意图所示。该软件使这种多次切割编程变得简单易行。

图8加工这个不规则的孔需要多次切割

       为了进一步简化编程，图8所示的单个孔的多次切割程序可以自动复制到整个零件的圆形阵列，免除用户重复操作，当然，该软件也允许对切割程序进行线性阵列复制，如图9所示。

图9可以将切割程序复制成线性阵列

       此软件允许用户为每个切割表面指定特定的质量级别（例如，水切割采用切割质量从低到高的1到5级），然后软件自动根据工件材料、质量级别和射流参数等工艺数据，利用配套软件中的切削模型，计算出最佳切割速度和补偿角（用于修正锥度和其他几何误差），然后将最佳切割速度和补偿角度编程到最终的五轴机床数控加工程序中。

       编程完成后，可以在软件中预演该程序，以检查准确性和可能发生的碰撞，如有必要，可以修改程序。切割前，程序应在不打开切割刀具（如水切割喷嘴）的情况下在机器上进行物理预演。由于实际工件与三维模型有细节的差异，所以切割程序常常需要进行一些微调。该软件提供了简单方便的工具，可以对切削轨迹上一系列编程加工点以及线形刀具角度甚至加工速度进行批量调整。下面是这个工具一个实际应用的案例。在图1中，我们可以看到叶片上沿低于材料毛坯的顶面，如果在叶片或所生成的替代直纹面上进行编程，切割刀具将会与材料毛坯的顶面碰撞。使用该软件工具将切割路径上的所有点沿着直纹面母线延伸至与材料毛坯的顶面对齐（见图10），这个问题就可以解决了。这个对加工刀具路径做批量调整的功能对机器人离线加工编程尤为重要。

图10切割路径上的所有点延伸到与材料毛坯的顶面对齐

       该直纹面切割软件的应用范围在不断扩大，软件产品也在不断开发和改进之中。该软件最初是为三维水射流切割而开发的，但它稍加开发，也可以用于其他线形刀具（激光、等离子弧、线切割等）的切割加工。

       本文讨论了用线形刀具进行直纹面切割的问题，所介绍的三维CAM软件产品可以对非直纹面的加工面自动生成替代直纹面，可以自动生成线性刀具切割轮廓时所需的切入切出并对整个切割路径进行自动规划和优化，可以设置线性刀具垂直于工件上表面或平行于某一直线，可以对工件进行变角度多次切割，可以把局部加工程序进行圆形或线性阵列复制，可以对不同加工表面设置不同质量等级，可以在加工路径各处自动配置最佳切割速度和线性刀具补偿角（用于修正锥度和其他几何误差）并编程到最终的五轴机床数控加工程序中，可以对加工程序进行仿真预演和碰撞检测，可以对加工轨迹上线形刀具位置和角度甚至加工速度进行批量调整。

       由于作者的局限性，读者对本文有疑问在所难免，这里介绍的三维CAM软件也不是一个全能的解决方案，作者希望更多的人对这个话题感兴趣，并希望能听到他们的观点和见解。作者真诚地欢迎反馈、更正和讨论，本人的邮箱地址是：zengjiyue@lionstek.com。