CAM 的意思是計(jì)算機(jī)輔助制造，也就是使用這樣的“軟件”，配合上好的機(jī)床和刀具系統(tǒng)，高速和高效地加工出合適的零件。使用好 CAM 實(shí)際上比使用好所謂 CAD (計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))在對于人的素質(zhì)方面會要求更高。使用 CAD 的軟件時(shí)只要有一臺個(gè)人電腦就行，而對于 CAM 來說，操作者不但需要具備電腦知識而且需要具備工藝知識、加工經(jīng)驗(yàn)，了解加工母機(jī)的性能、了解裝夾零件的要求、了解測量和檢測、了解刀具性能 … 對于 CAD 系統(tǒng)來說，一旦設(shè)計(jì)錯(cuò)誤(指的是尚未提交加工制造前)，可以完全推倒重來或進(jìn)行某些局部的修改和調(diào)整，損失的只是時(shí)間;對于 CAM 來說，如果在加工時(shí)一旦發(fā)生錯(cuò)誤，損失的不僅僅是時(shí)間，還會有毛坯的報(bào)廢、刀具系統(tǒng)甚至是機(jī)床母機(jī)的損壞。一個(gè)真正意義上的好的 CAM 軟件，不但需要從計(jì)算機(jī)應(yīng)用角度上的“易學(xué)易用”、從生產(chǎn)加工工藝要求角度上的“多種加工策略”，還要有從安全角度上具備各種“碰撞干涉和預(yù)測檢查”功能，使尚未開始進(jìn)行一個(gè)零件加工走刀時(shí)，整個(gè)“加工系統(tǒng)” - 這里包括機(jī)床、刀具、裝夾、加工刀路、毛坯、檢測裝置等 - 處于完全“一致”的狀態(tài)，這樣才能保證加工出來的零件符合要求。

　　機(jī)械 CAM 方面的軟件涉及了加工制造的方方面面，從工作母機(jī)上分，有車銑刨磨到電火花、激光加工等;從加工類型上分，有成品零件加工和模具加工等;從工藝上分，有粗、半精和精加工等。一個(gè) CAM 的軟件絕對不能涵蓋以上所有的要求。在下面，筆者希望通過從“高速加工對 CAM 軟件的要求”這個(gè)角度出發(fā)，探討一下一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)控編程 CAM 系統(tǒng)是應(yīng)該如何“匹配”高速機(jī)床以及刀具系統(tǒng)的功能，使其能“最大限度地發(fā)揮”加工效能的。也就是“如何選擇最好的(高速銑加工) CAM 軟件”。

　　“高速加工”的定義：

　　• 高速加工并不是使用更高的主軸轉(zhuǎn)速和更快的機(jī)床進(jìn)給來加工原來的刀路;

　　• 高速加工是小切削恒定負(fù)荷，快速走刀;

　　• 高速加工是充分發(fā)揮高速機(jī)床和刀具的切削效率;

　　其次從高速加工的特征上來分析：

　　• 高速加工需要使用非常高的刀尖切削線速率，主要來自主軸轉(zhuǎn)速和刀具尺寸;

　　• 高速加工需要更多的加工工序，即每次切削的深度都相對的淺，

　　• 高速加工可直接加工淬火材料;

　　• 高速加工需要恒定的機(jī)床負(fù)載 / 恒定的材料去除率;

　　• 高速加工時(shí)應(yīng)避免尖角運(yùn)動(dòng);

　　再從加工工序上比較傳統(tǒng)的方法：

　　以加工模具為例，高速加工一般只需要 5 道工序，即毛坯淬火處理、粗加工、精加工、超精加工和局部拋光;而傳統(tǒng)加工則需要 8 道以上的工序，即毛坯退火、粗加工、半精加工、淬火處理、電極加工、電加工、局部精加工和人工拋光。就僅僅以精加工而言，盡管采取了非常小的切深，高速加工時(shí)材料去除的速度應(yīng)為傳統(tǒng)加工的 4 倍以上，這樣提高了加工的速度，并且省去了鉗工手工打磨的時(shí)間，且工件表面加工質(zhì)量的提高還省掉了修光和點(diǎn)火花等工序的時(shí)間。

