拓宽CAM应用于桶式刀具

支持替代刀具几何形状（例如锥形筒形刀具）的CAM刀具路径方法可以显着减少模具制造应用中的加工时间。图片由Open Mind Technologies USA提供。

图。1 - 传统筒式切割机几何结构的示意图突出显示了切线桶式切割机的侧面轮廓。大的扫掠半径的小弧段使得刀具与工件表面的相互作用模仿非常大的球头立铣刀的相互作用。

图。2 - 锥形筒形铣刀可以节省加工时间并提高刀具寿命，降低整体加工成本。

图。3 - 由锥形桶形切割机除去的材料的包络线允许到下一次通过的非常大的步进距离，同时仍然产生精细的表面光洁度。

图。4 - 锥形筒形切割器设计具有有效的切割表面，对于侧切割倾斜10或20度，或对于底切割倾斜多达70度。

圆筒切割机已有20多年的历史，并提供强大的加工效益，但其应用主要局限于特殊解决方案（例如，螺杆机的侧面，轴向压缩机叶片的刀片或特殊形式的刀具以匹配工件的几何形状）。主要的罪魁祸首是缺乏CAM编程概念。只有有限数量的CAM软件产品支持这些类型的工具，所以很少有商店利用它们。市场的另一个障碍是桶式切割机通常被定制到每个单独的订单，而特殊订单切割机意味着延长的交货时间，限制了商业可行性。

CAM软件的最新发展扩大了桶式切割机的应用范围，但是一些制造商现在能够快速生产这些工具，在某些情况下将其作为目录项提供。为了充分了解这些发展的重要性，商店首先需要桶式刀具的基础和他们的经济。

切割机101

圆筒切割机是一种带有特殊磨削刀刃的整体硬质合金立铣刀。其总尺寸类似于通常可用的球头铣刀和镗刀，因此可以由切削刀具制造商从现有库存中进行磨削。桶形刀具的独特特征可以在其侧面轮廓中看到，其示出了大的扫掠半径的小弧段（参见图1）。这导致刀具与工件表面的相互作用模仿非常大的球头立铣刀的相互作用。

然而，筒式切割机的成本比标准球式或滚珠式切割机的制造成本高，因此一些客户可能质疑如何增加切割机成本是一种工艺改进。答案是，圆筒切割机可以节省加工时间并提高刀具寿命，这意味着整个过程的成本降低（见图2）。

然而，筒形铣刀对CAM软件编程更具挑战性。因为切割器的轮廓不是类似于球头立铣刀的半球，所以软件必须控制在有限弧段内的筒和工件之间的接触点，以及从中心点开始的圆的中心点，桶表面。然后，加工指令中的编程点沿着刀具中心线，这通常是刀尖位置。这种计算比球头立铣刀更复杂，但它仍然受几何数学的控制。圆筒切割机的控制也必须用碰撞检测和回避的方案来管理。

在切割表面上具有大半径的好处是，由切割器移除的材料的包络允许到下一遍的非常大的步进距离，同时仍然获得精细的表面光洁度（见图3）。具有大步进距离的刀具路径大大减少了总切削时间。刀具移动的距离越小（由于步长越大），也意味着刀具寿命和成本在许多部件上摊销。

桶形刀具还可以具有在其底部磨削的球端。同样，根据CAM软件中可用的控制，通过使用桶侧用于大表面，同时使用球端用于诸如角落中的休息加工或详细描述有机特征的操作，可以增加切割器寿命。基本上，刀具可以有两个寿命，进一步提高其经济性。

难以测量但是不能忽视的桶形刀具的益处是减少加工时间。除了使用新型切割器和相关联的编程技术的直接结果在单个机器上节省的时间外，桶形刀具还使得车间能够使用更少的铣床来满足其铣削生产需求，这导致资本成本降低，电耗降低并可能需要更小的占地面积。然而，这些益处不是相对于切割器的成本计算容易。

粗加工到完成

在过去五到十年，CAM软件的一个主要发展是先进的粗加工技术，专注于刀具接合或切割量。这些技术使用比传统的折叠袋方法更复杂的算法，其减少了用于进入或角落切割的严重切割条件的影响。结果是粗加工时间缩短了40％至75％，从而缩短了加工周期时间。然而，这些粗加工技术夸大了精加工切割的相对时间，因此临界焦点随后变得减少精切削时间。

例如，考虑需要高精度的模具部件，特别是在配合表面方面。有机表面通常必须用球头铣刀精加工，但是对于锁模表面，尤其是在较大的模具中，切屑切割不是一个明显的解决方案呢？是否可以在这些表面上使用圆筒刀具来大幅缩短加工时间？答案是肯定的！

传统的桶形刀具几何形状（无论是一般的桶形刀具还是切线的桶形刀具）限制了其成功加工高平面的能力，而没有刀架或主轴妨碍，或者需要超长刀具。传统工具设计的变化，由编程软件的发展驱动，已经解决了这个问题，现在使一些桶形刀具能够实现平面加工时间减少多达90％。在模具制造中，锥形筒形切割器可用于大平面表面或规则表面，例如在模具锁几何形状和分型面中找到的表面。

锥形筒形切割器设计中的区别在于有效切割表面不是精确地垂直于切割器轴线。相反，切割器对于侧切割倾斜10或20度，或对于底切割倾斜多达70度（参见图4）。切割器看起来类似于蜡笔尖，但在侧面具有大半径而不是线段轮廓。对桶形刀具几何形状的这种简单但显着的添加允许刀具，夹持器和主轴从被加工的表面倾斜离开。这使得可以在以前不可能的区域中利用极大的步距。

例如，对于一些切割器几何形状，筒半径可以大至1000mm，并且步进距离可以是6mm。筒形切割器的大半径和锥形端铣刀之间的差别是感觉不到的。在该示例中，偏差为0.005mm。然而，尽管几何相似，但是锥形筒形刀具的行为与锥形刀具的具有多个步骤的切屑铣削不同。

使用锥形筒形刀具有几个优点：

•锥角使刀具轴，刀架和主轴远离工件切割表面。这允许使用比较长的刀具更便宜的较短的刀具，并提供增加的刚度和制造技术参数。

•刀具进行单点接触，而不是锥形刀具段，当刀具接触大于切削距离时，刀具会产生轮廓接触并导致偏转和双切割情况。锥形筒形切割机的连续通过之间的混合比利用切割器的侧面的条带切割更好。

•与可用于加工模具锁定表面的端面铣刀的底部表面相比，热膨胀/主轴增长对锥形圆筒刀具的影响有限。刀具长度的偏差对机筒表面位置和机加工零件的影响可以忽略不计。

锥形筒形切割器不能总是完成的一个加工任务是完全切割到角部或相邻的部件表面。在这些情况下，筒形切割器上的球端必须用于减少剩余材料的量和用于静态加工。这可以导致五轴同时解决方案或在某些情况下3 + 2分度铣削。因此，通过完全混合可以实现总体解决方案。

为了使模具制造商切实可行，必须高效地使用锥形桶式切割机进行CAM软件计算。由于可用程序具有很强的数学特性，并且需要计算更少的刀具路径，因此可以快速进行这些计算。为了产生良好的刀具路径，计算过程必须考虑剩余材料; 碰撞检测; 点间距; 平滑方法; 和用于过渡，进给和切削移动的进给速率控制。考虑到这些项目，编程可以像选择目标表面一样简单，并且定义切割器尺寸和步距离。

最后，使用新刀具几何形状的CAM刀具路径策略的多学科创新可能对模具制造应用中的加工时间产生巨大影响。