　　我們從另一個(gè)角度來看看哪些因素會影響高速加工。首先是高速加工的“載體” - 機(jī)床。高速機(jī)床加工的效果主要取決于機(jī)床自身的加工性能，包括機(jī)床的剛性、平衡性和內(nèi)在精度。針對不同的加工要求，要適當(dāng)?shù)剡x擇機(jī)床加工場地的大小、具有高速及預(yù)處理能力(向前看)的數(shù)控系統(tǒng)、保證低速的高扭矩和高速的切削力的機(jī)床主軸、座標(biāo)軸的驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)軌設(shè)計(jì)、冷卻處理技術(shù)和精密位置測量技術(shù)等，還要根據(jù)被加工工件的體積、硬度、幾何形狀以及排屑量等情況，適當(dāng)選擇加工軸的數(shù)量，使加工過程中機(jī)床一直保持著優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。即使在同一個(gè)車間里，加工一個(gè)零件所需的機(jī)床軸數(shù)相同，也仍要根據(jù)不同的需要選擇相應(yīng)的機(jī)床進(jìn)行加工。

　　對于高速加工時(shí)刀具的選擇上也大有文章所做。一般來說，刀具以及刀夾的加速度都要達(dá)到 3G 以上，刀具的徑向跳動(dòng)要小于 0.015 毫米，而刀的長度不能大于 4 倍的刀具直徑。根據(jù)著名的瑞典刀具供應(yīng)商 SANDIVK 公司的實(shí)際統(tǒng)計(jì)，在使用碳氮化鈦涂層的整體硬質(zhì)合金立銑刀( 58 HRC )進(jìn)行高速加工銑時(shí)，粗加工時(shí)的刀具線速度為約每分鐘 100 米，而精加工和超精加工時(shí)，其線速度超過了每分鐘 280 米。這樣對刀具的材料(包括硬度、韌性、紅硬性(高溫狀態(tài)下保持切削性能))，刀具的形狀(包括排屑性能、表面精度、動(dòng)平衡性等)以及刀具壽命都有很高的要求。

　　有了“高技術(shù)”的機(jī)床(高主軸轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給率)和高速刀具系統(tǒng)，人們就要更加關(guān)注高速加工時(shí)使用的加工方法或工藝，來保證零件加工表面質(zhì)量和減少加工時(shí)間。例如對自由曲面的加工，要保證盡可能長時(shí)間地連續(xù)運(yùn)動(dòng)，以便在整個(gè)軌跡上進(jìn)行高速加工;對于平坦面零件的銑加工，需要有專用粗 / 精加工策略，能夠完成從毛坯外進(jìn)刀并使用坐標(biāo)面來保證 5 軸加工面的定位;對于航空工業(yè)中對鋁合金類薄壁零件的加工，需要充分考慮小切深且切削力比較小，這樣，工件在加工中才不會變形，還有較高的切削效率等等。

　　高速加工有著與傳統(tǒng)加工不一樣的工藝要求。數(shù)控加工的指令應(yīng)該包含了所有的工藝過程，因此，用于高速加工的 CAM 數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)需要有其特殊的功能考慮。那么一個(gè)這樣的優(yōu)秀編程系統(tǒng)是應(yīng)該如何“滿足”和“配合”機(jī)床以及刀具系統(tǒng)，按照高速加工的“工藝規(guī)律”，來最大化地完成加工任務(wù)呢?筆者有以下幾點(diǎn)粗淺的認(rèn)識。

　　1. CAM 系統(tǒng)應(yīng)該具有高計(jì)算量的編程速度：

　　高速加工中采用極小的進(jìn)給量和切深，單步量大，故數(shù)控程序比傳統(tǒng)的程序要大得多，沒有很高的運(yùn)算處理能力是無法配合機(jī)床運(yùn)動(dòng)以及數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行速度的?？斓木幊趟俣仁共僮魅藛T能夠?qū)Χ喾N加工策略進(jìn)行比較，采取適當(dāng)?shù)墓に嚪椒?，對刀具軌跡進(jìn)行編輯、調(diào)整和優(yōu)化，以達(dá)到最佳的加工效率。

　　2. CAM 系統(tǒng)應(yīng)該具有全程自動(dòng)防過切處理能力及自動(dòng)刀具干涉檢查：

　　超過傳統(tǒng)加工 10 倍以上切削速度的高速加工，如果發(fā)生過切，則后果不堪設(shè)想。所以一個(gè) CAM 系統(tǒng)必須具有全程自動(dòng)防過切處理能力。傳統(tǒng)的 CAM 系統(tǒng)只對局部的加工編程時(shí)，沒有考慮整個(gè)工件的情況，這樣極其容易發(fā)生過切現(xiàn)象。當(dāng)過切發(fā)生時(shí)，只是靠人工的選擇干預(yù)的方法來防止，很難保證全局防護(hù)的安全性。另外，高速加工的重要特征之一是能夠使用較小直徑的刀具來加工零件的細(xì)部結(jié)構(gòu)， CAM 系統(tǒng)必須能夠自動(dòng)地提示最短刀具系統(tǒng)(含刀頭、刀柄和刀夾)的長度，自動(dòng)進(jìn)行刀具干涉檢查。

　　3. CAM 系統(tǒng)應(yīng)該具有進(jìn)給率優(yōu)化處理功能：

　　為了能夠確保最大的切削效率又要保證在高速切削時(shí)加工的安全性， CAM 系統(tǒng)必須有能夠根據(jù)加工時(shí)余量的大小，自動(dòng)調(diào)整進(jìn)給率，保證加工刀具受力狀態(tài)的平穩(wěn)性。

　　4. CAM 系統(tǒng)應(yīng)該具有豐富的符合高速加工要求的加工策略：

　　相比傳統(tǒng)加工方式，高速加工對工藝走刀方式有其特殊的機(jī)能要求，因而要求相配備的 CAM 系統(tǒng)能夠滿足這些要求。

　　1) 應(yīng)避免走刀時(shí)刀具軌跡的突然變化，保持加工過程中刀具軌跡的平穩(wěn)和連續(xù)性，避免突然的加速或減速，導(dǎo)致因局部過切而造成刀具和設(shè)備的損壞;

　　2) 下刀或刀行間過渡部分采用斜式下刀或圓弧下刀，避免直上直下下刀。當(dāng) 刀具與被加工曲面成 90 o時(shí)，意味著刀具的刃口只有很少一部分在工作，這樣，刀具的使用壽命大大縮短了。同時(shí)，在給定轉(zhuǎn)速下時(shí)，刀具的刀尖相比全刀寬切削時(shí)移動(dòng)較短的距離，導(dǎo)致材料去除率也降低;

　　3) 行切的端點(diǎn)采用圓弧連接，避免直線連接;

　　4) 除非必須使用，應(yīng)盡量避免全刀寬切削;

　　5) 殘余量加工或清跟加工時(shí)，應(yīng)采用多次加工或采用系列刀具從大到小分次加工，避免用小刀一次加工完成;

　　6) 為了避免多余的空刀造成重復(fù)計(jì)算，對 CAM 系統(tǒng)的刀具軌跡編輯優(yōu)化功能要求很高，通過這些功能對刀具軌跡進(jìn)行鏡像、復(fù)制、旋轉(zhuǎn)等操作，還可以精確裁減空刀數(shù)量以提高效率。此外，還可以對零件的局部變化進(jìn)行編程和計(jì)算，無須每一次都對整個(gè)模型重新編程。

　　5. CAM 系統(tǒng)應(yīng)該具有嶄新的編程方式：

　　雖然采用高速加工設(shè)備后，對編程人員的需求量增加，但是 CAM 系統(tǒng)的使用將是越來越簡單和方便化，應(yīng)更貼近于車間加工操作人員，而不是更多地依靠技術(shù)工程師坐在設(shè)計(jì)中心的大樓里編寫“理論”程序。隨著 CAM 技術(shù)智能化水平提高，出現(xiàn)了新一代獨(dú)立運(yùn)行的 CAM 專業(yè)系統(tǒng)，面向?qū)ο笫菍?shí)體加工方式而非傳統(tǒng)的曲面局部加工方式，編程人員只需輸入加工工藝就可以完成自動(dòng)化的編程操作，程序編制的復(fù)雜程度與零件的復(fù)雜程度無關(guān)，只與加工工藝有關(guān)，故非常易于掌握和學(xué)習(xí)。

　　英國 Delcam 公司是全球著名的 CAD/CAM 軟件產(chǎn)品的開發(fā)商和供應(yīng)商，它旗下的數(shù)控編程系統(tǒng) PowerMILL 是眾所周知的獨(dú)立運(yùn)行的 CAM 軟件，除了可以完全無縫連接地接受 Delcam 公司的 CAD 系統(tǒng)( PowerSHAPE )的數(shù)據(jù)以外，它還可以利用 Delcam Exchange ( Delcam 公司的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件)，或通過 IGES 、 VDA 、 STL 和多種不同的專業(yè)直接接口接受來自任何 CAD 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。 PowerMILL 功能強(qiáng)大、易學(xué)易用，可以快速準(zhǔn)確地產(chǎn)生能最大限度發(fā)揮 CNC 高速加工機(jī)床生產(chǎn)效率的、無過切的粗加工和精加工刀具路徑，確保生產(chǎn)出高質(zhì)量的零件和產(chǎn)品。由于篇幅的關(guān)系，在這里無法完整地?cái)⑹?PowerMILL 的各種功能，本文只是從加工工藝的角度出發(fā)，簡單列舉幾個(gè) PowerMILL 所具備的高速加工工藝策略，看看它是如何保證最大化發(fā)揮機(jī)床、刀具和數(shù)控系統(tǒng)功能和加工效率的。

　　1. 高效區(qū)域加工策略：

　　PowerMILL 的這種加工方法的基本點(diǎn)是盡可能地保證刀具負(fù)荷的穩(wěn)定，盡量減少切削方向的突然變化。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)， PowerMILL 在區(qū)域清除加工中用偏置加工策略取代了傳統(tǒng)的平行加工策略。

　　2. 賽車線加工：

　　這是 Delcam 擁有專利權(quán)的加工策略。在此策略中，隨刀具路徑切離主形體，初加工刀路將變得越來越平滑，這樣可以避免道路突然轉(zhuǎn)向，從而降低機(jī)床負(fù)荷，減少刀具磨損，實(shí)現(xiàn)高速加工。

　　3. 擺線加工：

　　這是 PowerMILL 的另一種全新的加工方式。這種加工方式以圓形移動(dòng)方式沿指定路徑運(yùn)動(dòng)，逐漸切除毛坯中的材料，從而避免刀具的全刀寬切削。這種方法可以自動(dòng)調(diào)整刀具路徑，以保證安全有效的加工。

　　4. 自動(dòng)擺線加工：

　　它組合了偏置加工策略和擺線加工策略。在需要切削大量材料的地方自動(dòng)使用擺線加工策略，而在其它情況下使用偏置加工策略，避免了使用傳統(tǒng)偏置加工策略中可能出現(xiàn)的高切削負(fù)荷。

　　5. 殘留粗加工：

　　PowerMILL 引入了殘留模型的概念，可以極大地加快計(jì)算速度，提高加工精度并確保每把刀具都能進(jìn)行最高效率的切削。這種方法尤其適用于需要使用多把尺寸減少的刀具進(jìn)行切削的零件。

　　6. 高速精加工：

　　PowerMILL 提供了諸如三維偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略，這些加工策略可以保證切削過程光順、穩(wěn)定，確保能快速切除工件上的材料，得到高精度、光滑的切削表面。

　　7. 變余量加工：

　　PowerMILL 提供的這種加工策略可以分別為加工工件設(shè)置軸向余量和徑向余量，尤其適用于類似平底型腔零件這樣具有垂直角的工件。在航空工業(yè)中加工這類零件時(shí)，通常使用初加工策略加工出型腔底部，留下垂直的薄壁供后續(xù)工序加工。

　　8. 側(cè)刃( SWARF )加工：

　　這種技術(shù)使用刀具的側(cè)刃而不使用刀尖進(jìn)行加工，因此可以得到更加光滑的加工表面。它廣泛地應(yīng)用在復(fù)合零件和鈑金零件的精加工上，也可以用在加工航空航天工業(yè)的復(fù)雜的型腔零件。

　　除了以上各種高速加工策略以外， PowerMILL 還支持諸如固定 5 軸和連續(xù) 5 軸高速加工方法，包括曲面投影加工、驅(qū)動(dòng)曲面加工、銑槽加工、多軸鉆孔等。在最大發(fā)揮刀具性能的要求下，提供刀具路徑的修園功能、刀具路徑編輯、刀具夾持碰撞檢查等加工方法，支持包括球頭刀、端銑刀、鍵端銑刀、錐度端銑刀、圓角偏心端銑刀和刀尖圓角端銑刀在內(nèi)的全部刀具類型。使用刀尖圓角端銑刀還可以加工倒勾型面。